Embed Size (px)
DESCRIPTION
Laseri
Citation preview
Seminarski rad iz fizike
Laseri i njihova primena
Učenik: Nevena Stevanović IV-3
Laseri
Laser od (engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ili u prevodu „pojačanje svetlosti pomoću stimulisane emisije zračenja“ je izvor svetlosnog zračenja koji emituje koherentan snop fotona, kao izvor stabilan je po frekvenciji, talasnoj dužini i snazi. Za razliku od svetlosti koju emituju uobičajeni izvori, kao što su sijalice, laserska svetlost je uglavnom monohromatska, tj. samo jedne talasne dužine (boje) i usmerena je u uskom snopu. Snop je koherentan, što znači da su elektromagnetni talasi međusobno u istoj fazi i šire se u istom smeru. Sastavljen je od rezonatne šupljine i aktivne sredine koja ga ispunjava.
Lasere je moguće podeliti prema sledećim karakteristikama:
– način generisanja laserskog impulsa,
– fizičko stanje aktivnog elementa,
– snaga i spektar generisanja laserskog zraka.
Prema načinu generisanja laserskog impulsa moguće je razlikovati impulsne i kontinualne lasere. Impulsni laseri zrače kratak i snažan impuls laserskog zračenja. Kontinualni laseri imaju neprekidno lasersko zračenje. Neprekidno lasersko zračenje se omogućava konstantnim pobudjivanjem aktivnog tela.
Prema fizičkom stanju aktivnog tela laseri se mogu podeliti na:
– čvrste,
-gasovite,
– tečne,
– poluprovodničke.
Kod čvrstih lasera aktivno telo najčešće se pravi od plastične mase ili optičkog stakla koje je sa elementima iz grupe retkih zemalja. Prvi čvrsti laser bio je rubinski laser. U vojnim primenama, najčešće se koriste čvrsti laseri.
Kod gasnih lasera aktivno telo je neki gas, smeša gasova ili pare metala. Krajevi cevi opremljeni su ogledalima kako bi se formirao rezonator. Pobuđivanje atoma gasa se nejčešće obavlja električnim pražnjenjima kroz gas unutar cevi. Gasni laseri se često hlade strujanjem gasa kroz cev. Najčešće korišceni gasni laseri su: He-Ne laser (Helijum-Neon), argonski laser ili CO2 laser.
Gasni laseri se dele prema načinu formiranja populacione inverzije dele na:
– lasere sa pražnjenjem u gasu,
– gasodinamičke lasere,
– hemijske lasere.
Laseri sa pražnjenjem u gasu populacionu inverziju postižu putem elektičnog pražnjenja u gasu. Kod gasodinamičkih lasera populaciona inverzija se postiže pomoću brzog hladjenja, pri širenju smeše gasova koja je zagrejana na visokoj temperaturi i koja je sabijena pod visokim pritiskom. Kod tečnih lasera, aktivno telo je rastvor neorganskih jedinjenja elemenata iz grupe retkih zemalja (najčešće neodimijum – Nd), ili rastvor organskih boja. Kod poluprovodničkih lasera, lasersko zračenje se formira protokom velike gustine struje.
Sastavni delovi lasera su:
aktivna sredina sistem za pobudjivanje rezonator
Laser se pušta u rad tako što se uključi sistem pumpe, time nastaje inverzija naseljenosti radnih nivoa, čime se stvaraju uslovi za stimulisanu emisiju unutar aktivne sredine. Da bi se ponašao kao generator, još je potrebno da radi u režimu povratne sprege, što se realizuje uz pomoć rezonatora. Prag pri kome laser počinje sa radom dobijamo kada pojačanje u rezonatoru kompenzuje sve ostale gubitke, gubitke usled propagacije zraka i usled pojave laserskog snopa.
Princip rada lasera
Laserski zrak se proizvodi fenomenom stimulisane emisije. Kao prvi uslov emisije fotona je Borov uslov: tj. laserski medijum mora imati eneretske nivoe čija energija odgovara energiji emitovanih fotona. Drugi uslov je da većina atoma (ili molekula) bude u pobuđenom stanju. Moramo imati na umu da se u laserskom medijumu mogu događati različiti procesi interakcije elektromagnetskog zračenja i materije: najviše dolaze do izražaja apsorpcija i spontana emisija zračenja. Ukoliko dovedemo deo atoma (ili molekula) laserskog medijuma u pobuđeno stanje, oni će emitovati fotone spontanom emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbovati na nepobuđenim atomima, ili izazavati stimulisanu emisiju na preostalim pobuđenim atomima. Laserski zrak se može proizvesti jedino ako je stimulisana emisija izraženija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju zračenja. To se postiže inverzijom atoma u laserskom medijumu: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.
Postoje i laseri koji rade na principu četiri nivoa – četvoronivoski laseri. Metastabilno stanje se naseljava na isti način kao i kod tronivoskog lasera, ali inverzija naseljenosti se postiže između metastabilnog i drugog pobuđenog stanja niže energije. Kako se
pobuđeno stanje niže energije brzo relaksira i ostaje prazno, inverzija populacije je sigurna čak i ako je pobuđen relativno mali broj atoma u laserskom medijumu.
Šema rubinskog lasera: 1. izlazni laserski snop, 2. optička pumpa, 3. Izvor zračenja (u ovom slučaju rubin), 4. Visoko reflektivno ogledalo, 5. Rezonator, 6. Propusno ogledalo
Povećavanjem temperature dolazi do pobuđenod stanja, što može narušiti inverziju populacije. (Zagrevanjem nije moguće postići inverziju populacije.) Zbog toga je lasere često potrebno hladiti.
Laserski medijum je smešten između dva paralelna ogledala, tako da svetlosni snop koji prolazi između dva ogledala formira stojeći talas. Prostor između dva ogledala se naziva i laserska šupljina, rezonantna šupljina ili rezonator, po analogiji sa šupljinama koje se korise u akustici prilikom rada sa zvučnim talasima. Fotoni koji nastaju spontanom emisijom u laserskom medijumu emituju se u svim smerovima, ali samo oni koji su emitovani u smeru ogledala će se reflektirati između ta dva ogledala i biti zarobljeni u laserskoj šupljini. Ti fotoni, koji veliki broj puta prolaze kroz laserski medijum, će izazivati stimulisanu emisiju, prilikom prolaska blizu atoma u metastabilnim stanjima u laserskom medijumu. Jedno od dva ogledala se obično napravi tako da nema koeficijent refleksije 100%, već da propušta određenu količinu svetla (obično manje od 1%), pa fotoni mogu izaći iz laserske šupljine. Na taj način laserski snop sadrži skup koherentnih fotona, što joj daje veliki intenzitet.
Formiranje laserskog snopa je jedan od retkih primera manifestacije kvantne mehanike u makroskopskim sistemima: u kvantnoj mehanici razlikuju se dve vrste čestica: Fermi-Dirakove čestice – fermioni i Boze-Ajnštajnove čestice – bozoni. Fotoni se ponašaju kao bozoni. Fermioni ne mogu biti u istom kvantnom stanju, dok bozoni to mogu. Štaviše, što je više bozona u istom kvantnom stanju, veća je verovatnoća da će im se pridružiti još njih.
Primena lasera
u industriji - obrada papira, metala vojnoj tehnici - nišanjenje i obeležavanje ciljeva holografskim tehnikama- za dobijanje prostorne slke informacijskoj tehnologiji - prenos signala CD-uređaji, uređaji za očitavanje bar-
kodova u prodavnicama za upravljanje - robotima u medicini - za obradu i rezanje tkiva
Industrijska primena lasera
Laseri, zbog kvaliteta svetlosti koju proizvode danas imaju primenu u gotovo svim ljudskim delatnostima.
Lasersko zavarivanje se izvodi CO2 laserom. CO2 laseri sa velikom snagom (2-12kW) koriste se za zavarivanje automobilskih šasija i prenosnih komponenata, toplotnih izmenjivača i zahtevnih elemenata. Laserski snop se usmeri na jednu malu tačku, čime se dobije dovoljna snaga za topljenje materijala. Za fokusiranje velikih snaga CO2 lasera, umesto ogledala se koriste vodom hlađena ogledala.
Lasersko zavarivanje
Zavarivanje se u osnovi izvodi na dva načina. Za zavarivanje sa laserima velike snage, značajan je nastanak tzv. ˝keyhole˝. Energija lasera topi metal i uzrokuje isparavanje. Pritisak pare istisne istopljeni materijal i tako nastane rupa u obliku ključa, koja omogoćava prenos laserske energije u materijal i vodi laserski snop duboko u materijal. Stvaranje ˝keyhola˝ omogućava usko i duboko zavarivanje, pa ga često zovemo i duboko zavarivanje. Plinovi za zavarivanje moraju ispuniti više zahteva: štititi mesto vara,
područje oko vara, štititi optiku od para i toplote, i kontrolisati plazmu između zavarivanja sa CO2 laserom. Glavne prednosti zavarivanja laserom: su visok kvalitet zavarenog spoja, velika preciznost i brzina, zanemarljiva zona uticaja toplote, ušteda vremena, manje intervencije u pogledu obrade nakon laserskog zavarivanja, povoljna cena.
CO2 laser je plinsko-molekularni laser, koji kao aktivne komponente koristi molekule CO2. Za njegovu reakciju upotrebljava se električni spoj, optičko, hemijsko i toplotno pumpanje. Laser se sastoji od:
-staklene cevi u kojoj se nalazi smesa plinova: ugljenikovog dioksida, azota, helijuma i eventualno nekog drugog plina.
-na krajevima cevi se nalaze dva paralelna ogledala, koja su premazana slojem silikona, molibdena ili zlata, koja reflektuju laserski zrak natrag u cev i formiraju rezonator. Sociva i prozori su napravljeni od germanijuma i cink-selenida ZnSe. U cevi se nalaze I elektrode na koje je priključen visoki napon. Visoki napon proizvodi mnoštvo brzih elektrona u cevi koji sudarima predaju svoju energiju molekulama plina. Sastav laserske plinske mešavine je zavistan od vrste lasera, snage i proizvođača. Laserski plinovi se obično dostavljaju u posebnim plinskim bocama ili su prethodno smešani u jednoj boci.
CO2 laseri se koriste u industriji i za rezanje mnogih materijala: meki čelik, aluminij, nehrđajući čelik, titanij, papir, vosak, drvo i tkanine. YAG laseri se prvenstveno koriste za rezanje i označavanje metala i keramike.
Lasersko rezanje je uspostavljena procedura za precizno rezanje kontura, rezanje cevi i profila. Lasersko rezanje ima svoje prednosti kao što su brzina i preciznost.
Rezanje laserom je tehnologija koja koristi laser za rezanje materijala, i uglavnom se koristi za industrijsku primenu, ali sve češće se koristi i u školama, malim preduzećima.
Rezanje laserom radi tako da se direktno kontrolise izlazna snaga lasera, obično kompjuterom. Materijal se ili topi, ili isparava, ili ga otkloni mlaz zraka pod pritiskom, ostavljajući visoko kvalitetne rubove reza. Ne režu se samo limovi, nego i profili i cevi.
Kod rezanja laserom koriste se 3 vrste lasera. CO2 laser je pogodan za rezanje, bušenje i graviranje. Nd laser i Nd:YAGlaseri su slični laseri, a razlikuju se po primeni. Nd laser se koristi za bušenje, gde je potreba velika snaga, ali s malo ponavljanja. Nd:YAG laser se koristi za velike snage kod bušenja i graviranja, s velikim brojem ponavljanja.
Rezanje laserom
Označavanje sa laserskim snopom i graviranje su vrlo rašireni postupci. Koristi se označavanje roka korišcenja, kodova za označavanje i slično. Sa laserom možemo postići specifičnu promenu površine ili određenog područja. Graviranje je tehnički postupak urezivanja (linija, ukrasa, znakova, likova) u tvrdu, obično ravnu površinu pravljenjem brazda u njoj.
Rezultat graviranja može biti sam dekorirani predmet ako se gravira srebro, zlato čelik ili staklo. Otisak urezanih slika naziva se gravura. Danas se naglo razvijaju laserski gravirni strojevi, no ipak se mehaničko urezivanje dokazalo u jačini kvalitete i ekonomske isplativosti.
Lasersko bušenje omogućava nam izradu malih rupica na svakom materijalu, kao na primer u proizvodnji turbina ili svemirskom programu. Tačno usmeren snop koristimo i kod plastičnih materijala, gde se radnja izvodi pulsirajući do izrade konačne dimenzije rupe. Upotrebom pulsirajućeg lasera možemo izraditi i konuse, a postupak je poznatiji pod nazivom »pro Puls«.
Lasresko busenje
Ostale upotrebe - obrađivanje površine laserskim snopom podrazumeva različite upotrebe kao što su termomehanički postupci, emajliranje, legiranje, disperzija i slično. Površinska obrada laserskim snopom nam nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge postupke: minimalan unos toplote na obradak, tačna kontrola područja obrade, mali broj grešaka, odlična i jednostavna kontrola procesa.
Primena lasera u vojnoj tehnici
Upotreba lasera u oružnim snagama je za nišanjenje i označavanje mete. Ovo se može izvesti na više načina. Najjednostavniji nišanski sistem zasnovan na laseru je laserski pokazivač montiran na ručno oružje koji se sastoji od lasera postavljenog paralelno sa cevi oružja. Laser je obično IR laser koji kada dođe na metu proizvodi crveni odsjaj u vidu tačke. Ovaj sistem se uglavnom koristi na oružju za blisku borbu (pištolji i automati). Drugi vid nišanskog sistema je sistem zasnovan na tehnologiji koja se naziva LIDAR (Light Detection and Ranging). Lidar je kompleksna tehnologija ali se uređaj u osnovi sastoji od lasera, detektora i računara. Laserski zrak se odbija od mete, detektor registruje povratni zrak, a računar provodi kalkulaciju na osnovu koje može dobiti podatke o
udaljenosti, brzini itd. mete. Ovakav sistem se susreće kod recimo tenkova gde je kompletna procedura nišanjenja kontrolisana od strane računara koji računa sve parametre neophodne za siguran pogodak. Ovo je veoma precizan sistem ali se javljaju problemi zbog činjenice da neke površine ne reflektuju laserski snop dovoljno dobro ili su pak premazane posebnim zaštitnim sredstvima koja namerno otežavaju refleksiju odnosno absorbuju lasersku svetlost.
Snajper
Treći tip laserskog nišanskog sistema su laser-guided bombs ili LGB-s. Ovaj sistem se sastoji od bombe koja je opremljena prijemnikom odnosno fotoćelijom koja registruje lasersku refleksiju od mete, računarskog sklopa koji koristi signal dobijen na ovaj način i upravlja bombu ka cilju uz pomoć upravljačkog sklopa. S druge strane avion je opremljen laserskim označivačem koji prema cilju šalje pulsni laserski signal koji je kodiran na takav način da svaka bomba ima svoj cilj. Drugi način za označavanje bi bilo montiranje mini laserskog odašiljača unutar parametra mete. Ovakve akcije izvode specijalne desantne jedinice i koristi se kada je potrebna izuzetna preciznost.
U novije vreme sve se više koriste laseri prilikom vojne obuke.
Primena lasera u holografskim tehnikama
Holografija je metod dobijanja trodimenzionalnih slika. Obična (dvodimenzionalna) fotografija nastaje međudelovanjem svetlosti odbijene od predmeta i zrnaca fotografske emulzije na fotoploči. Stepen zasenjenja zavisi samo od intenziteta svetlosnog zraka, ali ne i od njegove faze i smera. Na taj način, na fotografiji je izgubljena prostornost lika. Da
bi se ona sačuvala, nužno je napraviti "potpuni zapis" svetlosnog zraka koji omogućava ponovno stvaranje zraka istog intenziteta i faze.To se postiže interferencijom dvaju laserskih snopova. Jedan se odbije od predmet i sobom nosi podatke o njegovom prostornom obliku, a drugi se direktno upućuje na fotoploču, gdje sa prvim stvara interferentnu sliku - hologram. Interferentna slika u sebi sadrži i fazu zraka koji dolazi od predmeta. Da bi se dobio hologram, svetlosni zraci, koji interferiraju, moraju biti koherentni. Zbog toga je holografija postala moguća tek kad je konstruiran laser.
Primena lasera u medicini
Laserska hirurgija - kada je reč o laserskoj operaciji (hirurgiji) treba reći da koristi odnosno upotrebaljava jak, intenzivan, precizan snop svetlosti za skidanje ili evaporaciju određene oblasti, ali i za kontrolu krvarenja u širokim regijama u ne invazivnim ili minimalno invazivnim procedurama odnosno hirurškim zahvatima. Svrha tj. cilj same operacije ogleda se u sledećem slučajevima: - iseći ili odstraniti oblast koja čini malformaciju tj. bolesni deo bez ostecenja zdravog tkiva, eleiminisati tumore i lezije- zaustaviti krvarenje manjih krvnih sudova i prevencija mnogo vecih krvarenjaČesto spominjana kao bezkrvna hirurgija, laserska procedura obično podrazumeva manja krvarenja u odnosu na tradicionalnu hirurgiju. Toplota koja biva generisana pri hirurškom zahvatu, zadržava mesto operacije nedirnuto od strane bakterija i na taj način, u velikoj meri, smanjuje rizik od infekcije. Iz razloga što podrazumeva veoma mali rez, laserska procedura oduzima mnogo manje vremena, nego što je to slučaj pri standardnoj hirurgiji, a samim tim i mnogo manje novčanih sredstava. Pored ovoga, mali rezovi omogućavaju znatno kraće vreme oporavka. Premda se neke laserske procedure mogu uspešnije izvesti u samoj ordinaciji nego u bolnici.
Laseri u stomatologiji - Laseri se koriste u stomatologiji već više od dvadeset godina, gde su se pokazali kao veoma uspešni alati za obradu i tvrdog i mekog tkiva u ustima. Princip, na kome laseri postižu svoj radni učinak u tkivima jeste fototermički, odnosno apsorpcija laserske svetlosne energije u odredjenim kromoforima tkiva dovodi do promene svetlosne energije u toplotnu, koja može, obzirom na svoju koncentrisanost i količinu da prouzrokuje zagrevanje ili otparavanje (ablaciju) tkiva.Apsorpcijska materija, koji se koristi za radni medijum u slučaju laserske obrade tvrdog zubnog tkiva jeste voda, što znači da se laserski zrak apsorbuje u molekulama vode u
zubnom tkivu, prouzrokujući tako uparenje tih molekula, tako da dolazi do mikroeksplozija unutar tkiva, koje vrše odnošenje, odnosno izbacivanje čestica površinskog sloja toga tkiva.
Što je bolja apsorpcija pojedinog lasera (odnosno njegove talasne dužine) u vodi, to je bolji efekat koji taj laser postiže na zubu. Tokom proteklih dvadesetak godina, je erbijev (Er:YAG) laser, sa radnom talasnom dužinom od 2940 nm prepoznat kao najbolje rešenje za obradu tvrdog tkiva, odnosno bušenje zuba.
U poredjenju sa mehaničkim svrdlom, lasersko bušenje zuba ima niz prednosti, kao što su: - povećanje udobnosti pacijenta prilikom tretmana ( u barem 90% slučajeva je lasersko bušenje sasvim bezbolno; nema potrebe za anestezijom; nema zagrevanja zuba; nema vibracija od svrdla; nema mehaničkog pritiska na zub i vilicu pacijenta) - brži i kraći celokupni tretmani (nema potrebe za sterilizacijom, jer već sam laser ima sterilizirajući efekat; nema potrebe za obradom kaviteta kiselinom, pošto su rubovi kaviteta čisti i imaju odlične prijanjajuće karakteristike za prihvat plombe; postiže se veća brzina bušenja laserom nego turbinom- poboljšanje sigurnosti i kontrole postupka bušenja (podešavanjem parametara laserske zrake može se ostvariti selektivnost bušenja, da laser odstranjuje samo karijesno tkivo, a ostavlja zdravo; dovodjena energija se može vrlo precizno podešavati i kontrolisati; nema krvarenja (ili je minimalno) pri zahvatima.
Laseri u oftalmologiji - Laser se može koristiti za lečenje nerefrakcijskih stanja, dok je radijalna keratotomija primer refrakcijske hirurgije, i izvodi se bez primene lasera.
Katarakta (mrena) je zamućenje sočiva prouzrokovano starenjem, bolešću, mikrotalasnim zračenjem, ili traumom. Katarakta ometa pristup i prelamanje svetlosti, što dovodi do stvaranja nejasne slike na mrežnjači. Ako je gubitak vida značajan, obavezno je hirurško odstranjivanje sočiva, a izgubljena optička moć se nadoknađuje plastičnim intraokularnim sočivom. Zbog visoke učestalosti katarakte, uklanjanje zamućenog očnog sočiva, je najčešći operativni zahvat na oku.
Glaukom je skup bolesti koje utiču na očni živac što dovodi do gubitka vida, i često je okarakterisan povišenjem intraokularnog pritiska. Postoje razne vrste hirurgije glaukoma, i varijacije ili kombinacije tih vrsta. Nezavisno od pristupa, cilj je da se olakša izlazak viška očne tečnosti sa svrhom smanjenja intraokularnog pritiska, ili da se smanji intraokularni pritisak putem smanjenja proizvodnje očne tečnosti.
Prednosti laserske kirurgije su: mali rizik infekcije i bezbolni zahvat.
Lasersko skidanje dioptrije - Laserska procedura traje kratko, manje od 30 sekundi, zavisno od dioptrije, ali cela intervencija traje oko 15 minuta za oba oka. Anestezija je u vidu kapi, a bola nema. Lasik se sastoji od kombinacije mikrohirurške procedure zasecanja i odizanje površnog sloja rožnjače (flepa) mikrokeratomom ili femtosecond laserom i primenu egzajmer lasera u dubljim delovima, a zatim ponovno vraćanje flepa. Velika prednost je brzopostignuta vidna oštrina, opseg visokih kratkovidosti do -10, dalekovidosti do +5 i astigmatizma do 4 dioptrije.
Laseri u dermatologiji - Brz razvoj laserske tehnologije u poslednjoj deceniji obogatio je terapijske mogućnosti i omogućio uspešno uklanjanje promena na koži. U kozmetickoj laserskoj dermatologiji, posebna se pažnja poklanja uklanjanju vaskularnih i pigmentnih promena, dobroćudnih tumora, tetovaža, nepoželjnih dlaka, bora i ožiljaka.
Laseri deluju po principu selektivne fototermolize čime omogućavaju ciljano odstranjivanje različitih promena na koži - hromofore (biološki aktivni molekuli) kože, kao što su hemoglobin, melanin i voda, apsorbuju specifičnu talasnu dužinu svetlosti. Primenom laserskog zraka određene talasne dužine (laseri emituju svetlo samo jedne talasne dužine) koja odgovara maksimumu apsorpcije hromofore (što sadrži određeno oštećenje) postiže se selektivno uništenje ciljnog tkiva bez većeg toplotnog oštećenja okolnog tkiva koje se ne tretira laserskim zrakom. Zbog toga je selektivnost pri uklanjanju promena na koži i najveća prednost lasera nad drugim terapijskim metodama. Ovo se postiže pravilnim izborom laserskog sistema i izabranim parametrima za terapiju.
