XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Способы преобразования пространственных характеристик лазерного пучка твердотельного лазера с целью получения минимального пятна в фокусе
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования:Получение минимального пятна в фокусе лазерного пучка позволит улучшить точность и качество обработки материалов, а также повысить эффективность лазерной сварки и резки. Такие исследования помогут разработать более точные и эффективные лазерные системы, что в свою очередь может привести к новым технологическим прорывам и применениям.
Методы: анализ, эксперимент, классификация.
Цель: изучение способов трансформации изначального лазерного пучка с целью получения минимального фокусного пятна.
Задачи:
-
Изучение теоретических основ лазеров и лазерных пучков, а также принципов и методов их фокусировки.
-
Исследование различных методов и способов трансформации лазерного пучка для получения минимального фокусного пятна.
-
Определение параметров лазерного пучка перед и после фокусировки, таких как размер, форма и интенсивность, с использованием экспериментальных методов.
-
Анализ полученных данных и оценка эффективности различных методов фокусировки
-
Выводы и рекомендации по выбору оптимального способа трансформации лазерного пучка для достижения минимального фокусного пятна.
Глава 1
Устройство лазера
Лазер - это устройство, которое генерирует и усиливает узкий монохромный пучок.
Свое начало излучение берёт в лампе накачки. Лампа сделана из определённых кристаллов или веществ, таких как, криптон, ксенон и кварц. Она создает интенсивный световой поток, который поглощается активной средой лазера. В этом помогает форма осветителя - эллипс.
Световой поток попадает в активное тело, где он поглощается электронами. Поглощённая энергия(фотоны) переводит электроны на более высокие энергетические орбиты.Попадающий фотон должен обладать энергией равной:h(постоянная планка)η==E2-E1,чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень.
Такой переход возможен только в определенных материалах, ведь в физике все стремится к минимуму энергии, поэтому активное тело создается из кристаллов, в которых возможны данные перемещения.
Электрон на верхнем энергетическом уровне может находиться ограниченное время, а перед тем как опуститься на более низкий уровень, излучает лишнюю энергию в виде излучения. Это явление происходит при переходе электрона с верхнего уровня на нижний и называется инверсной заселенностью. В лазере для достижения излучения используется трехуровневая квантовая система и принцип фотонной лавины. Первичное излучение провоцирует последующее излучение других электронов, обеспечивая усиление светового потока.
Фотонная лавина идет по активному телу, где упирается в глухое зеркало и отражается от него. Часть фотонов выходит через полупрозрачное стекло, которое стоит на противоположном конце активного тела.
Луч фокусируется с помощью расширителя луча, а после направляется на предмет.
Глава 2
Теоретическая часть
Существует несколько способов для преобразования изначального лазерного пучка с целью получения минимального фокусного пятна.Чаще всего это делают с помощью линз, диафрагм, коллиматоров, также может влиять диаметр активного тела.
В своей работе, мы рассматривали различные варианты оптических систем, пробовали добавлять диафрагмы и заменять зеркала.
Собирая самые разные комбинации, мы старались найти такую, где диаметр светового пятна будет наименьший.
Вывод к главе:
Экспериментирование с различными комбинациями оптических элементов и настройка параметров оптической системы может помочь достигнуть лучших результатов.
Глава 3
Предположения
-
Опираясь на данную формулу : d= , где d - диаметр пятна, f- фокусное расстояние, - коэффициент, зависящий от формы пучка, - расходимость исходного пучка. Можно сделать вывод: чем меньше фокусное расстояние, тем меньше пятно в фокусе. Будем проверять это на трех оптических системах.
-
= ,где d-диаметр луча. Можем варьировать диаметр путем изменения расширителя луча (телескопа), так же попробуем менять диафрагму и резонатор.
-
Произведем замену вогнутого глухого зеркала на плоское. Теоретически это должно уменьшить исходную расходимость излучения резонатора. И, как следствие, уменьшить размер пятна при фокусировке.
Глава 4
Ход работы
Работа производилась на твердотельном лазере “ЛИС-25”. Использовались линзы 50, 100, 200 мм фокусного расстояния.Активная среда -гранат с неодимом.
Рассмотрим предположение 1 из главы 3.
Чтобы проверить предположение, мы находили средний диаметр пятна для каждой линзы в фокусе, а также выше и ниже его. В каждом положении делали по 3 измерения.
Для 50 мм-овой линзы диаметр пучка 0,2 мм (0,02см)
Для 100мм-овой линзы диаметр пучка 0,4мм (0,04см)
Для 200мм-овой линзы диаметр пучка 0,6мм (0,06см)
Наши измерения качественно подтверждают предположение.
Чем меньше фокусное расстояние, тем меньше диаметр пятна.
Рассмотрим предположение 2 из главы 3.
Исследовались два варианта : без оптической системы с трехкратным расширителем луча или с диафрагмой.
Для этого мы сначала измерили диаметр пятна без телескопа, а потом с ним. В последнем случае пятно получилось в два раза меньше.Тоже самое было и с диафрагмой.
Мы подтверждаем ,что при использовании расширителя луча пропорционально снижается расходимость излучения и следовательно диаметр фокального пятна уменьшается. Наименьший диаметр пятна, которое нам удалось получить составило 0,02 см.
Рассмотрим предположение 3 из главы 3.
Произведена замена вогнутого глухого зеркала на плоское.
Измерения проводились с объективом 200 мм. При меньших значениях фокуса получаются столь маленькие размеры пятна, что сложно точно измерить его диаметр имеющимся измерительным инструментом. Как в случае наличия диафрагмы в резонаторе, так и без нее, диаметр пятна уменьшился на 0,05мм и составил 0,1мм.
Глава 5
Основные выводы
Из нашего исследования мы можем сделать вывод о том, что комбинация линзы 50 мм(фокусное расстояние), диафрагмы или телескопа и вогнутого глухого зеркала дает наименьший диаметр пятна равный 0,02 см.
Такой маленький пучок может применяться в медицине для разреза сосудов или тканей, помогает в создании титановых протезов косточек внутреннего уха. В науке лазер используется в процессе термоядерного синтеза, а в промышленности обработка металлов, вырезание мелких отверстий.
Глава 6
Список литературы
Макаров Е.Д. Курс лекций “Физика в медицине”
Физика : учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреж-. дений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев
Оптическая и квантовая электроника: Учебное пособие / В. И. Светцов;. Иван. гос. хим.-техн. ун-т; Иваново, 2004. 122 с