Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

laserul

No description
by

Anca Cheregi

on 4 January 2013

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of laserul

Laserul Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației), denumire construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar, funcționând în domeniul microundelor. Scurt istoric Principiile de funcționare ale laserului au fost enunțate în 1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecințelor legii radiației a lui Max Planck și introducerea conceptelor de emisie spontană și emisie stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al doilea război mondial. În 1953 fizicianul american Charles Townes și, independent, Nikolai Basov și Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietică au reușit să producă primul maser, un dispozitiv asemănător cu laserul, dar care emite microunde în loc de radiație laser, rezultat pentru care cei trei au fost răsplătiți cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964. Primul laser funcțional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 și avea ca mediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash.
Primul laser cu gaz a fost construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu și neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroșul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm. România a fost a patra țară din lume în care s-au realizat laseri, în urma unor cercetări întreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat în 1961. Primul laser romanesc laserul lui Agarbiceanu Aplicatii ale laserului Monocromaticitatea Monocromatismul laserului este determinat de emiterea de catre acesta a unui fascicul luminos de o singura lungime de unda.

Aceasta proprietate a laserilor este utila in clinica neoplasmului tegumentar deoarece cromoforii cutanati absorb selectiv anumite lungimi de unda. Lungimea de unda specifica luminii laserului afecteaza, de asemenea, profunzimea penetrarii acestuia in tesut.In general, profunzimea penetrarii laserului creste o data cu cresterea lungimii de unda din cadrul spectrului vizibil. Coerenta
Coerenta este a doua proprietate unica a laserului, acest fapt aratand ca undele luminoase sunt in faza atat in timp, cat si in spatiu. Natura coerenta a luminii laserului este datorata procesului de emisie stimulata. Cand lumina este emisa de un laser, este emisa in aceeasi directie si in aceeasi faza. Directionalitatea Stralucirea Aplicatiile laserului sunt ingradite numai de imaginatie. Laserele au devenit instrumente importante in industrie, stiinta, comunicatii, medicina, armata si arte.
Cateva dintre domeniile care utilizeaza lasere sunt:
Metrologie
Holografie
Geologie, seismologie și fizica atmosferei
Spectroscopie
Fotochimie
Fuziune nucleară
Microscopie
Aplicații militare
Medicină
Industrie și comerț
Comunicații prin fibră optică
Înregistrarea și redarea CD-urilor și DVD-urilor Amplificarea procesului intr-o cavitate laser produce o densitate energetica crescuta. Energia si puterea cuantifica cantitatea de lumina emisa de un laser.Energia masurata in Joule reprezinta lucrul mecanic, in timp ce puterea reprezinta rata la care energia este consumata. Fluenta se refera la densitatea de energie a fasciculului laser masurat in J/cm2. Iradierea reprezinta densitatea de puterea a fasciculului laser, care este egala cu puterea fasciculului laser raportata la aria fasciculului, ceea ce reprezinta marimea spotului. Prin manipularea fluentei, iradierii si a timpului de expunere, se poate utiliza laserul in diferite patologii. Medicina - In dermatologie, laserul serveste la distrugerea unor tumori cutanate si a petelor pigmentate.
- In gastroenterologie, el este utilizat pentru a pulveriza calculii canalului coledoc, pentru deschiderea unei treceri care sa restabileasca circuitul digestiv in tumorile evoluateale esofagului ale rectului.
- In ginecologie, el este folosit mai ales pentru a distruge leziunile precanceroase alecolului uterin.
- In neurologie el permite distrugerea unor leziuni tumorale. Tipuri de laser Clasificarea se poate face după natura mediului activ (solid, lichid, gazos)
puterea emisă
domeniul de lungimi de undă al radiaţiei emise;
modul de funcţionare (continuă sau în impulsuri). Lasere solide Cele mai obinuite lasere solide au ca mediu rubinul, cristale sau sticle de neodim (Metal de culoare argintie, ai cărui compuşi sunt întrebuinţaţi în industria sticlei ). Marginile bucăilor de cristale sunt fabricate din două suprafee paralele acoperite cu o peliculă neferoasă extrem dereflectorizantă. Laserele solide oferă cea mai mare putere si sunt utilizate în mod normal într-o manieră pulsată pentru a genera o explozie de lumină de scurtă durată. Absorbtia este realizată cu lumină din tuburi de xenon sau lămpi cu arc.

Sunt folosite la prelucrarea materialelor (găurit, tăiat, sudură, ajustare), studierea fuziunii nucleare, lasershow-uri, armament, spectroscopie si multe altele. - In oftalmologie laserul este utilizat mai intai de toate in prevenirea dezlipirii de retina,pentru a face sa adere retina si membranele subiacente la nivelul rupturilor sau leziunilor degenerative ale retinei; apoi, pentru distrugerea micilor leziuni retiniene; in sfarsit,pentru fotocoagularea microanevrismelor retiniene consecutive diabetului.
- In otorinolaringologie, laserul permite tratarea unor leziuni ale corzilor vocale si ale laringelui.
- In pneumologie, laserul permite distrugerea tumorilor care obstrueaza bronhiile stanjenind respiratia; el mai da posibilitatea tratarii obstacolelor netumorale ca ingustarile consecutive unei cicatrice ramase dupa intubare sau traheotomie; in caz de tumora maligna, laserul poate servi la ameliorarea confortului respirator al bolnavului. Noi indicatii sunt actualmente in studiu: distrugerea placilor de aterom de pe pereti iarteriali, ale tumorilor prostatei etc.
Intervenţiile chirurgicale efectuate cu „bisturiul laser” traumatizează mai puţin ţesuturile vii. În plus, radiaţia laser de mică putere grăbeşte cicatrizarea rănilor şi exercită o influenţă asemenea acupuncturii. Laserul cu rubin (oxid de aluminiu careconine mici cantităi de ioni de crom) este alcătuit, în principal, dintr-un cristal cilindric de rubin care are lungimea de câtiva centimetri si diametrul de câtiva milimetri, din două oglinzi paralele, argintate sau aurite si un tub de descărcare, în formă de spirală, umplut cu un gaz nobil si conectat la un condensator de mare capacitate.

Cele două oglinzi plane si paralele, bine slefuite, sunt argintate sau aurite în asfel încât una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă partial transparentă, ca să poată permite razelor laser să părăsească instalatia. Ele sunt aezate la capetele cilindrului de rubin, uneori se metalizează chiar capetele cilindrului. Tubul de descărcare, înformă de spirală, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon si cripton este conectat la un condensator si functionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descărcare emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumină obisnuită, dar intensă, care provoaca inversiunea populaiilor în cristalul de rubin.
Razele puternice ale laserelor pot fi orientate pe mici puncte, având o densitate ridicată a puterii. Astfel, razele pot încălzi, topi sau vaporiza materialul într-o maniera precisă. Laserele au fost folosite, de exemplu, pentru a găuri diamante, pentru a slefui metale, în construcia chip-urilor si în încercarea de a induce fusiunea nucleară controlată. Laserele sunt folosite în monitorizarea particulelor foarte mici, fiind si cele mai fine detectoare ale poluării aerului. Laserele au fost folosite în determinarea precisă a distanei Pământ-Lună in în testele de relativitate. Industrie Exemplu de laser solid - Laserul cu rubin Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele i laserul cu sticlă dopată cu neodim lucreză în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii cuprinse între 0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitatea de milioane de waţi pe durate de ordinul nanosecundelor. Lasere cu gaz Mediul unui laser cu gaz poate fi un gaz pur, un amestec de gaze sau chiar vapori de metal si este întâlnit adeseori în „neoane”.

Două oglinzi sunt localizate la capetele tuburilor pentru a realiza mediul.Laserele cu gaz sunt actionate cu lumină ultravioletă, raze electronice, curent electric sau reacii chimice.

Laserul heliu-neon este cunoscut pentru stabilitatea frecvenei, puritatea culorii, împrătierea razei fiind minimă. Sunt folosite, ca şi cele cu semiconductori, la măsurări, la tratări de boli, lasershow-uri medii. Nu mai sunt folosite la CD playere si LaserDisc-uri. Laser cu lichid Laserii cu lichid cei mai cunoscuţi sunt cei cu chelaţi organici şi cei cu coloranţi. Mediul activ pentru laserii cu coloranţi este format de o substanţă fluorescentă dizolvată într-un solvent (alcool). Lărgimea spectrală a radiaţiei emise este de ordinul sutelor de angstromi, putînd fi selectată lungimea de undă dorită, deci laserul este acordabil într-o bandă largă. Stiinta Deoarece lumina laserelor este monocromatică si foarte bine directionabilă, ele sunt folosite în studiul molecular al materiei. Cu ajutorul laserelor, viteza luminii a fost determinată cu o acuratete foarte mare, iar existenta unor materiale foarte fine poate fi astfel usor determinată. Laser cu raze X Cilindrul de plasma (rosu) este creat de impactul unui laser cu pulsatie de mare putere (albastru).Nu sunt folosite oglinzi, in schimb emisiile spontane sunt amplificate si raza este trimisa in ambele sensuri.A fost creat pentru prima oara de cercetatorii Matthews si Rosen la Lawrence Livermore National Laboratory, in 1985. Tinta este dintr-o foita subtire de seleniu sau un alt element cu numar atomic mare, dispusa pe un substrat de vinil pentru a-i da rigiditate. Aceasta tinta este iradiata din ambele parti de lasere cu pulsatie de mare putere al carei focar are o lungime de cateva sute de ori mai mare decat latimea. Cand raza loveste foita, aceasta “explodeaza”, producand o plasma formata din ioni de seleniu ce au cu 24 de electroni mai putin. In prezent eficienta acestor lasere este foarte scazuta datorita necesitatii unei puteri si frecvente mari a laserului-sursa. O eficienta mai mare s-ar putea obtine printr-o racire rapida, ceea ce duce la trei re-pompari a plasmei puternic ionizate. Insa un hibrid intre racirea la contact si expansiunea adiabatica pare sa fie cel mai promitator. O alta posibilitate promitatoare se bazeaza pe transparenta indusa electromagnetic, pentru o reducere drastica a puterii de pompare necesara si pentru obtinerea mult mai eficientului efect laser fara inversie (cunoscut si sub numele de fazere). Lumina laserului poate parcurge o distantă foarte mare fără să-si piardă din intensitatea semnalului. Din cauza frecventei sale, lumina laserului poate transmite de exemplu, de 1000 de ori mai multe canale de televiziune decât cele transmise de microunde. Au fost create fibre optice capabile să transmită laserul în industria telefonică sau cea a computerelor. Mai sunt utilizate si în industria CD-playerelor si a unitătilor de scriere a informatiei pe suport multimedia – DVD, BluRay Disc. Laser cu plasma Praful si gazul circumstelar reci se acumauleaza constant in jurul stelelor, care lanseaza jeturi de plasma. Racirea rapida a plasmei cand intalneste aceasta coaja poate mari semnificativ efectul de dezechilibru al expansiunii adiabate. Contactul cu gazul este atat de eficient in racirea rapida incat Oda et al. (1987) au creat un laser cu plasma ce lucreaza in lungimi de unda din extremul ultraviolet folosind numai acest mecanism, fara sa foloseasca expansiunea:
Laser cu racire a plasmei la contactul cu gazul (TPD-I): plasma de heliu mentinuta electromagnetic stationar este racita de contactul cu hidrogenul, producand efectul laser in XUV (164 nm) (Institute of Plasma Physics Nagoya, Japonia). Alt avantaj al atmosferei stelare sunt distantele foarte mari, o inversie a populatiilor redusa producand radiatii a caror intensitate creste exponential in amplitudine pe distante mari pana la un punct in care domina spectrul. Cea mai puternica manifestare a laserelor naturale se produce in cuasari.
In laserele cu plasma cercetate in laboratoare totul este redus la o scara mult mai mica. Aceasta este insa compensata in parte de faptul ca se pot pune oglinzi de ambele parti ale mediului, pentru a produce o raza laser ce ar fi foarte lunga intr-o extindere virtuala. Comunicatii Armata Sistemele de ghidare a rachetelor, a navelor si a satelitilor au la bază laserul. Undele laser au fost folosite în distrugerea rachetelor dusmane de către sistemul defensiv al lui Ronald Regan din 1983.Abilitatea reglării laserelor poate deschide noi perspective în separarea izotopilor în constructia de arme nucleare. Laser cu electroni liberi Aceste lasere folosesc electroni neataşaţi de atomi ce sunt excitaţi prin unde magnetice. Studiul acestui tip de laser a fost dezvoltat incă din 1977 si a devenit un important instrument de cercetare. Teoretic astfel de lasere, pot acoperi întreg spectrul, de la infraroşu la raze X si sunt capabile sa producă raze de putere foarte mare. Lasere cu dioxid de carbon (CO2). Necesită o sursă electrică de alimentare de foarte mare putere. Lungimea de unda este în domeniul IR (10.6um). Calitatea razei este foarte bună, şi, datorită puterii de până la 100kW sau chiar mai mult sunt folosite la tăierea, sudarea sau tratarea metalelor, la fabricarea materialelor plastice, tăierea lemnului, cat şi la operaţii medicale. Lasere semiconductoare Acestea sunt alimentate de la o sursă de curent continuu de putere mică. De obicei în aceeaşi capsulă este inclusă şi o fotodiodă care, prin reacţie negativă, este folosită la stabilizarea puterii. Lungimile de undă sunt de la 635nm (roşu către portocaliu) la 670nm (roşu intens) şi ajung chiar în IR (780n, 800nm, 900nm, 1550nm), pana la câţiva um. Lasere UV, violet şi albastru există, dar sunt foarte scumpe. Lasere verzi semiconductoare au fost construite în laboratoare dar funcţioneaza doar la temperaturi atinse cu ajutorul azotului lichid şi au durată de viaţă foarte redusă (~100h). Calitatea razei este bună, depinzând de concepţie. Raza este eliptică şi astigmatică, având nevoie de instrumente optice auxiliare pentru a o focaliza. Puterea de ieşire este de la 0.1mW până la 100W. Puteri mai mari se pot realiza cu o matrice de lasere, iar acestea pot depăşi 10.000W. Sunt folosite în CD playere, LaserDisc, MiniDisc, alte sisteme de stocare optică, imprimante cu laser, fax-uri, instrumente de masură, transmisii de date prin fibra optică, scannere de coduri de bare, surse de amorsare pentru alte lasere şi în lightshow-uri de putere mică. Proprietatile radiatiei laser Directionalitatea arata paralelismul undelor emise de un laser.Prin reflectarea luminii intr-o camera speciala situata intre doua oglinzi care permit iesirea doar a undelor paralele, se constituie aceasta proprietate. Deoarece undele luminii sunt paralele intre ele, tendinta spre divergenta este mica. Datorita acestei proprietati, fasciculul laser poate fi propagat pe o lunga distanta prin fibrele optice, fara a se pierde lumina prin imprastiere. In practica clinica, fasciculul luminii laser este directionat catre tinta folosind fibre optice sau un brat articulat (manipulator optomecanic). Componente laser Cu toate că denumirea LASER sugerează faptul că laserul este un "amplificator" (dispozitiv pentru mărirea puterii unui semnal), majoritatea laserelor sunt de fapt nişte oscilatoare (surse de lumină). Cu toate acestea, lasere în adevăratul sens al cuvântului există. Puterea unui laser poate varia de la mai puţin de un mW la milioane de W. De asemenea, el poate lucra în impulsuri sau continuu. Dar toate laserele au cateva lucruri în comun: Un mediu laser Acesta poate fi solid, lichid, gaz sau un material semiconductor care poate fi excitat la un nivel mai mare de energie. Trebuie sa fie posibilă excitarea majorităţii particulelor la un nivel mai ridicat de energie. Aceasta se numeste inversie de populaţie. Trebuie ca emisia stimulată să declanşeze o tranziţie pe un nivel inferior de energie. Un mod de a energiza mediul laser Acesta poate fi optic, chimic, electric. Laserele cu gaz folosesc descărcările electrice, excitarea RF externă, bombardamentul cu electroni sau o reacţie chimică. Dar descărcarea electrică este cea mai des folosită la laserele de putere mică (HeNe). Exista şi un laser chimic, numit Mid-Infra Red Advanced Chemical Laser (MIRACL), care foloseşte deuteriu şi fluorină ca şi reactanţi. Mai este descris ca şi un "motor de rachetă între oglinzi". De asemenea, mai există unul care este încă în stadiul de cercetare, montat pe un Boeing 747 modificat, numit AirForce's AirBorne Laser. Este un Chemical Oxygen Iodine Laser (COIL), care a fost construit pentru doborârea rachetelor de croazieră cu rază medie de acţiune, în faza de lansare. Laserele solide folosesc de obicei lămpi cu descarcare cu xenon (ca şi lămpile de bliţ) pentru amorsare sau o matrice de lasere semiconductoare (diode). Laserele semiconductoare de obicei sunt alimentate cu energie electrică, dar este posibilă si cu bombardare cu electroni sau optică. Laserii lichizi sunt de obicei amorsaţi optic, iar cei cu raze X cu mici dispozitive nucleare. Cu toate că s-au facut teste (secrete) există controverse în privinţa funcţionării lor. Există si lasere cu electroni liberi (FEL - Free Electron Laser) care sunt alimentate folosind acceleratoare de particule (de sute de milioane de dolari). Un rezonator De cele mai multe ori acesta este sub forma unei cavităţi Fabry-Perot, o pereche de oglinzi, câte una la fiecare capăt al laserului. Acestea ajută fotonii să treacă de mai multe ori prin mediul rezonator, mărind şansele de a lovi şi alţi electroni. De obicei, una din oglinzi este total reflectorizantă, iar cealaltă este parţial transparentă pentru a da voie razei laser să treacă prin ea. Ele sunt ori perfect plane, ori puţin concave. Dar sunt posibile si alte configuraţii. Unele lasere au oglindă numai la un capat (laserele cu azot) sau nici o oglindă (laserele cu raze X pentru ca este aproape imposibilă reflectarea radiaţiei la această lungime de undă). De asemenea, este posibilă şi prezenţa altor elemente în rezonator, cum sunt prisme, modulatoare etc. Functionare Funcţionarea unui laser este bazată pe inversia de populaţie. De obicei, aproape toţi atomii, ionii, moleculele al mediului laser sunt în cel mai scăzut nivel de energie (Anexă fig. 1).
Pentru a produce emisia stimulată, energia care alimentează laserul trebuie sa fie destul de mare pentru a realiza o inversie de populaţie. Aceasta înseamnă că majoritatea particulelor din mediul laser trec pe un nivel energetic superior (Anexă fig. 2).
La un moment dat, câteva din particulele excitate (atomi/ioni/molecule) vor trece pe un nivel energetic inferior. În acest proces, fiecare vor emite cate un foton într-o direcţie aleatoare. Acest lucru se numeşte "emisie spontană", dar fenomenul ca atare nu este foarte folositor. Este acelaşi proces prin care se aprinde o lampă cu neon (Anexă fig. 3).
Cu toate acestea, Einstein a arătat că dacă unul din aceşti fotoni se întamplă să se ciocnească cu o particulă excitată, aceasta va trece si ea pe un nivel energetic inferior si va emite un foton cu nişte proprietaţi foarte utile: noul foton va avea exact aceeasi lungime de undă, fază, direcţie şi polarizare. Polarizarea nu este importantă pentru crearea unui laser, dar daca rezonatorul favorizează o anumită polarizare (printr-un camp magnetic, printr-o fereastră la unghiul Brewster) atunci si raza laser va fi polarizată. Ne imaginăm mediul laser emiţănd spontan fotoni în toate direcţiile. Cei mai mulţi se vor pierde ieşind sub diferite unghiuri din rezonator. Cu toate acestea, unii vor avea o traiectorie paralelă cu direcţia rezonatorului. (Anexă fig. 3)
În acest caz vor ajunge până la oglinzi, de unde vor fi reflectaţi în rezonator. De-a lungul rezonatorului aceştia întalnesc alte particule excitate, pe care le stimulează să cedeze fotoni.(Anexă fig. 4)
În acest mod, ceea ce a fost doar un foton este o "avalanşă" de fotoni. Raza rezultantă este monocromă şi coerentă, aproape paralelă şi poate fi manipulată foarte uşor, ceea ce cu lumină normală este imposibil. (Anexa fig. 5)
Dacă sursa de energie are destulă putere şi destule particule sunt aduse pe nivelul superior de energie, acţiunea laserului va continua la nesfârşit. Acesta va fi un laser continuu. Daca energizarea nu poate fi menţinută, rezultatul va fi un laser care lucrează în impulsuri. Cel mai mare laser este cel construit la Lawrence Livermore National Laboratory. Este un laser care lucrează în impulsuri, produce 1.8Mj per impuls cu o putere de vârf de peste 500TW. Este de mărimea unui stadion, are 192 de raze şi conţine peste 7,300 componente optice. Costurile de construire estimate depăşesc $1,200,000,000, cu un buget de întreţinere anual de $60.000.000. Cu toate că poate fi folosit şi la vaporizarea instantanee a ţânţarilor, cele 192 de raze pot converge într-un punct microscopic şi este folosit la studiul fuziunii nucleare.
Cele mai mari lasere care funcţionează continuu sunt urmatoarele: Unul bazat pe CO2 la Troisk Institute for Thermonuclear Research (în Troisk, cam la 150km de Moscova). Se zice că puterea sa ar fi de 10MW.
Încă un laser de tipul CO2 la Institute of Physics, Savanoriu, Lithuania. Acest laser a fost aşa de puternic încât a avut o linie de curent special pentru el trasă de la centrala electrică. Cele mai mici lasere sunt cele folosite în mod curent în CD playere, în scannere de bare şi echipamente de telecomunicaţii. Regiunea activa este lunga de o fracţiune de milimetru şi 1 x 3 micrometrii de lata şi înalta. Întreg chip-ul este de marimea unui fir de praf. Chiar şi lasere mai mici sunt în producţie. În teorie, chiar şi un atom poate fi suficient pentru a putea realiza efectul laser. Care sunt cele mai mari şi cele mai mici lasere? Link-uri externe:
Full transcript