Лазерные технологии и их применение в области астрономии - Реферат

Т.е. лазер это настолько фундаментальное, универсальное и полезное изобретение, что может быть применено практически в любой области деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая космическими полетами, от использования в бытовой технике до систем определения расстояния и точного наведения на цели, да практически везде. История изобретения лазера началась с некоторого предположения о том, что излучение может взаимодействовать с веществом особым образом. В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый в мире лазер, активной средой которого был использован кристалл искусственного рубина, а резонатор использовал серебряные зеркальные покрытия, нанесенные на торцы кристалла. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды , лазеры на красителях , лазеры на двуокиси углерода , химические лазеры . На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало ; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч. лазер астрономия расстояние телескопВ этой статье я, надеюсь, хорошо ознакомил вас с принципом работы лазера, а также с минимальным списком его использования в астрономии (так же физики). На основе того, что написано выше можно сделать вывод, что лазер - уникальное изобретение, во многих случаях попросту незаменимое. Даже на данный момент, мы можем не знать, какие проблемы, в будущем нам поможет решить лазер. К сожалению, так как моим сферами использования лазера является астрономия и физика, именно в данной работе, я не смог привести другие сферы, не относящиеся к теме.Публикации Андрея Сергеевича Шиканова, доктора физико-математических наук, профессора Московского института радиотехники, электроники и автоматики.

Оглавление

Введение

История создания лазера

Принцип действия и устройство лазера

Использование лазеров

Применение лазеров в астрономии

Измерение расстояния до Луны

Лазерные дальномеры

Лазерная система стабилизации изображений у телескопов или Создание искусственных опорных «звезд»

Лазерный термоядерный синтез

Заключение

Словарь терминов и сокращений

Список иллюстраций

Список литературы

Приложения

Свою работу я решил посвятить изучению лазеров и их применению в области космонавтики и астрономии. С самого момента своего изобретения лазер называли изобретением, которое само находит сферы своего применения. Т.е. лазер это настолько фундаментальное, универсальное и полезное изобретение, что может быть применено практически в любой области деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая космическими полетами, от использования в бытовой технике до систем определения расстояния и точного наведения на цели, да практически везде. Широта сфер применения лазеров и их возможности просто поражают. Вот, почему я выбрал данную тему.

Кроме того, актуальность данной темы обусловлена тем, что сферы применения лазеров в наши дни постоянно расширяются. Лазеры совершают настоящие прорывы в тех областях деятельности человека, куда они приходят. Над признать, что на ровне с применением компьютерной техники, применение лазера является одним из условий, позволяющих совершать огромные скачки в развитии той или иной области человеческой деятельности. Не являются исключениями и области астрономии, астрофизики, космонавтики. Наоборот, современное развитие этих областей просто не мыслимо без применения и использования в них лазерных технологий (ЛТ). Однако, не исключено, что дальнейшее внедрение лазеров в этих областях поможет сделать новые открытия, достигнуть новых высот, совершить то, что вчера еще считалось научной фантастикой.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач: познакомиться с принципом работы различных типов лазеров;

рассмотреть варианты применения лазеров в области астрономии и космонавтики.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

История создания лазера

Лазер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения »), или оптический квантовый генератор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую , электрическую , тепловую , химическую и др.) в энергию когерентного , монохроматического , поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Вынужденное излучение - это генерация нового фотона при переходе квантовой системы из возбужденного в стабильное состояние.

Суть явления состоит в том, что возбужденный атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения.

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счет которой излученные фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор (то есть линзу).

История изобретения лазера началась с некоторого предположения о том, что излучение может взаимодействовать с веществом особым образом. Эту идею в 1916 году высказал и теоретизировал Альберт Эйнштейн. Из его теории вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн. Однако, пока это была только теория, граничащая с фантастикой. Одиннадцатью годами позже, в 1927 году, Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина" описал устройство, созданное на основе теории Эйнштейна.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была предпринята только в 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

В дальнейшем, в течении более 20 лет, в разных уголках мира в области индуцированного излучения велись многочисленные исследования, которые к 50-м годам ХХ века смогли создать необходимые предпосылки для фактического создания лазера. И вот, в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор - усилитель микроволн, использующий индуцированное излучение, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать работу над разработкой принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый в мире лазер, активной средой которого был использован кристалл искусственного рубина, а резонатор использовал серебряные зеркальные покрытия, нанесенные на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. Однако, начиная примерно с этого момента, началось бурное развитие лазерных технологий, которое не утихает и в наши дни. Каждый год появляются все новые виды лазеров, приспособленные для различных целей. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды , лазеры на красителях , лазеры на двуокиси углерода , химические лазеры . В 1963 г. Ж. Алферов и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур , на основе которых были созданы многие лазеры.

Принцип действия и устройство лазера

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения . Суть этого явления, как уже говорилось выше, состоит в том, что возбужденный атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излученный фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Т.е., частота колебаний первого фотона согласована с частотой колебаний второго фотона (Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний, получается колебание той же частоты). Таким образом происходит усиление света . Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу .

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбужденного атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбужденном состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбужденных атомов в среде было больше, чем невозбужденных (так называемая инверсия населенностей ). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические , электрические , химические и др.). Проще говоря, делается так, чтобы возбужденных атомов стало больше, чем невозбужденных.

Первоисточником генерации возбужденных атомов является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи , за счет которой излученные фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор .

Рисунок 3. На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало ; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч. лазер астрономия расстояние телескоп

В простейшем случае резонатор представляет собой два зеркала , одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нем индуцированные переходы. Излучение может быть, как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы ).

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной длинны волны или дискретного набора длин волн ), поскольку вероятность излучения фотона определенной длины волны больше, чем близко расположенной, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, изза особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от нее, остальные фотоны быстро покидают объем резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определенную поляризацию . Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы , например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

Использование лазеров

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения еще неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники , а также в быту (проигрыватели компакт-дисков , лазерные принтеры , считыватели штрих-кодов , лазерные указки и пр.). Легко достижимая высокая плотность энергии излучения позволяет производить локальную термическую обработку и связанную с ней механическую обработку (резку , сварку , пайку , гравировку ). Точный контроль зоны нагрева позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл ). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона , что позволяет использовать его в микроэлектронике для механической обработки материалов (резка полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в печатных платах ). Широкое применение получила также лазерная маркировка и художественная гравировка изделий из различных материалов (в том числе объемная гравировка прозрачных материалов). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование , лазерная наплавка , вакуумно-лазерное напыление ) с целью повышения их износостойкости . При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, зона нагрева мала, поэтому возникают лишь незначительные термические деформации . Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.

Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объемного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях , способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10?16 с, а следовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы ). Эти свойства используются в спектроскопии , а также при изучении нелинейных оптических эффектов .

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп ), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций . Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза . Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания . Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели , используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта , отслоение сетчатки , лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция , лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг , удаление татуировок и пигментных пятен ).

В настоящее время бурно развивается так называемая лазерная связь. Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность . Поэтому радиосвязь стремится переходить на все более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона , поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объема информации . Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну . Свет за счет явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая.

Для изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и получения управляемого термоядерного синтеза строят большие лазерные комплексы , мощность которых может превосходить 1 ПВТ.

Применение лазеров в астрономии

В настоящее время лазер еще ждет своих "нерешенных проблем" в области астрономии и космонавтики. Хотя и здесь он широко используется для решения повседневных задач, таких как высокоточное измерение расстояний, в качестве инструмента для наведения различного рода телескопов на цели, инструмента определения угловых скоростей для определения скорости вращения планет, и т.п.

Например, вот как с использованием лазера было измерено расстояние до Луны точностью до нескольких сантиметров .

Измерение расстояния до Луны

Во время полетов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на ее поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей . Затем, с Земли посылали специально сфокусированный лазерный луч. После этого, с помощью специальных устройств, фиксировали возвращения луча, отраженного от отражателей на поверхности Луны.

Теперь зная время, которое лазерный луч затратил на путь до лунной поверхности, и обратно и основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня, благодаря этому, параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

Лазерные дальномеры

Для измерения расстояний используется лазерный дальномер. Стоит упомянуть, что используется он не только в астрономической науке, но и во многих других областях. Например, в навигации, инженерной геодезии, военном деле, при топографической съемке. Существуют импульсные и фазовые дальномеры. Импульсный дальномер состоит из импульсного лазера и дальномера. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Фазовый же дальномер - дальномер, основанный на сравнении фаз отправленного и отраженного сигнала. Фазовые дальномеры обладают более высокой точностью измерения по сравнению с импульсными дальномерами.

Рисунок 5

Рисунок 6

Лазерная система стабилизации изображений у телескопов или Создание искусственных опорных «звезд»

Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения. Например, волновой фронт света, приходящего от далекой звезды (которую можно считать бесконечно удаленной точкой), на внешней границе атмосферы имеет идеально плоскую форму. Но пройдя сквозь турбулентную воздушную оболочку атмосферы Земли и достигнув ее поверхности, плоский волновой фронт теряет свою форму и становится похож на волнующуюся морскую поверхность. Это приводит к тому, что изображение звезды превращается из «точки» в непрерывно дрожащую и бурлящую кляксу. При наблюдении невооруженным глазом мы воспринимаем это как быстрое мигание и дрожание звезд. При наблюдении в телескоп вместо «точечной» звезды мы видим дрожащее и переливающееся пятно; изображения близких друг к другу звезд сливаются и становятся неразличимы по отдельности; протяженные объекты - Луна и Солнце, планеты, туманности и галактики - теряют резкость, у них пропадают мелкие детали.

Для решения этой проблемы и исключения влияния атмосферы Земли на конечное изображение используется, так называемый, методов адаптивной оптики . Применение которого в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы . Суть этого метода сводится к тому, что, определив турбулентность атмосферы, можно, используя специальную оптику и механику, компенсировать искажения, вносимые турбулентностью, и сделать изображения четким. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли или, как его еще называют, опорный, источник света - искусственную "звезду". Свет от этого источника, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором, в качестве которого, часто используют, деформируемое зеркало.

Лазерный термоядерный синтез

Рисунок 9

Основной физический принцип действия - увеличение выделяемой веществом энергии, за счет его нагревания с помощью лазерных микровзрывов. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма. Греющее излучение распространяется в глубь мишени лишь до области с плотностью электронов, называемой критической, где частота лазерного излучения сравнивается с плазменной. В окрестности этой области излучение начинает поглощаться, а непоглощенная часть отражается, также поглощаясь плазмой. Основной механизм поглощения здесь так называемое обратное тормозное поглощение света электронами.

За счет теплопроводности энергия, поглощенная в плазме с электронной плотностью, передается в более плотные слои, где происходит абляция вещества мишени. Оставшиеся не испаренными слои мишени под действием теплового и реактивного давления ускоряются к центру, сжимая и нагревая находящееся в ней топливо. В итоге энергия лазерного излучения превращается на рассматриваемой стадии в кинетическую энергию вещества, летящего к центру, и в энергию разлетающейся короны. Очевидно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру. Эффективность вклада световой энергии в мишень характеризуется отношением указанной энергии к полной энергии излучения - так называемым гидродинамическим коэффициентом полезного действия (КПД). Достижение достаточно высокого гидродинамического КПД (10-20%) является одной из важных проблем ЛТС.

Рисунок 10

В этой статье я, надеюсь, хорошо ознакомил вас с принципом работы лазера, а также с минимальным списком его использования в астрономии (так же физики). На основе того, что написано выше можно сделать вывод, что лазер - уникальное изобретение, во многих случаях попросту незаменимое. Даже на данный момент, мы можем не знать, какие проблемы, в будущем нам поможет решить лазер. К сожалению, так как моим сферами использования лазера является астрономия и физика, именно в данной работе, я не смог привести другие сферы, не относящиеся к теме. Например, его использование в хирургии, на индустриальных предприятиях, военной технике.

Словарь терминов и сокращений

ЛТ - лазерные технологии

Монохромное излучение - электромагнитное излучение , обладающее очень малым разбросом частот , в идеале - одной частотой (длиной волны ).

Когерентность - согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний, получается колебание той же частоты.

Закон Брюстера - закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отраженный от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломленный луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения.

КПД - коэффициент полезного действия

ЛТС - лазерный термоядерный синтез

Гиперболоид инженера Гамрина , А. Н. Толстой, 1927 год

Силин В.П. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму, 1973.