Лазерное излучение

                       Российский государственный социальный университет.

                          Факультет охраны труда и окружающей среды.

                                               Кафедра охраны труда. 
 
 
 
 
 
 

                                                        Курсовая работа

                                  

                                                по физической экологии. 

                                                   Лазерное излучение. 
 
 
 
 

                                                                                              Выполнил: Рахманкулов Олег Игоревич

                                                                     Проверил: Шмырев. В .И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           

  
 

                                                                                                                                                                                                         

                                                               Москва

                                                                 2011 г.

     Содержание.

     1.Введение.

     2.История  создания лазеров.

     3.Принцип действия лазеров.

     4.Лазерное  излучение.

     5.Применение  лазеров.

     6.Нормирование  лазерного излучения.

     7.Методы  защиты.

     8.Воздейсвие  на организм человека.

     9.Способы  устранения излучения.

     10.Средства  защиты

     11.Заключение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение.

  Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах  видел в нем надежного и мощного помощника. Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники 20века. Первый лазер появился в 1960 году , и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных  научных и технических задач. Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства, непрерывно расширяется область использования лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Лазерный луч  становится надежным помощником строителей, картографов,

археологов, криминалистов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

История создания лазера       

 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. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.  

   Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями". 

    Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот. В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором". Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.  

    В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР и в Колумбийском Университете в США. 

    Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой "L" (начальная буква слова Light - свет). В основе работы, как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный . В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.  

   В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же году В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; он выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных, а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.  

    Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так  мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.  

   В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г. 

    Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. 
 
 

Принцип действия лазеров

Чтобы понять принцип  работы лазера, нужно более внимательно  изучить процессы поглощения и излучения  атомами квантов света. Атом может  находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E₁, E₂ и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны.    Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными. Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях. Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов . Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными. В 1916 году  А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.  
 
 

   Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии. Он работает на принципе индуцированного излучения, получаемого при оптической накачке (например, воздействием импульсов света) термически неравновесной (активной) среды, в качестве которой служат диэлектрические кристаллы, стекло, газы, полупроводники и плазма.

     Отдельные атомы таких материалов при попадании  на них фотона обладают свойствами перехода с верхнего энергетического  уровня на нижний уровень с испусканием  двух фотонов, индуцированных с той  же частотой, поляризацией и направлением распространения.

     Примером  может служить рубиновый оптический квантовый генератор, в котором  рабочим телом является рубин. Мощность в импульсе составляет около 100 МВт  при мощности на возбуждение около 20 кВт/см³, а температура, создаваемая лазерным пучком, может достигать 10¹⁵К (примерно в 10¹¹ раз больше температуры Солнца).

     Существуют  и другие виды лазеров с твердым  телом, например из ниодимового стекла, флюоритита кальция с примесью атомов таких редкоземельных элементов, как диспрозий, самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий – ниодимовые лазеры (длина волны излучения равна 632,8 нм; 1,15 и 3,39 мкм) и др.

     В процессе изготовления, испытания и  эксплуатации лазерных изделий на обслуживающий  персонал могут воздействовать физические, химические и психофизиологические опасные и вредные факторы.

     К физическим факторам относятся:

• Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или диффузно отраженное);
• Высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания лазера (лазерных установок);
• Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации от импульсных ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок в рабочей зоне;
• Повышенная яркость света от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом мишени;
• Повышенный шум и вибрация на рабочем месте, возникающие при работе лазера (лазерной установки);
• Повышенный уровень ионизирующего рентгеновского излучения от газоразрядных трубок и др. элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;
• Повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ – и СВЧ – диапазонов в рабочей зоне;
• Повышенный уровень инфракрасной радиации в рабочей зоне;
• Повышенная температура поверхностей оборудования;
• Взрывоопасность в системах накачки лазеров;
• Возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.