WWW.METODICHKA.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Методические указания, пособия
 


«Честнов Игорь Юрьевич Аракелян Сергей Мартиросович Перспективные лазерные технологии Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Перспективные лазерные ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт прикладной математики и информатики био- и нанотехнологий

Кафедра физики и прикладной математики

Честнов Игорь Юрьевич

Аракелян Сергей Мартиросович

Перспективные лазерные технологии

Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Перспективные лазерные технологии» для студентов ВлГУ, обучающихся по направлению 200500.62 «Лазерная техника и лазерные технологии»

(шифр направления, название) Владимир-2014 г.

Оглавление Тема 1. Введение в дисциплину. Открытые оптические системы передачи информации. Области применения.

Преимущества и недостатки 3 Тема 2.Волоконно-оптические системы связи.

Основные компоненты и узлы 5 Темы 3-4.Основные физические процессы, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом.

Физические процессы лазерных технологий при обработке материалов Тема 5.Схема лазерных технологических установок.

Лазерная сварка, лазерная резка, лазерная пробивка отверстий.

Тема 6. Использование лазеров в клинической медицине:

лазерная хирургия и терапия 11 Тема 7. Оптическая локация, навигация, дальнометрия, батиметрия 12 Тема 8.Перспективные применения лазеров в научных исследованиях Тема 9.Принципы лазерной спектроскопии 16 Список литературы Тема 1.

Введение в дисциплину. Открытые оптические системы передачи информации. Области применения. Преимущества и недостатки Сформулировать роль лазеров и лазерной техники в производстве современной техники на примере:

Компьютера Мобильного телефона Автомобиля

Материалы и литература:

интернет-ресурсы;

Вейко В.П. Лазерные микро– и нанотехнологии в микроэлектронике Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. - 141 с.

Теоретический обзор.

Лазеры получили широкое распространение благодаря особым свойствам своего излучения, таким как высокие временная и пространственная когерентности, монохроматичность, возможность получения высоких мощностей и малых длительностей.

Эти свойства лазерного луча и определяют области применения различных лазеров. Высокие монохроматичность и когерентность лазерного излучения делают возможным его применение в спектроскопии, инициировании химических реакций (лазерной химии), лазерном разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей.

Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировать их в пятно малого диаметра используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание.

Малая расходимость лазерного излучения используется в системах связи, в локации, для измерения расстояний.

Ниже представлен список основных применений лазеров и лазерной лазерной техники, не претендующий на полноту и всесторонний охват данной тематики.

Металлообработка — сварка, резка, упрочнение.

Микротехнологии—микроэлектроника, обработка пленок, нанесение пленочных слоев, литография, подстройка параметров, интегральная оптика, микрооптика, микромеханика микрохимия и др.

Лазерная маркировка материалов и изделий.

Полиграфия — изготовление печатных форм, лазерная печать (принтеры) и др.

Оптическая связь и волоконные технологии.

Химические технологии: разделение изотопов, катализ и т.д.

Звуко– и видеозапись и воспроизведение.

Измерения и контроль в технологичеcких процессах, дефектоскопия.

Дистанционные измерения, экологический мониторинг.

Оптическая локация, навигация, дальнометрия, батиметрия.

Лазерная спектроскопия.

Клиническая медицина — хирургия, терапия и диагностика, и биология (все направления клинической медицины).

Голография и ее применения.

Реставрация художественных произведений (в т. ч. очистка).

Трехмерное моделирование и синтез 3-х мерных объектов.

Космос (лазерные реактивные двигатели, разведка и добыча полезных ископаемых на космических телах, удаление космического «мусора» с Земли или из космоса.

Лазерное оружие (космическое, противоракетное, ослепляющее).

Научные применения лазеров.

Среди множества других применений лазеров выделяется самое, пожалуй, широкоиспользуемое – применение лазеров в информационных системах, а именно для передачи оптической информации.

В целом, среди различных средств передачи информации на расстояние, в которых так или иначе используется лазерное излучение, стоит выделить два больших класса: системы, использующие в качестве канала передачи открытое пространство, и волноводные системы передачи информации.

Важным преимуществом ООСП перед радиоэлектронными средствами (РЭС) для операторов является отсутствие необходимости многомесячной процедуры получения разрешения на использование полос радиочастот.

Вместе с тем оптические компоненты ОСП обладают повышенной чувствительностью к воздействию метеоявлений и ионизирующих излучений.

Недостатки открытых оптических систем передачи, прежде всего сильное ослабление и искажение сигналов в среде распространения (кроме космоса). Кроме того, очевидно, что на дальность (и надежность) открытых систем связи в атмосфере заметно влияют метеорологические условия:

туман, дождь, снег, дым, турбулентность атмосферы и др. Для больших расстояний R (километры и более), вследствие явлений рефракции и рассеяния, осложняется проблема точного наведения светового луча на фотоприемную систему, а также влияния фона (рассеянное излучения, небесные светила).

Данные довольно сильные недостатки ОССП обуславливают необходимость использования направляющей системы оптического волноводов, в которых сигналы не подвержены действию внешних помех и рассеянию.

Тема 2.

Волоконно-оптические системы связи. Основные компоненты и узлы Описать принцип действия и устройство, а также условия применения, следующих узлов волоконно-оптических систем связи:

Лазер с распределенной обратной связью, Лазер на гетероструктурах, VCSEL-лазеры, Лазеры на квантоворазмерных структурах, Оптические волокна, сохраняющие состояние поляризации

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Ackerman D. A. et al. Telecommunication lasers / I. P. Kaminow, T. Li. — М.: Optical fiber telecommunications IV A, 2002. — С. 288.

Пихтин А. Н. Оптическая квантовая электроника.. — М.: Высшая школа, 2001. — С. 573.

Наний О. Е. // Оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDM-сетей связи.. — Lightwave Russian Edition, 2006.

— С. 53-56.

Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: Учеб. пособие по спец.

«Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.

Теоретический обзор.

Исторически первая оптическая волноводная система передачи информации (Губо и Шверинг, 1961 г.) была выполнена на основе конфокального линзового волновода.

Линзовый волновод представляет собой набор положительных линз, последовательно расположенных на двойном фокусном расстоянии (практически- величиной около1 метра). Назначение линз– компенсировать дифракционную расходимость оптического излучения в волноводе.

На данный момент наибольшее распространение получили системы передачи информации по оптическим волоконным световодам.

Среди достоинств оптических волокон можно указать следующие:

1. Широкая полоса пропускания обусловлена чрезвычайно высокой частотой оптической несущей - около 1014 Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Тбит/сек. Большая полоса пропускания одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

2. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчёте на один километр.

Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяжённостью более 100 км.

3. Высокая помехозащищённость. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно неВОЛСриимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных оптических кабелях также не возникает проблемы перекрёстного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

4. Малый вес и объём. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объём по сравнению с медными кабелями в расчёте на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см на металлической основе может быть заменён одним волокном с диаметром 1 мм.

5. Высокая защищённость от несанкционированного доступа.

Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приёма-передачи.

Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги.

Недостатки ВОЛС:

Стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы 1.

должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключениеотключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по 2.

монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

Требование специальной защиты волокна. Прочно ли оптическое 3.

волокно? Теоретически да. Стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа. Это, казалось бы, означает, что волокно в единичном количестве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1 кг. К сожалению, на практике это не достигается.

Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет миротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например нитями на основе кевлара. Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет увеличение стоимости оптического кабеля.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, дальнейшие перспективы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

Темы 3-4.

Основные физические процессы, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Физические процессы лазерных технологий при обработке материалов.

Изучить уравнение теплового баланса как математическую основу тепловых процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Изучит механизмы лазерной абляции.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Гоголева Н.Г. Применение лазеров в науке технике медицине. Спб.:

Издательство СпбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – 80 с.

С.И. Анисимов, Б.С. Лукъянчук Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук. — 2002. — № 127. — С. 301.

Делоне И.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: курс лекций. – М.:Наука, 1980. – 280с.

7 Теоретический обзор.

При падении на поверхность раздела двух сред электромагнитная волна испытывает отражение, поглощение, рассеяние и преломление. Это можно записать как

–  –  –

где E0 - поток излучения, падающий на поверхность раздела сред, ER - поток отраженного излучения, ЕA - поток, поглощенный средой, ЕM - поток рассеянного излучения, ET - поток излучения, преломленный средой.

Поделив обе части равенства на E0, получим R+A+M+T=1, где R = ER/E0 - интегральный коэффициент отражения, А = ЕA/E0 интегральный коэффициент поглощения, М = ЕM/E0 - интегральный коэффициент рассеяния, T = ET/E0 - интегральный коэффициент пропускания.

Использование лазерного излучения в технологических процессах подразумевает взаимодействие его с непрозрачными средами (для данной длины волны), следовательно можно считать, что R + А = 1.

Коэффициент отражения R зависит от материала и длины волны излучения.

Изменение плотности светового потока по глубине в первом приближении описывается законом Бугера

I(z) = I0(1-R)exp(-z),

где I0 - плотность падающего излучения на поверхность, – коэффициент поглощения на единицу длины, z - координата, вдоль которой распространяется излучение.

Вводят понятие глубины проникновения излучения. Глубина проникновения излучения - это расстояние, на котором интенсивность излучения уменьшается в е раз. Численно она равна обратному коэффициенту поглощения на единицу длины = 1/.

Комплексной характеристикой теплофизических свойств материала является температуропроводность (измеряется в м2 /с):

a, c где - (Вт/(м·К)) - теплопроводность, cv (Дж/(К-кг)) - теплоемкость среды при постоянном объеме, - (кг/м3) - плотность среды.

Чем выше температуропроводность, тем больше глубина проникновения теплового потока. Вводят понятие глубины прогретого слоя хпр, который прогрелся за время t. На такой глубине температура падает в е раз по сравнению с поверхностью хпр (at )1/2.

При взаимодействии лазерного излучения с веществом можно выделить три группы факторов, определяющих результат обработки:

1. Теплофизические свойства вещества - теплопроводность, теплоемкость, плотность, температура плавления, температура испарения, удельная теплота плавления и испарения, коэффициенты отражения и поглощения.

2. Параметры лазерного излучения - длина волны, мощность и плотность мощности, энергия в импульсе, длительность импульса, частота следования импульсов, степень поляризации.

3. Технологические условия проведения процесса - скорость перемещения образца, диаметр сфокусированного пучка, положение фокальной плоскости относительно поверхности, режим подачи газа в зону обработки и параметры этого газа.

В лазерной технолгии используются следующие основные процессы, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом:

1. Испарение (и абляция в расплавленной фазе) — наиболее популярный процесс, который лежит в основе большинства промышленных технологий любых материалов в микроэлектронике, микромеханике и микрооптике; в настоящее время актуальными остаются проблемы точности и качества.

2. Нагревание до температуры размягчения (или плавления) с последующим деформированием в вязко–текучей фазе (дополненное тем или иным механическим воздействием — вытяжкой, вращением и т.п.) применяется для изготовления ближнепольных оптических зондов, медицинского оптического инструментария и т.п.

3. Направленное локальное нагревание, вызывающее появление контролируемого поля напряжений, приводящего к управляемому деформированию листовых материалов (laser forming), причем не только с целью формообразования, но и прецизионной сборки и юстировки микромеханических компонентов.

4. Послойный синтез трехмерных объектов методом послойного наращивания, в том числе стереолитография, селективное лазерное спекание и послойная сборка из листовых материалов (laminated object manufacturing).

Тема 5.

Схема лазерных технологических установок. Лазерная сварка, лазерная резка, лазерная пробивка отверстий.

Понять механизмы реализации режима автоканализации при лазерной пробивки отверстий.

Изучить следующие процессы лазерной обработки материалов:

лазерное термораскалывание;

лазерная поверхностная обработка;

9 лазерной спекание порошков;

лазерное упрочнение поверхности.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Гоголева Н.Г. Применение лазеров в науке технике медицине. СПб.:

Издательство СпбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – 80 с.

Вейко В.П., Петров А.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии». Раздел: Введение в лазерные технологии.– СПб:

СПбГУ ИТМО, 2009 – 143 с.

Теоретический обзор.

При промышленном использовании лазеры дополнительно содержат различные функциональные устройства, которые вместе с лазером составляют технологическую установку. Независимо от типа лазера и конкретного вида технологического процесса лазерные технологические установки чаще всего состоят из ряда аналогичных блоков. Лазер генерирует излучение, которое формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на свариваемый объект. С помощью микроскопа возможны визуальный контроль положения объекта обработки, наблюдение за ходом процесса и оценка его результатов. Для наблюдения можно также использовать специальный экран или телемонитор. Механизм обеспечивает фиксацию обрабатываемого объекта на рабочей позиции, его перемещение и замену.

Установка может быть снабжена программным устройством, управляющим механизмом, и параметрами лазера. Датчики предназначены для контроля параметров излучения, а также параметров технологического процесса (температуры зоны обработки, яркости свечения плазменного факела, энергии отраженного излучения и т. п.).

Сигналы с датчиков поступают в элементы управления лазером непосредственно или через программное устройство, передавая информацию, необходимую для автоматического управления технологическим процессом.

Некоторые виды обработки требуют подачи в рабочую зону той или иной технологической среды, а также отсоса из рабочей зоны продуктов сгорания материалов. Для этих целей служат соответствующие устройства. Для повышения КПД процесса сварки металлов установка может быть снабжена устройством введения дополнительной энергии (генератор ультразвука, устройство возврата отраженного излучения и т. п.). Кроме перечисленных узлов установка может содержать устройство сканирования лазерного пучка или его точного наведения на объект сварки.

Тема 6.

Использование лазеров в клинической медицине: лазерная хирургия и терапия Дать описание механизмам и клиническим применениям следующим методикам:

лазерная сварка тканей;

удаление татуировок лазером;

лазерная пластика хрящевых тканей;

лазерная подтяжка кожи.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Серебряков В.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии в медицине» СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 226 с.

Шахно Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с.

Теоретический обзор.

Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью и разнообразием ввиду сложной структуры объекта воздействия (живого организма). К особенностям лазерного излучения, нашедшим себе применения в медицине следует отнести:

–направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,

– широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),

– возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),

– возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,

– возможность изменения частотных характеристик воздействия,

– широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,

– широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,

– простота доставки излучения,

– возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,

– возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.

В использовании лазеров в медицине на данный момент отчетливо прослеживаются следующие направления:

лазерная хирургия;

1) лазерная терапия;

2) лазерная диагностика.

3) Лазерная хирургия использует достаточно мощные лазеры, плотность мощности излучения которых достаточна для удаления, разрушения или термического некроза клеток, тканей или иных объектов, подлежащих ликвидации. Именно в области лазерной хирургии достигнут большой прогресс - сравнительно с другими областями лазерной медицины.

Лазерная терапия использует лазеры как источники низкоинтенсивного излучения.

Лазерная диагностика использует как лазеры малой мощности (в неразрушающих методах диагностики), так и мощные лазеры (как правило, импульсного действия) - в методах, предполагающих разрушение малой доли биообъекта, с целью установления элементного состава.

Большое разнообразие рассмотренных выше применений лазерных технологий в медицине, широких диапазон оптических и теплофизических свойств различных биологических тканей определяют разнообразие режимов, необходимых для обработки биотканей, и соответственно, большое разнообразие используемых лазеров.

Тема 7.

Оптическая локация, навигация, дальнометрия, батиметрия Описать принцип действия лазерного гироскопа.

Описать принципы голографии.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.: Радио и связь, 1987;

И.А. Андронова, Г.Б. Малыкин Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // УФН. — 2002. — Т. 172. — № 8. — С.

849–873;

Р. Кольер, К. Беркхард, Л. Лин «Оптическая голография» Изд. «Мир», Москва, 1973, 450 c.

Теоретический обзор.

Лазерную дальнометрию традиционно связывают с применениями лазеров в военной технике. Отчасти это вполне справедливо, так как первые работы в области измерения расстояний при помощи лазеров действительно связаны с военными применениями и датируются 1961 годом. Вместе с тем в настоящее время области применения лазерных дальномеров существенно расширились и включают как военные применения (в т.ч., в наземной военной технике (артиллерии, танковых войсках), в авиации и на флоте), так как и в задачах зондирования окружающей среды.

В общем случае задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.

Сущность метода импульсного дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылается зондирующий импульс, который одновременно запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу перед оператором на дисплее автоматически высвечивается расстояние до объекта. Минимальная погрешность в измерении расстояния, обеспечиваемая данным методом, составляет около 30 см (1 нс). Специалисты считают, что для решения большинства практических задач этого вполне достаточно, поскольку измеряемые расстояния составляют сотни метров – единицы км.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, падающего на объект. Отраженный от объекта сигнал приходит на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния. Погрешность измерений расстояний, обеспечиваемая фазовыми дальномерами, работающими в полевых условиях, при частоте модуляции лазерного излучения 10 МГц составляет около 5 см.

В военных применениях чаще всего используют импульсные дальномеры из-за простоты их схемы, надежности результатов измерения.

Импульсный лазерный дальномер. Импульсный дальномер может считаться самым простым по схемной реализации лазерным дальномером. Он, по сути, повторяет в другом диапазоне длин волн хорошо известный и давно применяемый в радиолокации принцип обнаружения и последующего слежения за объектом.

В современных дальномерах стараются использовать малогабаритные лазеры с воздушным охлаждением. Выходные импульсы излучения имеют характерные энергии 10 –20 мДж. Характерная частота повторения импульсов - 1 импульс в несколько секунд, но иногда используют режим работы с большей частотой (в этом случае используют короткие серии импульсов).

Эффективность работы дальномера зависит от ряда параметров.

Поэтому при выборе конструктивных решений помимо прочих соображений следует учитывать необходимость обеспечения:

большой энергии в импульсе;

максимально-возможного фокусного расстояния приемного объектива и его апертуры;

максимально-возможного увеличения телескопа;

минимального уровня темнового тока фотоприемника.

Трехмерное лазерное сканирование является новым быстро развивающимся методом лазерных измерений, используемых для решения различных производственных и инженерных задач (проектирование, реконструкция, строительство и т.д.).

В основе метода лазерного сканирования лежит определение координат отдельных регистрируемых точек на поверхности измеряемого объекта по трем измерениям (X, Y и Z), которое выполняются с помощью высокоточного скоростного (десятки тысяч измерений в секунду) лазерного дальномера. Принцип сканирования заключается в том, что после измерения координат отдельной фиксированной точки на поверхности объекта лазерный пучок разворачивается на некоторый заданный угол для того, чтобы перейти на следующий узел мнимой координатной сетки, где вновь производится определение координат. Так продолжается до тех пор, пока не будет просканирована вся поверхность изучаемого объекта.

Тема 8.

Перспективные применения лазеров в научных исследованиях Изучить физические принципы устройства и функционирования магнитно-оптической ловушки;

сизифового охлаждения атомов;

испарительного охлаждения атомов.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

Филипс У. Д. "Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов" УФН 169 305 (1999).

Теоретический обзор.

Излучение лазеров может обладать высокой степенью пространственной когерентности, что позволяет сфокусировать его в область, размеры которой сравнимы с длиной волны этого излучения.

14 Жестко сфокусированный лазерный пучок формирует в области перетяжки пространственно неоднородное распределение электрического полясветовой волны и создает эффективную потенциальную яму для частиц, обладающих большей диэлектрической проницаемостью по сравнению с окружающей их средой. Захват в такую потенциальную яму единичных микрообъектов и управление их положением принято называть методом оптического пинцета.

Пионерская работа по оптическому управлению положением микрочастиц была проведена Робертом Эшкиным еще в 1970 году. В его работе представлены результаты наблюдения действия сил давления света на различные прозрачные микрочастицы, и впервые показана экспериментальная возможность оптического захвата микрочастиц. А в 1986 году он совместно с коллегами опубликовал работу с описанием первого оптического пинцета на одном сильно сфокусированном лазерном луче.

Таким образом, оптический (или лазерный) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов или для удержания их в определённом месте. Вблизи точки фокусировки лазерного луча свет тянет к фокусу всё, что находится вокруг.

Применения оптического пинцета:

Контролируемое изменение расстояний на микроуровне с нанометровой точностью Диагностика in situ и in vivo нанообъектов в естественной среде без влияния подложки Изучение сверхслабых взаимодействий и сил между нанообъектами вплоть до 10 фН сил (фотонно-силовой микроскоп), измерение коэффициента жесткости «пружинки» ДНК, упругие свойства клеток, эффект «оптической отдачи» при люминесценции, магнитные и электрические взаимодействия на микроуровне Изучение процессов парных взаимодействий (агрегации и дезарегации) биологических микро- и нанообъектов Еще совсем недавно считалось, что предел возможному в оптике ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов.

Он заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого света и принципиально ограничен дифракцией излучения. Однако в последнее время появилась и вызывает все больший интерес возможность изучения и формирования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, которые во много раз меньше длины световой волны. Такая возможность возникла в связи с развитием ближнепольной оптики (БПО) – нового и чрезвычайно перспективного направления физической и прикладной оптики.

С физической точки зрения она основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано на расстояниях много меньших. В техническом смысле БПО сочетает элементы обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии.

Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд, обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла. Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда как сквозь диафрагму в металлическом экране и достигает образца, расположенного в ближнем поле источника. Если расстояние z до поверхности образца и радиус a диафрагмы удовлетворяют условию a~, то размер светового пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль образца возможна реализация разрешения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения.

Подобная идея была предложена еще в 1928 году Сингхом (E.H.

Syngh), она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически не замеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами в 1972 году. В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM во главе с Дитером Полем (D.W. Pohl) проникла внутрь дифракционного предела и продемонстрировала разрешение /20 на приборе, работающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ). Чуть раньше в той же лаборатории был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принесший ей всемирную известность.

В отличие от туннельного и атомно-силового микроскопов, сразу завоевавших признание, БСОМ некоторое время оставался в тени.

Уникальные возможности БСОМ были убедительно продемонстрированы лишь в начале 90-х годов, когда удалось решить две важные технические проблемы: существенно повысить энергетическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния между острием и образцом. В последние годы в десятках лабораторий успешно ведутся работы по использованию БСОМ при решении широкого круга задач физики поверхности, биологии, техники записи и считывания информации и др. С 1993 года в США ведется промышленный выпуск приборов БПО.

Тема 9.

Принципы лазерной спектроскопии Дать описание технике лазерной оптико-акустической спектроскопии.

Материалы и литература:

Интернет-ресурсы;

В.П. Жаров, B.C. Летохов Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М.: Наука, 1984. 320 с;

Демтредер В. Лазерная спектроскопия. – М.: Наука, 1985. – 608 с.

Теоретический обзор.

Спектроскопия — раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. Методами спектроскопии исследуют уровни энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, а также квантовые переходы между уровнями энергии, что дает важнейшую информацию о строении и свойствах вещества, С появлением лазеров в спектроскопии началась новая эпоха. Особенно важным было появление лазеров на красителях, позволяющих плавно, в широких пределах (330 нм — 1,8 мкм), изменять длину волны излучения. Использование лазеров, излучение которых обладает высокой интенсивностью, монохроматичностью и малой расходимостью пучка, резко повысило возможности спектроскопии.

Разрешающая способность оптической спектроскопии возросла более чем в миллион раз, чувствительность доведена до предельного уровня - возможна регистрация отдельных атомов и молекул. Появились принципиально новые методы. Так, например, часто мы имеем дело с неоднородно уширенными доплеровскими линиями. Лазерные методы спектроскопии насыщения и двухфотонного резонанса позволили измерять ширину линии, свободную от доплеровского уширения. Появилась возможность проводить дистанционный анализ на больших расстояниях от объекта и исследовать

-12 -14 быстропротекающие процессы (10 - 10 ) с. Использование лазеров позволяет снимать спектры поглощения с возбужденных состояний атомов и молекул, даже если времена жизни этих состояний лежат в пикосекундном диапазоне.

Список литературы

1. Вейко В.П. Лазерные микро– и нанотехнологии в микроэлектронике Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. - 141 с.

2. Ackerman D. A. et al. Telecommunication lasers / I. P. Kaminow, T. Li. — М.:

Optical fiber telecommunications IV A, 2002. — С. 288.

3. Пихтин А. Н. Оптическая квантовая электроника.. — М.: Высшая школа, 2001. — С. 573.

4. Наний О. Е. // Оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDM-сетей связи.. — Lightwave Russian Edition, 2006. — С. 53-56.

5. Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: Учеб. пособие по спец.

«Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.

6. С.И. Анисимов, Б.С. Лукъянчук Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук. — 2002. — № 127. — С. 301.

7. Делоне И.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: курс лекций. – М.:Наука, 1980. – 280с.

8. Гоголева Н.Г. Применение лазеров в науке технике медицине. СПб.:

Издательство СпбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. – 80 с.

9. Вейко В.П., Петров А.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии». Раздел: Введение в лазерные технологии.– СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 – 143 с.

10.Серебряков В.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии в медицине» СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 226 с.

11.Шахно Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с.

12.Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.: Радио и связь, 1987;

13.И.А. Андронова, Г.Б. Малыкин Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // УФН. — 2002. — Т. 172. — № 8. — С.

849–873;

14.Р. Кольер, К. Беркхард, Л. Лин «Оптическая голография» Изд. «Мир», Москва, 1973, 450 c.

15.Филипс У. Д. "Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов" УФН 169 305 (1999).

16.В.П. Жаров, B.C. Летохов Лазерная оптико-акустическая спектроскопия.

М.: Наука, 1984. 320 с;

17.Демтредер В. Лазерная спектроскопия. – М.: Наука, 1985. – 608 с.

18



 

Похожие работы:

«Частное образовательное учреждение высшего образования «Брянский институт управления и бизнеса» УТВЕРЖДАЮ: Заведующий кафедрой информатики и программного обеспечения _Т.М. Хвостенко «26_» _августа_ 2015 г. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ Укрупненная группа 090000 Информатика и вычислительная техника направлений и специальностей Направление 09.03.01 Информатика и вычислительная техника подготовки: Профиль: Программное обеспечение средств...»

«Центр мониторинга и оценки качества образования Томского областного института повышения квалификации и переподготовки работников образования АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ ВЫПУСКНИКОВ 2015 ГОДА ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ В ФОРМЕ ЕДИНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА Информационно-аналитический отчет и методические рекомендации Томск 201 УДК 74.26-28(2Рос-4Том) ББК 271.263(571.16) Авторы: Т.Л. Владимирова, Т.Л. Воробьева, И.Ф. Горбачева, Б.В. Илюхин, А.В....»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Муромский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (МИ (филиал) ВлГУ) УТВЕРЖДЕНО на заседании учёного совета МИ (филиала) ВлГУ. Председатель учёного совета _проф. Н.В. Чайковская Протокол № 10 от 23.12.2014 г. ОТЧЁТ о результатах самообследования...»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Мурманска средняя общеобразовательная школа № 3 Утверждено Директор С.А. Багурина Приказ № 131\ 3 от 29 августа 2014г. Рабочая программа по математике 10-11 класс уровень базовый Количество часов по учебному плану 5 часов в неделю Программу разработала: Сидорова А.В. учитель математики МБОУ СОШ № 31 Программа рассмотрена на заседании МО учителей математики и информатики МБОУ СОШ № 31 Протокол № 1 от 29 августа 2014 г. Рук. МО Иванова...»

«Муниципальное образование город Алейск Алтайского края муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 4 города Алейска Рассмотрена на Согласована с Утверждена в заседании ШМО зам. директора по УВР соответствии с учителей начальных _О.Л. Кухаренко Положением о рабочей классов от «»2014г. программе Руководитель Директор МБОУ СОШ№4 _Рябцева Н.Н. _О.А.Кореннова Протокол № 1 от.08.2014г Приказ № от «» _2014г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА факультатива «Мир...»

«Артеменко С.В. Преддипломная практика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов по специальности 020501 Биоинженерия и биоинформатика (специалитет), форма обучения очная, Тюмень, 2013, 12 стр. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки. Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: преддипломная практика [электронный ресурс] / Режим доступа:...»

«ФГБУ «Центральный научно-исследовательский институт организации и информатизации здравоохранения» Министерства здравоохранения Российской Федерации] www.mednet.ru Принципы кодирования состояний у лиц, страдающих сахарным диабетом Методические рекомендации Москва, 2013 г. «УТВЕРЖДАЮ»: Директор ФГБУ «ЦНИИОИЗ» Министерства здравоохранения Российской Федерации Доктор медицинских наук, профессор, академик РАМН, вице-президент РАМН _ В.И. Стародубов _ 2013 г. Принципы кодирования состояний у лиц,...»

«Методические и иные документы обеспечения образовательного процесса для направления подготовки 010400.62 «Прикладная математика и информатика»1. Психология и педагогика [Электронный ресурс]: методические рекомендации для студентов / ЮЗГУ; сост.: С.И. Беленцов, О.В. Чернышова. Курск:, 2014. – 43 с.2. Mathematical Software and information systems administration Методические указания для студентов специальности 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем»...»

«Пример оформления титульного листа курсового проекта (работы) Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Факультет заочного обучения Кафедра инженерной психологии и эргономики Дисциплина: общая теория систем ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе на тему ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ МОДЕЛИ ИНТЕРФЕЙСА USB 2.0 Студент гр.000901 В.Н. Батизатов Руководитель: Н.В.Щербина Почтовый адрес: 210001 г. Витебск, ул....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» Кафедра информационных систем и технологий Трошина Л.М. ПРОГРАММИРОВАНИЕ СЕРВЕРНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ Методические указания по выполнению курсовой работы Северодвинск УДК 681.3 Методические указания по выполнению курсовой работы соответствуют дисциплине «Программирование...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет» _ Кафедра информационных и управляющих систем А.В. Бушманов Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Методы и средства проектирования ИС и технологий» для бакалавров по направлению подготовки 230400.62 “ Информационные системы и технологии “ по профилю “Информационные системы и технологии” Благовещенск ББК 32.81 я73 Б90 Рекомендовано учебно-методическим советом...»

«Сведения об обеспеченности обучающихся основной учебной литературой Факультет Экономико-математический Направление подготовки 01.03.02 «Прикладная математика и информатика» (уровень бакалавриата) Обесп Курс, семестр Кол-во студентов Дисциплина Название учебника Кол-во экз. еченн ость Д/о З/о Д/о З/о Философия Философия[электронный ресурс]: учебник/под Неогр II 13 1 ред.В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. – М.: ЮНИТИдоступ (4) ДАНА, 2012. – 623с. – МО РФ. –Доступ к тексту. электронного издания...»

«INTRANET-ТЕХНОЛОГИИ Методические указания к лабораторным работам для студентов направления подготовки 230100.62 – «Информатика и вычислительная техника» Составитель И. В. Токарева Владикавказ 2014 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» Кафедра «Автоматизированная обработка информации»...»

«Дагестанский государственный институт народного хозяйства «Утверждаю» Ректор, д.э.н., профессор Бучаев Я.Г. 30 августа 2014г. Кафедра «АХД и аудит» РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «СТАТИСТИКА» Направление подготовки – 09.03.03«Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в экономике» Квалификация бакалавр Махачкала – 2014г. УДК 311 ББК 60.6я73 Составители: Глотова Валентина Георгиевна, заведующая кафедрой «АХД и аудит» Дагестанского государственного института народного хозяйства...»

«ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ от 06.06.2015 Рег. номер: 890-1 (07.05.2015) Дисциплина: Информационная безопасность Учебный план: 09.03.03 Прикладная информатика/4 года ОДО Вид УМК: Электронное издание Инициатор: Ниссенбаум Ольга Владимировна Автор: Ниссенбаум Ольга Владимировна Кафедра: Кафедра информационной безопасности УМК: Институт математики и компьютерных наук Дата заседания 30.04.2015 УМК: Протокол №7 заседания УМК: Дата Дата Результат Согласующие ФИО Комментарии получения согласования согласования...»

«Очная форма обучения № Код Наименование направПеречень п/п ления подготовки (специальности) Академический бакалавриат, 4 года Информатика и вычислитель1. Якушин, Роман Юрьевич. Методические указания для самостоятельной работы студентов при изучении дисциная техника плины Компьютерные технологии в локомотивном хозяйстве [Текст] : [для студентов третьего и пятого курсов очной и заочной форм обучения специальности 190301 – «Локомотивы»] / Р. Ю. Якушин, 2011. 21 с. 2. Малютин, Андрей Геннадьевич....»

«Методические и иные документы обеспечения образовательного процесса для направления подготовки 010400.62 «Прикладная математика и информатика»1. Психология и педагогика [Электронный ресурс]: методические рекомендации для студентов / ЮЗГУ; сост.: С.И. Беленцов, О.В. Чернышова. Курск:, 2014. – 43 с.2. Mathematical Software and information systems administration Методические указания для студентов специальности 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем»...»

«ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Направление подготовки 09.03.03 Прикладная информатика Профили подготовки Прикладная геоинформатика Институт математики и естественных наук Форма обучения очная Год начала обучения 2012 Ставрополь, 2015 СОДЕРЖАНИЕ 1. Общие положения 3 1.1 Список нормативных документов для разработки образовательной программы бакалавриата 3 1.2 Общая характеристика образовательной программы бакалавриата 1.2.1 Цель (миссия) образовательной программы 4 1.2.2 Срок...»

«ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ от 10.06.2015 Рег. номер: 2387-1 (10.06.2015) Дисциплина: Безопасность жизнедеятельности Учебный план: 05.03.03 Картография и геоинформатика/4 года ОДО Вид УМК: Электронное издание Инициатор: Малярчук Наталья Николаевна Автор: Малярчук Наталья Николаевна Кафедра: Кафедра медико-биологических дисциплин и безопасности жизнедеяте УМК: Институт наук о Земле Дата заседания 19.05.2015 УМК: Протокол заседания УМК: Дата Дата Результат Согласующие ФИО Комментарии получения согласования...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет» Новокузнецкий институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет» Факультет информационных технологий_ Кафедра информационных систем и управления_ Рабочая программа дисциплины Б1.В.ОД.2...»







 
2016 www.metodichka.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Методички, методические указания, пособия»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.