97625

Разработка принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки

Дипломная

Физика

Под лазерной указкой понимают устройство испускающее когерентную электромагнитную лучистую энергию в оптическом диапазоне спектра излучения. Это означает что все колебания в различных частях лазерного излучения происходят согласованно. Из-за того что диод излучает не направлено большая часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается.

Русский

2015-10-20

264.51 KB

4 чел.

Содержание

Введение……………………………………………………………………...........3

Глава 1. Обзор литературных источников по одноканальным лазерным указкам.

  1.  Анализ принципиальных схем оптических систем одноканальных лазерных указок(ОЛУ)……………………………...………………….…...…7-12
  2.  Анализ миниатюрных лазерных излучателей в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра...……………………………………...………………13-15
  3.  Основные технические характеристики полупроводниковых лазерных излучателей.......................................................................................................16-19
  4.  Назначение и области применения лазерных указок…………………………………………………………………………20-22
  5.  Меры безопасного использования лазерных указок......……...…......23-26

Глава 2. Разработка принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки.

2.1. Разработка оптической системы двухканальной лазерной указки с параллельными оптическими осями………………………………………………

2.2. Разработка оптической системы двухканальной лазерной указки с совмещенными оптическими осями……………………………………………….

2.3. Расчет некоторых параметров оптических элементов и коллиматорных систем……………………………………………………………………………….

Заключение.

ПЕРЕДЕЛАТЬ!

Введение

На сегодняшний день квантовые оптические генераторы широко применяются во многих  областях человеческой деятельности. Одним из применений лазера является устройство, позволяющее визуализировать точку на выбранной поверхности, то есть – световая указка. Когерентное излучение и малая расходимость пучка позволяют использовать подобное устройство на дальние расстояния. Поэтому модернизация существующих и создание новых устройств является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки, с возможностью работы в двух диапазонах оптического спектра. Для достижения цели, необходимо проанализировать принципиальные схемы оптических систем, одноканальных лазерных указок (ОЛУ), миниатюрных лазерных излучателей,  работающих в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра. Изучить их основные технические характеристики, определить меры безопасного использования лазерных указок; разработать оптические системы двухканальной лазерной указки с параллельными оптическими осями; разработать оптические системы двухканальной лазерной указки с совмещенными оптическими осями; произвести расчет некоторых параметров оптических элементов и коллиматорных систем.

Заключение.

Данная дипломная работа имеет определенную научную и практическую значимость, поскольку в ней проведено углубленное всестороннее изучение и дан сравнительный анализ литературных источников по разработке принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки. Применены различные методы исследований – сравнительный и комплексный; экспериментальный; количественный, математико-статистический и качественный анализ, практические методы. Использован метод индивидуального исследования.

Аннотация.

Дипломная работа состоит из введения, двух глав, обзора литературных источников по одноканальным лазерным указкам.

Работа иллюстрирована таблицами, графиками и схемами.  

Список использованной литературы.  (в конец работы)

Айден К. Аппаратные средства PC: перевод с нем. - Санкт-Петербург.: BHV - СПб, 1996. - 544 с.

Ахманов, С. А. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов / С. А. Ахманов, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин. М.: Наука, 1988. С. 28.

Багаев С. Н., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Лещенко В. Е., Кох А. Е., Фролов С. А., Васильев В.А. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные системы на основе когерентного сложения // VII международная конференция «Фундаментальные Проблемы Оптики – 2012», 15–19 октября, 2012, Санкт–Петербург, Россия, Сборник трудов, С. 427.

Багаев С. Н., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Лещенко В. Е., Фролов С. А., Васильев В. А. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные системы на основе когерентного сложения оптических полей // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115, № 3. С. 356–366.

Басов Н. Г., Грасюк А. З., Карев Ю. И., Лосев Л. Л., Смирнов В. Г. Водородный комбинационный лазер для эффективного когерентного суммирования наносекундных световых импульсов // Квантовая Электроника. 1979. Т. 6, № 6. С. 1329–1331.

Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. Москва : Наука, 1975. 720с.

Бусленко, Н. П. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) / Н. П. Бусленко, Ю. А. Шрейдер. Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 226c.

Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 528 с.

Игнатов А. Н. И 26 Оптоэлектроника и нанофотоника: Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань», 2011. — 544 с.: ил. — (Учебни ки для вузов. Специальная литература).

Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. - М.: Наука, 1982 - 208 с.

Коржиманов А. В., Гоносков А. А., Хазанов Е. А., Сергеев А. М. Горизонты петаваттных лазерных комплексов // УФН. 2011. Т. 181, № 1. С. 9–32.

Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. - 656 с.

Лещенко В.Е. Когерентное сложение параметрически усиленных фемтосекундных импульсов // Материалы 50–й юбилейной международной научной студенческой конференции «Студент и научно–технический прогресс» (МНСК), 13–19 апреля, 2012, Новосибирск, Россия, Сб. тез., С. 12.

Лещенко В. Е., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Фролов С. А. Безаберационная широкополосная система стретчер–компрессор для фемтосекундного петаваттного 106 лазерного комплекса с параметрическим усилением // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27, № 4. С. 332–340.

Матвеев А. Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.

Матвеев А. Н. Типы и характеристики лазеров // «Оптика» Москва, «Высшая школа», 1985 г., с 325

Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.

О’Шиа Д., Коллен Р., Родс У. Лазерная техника. Пер. с англ. М., «Атомиздат», 1980, 256 с.

Потёмкин А. К., Катин Е. В., Кирсанов А. В., Лучинин Г. А., Мальшаков А. Н., Мартьянов М. А., Матвеев А. З., Палашов О. В., Хазанов Е. А., Шайкин А. А. Компактный лазер на фосфатном стекле с неодимом с энергией 100 Дж и мощностью 100 ГВт для накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов // Квантовая электроника. 2005. Т. 35, № 4. С. 302–310.

Самарский, А. А. Численные методы / А. А. Самарский, А. В. Гулин. М.: Наука, 1989.

Сивухин В. А. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.

  1.  Анализ принципиальных схем оптических систем одноканальных лазерных указок(ОЛУ)

Под лазерной указкой понимают устройство, испускающее когерентную электромагнитную лучистую энергию в оптическом диапазоне спектра излучения.

Подобные указки являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это означает, что все колебания в различных частях лазерного излучения происходят согласованно.

Лазерная указка — это портативное устройство, которое генерирует узконаправленный луч лазера в видимом световом диапазоне (диапазон с длиной волны от 0,38 мкм до 0,78 мкм). В большинстве случаев изготавливается на основе лазерного светодиода, который излучает в диапазоне 0,473 — 0,650 мкм. Излучение светодиода фокусируется в линию за счет двояковыпуклой линзы. Из-за того, что диод излучает не направлено, большая часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно, подкручивая прижимную гайку линзы), лазерную указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (к примеру, для изучения интерференции)

Лазерные указки, имеют специфические характеристики и параметры. Вследствие этого к оптическим системам, передающим и преобразующим лазерное излучение, предъявляются особенные требования. При формировании технического задания на разработку таких систем не могут не учитывать свойства излучения лазеров.

Лазерные указки являются монохроматическими источниками излучения. В большинстве задач расчёт ведётся на одну основную длину волны излучения.

Многие указки генерируют излучение большой мощности. Высокая плотность потока излучения может привести к нагреву элементов конструкции оптической системы и к так называемому «пробою линз».

Поэтому уже на этапе выбора принципиальной оптической схемы необходимо исключать варианты с промежуточным действительным изображением.

Структура лазерного пучка такова, что после выходного торца имеется область перетяжки, в которой поперечный размер пучка DП минимален. Потом

пучок начинает расходиться.

Основными параметрами таких указок являются угол расходимости пучка 2ϕ и размер перетяжки DП показанные на рисунке 1.1.

      

 

Рисунок 1.1. Структура лазерного пучка.

Где:

1 – выходной торец лазера,

2 – лазерный пучок.

Лазерные указки испускают достаточно узкий пучок лучей. Во многих практических приложениях нужно иметь пучок в несколько раз большего поперечного размера. При этом желательно уменьшить расходимость пучка. Похожее преобразование пучка выполняет телескопическая система, представленная на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Преобразование светового пучка телескопической системой.

Все лазерные указки состоят из трех основных конструкционных блоков:

Рис.1.2. Принципиальная схема лазерной указки.

1, 2-резонансная полость; 3-активная среда; 4-источник энергии.

1, 2 -  Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством - как правило два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые размещаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда. 

Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет (“глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения).

Второе зеркало полупрозрачное (применяется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, часть излучения возвращает в среду, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настраивать таким образом, что лазер начнет генерировать излучение только одного, строго определенного типа. Настройка реализовывается путем подбора расстояния между зеркалами.

3 - Активная (рабочая) среда - это вещество, в котором зарождается излучение (кристаллы рубина, стекло с примесью неодима и другие материалы), - имеет форму цилиндра или стержня. Активная среда определяет возможную длину волн эмиссии. Она может быть: твердой - кристаллы рубина, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы; жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах; газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.

Полупроводниковые материалы, холодная плазма и продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры именуются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

Рис 1.3.

 Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы обладают как минимум тремя энергетическими уровнями (Рис1.3). В нормальном состоянии они все находятся на самом низком энергетическом уровне с наименьшей энергией Е0. Когда лампа загорается, энергия ее света поглощается атомами и перемещает их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е2, откуда они немедленно опускаются на уровень Е1. На этом - возбужденном - уровне атомы могут находиться довольно долго. Присутствие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в конечное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса.

4 - Источник энергии (накачки). Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция.

Одноканальная лазерная указка состоит из корпуса с лазером, соединенным через электронный прерыватель тока и выключателя с питанием. Лазерная указка работает в мерцающем режиме с частотой 1-20 проблесков в сек., либо в постоянном режиме. Проблесковый режим работы уменьшает напряжение зрительной и нервной систем, облегчает прослеживание за указующим световым пятном, воспринимаемым каждое как новое пятно. Отчего утомление уменьшается. Совмещение направлений светового луча и указки также облегчает поиск и наблюдение за указующим пятном.

В основу лазерных указок положено явление индуцированного излучения, существование которого было прогнозировано Эйнштейном в 1917 году. По его прогнозу, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переключаясь на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если такие имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть сходится с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это значит, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Рис.1.4. Явление индуцированного излучения.

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 - энергия высшего энергетического уровня,

E1 - энергия низшего энергетического уровня.

Атомы активной среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, а излучают же они на верхних уровнях. Отсюда можно сделать вывод, что при большом количестве атомов на нижних уровнях, свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится.

Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение – это и есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны некоторая часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что на этапе выбора принципиальной оптической схемы одноканальных лазерных указок(ОЛУ) необходимо исключать варианты с промежуточным действительным изображением. Основными параметрами таких указок являются угол расходимости пучка и размер перетяжки. И в основу одноканальных лазерных указок положено явление индуцированного излучения.

1.2.Анализ миниатюрных лазерных излучателей в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.

Среди лазерных излучателей, которые способны работать в видимом, а также инфракрасном диапазоне, миниатюрные полупроводниковые типы лазеров обладают особым положением, благодаря целому ряду имеющихся параметров.

Полупроводниковые лазерные излучатели, подобно другим лазерным излучателям (таким, как рубиновый лазер или же лазер на смеси He - Ne), испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени. Это означает, что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковые лазерные излучатели существенно отличаются от других типов лазерного излучения.

Полупроводниковые излучатели, осуществляют непрерывное перекрывание интервала длин излучаемых волн от 0,32 до 32 мкм. Отличительной характеристикой является длина волны, то есть цвет луча, точки излучения или развертки луча в крест (cross). Длина волны может быть самой разной (используют не только весь спектр видимого света, но и инфракрасный диапазон излучения).

В таблице 1 приведены основные данные:

Диапазоны волн электромагнитного излучения.

Тип

волны

Инфракрасное

Видимый свет

Спектр

Далекое

Близкое

Красный

Оранжевый

Желтый

Зеленый

Синий

Фиолетовый

Диапазон

длин

волн, нм

1000-

100000

750-

1000

650-

750

590-

650

590-

530

530-

490

490-

420

420-

400

Таблица 1.

Инфракрасное излучение занимает весьма протяженную спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому (красному) излучению, а с другой стороны — к электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (λ = 0,76...3 мкм), среднюю (λ = 3...6 мкм), дальнюю (λ = 6...15 мкм) и очень далекую (λ = 15... 1000 мкм). Логика такого деления связана с существованием так называемых «атмосферных окон».

Для обеспечения решения аналитических задач в среднем ИК-диапазоне требуются источники оптического излучения с уровнем яркости, существенно превосходящим соответствующие параметры неселективных тепловых источников излучения, а также способные перестраиваться по частоте генерации в широком динамическом диапазоне. Кроме того, традиционные способы модуляционной спектроскопии требуют обеспечения технически несложных методов управления параметрами излучения источника внешним высокочастотным радиосигналом. Всему этому набору характеристик в наибольшей степени удовлетворяют полупроводниковые лазеры.

В ближней ИК-области спектра существуют методы лазерной спектроскопии, использующие в качестве источника зондирующего излучения гетероструктурные лазеры на основе GaAlAs и InGaAsP.

Таким образом, мы пришли к выводу, что миниатюрные лазерные излучатели в видимой области спектра и инфракрасной (ИК) областях спектра.

1.3.Основные технические характеристики полупроводниковых лазерных излучателей.

Характеристики полупроводниковых лазерных излучателей постоянно совершенствуются. Основными вехами истории их развития являются: создание первых лазерных диодов на основе p-n перехода в монокристалле

В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обуславливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм – 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, полупроводниковые лазеры обладают высоким кпд (до 50%). А большой выбор современных полупроводниковых материалов обеспечивает генерацию в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым лазерам широкое применение в различных областях современной деятельности человека.

Для работы лазера любого типа необходимо выполнение следующих основных требований: 1) создание инверсной заселённости на одном из оптических переходов; 2) превышение усиления над потерями; 3) наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи.

В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковых лазерах используются излучательные квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Инверсная населённость создаётся с помощью инжекции через p-n переход неравновесных носителей тока, путём приложения внешнего напряжения в прямом направлении. Дело в том, что распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока.  Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок – переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых лазеров.

На рис.1.5. представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и, если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми (Fn и Fp) у них выравниваются (рис.1.5а). А если они находятся под разными потенциалами, то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис.1.5б).

Рис.1.5. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: p-n переход без приложенного внешнего напряжения (а); p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении (б). d - ширина p-n перехода, l - реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.

В этом случае в зоне p-n перехода создаётся инверсная заселённость и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны с энергией h.hw.энергией  фотоны По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную положительную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию. При этомбинируют с с дырками).д из зоны проводимости в зонуних сдвигаются на величину разности потенциалова, уровень Фетми один и тот же. ме, состоящей из нескоьлекторонов в валентной зоне) и малых значениях внешнего приложенного напряжения процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового излучателя. При увеличении тока выше порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового излучателя. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.

На рис.1.6 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. Угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.

Рис.1.6 Принципиальная схема лазера на p-n переходе. 1-область p-n перехода (активный слой); 2-сечение лазерного пучка в плоскости ХY.

В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры. Лазеры на основе гетероструктур обладают лучшими характеристиками, например, большей выходной мощностью и меньшей расходимостью. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис.1.7, а её энергетическая схема – на рис. 1.8.

Рис.1.7. Полупроводниковая двойная гетероструктура. 1-проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3-слой Al0.3Ga0.7As (n); 4-слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5-слой Al0.3Ga0.7As (p); 6-слой GaAs (p); 7-непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8,9-прилегающие слои для создания электрического контакта; 10-подложка с теплоотводом.

Рис.1.8. Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис.3. ΔЕgc-ширина запрещённой зоны; ΔЕgv-ширина запрещённой зоны p-n-перехода.

Теперь рассмотрим спектральную характеристику, (зависимость мощности излучения от длины волны) которая определяется током накачки (режимом работы лазера). В светодиодном режиме ширина спектра максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер.

Рис.1.9.Зависимость мощности излучения от длины волны.

При приближении величины тока накачки к I пор (соответствует режиму суперлюминесценции), ширина спектра существенно уменьшается.

В режиме лазерной генерации кривая имеет ярко выраженные спектры отдельных мод, возникающие из-за не идеальности оптического резонатора. Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдельной моды менее 0,01 нм.

По виду спектральной характеристики лазеры подразделяются на:

– одномодовые – основная мощность излучается на одной моде, а все остальные имеют существенно меньшую амплитуду;

– многомодовые – имеется несколько мод излучения, сравнимых по амплитуде.  

Частотная характеристика – зависимость значения амплитуды импульса оптического излучения от частоты модуляции.  

Резонансный характер АЧХ лазера объясняется тем, что рост концентрации носителей в активной области, вызванный увеличением модулирующего тока, происходит с некоторой задержкой.

Повышение концентрации вызывает рост рекомбинационного излучения, которое, опять с задержкой, увеличивает индуцированную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей. Наличие задержек приводит к переходу через равновесное состояние и процесс становится колебательным – явление электрон-фотонного резонанса. Переходная характеристика – характеризует импульсный режим работы; из-за явления электрон-фотонного резонанса имеет релаксационные колебания. Ток смещения желательно поддерживать возможно ближе к пороговому для уменьшения времени переходных процессов и повышения быстродействия. При импульсной модуляции даже лазеры, стационарное излучение которых является одномодовым, оказываются многомодовыми в течение нескольких наносекунд при импульсном переходе через порог лазерной генерации.

1.4 Назначение и области применения лазерных указок.

Основное назначение лазерных указок - это возможность сконцентрировать внимание при помощи тонкого, яркого лазерного луча на каком-либо объекте. Такие приборы генерируют монохромные и когерентные электромагнитные волны видимого диапазона. Если говорить обычным языком, то речь идёт о мощном и тонком лазерном луче, способным преодолевать большие расстояния.

Наибольшую популярность в своё время получили недорогие красные указки. Но они не отличались высоким качеством. В них значительная часть излучения падает на стенки, из-за чего падает мощность. Кроме того, со временем происходит загрязнение зеркал резонаторов и выгорание самого диода, в следствие чего интенсивность излучения падает. Мощность подобных устройств не превышает 1,5 мВт.

В наше время гораздо большую популярность завоевали зелёные лазерные указки. Их мощность на несколько порядков превышает мощность небольших красных лазерных указок – от 200-300 мВт и выше. В продаже можно найти модели, чья мощность превышает 1000 мВт. Луч от такого прибора с лёгкостью преодолевает расстояние в несколько десятков километров. Впервые зеленые лазерные указки появились в продаже в 2000 году и были достаточно громоздки. На сегодняшний день лазерные указки имеют достаточно компактный вид и широкий ассортимент.

Лазерные указки бывают не только с красным спектром излучения, но и с зеленым, синим, фиолетовым и желтым.

Также с их помощью демонстрируют различные опыты со светом. Таким образом, мы можем сказать, что наглядность – это одно из главных достоинств подобных устройств.

Лазерные указки успешно применяются в следующих отраслях:

1. Военная отрасль: лазеры используются вооруженными силами для подсвечивания атакуемой мишени. Продаются малогабаритные комплекты лазерных указателей красного и зелёного цвета специально для установки на оружие.

2. Астрономия: эти лазерные указки достаточно мощные, отлично подходят для указывания разных созвездий на ночном небе хорошо видимым лучом. Указки могут быть установлены на липучке на телескоп для быстрого ориентирования по звёздному небу.

3. Туризм и путешествия: лазерные указки помогают спасти жизнь заблудившихся туристов, если они подадут световой сигнал SOS, который трудно будет не заметить спасателям.

4. Строительство: лазерные указки могут успешно применяться в строительных работах, указывая на строительную конструкцию находясь от неё на большом расстоянии.

5. Компьютерная сфера: лазеры используются для поиска разрывов в волоконно-оптических соединениях.

6. Развлечения: лазерная продукция используется на дискотеках, устраивая лазерное шоу. А серия мощных лазерных указок способна светить на десятки километров, прожигать пластик, взрывать воздушные шарики!

7. Обучение: преподаватели многих стран давно отказались от деревянных и пластиковых указок и сделали свой выбор в пользу лазерных указок небольшой мощности! Учитель, не отходя от своего рабочего места, может подсветить точкой на график, схему или диаграмму на которые необходимо обратить внимание учеников.

8. Медицина: с 1967 года медики использовали лазеры, чтобы уменьшить боль и ускорить заживление. Сейчас лазеры широко используются, как в стоматологии, так и в хирургии.

9. Радиотехника: используют в качестве элемента связи в пределах видимости при создании радиопередающих конструкций

Таким образом можно сделать вывод, что лазерный поток почти охватил весь мир, так как люди все чаще приобретают лазерные указки. Никогда еще настолько современные устройства не были так доступны (не говоря уже о том, что почти все лазерные указки могут взрывать, прожигать и зажигать). Эволюция лазера была стремительна и ни на минуту не останавливалась. Никогда еще не было так просто приобщиться к лазерным технологиям. Только при правильном использовании они станут отличным подспорьем в различных делах.

1.5.Меры безопасного использования лазерных указок.

Наиболее широкий диапазон модельного ряда у лазерных указок. И если у недорогих маленьких цилиндриков с красным лучом мощность 0,5-2 мВт (редко до 5 мВт), то лазерные указки в виде ручки с синим или зеленым лучом могут иметь мощность от 50 до 500 мВт и дальность действия несколько километров. По степени опасности вредного воздействия на человека лазерные указки относятся:

Класс 1 - лазерные устройства, выходное излучение которых не представляет опасности.

Лазерное устройство Класса 1 определятся как лазер (или лазерная система, содержащая такой лазер), который не может генерировать излучение с уровнем, превышающим допустимые пределы излучения (ДПИ) Класса 1 (см. ниже) для классификационной длительности. Классификационная длительность — наиболее продолжительный период суточного воздействия. Контрольные приборы могут не использоваться только по отношению к опасностям, связанным с излучением, но не по отношению к иным потенциальным опасностям.

ДПИ Класса 1 определяется при помощи анализа «наихудшего случая», для чего рассматривается опасность воздействия прямого или зеркально отраженного луча на глаза. В оценке риска «наихудшего случая» необходимо учитывать не только выходную мощность (энергию) излучения, но также и потенциальную опасность общей выходной мощности, которая может быть сконцентрирована в определенной апертуре. Например, луч непрерывного лазера на диоксиде углерода (λ=10,6 мкм) безопасен, если плотность потока энергии в нем не превышает 1 кВтм -2. Однако если выходная мощность лазера равна 10 Вт, и луч может быть сфокусирован при помощи зеркала в пятно диаметром 10 мм, то может возникнуть серьезная опасность. ДПИ Класса 1 должны определяться двумя разными способами, зависящими от того, считается ли сам лазер «протяженным источником» (необычный случай) или точечным источником (обычный случай).

Для большинства лазеров ДПИ Класса 1 определяется как произведение, а b, где, а - предел воздействия выходного луча (точечный источник) для Использование лазеров в промышленности 10 глаза при продолжительности воздействия Тмакс, b - площадь определенной апертуры.

Для протяженных источников лазерного излучения в спектральном диапазоне от 400 до 1400 нм (например, лазерных массивов, лазерных диодов или приборов, испускающих диффузное излучение) ДПИ Класса 1 определяется посредством такой выходной мощности или энергии, при которой излучение источника не превышает допустимый предел воздействия, когда источник рассматривается с минимального расстояния, равного 10 см. Оптическая система для просмотра не увеличивает опасность протяженных источников. Поскольку необходимость в применении ДПИ возникает не часто, ДПИ точечного источника могут применяться для осуществления консервативного анализа.

Класс 2 - лазерные изделия низкого риска (низкой мощности), генерирующие излучение видимого диапазона спектра, которые не представляют опасности для мгновенного взгляда. Они определяются следующим образом:

(а) лазерные изделия, генерирующие излучение видимого диапазона спектра, мощность (энергия) излучения которых может превышать ДПИ Класса 1 для классификационной продолжительности (0,4 мкВт для Тмакс больше 0,25 с), но не превышает 1 мВт;

Примечание. Иногда в стандартах некоторые лазеры Класса 2 могут классифицироваться в подкатегорию Класс 2а (не опасны для просмотра в течение периода, превышающего 1с).

(б) сканирующие лазерные системы и импульсные лазерные устройства периодического действия, генерирующие излучение видимого диапазона спектра, мощность (энергия) излучения которых может превышать ДПИ Класса 1 для классификационной продолжительности, но не превышает ДПИ Класса 1 при длительности воздействия 0,25 с.

Любое лазерное изделие низкого риска, классифицируемое на основании воздействия, должно быть снабжено предупреждающими этикетками, сообщающими о возникновении высокого риска в случае удаления панели доступа («панели доступа сняты»). Эти этикетки могут быть закрыты специальной крышкой, которую необходимо снять, прежде чем станут доступны основные панели доступа.

Класс 3а - лазерные изделия низкого риска (средней мощности), генерирующие непрерывное лазерное излучение видимого диапазона спектра мощностью от 1 до 5 мВт с плотностью потока излучения 25 Втм -2 или меньше. В некоторых стандартах эта классификация распространяется на лазеры, генерирующие излучение невидимого диапазона спектра, мощность (энергия) которого превышает ДПИ Класса 1 не более чем в пять раз и уровень излучения которых не превышает максимально допустимого значения для пучков большого диаметра.

Класс 3б - лазерные изделия среднего риска (средней мощности) Использование лазеров в промышленности 11 определяется как:

(а) лазерные изделия ультрафиолетового излучения, инфракрасного В и С излучения, которые могут излучать мощность, превышающую ДПИ для более низких классов, но которые не могут:

- излучать среднюю мощность излучения, превышающую 0,5 Вт при Т макс больше 0,25 с, или

- иметь плотность энергии 100 Джм -2 при времени воздействия 0,25 с или меньше;

(б) лазерные изделия, генерирующие непрерывное излучение видимого или ближнего инфракрасного диапазона спектра или импульсно периодическое излучение мощность (энергия) которого превышает ДПИ для более низких классов, но не превышает 0,5 Вт для Т макс больше 0,25 с;

(в) лазерные изделия, генерирующие непрерывное излучение видимого или ближнего инфракрасного диапазона спектра или импульсное излучение, мощность (энергия) которого превышает ДПИ для более низких классов, но плотность энергии в пучке не превышает 100 Джм -2, а уровень излучения, отраженного от совершенного диффузора, не превышает максимально допустимого значения.

Класс 4 - лазерные изделия высокого риска (большой мощности), которые характеризуются излучением, превышающим ДПИ для лазерных изделий Класса 3б.

В соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями к условиям реализации и эксплуатации лазеров (СН № 5804-91 “Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров”) все лазерные изделия должны иметь соответствующую маркировку: знак лазерной опасности, пояснительные и предупреждающие надписи: “Лазерное излучение”, “Не смотрите в пучок” или “Избегайте облучения глаз”, “Лазер II (III) класса опасности”. Кроме того, на них наносят информацию об изготовителе, максимальной выходной энергии (мощности) лазерного излучения и длине волны. Если эти сведения на корпусе изделия не умещаются, они обязательно должны быть указаны в паспорте или другой сопроводительной документации на прибор. 

Лазеры как потенциально опасные и вредные для человека товары подлежат обязательной санитарно-эпидемиологической экспертизе с оформлением санитарно-эпидемиологического заключения об их безопасности для пользователей с учетом указаний производителя по их применению. 

Хотя современные лазерные указки имеют защиту от детей, но все же лучше не рисковать и не давать такие вещи для игры детям. Ребенок может непроизвольно навредить себе или другому человеку.

Лазерный луч способен распространяться на достаточно дальние расстояния и почти не рассеивается. Если, например, направить луч лазерной указки на какой-либо предмет, которые находится на расстоянии километра, то на этом предмете появится световое пятно.

Даже на таком расстоянии лазерный луч не безопасен для глаз. А вот на кожу лазерный луч подобного действия не оказывает.

Правила техники безопасности при использовании лазерной указки.

При работе с лазером следует быть очень аккуратным и не нарушать правила техники безопасности.

  1.  Не светить в глаза людей и животных.
  2.  Не направлять на транспортные средства в том числе самолеты.
  3.  Не давать в руки детям и неадекватным людям.

Последствия могут быть весьма опасными.

Глаз устроен так, что хрусталик фокусирует изображение на сетчатку.
С глазом может произойти
 процедура укрепления периферической зоны сетчатки, направленная на профилактику возникновения отслойки сетчатки.          Например, лазер 150мВт, с красным спектром излучения, если его луч направить через линзу на дерево, получится маленькая точка, в которой дерево будет сгорать, и вместо красной, там будет белая точка, так как уголь раскаленный до 6000 градусов начинает светиться как дуговая лампа. А теперь можно представить, как лазер будет выжигать узоры на сетчатке глаза.

Чтобы лазерные лучи не навредили вашему зрению, всегда используйте специальные темные очки, не пропускающие ультрафиолет. Многие могут усомниться в необходимости их использования, ведь можно просто не направлять луч в глаза и все будет прекрасно. Однако такие очки действительно необходимы. При работе с лазером ваши глаза сильно утомляются, что способствует их ослаблению и требует продолжительного отдыха. Поэтому лучше потратиться на покупку очков, чем впоследствии мучиться со своим зрением. Ни в коем случае не надевайте простые солнцезащитные очки, вы нанесете еще больший вред зрению!

Таким образом можно сделать вывод, что необходимо помнить о мерах предосторожности при эксплуатации (использовании) лазерных указок. Нарушения правил техники безопасности может повлечь за собой административную и уголовную ответственность.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18728. Стратегия ГМП в РФ 33.97 KB
  Стратегия ГМП в РФ. Стратегия государственной молодёжной политики далее Стратегия разработана на период до 2016 года и определяет совокупность приоритетных направлений ориентированных на молодёжь включающих задачи связанные с участием молодёжи в реализации приорит
18729. Социальное воспитание молодежи 26.71 KB
  Социальное воспитание молодежи. Определение сущность социального воспитания. Воспитание сегодня понимают как: передачу социального опыта и мировой культуры; воспитательное воздействие на человека группу людей или коллектив прямое косвенное опосредованное; орган
18730. Социализация личности. Человек как объект и субъект социализации 28.51 KB
  Социализация личности. Человек как объект и субъект социализации. Социализация – это процесс усвоения индивидом норм и правил поведения принятых в обществе. Каждый человек особенно в детстве и юности является объектом социализации. Человек как субъект социализаци
18731. Человек как субъект и объект воспитания 25.98 KB
  Человек как субъект и объект воспитания. Потребность в воспитании. Воспитание – это целенаправленное воздействие на человека для подготовки его к выполнению всего многообразия социальных функций труда общения познания и т.д.. Оно входит в процесс социализации и явл...
18732. Разностороннее воспитание молодежи 25.41 KB
  Разностороннее воспитание молодежи. Модель разностороннего воспитания личности. Компоненты разностороннего воспитания. Разностороннее развитие личности предполагает не только развитие интересов но и развитие способностей. Между развитием способностей и интересо
18733. Социальное партнерство 19.32 KB
  Социальное партнерство. Экономическая и социальная сущность. Классификация объектов социального партнерства. Современные субъектнообъектные отношения в сфере социального партнерства. Современные технологии осуществления социального партнерства. Роль социального
18734. Франчайзинг как модель экономического обеспечения молодежи 21.99 KB
  Франчайзинг как модель экономического обеспечения молодежи. Определение франчайзинга и сторон франчайзинга. Способы получения разрешения на франчайзинговую деятельность. Франчайзинговый договор. Преимущества инедостатки франчайзинга для молодых предпринимателей...
18735. Детское и молодёжное движение как социальное явление 30.67 KB
  Детское и молодёжное движение как социальное явление. Нормативноправовая база общественного движения. Общественным движением является состоящее из участников и не имеющее членства массовое общественное объединение преследующее социальные политические и иные об...
18736. Организация социологических исследований проблем молодежи 23.71 KB
  Организация социологических исследований проблем молодежи. Стратегия эмпирического исследования молодежных проблем. Специфика использования инструментария эмпирического исследования при обращении к молодежной проблематике. Проблемы молодежи способы их выявления...