Colegiul Financiar-Bancar

Proiect la fizică

Tema:Laserul

Elaborat de : Şoşu Cătălina & Cozacenco Elena

Profesor: Chilaru Valentina

Chişinău 2015

Cuprins:

Scurt istoric Principiul de funcţionare Clasificare Domenii de utilizare Pro/Contra

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le diferențiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu incandescență:

monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă; direcționalitate — proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o

divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;

intensitate — unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.

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.

În limba română forma de plural recomandată de dicționare este lasere; cercetătorii implicați în acest domeniu preferă însă pluralul laseri

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 derubin 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.

Primul laser românesc[modificare | modificare sursă]

România a fost a patra țară din lume în care s-au realizat laseri,[necesită citare] în urma unor

cercetări întreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion

Agârbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat în 1961.

Principiul de funcţionare:Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ laser, ce poate

fi solid, lichid sau gazos, și o cavitate optică rezonantă. Mediul activ, cu o compoziție și parametri

determinați, primește energie din exterior prin ceea ce se numește pompare. Pomparea se poate realiza

electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) și duce la excitarea atomilor din

mediul activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare.

Față de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulți electroni pe

stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație. Un fascicul de lumină care trece

prin acest mediu activat va fi amplificat prin

dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în

care un foton care interacționează cu un atom

excitat determină emisia unui nou foton, de

aceeași direcție, lungime de undă, fază și stare

de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de

la un singur foton, generat prin emisie

spontană, să se obțină un fascicul cu un număr

imens de fotoni, toți avînd aceleași

caracteristici cu fotonul inițial. Acest fapt

determină caracteristica de coerență a

fasciculelor laser.

Rolul cavității optice rezonante, formată de

obicei din două oglinzi concave aflate la

capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa optică a

cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia de cît mai multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor

prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea factorului de amplificare optică

a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul atomilor excitați prin pompare este

egal cu numărul atomilor dezexcitați prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate

constantă. Avînd în vedere că în mediul activ și în

cavitatea optică există pierderi prin absorbție,

reflexie parțială, împrăștiere, difracție, există

un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie

furnizată mediului activ pentru a se obține efectul

laser.În funcție de tipul mediului activ și de modul în

care se realizează pomparea acestuia laserul

poate funcționa în undă continuă sau în impulsuri.

Primul maser

și primul laser funcționau în regim de

impulsuri.

Caracteristica fasciculului:

Intensitatea

În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de

fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor

compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiți în aplicații industriale de tăiere a

metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod experimental sau pentru aplicații

speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25

PW (petawatt, 1015 W).

Monocromaticitate

Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcționare,

în care numărul mic de fotoni inițiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare

de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine

determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe imense. Aceasta permite folosirea

laserilor în metrologie pentru măsurarea distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie.

Aceeași calitate permite folosirea acestor laseri în holografie.

Direcţionalitate

În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescență, tub fluorescent, lumina de

la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de

colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel.

Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă

paralel cu axa cavității. Astfel, în timp ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de

pe Pămînt spre Lună, luminează pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în

diametru, fasciculul unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu

diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la dispoziție pe suprafața

Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost

posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.

Tipuri de laser :

Tipul He-Ne

Argon

Rubin

YAG-Nd

GaAIAs LED

Mediul activ

gaz gaz solid solid semicon-

ductor

semicon-

ductor

Puterea sau energia

5 mW

1,5 W

1 J 250 mJ

10 mW 20 mW

Lungimea de unda

632,8 nm

514,5 nm

694,3 nm

1064 nm

820 nm 880 nm

Durata pulsului

- - 350 μ

10 ns - -

Divergenta

1 mrad

1 mrad

5 mrad

5 mrad

20º 40º

Diametrul fasciculului

0,8 mm

1 mm 10 mm

5 mm

- -

I Laserele cu Heliu-Neon (HeNe)

Cele mai raspandite lasere cu gaz.

Tubul lor este închis, conţin oglinzile interne şi sursa de alimentare de putere.

II Lasere cu ioni de argon şi kripton (Ar/Kr)

Diferă de cele cu HeNe prin gaz.

Pot fi cu oglinzi interioare sau exterioare.

Puterea lor este mult mai mare, de la 10mW până la chiar 100W.

Acest tip de laser poate produce atat roşu, verde, albastru, care combinat rezultă culoarea albă.

Sunt folosite la imprimare de mare performanţă, medicină legală, operaţii, holografie, lasershow-uri mari, cât şi pentru amorsarea altor lasere.

III 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.

IV Lasere cu heliu-cadmiu (HeCd)

Au tuburile sigilate, cu oglinzi interne.

Sunt mai complexe decat alte tipuri de lasere.

Lungimea de undă a razei se situeaza spre spectrul violet şi ultraviolet.

V Laserul YAG-Nd

Domenii de utilizare:

Metrologie Holografie Geologie, seismologie și fizica atmosferei Spectroscopie Fotochimie Fuziune nucleară Microscopie Aplicații militare Medicină: bisturiu cu laser, înlăturarea tatuajelor, stomatologie, oftalmologie,

acupunctură Industrie și comerț: prelucrări de metale si materiale textile, cititoare de

coduri de bare, imprimare Aplicatii industriale: sudarea cu laser, tăierea cu laser, gravarea cu

laser, marcare cu laser, crestarea cu laser, sinterizarea selectivă cu laser, sinterizarea prin scânteie cu laser.

Comunicații prin fibră optică Înregistrarea și redarea CD-urilor și DVD-urilor

Pro/Contra:

Sursele de radiat¸ii electromagnetice sunt surse de energie care, pe lang ˆ a efec- ˘ tul

benefic pe care ˆıl pot avea, pot sa aib ˘ a s¸i un efect nociv. Este binecunoscut ˘ faptul ca

radiat¸iile electromagnetice ionizante au s¸i efecte nocive pentru organis- ˘ mul uman. Des¸i

se vorbes¸te mai put¸in despre celelalte domenii din spectrul electromagnetic totus¸i se poate

ˆıntampla ca orice surs ˆ a de radiat¸ii s ˘ a provoace efecte ˘ letale ˆın anumite condit¸ii s¸i

laserii medicali nu fac except¸ie. ˆIn tabelul de mai jos sunt cuprinse date comparative privind

intensitatea radiat¸iei pentru diferite surse de radiat¸ii neionizante. Tabela 7.1: Valori

comparative pentru densitatea de putere pentru diferite surse de radiat¸ii electromagnetice

neionizante

Sursa de radiat¸ii Intensitate W/cm2

Radiat¸ia solara 0,14

Soare focalizat 10^2 ÷ 10^3

Flacara gaz 10^3

Lampa cu arc 10^4

Fascicul electroni 10^7:10^8

Laser continuu 10^7

Laser pulsat 10^8:10^14

Utilizarea pe scara larg ˘ a a laserilor ˘ ˆın toate domeniile de activitate a condus, din

pacate, s¸i la accidentarea utilizatorilor (medici, tehnicieni) sau chiar a ˘ pacient¸ilor. Aceste

accidente se pot datora uneia din urmatoarele cauze: ˘ • Expunerea accidentala a ochiului cu

pierderea funct¸ional ˘ a a vederii (tempo- ˘ rar sau, mai grav, permanent). Acestea sunt

accidentele ele mai frecvente; • Expunerea accidentala a pielii av ˘ and ca efect arsuri (de

diferite grade) s¸i ˆ efecte fotochimice; • Mai rar sunt accidente datorate: declans¸arii unor

incendii, electrocut ˘ ari, ˘ intoxicat¸ii cu gaze etc. Toate aceste riscuri trebuie cunoscute s¸i

ˆınlaturate. As¸a cum vom vedea ˘ ˆın cursul acestui capitol, riscurile sunt mai mici decatˆ ˆın

cazul utilizarii unor aparate ˘ rontgen datorit ¨ a faptului c ˘ a fotonii ˘ γ au energii foarte mari

ˆın raport cu fotonii din infraros¸u, vizibil sau chiar ultraviolet. Mai mult, radiat¸ia γ este o

radiat¸ie care provoaca distrugeri masive ale celulelor din t¸esuturi prin ioniz ˘ ari (de aici

s¸idenumirea de radiat¸ii ionizante) ˆın timp ce radiat¸iile laser medicale sunt absorbite

puternic la nivelul t¸esuturilor s¸i energia se disipa pe alte c ˘ ai. As¸a cum am ˘ precizat deja,

cele mai ˆıntalnite riscuri la utilizarea laserilor sunt cele legate de ˆ act¸iunea radiat¸iilor laser

asupra ochilor (Figura B.1), piele (Figura B.2) dar sunt s¸i riscuri colaterale: riscuri chimice,

electrice etc. ˆIn tabelul B.1 (p. 161) sunt date cateva exemple a efectelor pe care le pot avea

radiat¸iile optice asupra diferitelor ˆ tipuri de t¸esuturi (ochi s¸i piele) funct¸ie de lungimea de

unda.

Riscuri oculare

Radiatia laser poate avea efecte nedorite asupra diferitelor componente ale ochiului

uman funct¸ie de absorbt¸ia radiat¸iei laser la nivelul acestor componente. Astfel efectele

radiat¸iei laser sunt mai puternice asupra retinei pentru radiat¸iilor IR-apropiat s¸i vizibil

(lungimi de unda˘ ˆın domeniul 400 nm panˆ a la 1400 nm). ˘ Lumina care provine direct de la

laser sau prin reflexia speculara˘ ˆın acest caz patrunde ˘ ˆın ochi s¸i este focalizata de c ˘ atre

cornee s¸i cristalin pe o regiune extrem ˘ de mica de pe retin ˘ a astfel ˘ ˆıncat la nivelul retinei

cres¸te fluxul energetic de apro- ˆ ximativ 100000 de ori. Corneea este afectata pentru

radiat¸iile UV (180 nm p ˘ anˆ a la 390 nm) s¸i IR- ˘ ˆındepartat (1400 nm p ˘ anˆ a la 1 mm).

Totus¸i radiat¸ia laser cu anumite lungimi de ˘ unda pot leza cristalinul. Toate aceste efecte

sunt redate schematic ˘ ˆın Figura 7.1. Radiat¸ia ultravioleta cu lungimea de und ˘ a cuprins ˘

a˘ ˆıntre 180 nm s¸i 315 nm este denumita ultraviolet-actinic (datorit ˘ a faptului c ˘ a produce

react¸ii chimice) s¸i este ˘ absorbita puternic la nivelul corneei. Aceast ˘ a radiat¸ie produce o

inflamare a cor- ˘ neei ca s¸i ˆın cazul act¸iunii radiat¸iei emisa de arcul electric de la sudur ˘ a

c ˘ and nu se ˆ poarta masca de protect¸ie. Radiat¸ia ultraviolet ˘ a apropiat ˘ a (UV-A) cu

lungimea de ˘ unda˘ ˆıntre 315 nm s¸i 400 nm este absorbita de cristalin s¸i poate provoca

diferite ˘ forme de cataracta.