Вход«Самодельные лазерные приборы. Поверхность воды изгибается под действием лазера
|
|||||||||
Исследователи научились искривлять поверхность воды при помощи источников оптического излучения еще в 1973 году, однако тогда для этого использовались мощные лазеры, действовавшие за счет большого фотонного давления. Это явление тогда было удивительно само по себе, т.к. вода имеет достаточно большое поверхностное натяжение (а свет оказывает сравнительно малое давление).
До сих пор считалось, что искривление может быть достигнуто при помощи лазеров мощностью не менее 10 Вт (это класс лазеров, используемых в микро-машиностроении или хирургии). Поэтому никто даже не пытался получить сходные результаты при помощи менее мощного оборудования. Но группа ученых из University of Rennes (Франция) решила провести эксперимент со слабым лазером в конфигурации, известной как полное внутреннее отражение, в рамках которой силы распределяются несколько иным образом, нежели в случае прямого облучения. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда вы освещаете светом воду под некоторым случайным углом, суммарная сила давления света будет складываться из воздействия трех лучей: первоначального, прошедшего через поверхность и отраженного от поверхности. В результате сила давления окажется вертикальной (горизонтальная компонента суммарной силы окажется равной нулю). Но когда свет падает на поверхность воды из ее толщи под углом более 49 градусов, он практически полностью отражается обратно. В этом случае горизонтальная составляющая силы сохраняется (согласно эффекту Гаусса Хенхена) и воздействует на воду в направлении центра луча. Образуется искривление поверхности, на подобие того, что возникает, если края листа бумаги сдвигать друг к другу.
На эксперименте команда использовала зеленый 20-милливатный аргоновый лазер, направленный под углом к поверхности из мелкого контейнера с водой, снабженного зеркалом вдоль дна. Лазерный луч несколько раз отражался от зеркала и поверхности, в конечном итоге попадал на сенсор. Удлиненное изображение луча демонстрировало искривление водной поверхности (также как кривое зеркало, в зависимости от своей формы, искажает пропорции отражающегося в нем человека). Ученые были озадачены тем, что при этом на поверхности образовывались не ожидаемые ими выпуклости, а, наоборот, впадины. Однако их объяснение показывает, что все это полностью соответствует влиянию эффекта Гаусса Хенхена. Свое мнение относительно того, почему возможен такой сюрприз, команда базирует на присутствии небольшого электрического поля, распространяющегося примерно на один микрон над поверхностью воды. Они полагают, что градиент этого поля настолько велик, что он значительно изменяет давление воздуха в непосредственной близости от поверхности (вдавливая ее вниз).
Коллеги ученых, однако, не до конца принимают данное объяснение, хотя и не берут под сомнения результаты эксперимента. По их мнению, модель слишком проста. Но, вне зависимости от деталей этой модели, обнаруженный эффект вполне может использоваться для создания небольших настраиваемых оптических линз.
Закон отражения света.
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, - например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом - углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление...
0 0
Человек, знающий элементарные законы оптики, от души посмеется над сюжетом, в котором супергерой отражает лазерную атаку злодея с помощью блестящей поверхности. Зеркало не способно отразить луч лазера, не рассеяв его пучок. Чтобы отразить или перенаправить луч лазера, нужно потрудиться и иметь для этого достаточно сложное оборудование.
Да и рука супергероя находится в большой опасности. Ведь при попадании мощного луча, зеркало с недостаточным качеством поверхности, или разрушится, или расплавится.
Это немалая проблема для современных специалистов в области лазерной оптики. Они сталкиваются с необходимостью отражать пучок лазера постоянно. Каких только ухищрений не предпринимали ученые до недавнего времени, их зеркала не удовлетворяли поставленным задачам. Какой бы идеальной ни была поверхность зеркала, она греется в точке соприкосновения с лучом, нагревается и деформируется. Лазерный луч не отражается полностью, большая часть его энергии...
0 0
Я так понимаю потеряет и при правильном подборе материала потеряет очень много, фактически станет бесполезным. Т.е. при относительно небольших затратах всю эту очень эффектную технологию можно свести на нет. Думаете только у нас деньги "на оборонке" отмывают? :)
И конечно опасен, но обратно в самолет он не отразится, будет "метаться".
Если ставить уголковое зеркало из трёх зеркал под прямым углом друг к другу (как на автомобильных/велосипедных отражателях), то луч пойдёт строго обратно.
Проблема в том, что зеркало отражает не всё, и поглощённая часть луча может расплавить зеркало.
А ведь это идея!
Это обсуждали сразу как появилось пресловутое видео. Собственно делались даже расчеты, получилось что весь этот лазер можно свести на нет специализированной отражающей краской, с подобранной под его частоту максимальной...
0 0
Эта страничка посвящена самодельному изготовлению зеркала для лазера. Зеркало - составная часть лазерного резонатора, и от коэффициента отражения зеркала зависит возможность возникновения лазерной генерации в активной среде.
В книге Т. Раппа "Эксперименты с самодельными лазерами" изложены способы изготовления лазерных зеркал в условиях домашней мастерской. Однако для самостоятельного изготовления потребуется хороший двухступенчатый форвакуумный насос. Ниже приводится, возможно, не самый лучший, зато простой способ изготовления лазерной оптики.
Сразу надо сказать, что в настоящей статье изложены способы изготовления зеркала с металлической отражающей поверхностью. Коэффициент отражения такого зеркала в диапазоне волн 500-800 нм равен ~ 95 %. При таком значении коэффициента отражения можно добиться лазерной генерации только в активных средах с высоким коэффициентом усиления. В частности металлическое зеркало можно применять в самодельных азотных лазерах, лазерах на...
0 0
Лазер без зеркалВ длинном волоконном световоде может возникнуть лазерная генерация света – необходимая для этого положительная обратная связь создается из-за рэлеевского рассеяния генерируемого излучения на неоднородностях волокна. Такой лазер может быть отнесен к классу «случайных» лазеров, активно изучаемых в последнее время. По эффективности и качеству создаваемого пучка света лазер с распределенной случайной обратной связью не уступает лазеру с обычным резонатором, но при этом его излучение обладает рядом уникальных свойств
Устройство лазера сейчас знает даже школьник. С лазерами мы сталкиваемся практически на каждом шагу – в магазинах при сканировании штрих-кодов, при воспроизведении и чтении компакт-дисков, при печати на лазерных принтерах. Широко используются лазеры и в промышленности – для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов.
Известно, что для лазерной...
0 0
Важный и серьёзный пост. Я должен знать что будет, если в идеальный, изнутри зеркальный шар (скажем определённого размера - 1 метр в диаметре) запустить лазерный луч от указки.
Подскажите, инженеры и учёные, битте. Я никак не доработаю свой эксперимент.
Второй вариант - шар не полый, а кварцевый например.
Есть ли возможность сделать "световой" луп?
Скажем у нас есть зеркало на которое мы направили лазерный луч, который отразившись идёт на другое зеркало, от которого отразившись идёт опять на первоначальное, замыкая луп?
Ну можно как вариант акустического резонатора.
Определённый сигнал определённой частоты посылаем на отражающую поверхность, он отражается и идёт на другую, от которой возвращается на первую, складывается с первоначальным резонирует, амплитуда растёт и т.д...Идёт раскачка...
Как завязка - микрофон-динамик.
Мне интересна лазерная завязка.
Проясните мне некоторые моменты. Это важно...Нет времени лезть в учебники или гугль,...
0 0
Зеркала отражают поляризованный свет вполне нормально. (У некоторых типов зеркал есть маленькая зависимость коэффициента отражения от поляризации, но она заметна только на очень точных приборах).
У любого зеркала есть основные характеристики - коэффициент отражения и коэффициент пропускания (если зеркало полупрозрачное). То есть, считается, что зеркало сколько-то отражает, сколько-то пропускает насквозь, остальное теряется. Пример: настенное зеркало отражает 75% и поглощает 25% света. Хорошее зеркало для лазера отражает 99.95% света, остальное в основном пропускает. Выходное зеркало в гелий-неоновом лазере отражает 99% и пропускает 1% - этот 1% и есть тот самый "луч лазера".
У диэлектрических зеркал соотношение отражения и пропускания зависит от длины волны света и от угла падения на зеркало. В...
0 0
Https://www.slideshare.net/neulukinnuwikabe516233/vaccum-pump-for-pennis-enlargement
п»їPE Bible, true, or just another scam?
Re: PE Bible, true, or just another scam?
In my opinion, if it is not a popular exercise, method or device on MOS it is more than likely not too effective. This of course is only true for methods that have been around for a while, new methods will need to be reviewed. If there was a Bible created for Penis Enlargement I am pretty sure MOS would be the promised land
Matters of Size SRT Suppressed -Restricted-Tra nsposition The World"s Best Penis Enlargement Routine based on 11 Years of Research ! Four Easy Steps to Starting SRT and Making the Fastest Penis Size Gains Possible
6. Follow the SRT Routine: Maximizing Gains and Healing Fastest! Watch your Penis gain inches in girth and length in the FASTEST time Possible! Over 15 Years of...
0 0
Вопрос 37. Устройство лазера.Принцип действия лазера.
Лазер обязательно состоит из трех основных компонент: 1) активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) системынакачки(устройства для создания инверсии в активной среде); 3) оптического резонатора(устройства, формирующего направление пучка фотонов).Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерногоизлучения.
В настоящее время в качествеактивной(рабочей)среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.
Источник накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать: электрический разрядник; импульсная лампа; дуговая лампа; другой лазер; химическая реакция; взрывчатое вещество
Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в...
0 0
Этот проект посвящен исследованию свойств и особенностей лазерного излучения на практике, использованию лазера для создания несложных физических приборов. В работе изложено и описано устройство и физические принципы работы лазера, показана широкая область применения лазеров, в частности в космической отрасли.
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Орган местного самоуправления
«Управление образования г. Каменска-Уральского»
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 40»
Второй Молодежный космический форум «Семихатовские чтения»
Секция 1. Физика и познание мира
Проект
«Самодельные лазерные приборы»
Исполнитель:
Жеребятьев Илья Владимирович,
учащийся 9 класса
Руководитель:
Балашова Марина Эдуардовна,
учитель физики
Каменск-Уральский – Екатеринбург
Введение
На протяжении многих веков астрономия была лидером естествознания. Астрономические наблюдения послужили исходным фундаментом для открытия многих законов физики. Несколько лет назад радиоастрономы сделали любопытное открытие. Оказалось, что в межзвездной среде есть группы молекул ОН (гидроксильные группы). Излучение гидроксила подобно излучению лазера. Так что природа создала лазеры раньше, чем их изобрел человек.
В 2015 г. научная общественность отмечает 55-летие изобретения лазера.
Лазерное излучение обладает удивительными свойствами. Недаром фантастика предвосхитила его создание.
Работа над проектом включала в себя изучение истории изобретения лазера, принципа его работы, знакомство на практике со свойствами излучения и рассмотрение применения лазерных приборов в различных сферах деятельности человека, знакомство школьной общественности (учащиеся 1-11 классов, родители) с лазером.
Цель данной работы : изготовить приборы с использованием лазера: простейший сканатор и резонатор.
Задачи:
- изучить литературу по данной теме (теория лазера, история, применение);
- исследовать свойства и особенности лазерного излучения на практике;
- подобрать материалы для изготовления приборов.
Актуальность данной темы обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь, в том числе в космическую отрасль.
Объект исследования: лазерное излучение.
Предмет исследования: возможность использования лазера для создания несложных физических приборов.
Основная часть
Что такое лазер. Основные свойства лазерного излучения
Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания.
Лазер (оптический квантовый генератор) – это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию согласованного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Основные свойства лазерного излучения: Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны. Характеризует ширину спектра излучения. Чем ширина спектра меньше, тем выше монохроматичность излучения. Когерентность – совпадение фаз электромагнитных колебаний. Характеризует меру согласования между фазами волн, образующими данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения.Свойство временной когерентности излучения лазеров используется в оптоэлектронных приборах для приема и передачи информации. Чем короче волна, тем больший объем информации может быть передан. Поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения. Направленность – малая расходимость потока излучения, распространяется в пределах небольшого телесного угла. Высокая направленность обеспечивает максимальную плотность энергии на выходе прибора.
Благодаря своим свойствам, лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века. Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
Из истории создания лазера
1900г. Немецкий ученый Макс Планк выдвигает смелую гипотезу квантованности излучения: вещество излучает и поглощает свет отдельными порциями (квантами). Энергия кванта Е = h∙ν, где h – постоянная Планка.
1913г. Нильс Бор, пытаясь объяснить планетарную модель атома Э. Резерфорда, сформулирует два постулата:
- Энергия атома квантована, т. е. может принимать ряд дискретных значений: Е 1 ,Е 2 ,Е 3 ,…Е n
- При переходе атома с уровня с энергией Е 2 на уровень с энергией Е 1 излучается квант (фотон) с энергией h ∙ ν = Е 2 – Е 1
1916г. Альберт Эйнштейн создает теорию взаимодействия излучения с веществом, и в 1917г. предсказывает возможность индуцированного (вынужденного) излучения атомами, из чего вытекает принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.
1940г. Советский физик В. А. Фабрикант показывает возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.
1954г. Ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров и не зависимо от них американский физик Чарлз Таунс создают микроволновый квантовый генератор радиоволн с длиной волны 1,27 см («МАЗЕР»). За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.
1960г. Американский физик Теодор Майман сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Питер Сорокин и Мирек Стивенсон собрали инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана. Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.
Изобретение лазеров и их совершенствование идет и по сей день.
Теория лазера
Лазеры, как правило, состоят из трех частей (рис. 1):
Источник энергии или механизм накачки;
Рабочее тело;
За что отвечает каждая из этих частей:Система зеркал или оптический резонатор.
Источник энергии подает необходимую для работы устройства энергию. Такой первоначальной энергией может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д.
Рабочее тело – вещество (газ, твердое, жидкость и даже плазма), в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, длину волны и др., что, в конечном итоге, определяет его практическое применение.
Оптический резонатор – это система зеркалдля сбора излучения в один узкий пучок.
Принцип действия
Чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии. В этом состоянии переход к обратному – основному (не возбужденному) состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию. Таким образом, происходит усиление света .
Применение лазеров
С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекциизрения до управления транспортными средствами, откосмических полётов дотермоядерного синтеза . Примеры использования лазера: промышленность: резка, сварка, сверление, гравировка; медицина: хирургия, лазеротерапия; военное дело: прицелы, светолокаторы, СОИ; быт: принтер, DVD, передача данных; наука: нивелир, голография, автофокус.
Применение лазеров в космической отрасли
Учеными ведутся разработки инновационных способов передачи данных в космосе с помощью лазера .
Первым шагом в этой программе NASA станет запуск проекта LCRD, намеченного на 2017 год. Главной задачей этой миссии является проверка и демонстрация возможностей новой технологии с увеличенной в 6 раз скоростью передачи данных.
В космонавтике и в авиации сегодня применяются импульсные лазерные локаторы (рис. 2) для определения расстояния до цели.
Лазерные высотомеры (рис. 3) применялись в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны, на Межпланетном зонде «Messenger» для высокоточной топографической съёмки поверхности Меркурия.
Энергетическа
я пробл
ема для к
осмонавтики не менее важная. Одно из решений использование управляемого те рмоядерного синтеза . Но существует ряд технологических проблем, не позволяющих довести работы до практического использования. Одна из таких проблем - удержание нагретой плазмы в ядерном реакторе. Один из способов решить эту проблему может заключаться в использовании лазеров.
Не далеко то время, когда человечество начнет отрываться от Земли и летать на другие планеты. При этом многие технологии, сейчас используемые в областях, далеких от космонавтики, космонавтам придется взять с собой. В том числе и лазерные: лазерный скальпель, лазерные резка и сварка, голография и т. д.
Конструктор космических систем академик РАН Борис Черток не исключает, что в перспективе в космосе могут появиться поражающее лазерное и высокочастотное космическое оружие.
Практическая часть
1. Исследование некоторых свойств лазерного излучения
Определение длины волны лазерного излучения
Цель: определить длины волн красного и зеленого лазерного излучения.
Оборудование, необходимое для измерения:
В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с известным периодом (период указан на решетке).
Если пропустить лазерный луч сквозь решетку, то на темном фоне экрана можно наблюдать дифракционные максимумы 0-го, 1-го, 2-го и т. д. порядков.
Длина волны λ, определяется по формуле: , где а – расстояние от решетки до экрана, b – расстояние на экране от максимума 0-го порядка до дифракционного максимума 1-го или 2-го порядка, d – период дифракционной решетки, k – порядок спектра.
Вычисление длины волны красного лазерного луча. Решетка с периодом 1/50 мм:
Вычисление длины волны красного
Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/75 мм:
Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/300 мм:
Для сравнения полученных результатов использую ниже приведенную таблицу.
Таблица. Длины волн лазерного излучения в лазерных указках
Вывод: С учетом погрешности при измерениях в опыте, а также, учитывая, что лазерные указки отличаются спектральным диапазоном, у них разный производитель, результаты, практически, близки к приведенным в таблице.
Отражение лазерного луча
Цель: наблюдать отражение лазерного луча от зеркальной поверхности.
Оборудование: оптическая скамья, зеркало, транспортир, лазер.
На отражающую поверхность (зеркало) в заданном направлении падает лазерный луч. Луч, отражаясь от зеркала, изменяет свое направление. Не зависимо от того, как падает луч на зеркало, всегда угол падения равен углу отражения и находятся лучи в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча.
На фотографиях показано отражение луча от зеркала при углах падения 304) и 60 (рис. 5).
Вывод: опыт доказывает справедливость закона отражения света.
Определение угла расхождения лазерного луча
Цель: наблюдение расхождения лазерного луча и определение угла расхождения.
Оборудование: лазер, линейка.
Для определения угла расхождения лазерного луча я расположил источник лазерного излучения на расстоянии 67230 мм от стены (опыт проводился в рекреации школы). Диаметр светового пятна на стене получился равным 90 мм (рис. 8). 
Диаметр луча на выходе из прибора примерно составляет 3 мм. Этим размером можно пренебречь, т. к. он намного меньше полученного значения диаметра пятна на стене и расстояния до стены (рис. 9).
Простые расчеты позволяют определить угол расхождения луча:
Вывод: угол расхождения лазерного луча примерно составляет 4,824"".
В работе также были проведены опыты по преломлению, дифракции, рассеиванию, поляризации лазерного луча и измерение температуры поверхности под действием лазерного луча.
2. Изготовление лазерного спирографа
Зрелище спиральных узоров, которые воспроизводятся на стенах при помощи этого прибора, завораживает и привлекает внимание. Большинство людей из тех, кому я продемонстрировал узоры спирографа, были просто в восторге от увиденного.
Идея создания пришла ко мне на дискотеке, когда я увидел своими глазами что такое настоящее лазерное шоу и лазерная цветомузыка, и как это все работает. Принцип действия прибора я подсмотрел в китайском светомузыкальном приборе, который меняет узоры в зависимости от звука. В нём применяются шаговые двигатели, управляемые микроконтроллером, при таком построении рисуемые картинки получаются нестабильными, за счёт синхронной работы моторов.
Я сделал похожее по принципу устройство, с простым управлением и с применением доступных деталей. Луч лазера направлен на первое зеркало, которое вращается первым мотором и отражает луч на следующее зеркало, а за счёт не большого наклона зеркал относительно оси мотора, луч отражается с круговым вращением и пятно получается виде чёткого узора.
В моем приборе используется два лазерных луча, четыре моторчика, пять зеркал и три реостата-регулятора скорости вращения моторчиков. Таким образом, получается «лазерное шоу».
3. Изготовление лазерного сканатора
Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешнего воздействия с некоторыми значениями (резонансными частотами), определяемыми свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с некоторой другой частотой, определяемой из параметров колебательной системы, таких как внутренняя (собственная) частота, коэффициент вязкости и т.п.
Сканатор предназначен для получения незамысловатых оптических фигур. Весь прибор основан на магнитном резонансе. Прибор изготовлен из моторчика, пластиковой пластинки и магнитов. Увеличение амплитуды колебаний пластинки при резонансе можно наблюдать по световой линии. Изменяя положение мотора и скорость его вращения, можно получать не только разные фигуры на экране, но и найти резонансные частоты.
Заключение
Данная работа позволила мне не только подробно разбираться в выбранном материале по данной теме, но и учиться анализировать информацию из множества источников, также подавать ее аудитории. Проведенные эксперименты, подтверждающие, некоторые законы физики и свойства лазерного излучения также способствовали изучению материала. Проектная деятельность способствует развитию способностей к самостоятельной работе, формированию навыков самоорганизации.
К моим практическим достижениям можно отнести значимость моей (уже не первой, подобной) работы, которая заключается в том, что она помогает пропедевтике физического образования в начальной школе, куда я выхожу регулярно со своими проектами по физике. И у меня уже появились последователи в этом деле. В проектную работу по физике включаются и сами малыши, что, несомненно, поможет им в образовании, в том числе и с выбором будущей профессии. Не исключаю возможности, что кто-то из них свяжет свою деятельность с космонавтикой.
Событие
Подписка на новости
Воздействие лазерного излучения на материалы
Поглощение, отражение и рассеяние лазерного излучения материалами
Рис 1. Схематическое изображение падающего, отраженного и преломленного лучей
Характер и эффективность воздействия электромагнитных волн лазерного излучения на вещество определяется плотностью потока энергии (плотностью мощности или интенсивностью) электромагнитного поля.
В любом случае лазерного теплового воздействия на материалы важна не просто мощность лазерного излучения, а мощность, поглощенная материалом и идущая на получение полезного результата. Поглощательная способность в той или иной форме фигурирует во всех лазерных технологических процессах.
На первой стадии теплового воздействия лазерного излучения на материал, фазовое состояние твердого тела не успевает измениться. Основные явления в этом случае заключаются в отражении и поглощении излучения поверхностью, нагревании поверхности, распространении тепла в глубь среды за счет теплопроводности , рис. 1.
В таблице 1 приведены теплофизические параметры некоторых металлов и полупроводников.
| Элемент | Параметры нагрева при 20°С | Плавление | Испарение (кипение) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Теплоемкость с, Дж/(г °С) | Теплопро-водность λ, Вт/(см °С) | Температура плавления Т пл, °С | Удельная теплота плавления ΔH пл, Дж/г | Температура испарения Т исп., °С | Удельная теплота испарения ΔH исп., кДж/г | ||
| Алюминий | Аl | 0.90 | 2,18 | 660 | 400 | ~2500 | 10,8 |
| Вольфрам | W | 0,13 | 1,8 | 3420 | 320 | ~5700 | 4,0 |
| Германий | Ge | 0,32 | 0,60 | 958 | 510 | ~2850 | 4.7 |
| Железо | Fe | 0,448 | 0.75 | 1539 | 250 | 3200 | 6,27 |
| Золото | Au | 0.13 | 3,13 | 1046 | 63 | 2947 | 1.77 |
| Кремний | Si | 0.71 | 0,83 | 1415 | 1770 | 3250 | 12,7 |
| Медь | Cu | 0,385 | 4,0 | 1084 | 204 | 2540 | 4.75 |
| Молибден | Mo | 0,223 | 1,52 | 2620 | 375 | 4600 | 5,8 |
| Никель | Ni | 0.43 | 0,92 | 1455 | 300 | 2900 | 6.3 |
| Серебро | Ag | 0,235 | 4,20 | 961,9 | 105 | 2170 | 2,47 |
Рис 5.Различные стадии теплового воздействия лазерного излучения на поверхность материала: нагрев, плавление, испарение и выплеск жидкой фазы давлением отдачи паров. При описании процесса воздействия лазерного излучения на твердые непрозрачные тела (металлы, полупроводники, диэлектрики) целесообразно выделить несколько стадий: нагревание без изменения фазового состояния, плавление, испарение, ионизация испаряемого вещества и образование плазмы, рис.5. Если обработка материала ведется в химически активной атмосфере, то при некоторой температуре существенную роль начинают играть термохимические процессы – окисление, образование нитридов, карбидов и проч. Так, при лазерной резке часто применяется поддув кислорода , что резко интенсифицирует процесс, как из-за выделения тепла окисления, так и из-за повышения поглощения лазерного излучения Все металлы при нормальной температуре и нулевом угле падения (перпендикулярно поверхности) отражают более 80 % лазерного излучения (для длины волны СО 2 -лазера 10,6 мкм). С достижением точки плавления способность поглощать лазерное излучение возрастает, однако характер зависимости коэффициента отражения от угла падения сохраняется, рис.4. Для некоторых металлов точку плавления достичь нелегко. Плотность потока энергии лазерного излучения, необходимая для плавления металлов, может варьировать от 2 10 4 Вт/см 2 для углеродистых и коррозионностойких сталей до 2 10 6 Вт/см 2 для вольфрама . При некоторых условиях процесс разрушения материала лазерным излучением называют абляцией под воздействием. В современном, довольно широком понимании термин абляция включает известный механизм такого перехода вещества из твердого состояния в газообразное, как сублимация , однако им не исчерпывается. Согласно последним исследованиям при коротких длительностях лазерных импульсов (10 -9 -10 -14 секунды) и огромных интенсивностях лазерного излучения (≥10 10 Вт/см2) наблюдается удаление материала по другому физическому механизму. Межмолекулярные связи разрываются не как вторичное следствие высокой температуры, а как результат непосредственного перехода энергии из возбужденных состояний. Такой механизм разрушения материала имеет качественные макроскопические особенности. Например, наблюдается высочайшее качество отверстий, пробиваемых короткими лазерными импульсами. Речь идет о форме отверстий, качестве краев, отсутствует зона термического влияния и какие либо признаки жидкой фазы. Однако, такой механизм разрушения является энергетически и экономически очень дорогим, поэтому используется лишь для специальных задач. | |||||||
Человек, знающий элементарные законы оптики, от души посмеется над сюжетом, в котором супергерой отражает лазерную атаку злодея с помощью блестящей поверхности. Зеркало не способно отразить луч лазера, не рассеяв его пучок. Чтобы отразить или перенаправить луч лазера, нужно потрудиться и иметь для этого достаточно сложное оборудование.
Да и рука супергероя находится в большой опасности. Ведь при попадании мощного луча, зеркало с недостаточным качеством поверхности, или разрушится, или расплавится.
Это немалая проблема для современных специалистов в области лазерной оптики. Они сталкиваются с необходимостью отражать пучок лазера постоянно. Каких только ухищрений не предпринимали ученые до недавнего времени, их зеркала не удовлетворяли поставленным задачам. Какой бы идеальной ни была поверхность зеркала, она греется в точке соприкосновения с лучом, нагревается и деформируется. Лазерный луч не отражается полностью, большая часть его энергии утрачивается.
Традиционно, ученые искали новые теплостойкие материалы для изготовления зеркал. Одни материалы лучше, иные хуже, одни материалы дорогие, а другие требуют сложной обработки. Поиски подходящего материала не закончены и по сей день. Скорее всего, эти поиски затянутся на неопределенное время.
Оптики из института Фраунгофера пошли другим путем. Они применили известную поговорку «если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе». Они изменили подход к проблеме и решили создать умное зеркало, которое само компенсирует потери энергии и «подстраивается» под каждый вил лазерного луча индивидуально. Это стало возможным за счет того, что зеркало не поглощает тепло и деформируется, а просто компенсирует тепловую деформацию. Для компенсации используется высокоточный искусственный нагрев нужных областей зеркала и пьезоэлектрический эффект.
Зеркало, изготовленное из специальной керамики и покрытое слоем меди, может менять свою поверхность автоматически. Это происходит благодаря тепловым датчикам, которые дают команду нагревательному устройству разогреть ту область зеркала, которая компенсирует деформацию от тепла лазерного луча.
Применение умных зеркал дает простор для широкого применения лазера. Это могут быть установки для разрезания крупногабаритного космического мусора на мелкие части, которые способны сгореть в атмосфере Земли. Для этого не понадобится значительных затрат энергии и работы можно проводить с большого расстояния.
Применение таких зеркал поможет преодолеть атмосферные искажения лазерного луча и передавать большие объемы информации без потерь на расстояния в тысячи километров. В этом проекте кроются отличные перспективы для развития лазерной связи.
Конечно же, супергерою в карман такое зеркало не поместится. Ему нужно найти другие способы противостоять лазерному оружию. Кто знает, может такие методы и найдутся в будущем?!