 |  |
|
Aplicatii Laser
Numarul aplicatiilor laser este foarte mare.Numai cateva dinte ele sunt mentionate aici
Aplicatii industriale
Industria a acceptat laserul la scurt timp dupa ce a fost inventat.In prima instanta, a fost folosit pentru aliniere si masuratori,dar cu timpul aplicatiile ce implica fascicule cu putere ridicata au inceput sa apara.
Masuratori exacte (distanta,viteza)
Cum radiatia laser este o radiatie electromagnetica care se deplaseaza cu viteza luminii,masuratori foarte precise pot fi realizate cu laserul.Masuratorile interferometrice a distantelor a distantelor la o rezolutie ridicata sunt cunoscute astazi.Una din aplicatiile care priveste distanta folosita de armata va fi prezentata mai tarziu.Bazat pe acelasi principiu ca la masurarea distantei,masuratorile industriale au fost dezvoltate.Divergenta scazuta a fasciculului laser permite emisia laser pe distante lungi.Una din cele mai precise masuratori cunoscute este distanta Pamant-Luna.Atronautii care au aterizat pe Luna au lasat acolo un colt de cub.Un fascicul laser pulsatoriu a fost trimis de pe Pamant si reflectat inapoi spre Pamant.Durata deplasarii a fost inregistrata.Cunoscand viteza luminii,distanta a fost calculata cu o precizie de zeci de centimetrii.Un colt de cub (un sistem de trei oglinzi perpendiculare) reflecta lumina in aceeasi directie cu fasciculul incident.
Marcarea cu ajutorul unei linii sau a unui plan de referinta
Multe aplicatii cotidiene necesita o linie de referinta precisa pentru aliniere.Ca exemple,montarea tevilor de gaz,apa,electricitate etc,saparea tunelurilor subterane,alinierea sistemelor mecanice.
Marcarea cu spoturi pentru directionarea radiatiei invizible de la un alt laser (cum ar fi Nd-YAG sau laserii cu CO2).Radiatia laser vizibila este aliniata paralel cu radiatia invizibila,astfel incat sa marcheze locul unde se va indrepta radiatia invizibila
Marcarea unui plan de referinta pentru constructii:Prin folosirea unei oglinzi rotative pentru a reflecta lumina laser vizibila,un plan perfect este definit in spatiu.Oglinda vibreaza in jurul unei singure axe,astfel lumina este reflectata in unghiuri consecutive continuu,astfel definind un plan perfect.Cum frecventa de vibrare a oglinzii este mai mare decat cea a perceptiei ochiului uman,omul vede un plan de lumina.Acest plan este util la alinierea peretilor,plafonului etc in industria constructiilor.
Prelucrarea materialelor
Avantajele principale ale laserilor in prelucrarea materialelor este: o precizie foarte ridicata in cazul ultimei etap de productie care poate fi obtinuta fara lustruire.Nu exitsa uzura a sculelor mecanice.Procesarea materialelor include multe tipuri de procese.O lista partiala cuprinde:
O combinatie dintre ultimele doua aplicatii a facut posibila creearea unor modele 3D.Pana si statuile au fost construite cu o precizie extraordinara folosind aceste tehnici.
Mecanismul de interactiune dintre laser si materie
Efectul termic - majoritatea aplicatiilor laserilor in cadrul prelucrarii materialelor au fost bazate pe absorbtia radiatiei laser inauntrul materialului,iar efectul principal este cel termic.Procesul de absorbtie
transfera energie materialului.Ca rezultat, temperatura creste in zona de lucru foarte mult.
Efectul fotochimic - ruperea legaturilor dintre moleculele materialului.Laserul excimer emite in spectrul UV si fotonii lui sunt foarte incarcati cu energie.Poate fi folosit pentru a taia structuri foarte delicate fara a cauza daune termice zonelor invecinate.
Cei mai folositi laseri pentru procesarea materialelor sunt:
Laserul cu CO2 care are o putere ridicata si este foarte absorbit de majoritatea materialelor.
Laserul cu Nd-YAG care are o putere ridicata si fasciculul emis poate fi transmis prin fibra optica.
Analiza spectrala
Procesul laser se bazeaza pe
absorbtia si emisia de fotoni la anumite lungimi de unda. Lungimea de
unda emisa de laser este monocromatica, si
latimea de banda este foarte ingusta. Astfel, cu laserul
poate fi folosit pentru excitatia controlata a moleculelor. Utile
pentru acest procedeu sunt laserii reglabili, a caror lungime de unda
poate fi reglata exact pentru a excita
molecule.
Cererile de Laseri in chimie
Dintr-o gama larga de aplicatii laser in chimie, vom mentiona:
a. Excitatia moleculelor catre nivelurile de energie specifice,
si examinarea radiatiilor emise.
Masurarea timpului de relaxare specific a nivelelor de energie specifice a
moleculelor.
b. Dezbinarea legaturilor chimice in anumite regiuni ale moleculelor - In
cazul in care un fascicul laser este concentrat, un camp electric foarte mare este
creat la punct focal (de pana la 109 V / cm).Astfel de campuri
electrice sunt mai mari decat fortele care tin electronii de
valenta intr-un atom. O alta posibilitate este de a utiliza
lungimi de unda care sunt foarte scurte (ceea ce inseamna ca fotonii
sunt foarte energizati)pentru a sparge legaturile chimice. Acest
lucru se face de obicei cu un laser excimer.
c. Spectroscopia Raman: dispersia Raman
este un proces de dispersie inelastica a fotonului de catre
molecula.Fotonul este absorbit de molecule, iar un alt foton, cu o
alta frecventa este emis. Schimbarea de frecventa de a
fotonului este conectata la energia tranzitiilor din molecule, care
absorb fotoni.
Cea mai importanta difuzie Raman este conectata la tranzitiile vibrationale
ale moleculei. Masurand schimbarea in frecventa, este posibil
sa se identifice molecula specifica.
Exista doua tipuri de procese de difuzie Raman:
Difuzia Stokes - atunci cand fotonul pierde energie, si molecula absoarbe
energia, si intra in starea
excitata. Frecventa fotonului emis este mai mica decat
frecventa fotonului incident.
Difuzia Anti-Stokes - in cazul in care fotonul primeste energie de la
molecula.
Frecventa fotonului emis este mai mare decat frecventa fotonului
incident.
Aplicatii medicale
Exista multe aplicatii
medicale a laserilor, si exista diferite moduri de a le clasifica in
grupuri:
In functie de organele tratate prin laser, cum ar fi: vaselor sanguine ale
ochiului, cardiace. In functie de tipul de laser utilizat pentru
tratament, cum ar fi: CO2, YAG, si argon.
In functie de tipul de tratament, cum ar fi de diagnostic, chirurgie,
conectarea vaselor sanguine.
Clasificarea utilizata aici este, in principiu, in functie de tipul
de tratament, cu comentarii asupra laserilor adecvati utilizati
pentru fiecare aplicatie:
Lasere medicale chirurgicale.
Lasere de diagnostic in medicina, si in asociere cu medicamente.
Laseri pentru aplicatii speciale: lasere soft.
Cand se foloseste laseri pentru tratamente medicale, o buna
intelegere a interactiunii dintre radiatia laser cu tesuturile
biologice specifice este necesara.
Interactiunea dintre radiatie laser si tesutul biologic
Interactiunea dintre radiatiile electromagnetice si tesutul
biologic depinde de:
1. lungimea de unda a luminii.
2. Intensitatea radiatiilor.
3. Forma de iradiere (continuu sau pulsatoriu).
Pentru nivelurile de putere de pana la cativa wati,
interactiunea este impartita in 3 regiuni ale lungimii de
unda:
1. Regiunea UV scurte - fotoni vor interactiona cu
proteinele, ARN si ADN-ului, si de obicei, ucide celulele biologice.
2. Zona apropiata de UV si domeniul scurt al
vizibilului - reactii fotochimice, cum ar fi reactiile de
fotosinteza (in special cu laserul excimer).
3.Regiunea vizibila si apropiata de
infrarosu - efecte termice ca urmare a absorbtiei de radiatie.
Procese optice
Parametru care rezuma efectele radiatiilor laser asupra
tesutului biologic este influenta:
Influenta = (W . timp) / Dimensiunea Spotului
Atunci cand un fascicul laser intalneste materie, 4 procese pot avea loc:
Reflectia - in conformitate cu legea
reflectiei: unghiul de reflectie este egal cu unghiul de
incidenta.
Dispersia - energia laser este
imprastiata in toate directiile.
Transmiterea - fascicul laser trece prin
material.
Absorbtia - fascicul laser este absorbit de
material.
Numai ultimul proces (de absorbtie) poate transfera energie materialului.
Astfel, determinand o crestere a temperaturii sau o reactie
chimica.
Modificari in tesutul
biologic, ca urmare a actiunii laser:
In functie de temperatura, multe tipuri de modificari pot
aparea in sistemul biologic:
pana la 600C: tesutul
devine cald, si este posibil sa se sudeze vaselor sanguine.
60-650C: coagulare.
65-900C: denaturizarea proteinei.
90-1000C eliminarea de lichide (uscarea).
+1000 C: vaporizare si
carbonizare.
Efectele fascicululu laser asupra
tesutului biologic pot fi:
Efecte termice - Elaborate de laserii cu
functionare continua, cum ar fi CO2, YAG si argon.Energia laser este
absorbita de tesutul biologic, creste temperaturii locale,
astfel incat poate fi dislocat, vaporizat, coagulat, sau taiat.
Efecte mecanice - Mai ales cand impulsurile
scurte de mare putere sunt utilizate pentru a crea o 'explozie'
pentru a incalzi o mica regiune a tesutului la temperaturi
ridicate intr-un timp foarte scurt.Explozia creeaza o unda de soc
care distruge tesutul din vecinatatea sa. Acest efect este folosit in
tratamentul pentru ochi pentru a disloca capsula posterioara in cataracta
secundara.
Efecte chimice - folosite la Terapia Foto Dinamica (PDT), precum si
in aplicatii cu laser excimer, cum ar fi remodelarea corneei.
Lasere medicale in chirurgie
Aproape fiecare interventie
chirurgicala in care o indepartare de tesut este necesara o
taietura, se poate face cu un laser. In general, rezultatele
interventiilor chirurgicale cu ajutorul laserelor sunt mai bune decat
folosind un cutit chirurgical.
Avantajele laserilor chirugicali:
Zona de lucru uscata
de interventie, pentru ca energia laser inchide mici vase de sange.
Mai putina durere post operatorie, datorita
sistemului de cauterizare a nervilor.
Niciun contact cu instrumente mecanice, asa
ca sterilizarea este inclusa.
O vedere clara asupra zonei de lucru,din
cauza ca niciun instrument mecanic nu este folosit.
Posibile reactii colorate ale
tesutului biologic la unele lungimi de unda.
Posibilitatea de a efectua microchirurgie la
microscop. Fasciculul laser trece prin acelasi microscop.
Posibilitatea de a efectua proceduri
chirurgicale in interiorul organismului, fara deschiderea acestuia,
folosind fibre optice pentru a transmite fasciculul laser.
Laserul poate fi folosit ca un instrument de
taiere precis.
Poate fi controlat de un computer, si
sa opereze cu un foarte mic spatiu la microscop.
Domeniile chirurgiei medicale
Domeniile chirurgiei cu laser
sunt: tratamentul ochiului, chirurgie generala, ureche, nas si gat,
stomatologie, dermatologie, gastroenterologie si colo-rectala,
chirurgie plastica, Ginecologie, urologie, oncologie, ortopedie,
neurochirurgie, veterinara, cardiovasculara, etc
Laseri in chirurgia generala
In cazul in care o sangerare trebuie sa oprita, un laser Nd-YAG poate
fi folosit.Radiatiile sale intra adanc in tesut, si
incalzeste si coaguleaza o suprafata mare. In
cazul in care o incizie curata trebuie facuta, un laser excimer
este utilizat. Un instrument mai general de taiere este laserul cu CO2.
Laserul Nd-YAG pentru medicina:
Cele mai multe aplicatii a laserului cu Nd YAG-laser cu functionare
continua in medicina este sa incalzeasca un volum mare
de tesut la temperaturi ridicate. Astfel, oprirea hemoragiei prin
inchiderea vaselor de sange.
Unul dintre principalele avantaje ale laserului Nd YAG pentru medicina
este posibilitatea de a transmite o putere mare a radiatiei sale (la o
lungime de unda de 1.06 mm) prin intermediul fibrei optice de quartz. Acest lucru
permite efectuarea procedurilor in interiorul corpului uman, fara a
fi necesara deschiderea sa.Fibra poate fi introdusa prin deschiderile
organismului (cum ar fi gura sau rectul), sau printr-o mica incizie,
si ghidat prin endoscoapele medicale.
Odata cu inventarea capetelor
din safir sintetic ale fibrelor optice, o noua zona de chirurgie de
contact folosind laserul Nd YAG a fost
deschisa la medici. Ideea este de a transimite radiatie de la laserul
Nd-YAG printr-o fibra optica, care se incheie cu un safir cu o forma
specifica. Pentru fiecare aplicatie, un alt tip de safir este
utilizat:
Un varf sub forma unui scalpel permite taierea, si imediat coagularea
cu laserul cu Nd-YAG . Capete rotunde sau plate distribuie radiatia laser
pe o suprafata mare.Capete inghetate sunt folosite pentru a
taia si coagula in acelasi timp.
Laserii CO2 pentru
Medicina
Lungimea de unda
infrarosie a laserului cu CO2 (10.6 mm),este extrem de
absorbita de apa. Deoarece tesutul biologic contine 75-90%
apa, fasciculul laserului CO2 este absorbit intr-un strat
foarte subtire de tesut.
Daca timpul de
interactiune este scurt, nu mai mult de 0.1-0.2 milimetri de tesut
este influentat de fascicul laser. Atunci cand fascicul laser concentrat este
utilizat pentru taiere, determina foarte putine efecte asupra
tesutului inconjurator. In cazul in care un fascicul laser
neconcentrat este utilizat pentru vaporizarea de suprafata, el
disloaca straturi subtiri, unul dupa altul, fara nici o
deteriorare a structurilor de dedesubt.
Unul dintre principalele
dezavantaje ale laserului cu CO2 pentru chirurgie este lipsa de
fibre optice bune, care pot transmite puterea mare a fasciculului la lungimea de aproximativ 10 mm in interiorul corpului
uman.
Laserii in Dermatologie
Laserii pot elimina aproape
toate defectele de pe piele. Uneori laserul este singurul instrument pentru a
efectua procedura specifica. Cele mai multe interventii dermatologice procedurile
sunt efectuate intr-o clinica ambulatorie, sub anestezie locala.
Printre aceste defecte sunt: pigmentarea pielii, cresterea anormala a
pielii, carcinoame si neoplazii, vatamari, tatuaje. Astazi,
cu marea varietate de lasere in uz, tatuajele pot fi sterse aproape
complet de pe piele. Diferite lungimi de unda sunt utilizate pentru a
elimina diferite culori de cerneala din piele.Lungimea de unda laser specifica
este selectiv absorbita de culoarea specifica, fara
deteriorarea celulelor inconjuratoare. De obicei, tratamentul se face intr-o
serie de sedinte.
Principalele avantaje ale laserilor
pentru dermatologie, sunt:
Aproape nici o hemoragie.
Aproape nici o cicatrice dupa
indepartarea defectelor.
Laserii folositi cel mai des pentru
piele sunt:
Laserii cu argon - foarte absorbiti de pigment si melanina (tesutul
intunecat). Utilizat pentru tratarea leziunilor vasculare. Penetreaza
pielea la aproximativ 0.5-2 mm.
Laserul Dye - Preponderent folosit, din cauza reglarii de lungimii de
unda, care poate fi adaptata in functie de organele care
trebuiesc eliminate.Lungimea de unda maxima absorbita de
tesutul defect poate fi aleasa, in timp ce are o absorbanta
scazuta in tesutului normal.
Regenerarea pielii
Printre aplicatiile cosmetice cu laser,regenerarea pielii este foarte
promitatoare.
Laseri pentru tratamentul ochilor
Laserul a fost inventat in 1960,
si in 1961 acest laser (cu rubin) a fost folosit de medici pentru ochi.
Este firesc ochiul a fost ales pentru a fi primul organ pentru efectuarea
experimentelor medicale, deoarece ochiul este transparent pentru spectrul
electromagnetic in spectrul vizibil. Un alt aparat naturalcare a ajutat a fost lentila
din ochi, care concentreaza radiatiile electromagnetice pe
retina. Astfel,o crestere seminficativa a densitatii
de putere a fost posibila.
Lipirea retinei desprinse
Prima aplicatie a fost
pentru experimentarea in lipitul retinei desprinse la animale. Ca urmare a
socurilor mecanice, retina din interiorul ochiului poate fi rupta,
si desprinsa de tesutul la care este conectat.Radiatiile electromagnetice ale laserului incalzesc
retina detasata, si, ca urmare, a vasele sanguine deteriorate
din jurul retinei sunt inchise si lipite la loc. In 1964 s-au facut
primele experimente pe subiecti umani, iar astazi este un tratament
standard. Datorita concentrarii fasciculului de catre ochi, este
ncesara o putere redusa pentru a lipi retina desprinsa.
De fapt radiatiile electromagnetice au fost folosite in acest scop de mai
multi ani, incepand cu Evul Mediu cand medicii foloseau radiatia solara
pentru acest scop.
Laserii excimer pentru chirurgia
oculara
Cea mai mare schimbare de
directie (refractie) a razelelor de lumina care intra in ochi
este efectuata de catre cornee, deoarece lumina trece din aer
(indicele de refractie de aproximativ 1), in tesut (indicele de
refractie aproximativ 1,3). Astfel, o mica schimbare a razei de
curbura a corneei produce o mare schimbare in concentrarea luminii in
ochi.
Keratotomie radiala
Primul tratament medical
pentru schimbarea de curbura a corneei s-au facut prin taierea
unor mici incizii chirurgicale de-alungul razei corneei. Folosind un cutit
cu lama diamantata, cateva taieturi erau facute sub
anestezie locala. Procedura a fost numita Keratotomie radiala.
Keratotomie foto refractara
Utilizarea laserului excimer
sub controlul computerului, o schimbare a formei corneei pot fi facuta
cu precizie, prin eliminarea straturilor submicronice ale corneei.
Operatiunea se numeste PRK = Photo- Refractive Keratotomy si cea
mai mare parte a problemelor concentrarii imaginii pe retina pot fi
reparate. Aceasta operatie, care poate face ochelari de vedere
nefolositori, este foarte populara in randul persoanelor care au foarte
multa grija de aspectul lor, cum ar fi actorii, politicienii,etc. Intreaga
procedura este noua.
Interactiunea laserului excimer cu
corneea:
Laserul Excimer ArF functioneaza
in spectrul ultravioletelor (l = 193 nm). Din moment ce aceasta lungime de
unda este foarte absorbita de apa, si corneea (la fel ca
orice alt tesut biologic) contine in cea mai mare parte apa,
fasciculul laser extirpa straturi submicronice ale corneei, fara
a afecta tesutul inconjurator. Prin controlul computerului,este
posibila sculptarea corneei prin gravarea unor cercuri concentrice pe
cornee.
Noile directii:
Avand in vedere ca stratul exterior al corneei actioneaza ca un
strat protector, o noua metoda PRK este prin indepartarea
stratului exterior ca un intreg, remodelarea stratului interior, si recuperarea
stratului exterior. Un alt procedeu nou este in curs de dezvoltare, folosind laserul cu Holmiu YAG la 2.1 mm
Din 1995 exista aprobarea FDA pentru procedura PRK, dar urmarirea indeaproape
continua de ceva mai multi ani.
Procedura va fi o modalitate standard de a scapa de ochelarii de vedere,
pentru majoritatea oamenilor.
Laserii in diagnosticare si in
combinatie cu medicamente:
Diagnosticarea celulelor
canceroase folosind fluorescenta, foto si Terapia Fotodinamica (PDT).
Una dintre cele mai mari probleme in medicina de azi este de a gasi un
remediu pentru cancer.Exista multe tratamente pentru cancer, pentru a distruge
celulele canceroase, cum ar fi:
Disectia organelor infectate.
Iradierea radioactiva.
Tratament termic.
Toate aceste tratamente
imbunatati sansele de vindecare, in unele cazuri, dar medicamentul
'magic' nu a fost inca gasit. Deoarece nu exista nici
o solutie, personalul medical calificat cauta noi
modalitati de a rezolva marea problema a cancerului.
In 1972, o noua
metoda a fost dezvoltata pentru a identifica si distruge
celulele canceroase. Aceasta metoda se numeste: Terapie
fotodinamica (PDT). Se bazeaza pe utilizarea de medicamente speciale,
care sunt injectate in organismul pacientului. Aceste medicamente se
acumuleaza in celule canceroase, mai mult decat in celulele'normale'.
Medicamentele sunt sensibile la lumina, la lungimi de unda specifice.
Cand expuse la aceste lungimi de unda specifice:
Se pot elibera substante chimice care ucid celulele in jurul lui.
Acesta poate emite lumina fluorescenta, asa ca celulele canceroase
pot fi identificate.
Cel mai bine cunoscute de medicamente din aceasta familie este un derivat
de Hemato-Porfirinului (HPD), si numit Photofrin. Dupa ce este
injectat in pacient, pacientul trebuie sa fie pastrat intr-o
camera intunecata pentru 24 de ore. In acest timp, medicamentul este
eliberat din celulele sanatoase, si ramane in
concentratie ridicata decat in celule canceroase.
Atunci, corpul pacientului
este iluminat cu lumina de culoare rosie laser la lungime de
unda 630 nm, care determina eliberarea oxigenului singlet. Acest
oxigen este foarte activ chimic, si distruge celulele din jurul lui.
In ultimii 20 de ani, aceste tratamente au imbunatatit
sansele de vindecare, in unele cazuri, dar medicamentul 'magic' nu a fost inca gasit. De ce
ramane medicamentul in principal in celulele canceroase nu se stie
inca, si este in curs de investigare. Dupa tratament, organismul
pacientului ramane sensibil la lumina, pentru o perioada de
aproximativ 6 saptamani, pana cand toate medicamentele sunt eliberate
din corpul sau. In acest timp nu ii este permis sa fie expus la
lumina.
Explicarea functionarii
medicamentului:
Dupa ce medicamentul photofrin absoarbe lumina,ea este transformata
nivel excitat. Din acest nivel excitat sunt posibile doua moduri de a reveni
la modul de baza:
Fluorescenta - in cazul in care moleculele excitate emit fotoni intr-o
perioada de timp de ordinul nanosecundelor, in timp ce se intoarc la modul
de baza. Acest fenomen este utilizat pentru a identifica celule canceroase
prin cautarea fluorescentei
Pentru diagnosticare, tesutul este iluminat
de lungimi de unda scurte (de obicei, lumina violeta de la un laser
cu Krypton), si fluorescenta rosie (630-670 nm) unde sunt celulele
canceroase.
Sistemul in cruce - In cazul in care moleculele
excitate coboara intr-un nivel inferior de energie, fara a emite
radiatii in timp de o microsecunda. La acest nivel excitat, daca
aceasta molecula se intalneste cu o molecula de oxigen (O2),
acesta reactioneaza cu ea si elibereaza oxigen activ singlet.
Cautarea de astazi
este pentru un medicament care va avea acelasi efect, dar intr-un timp mai
redus, si o eficienta mai mare. Exemple sunt: cloruri si
ptalo-cianuri.
Cum iradierea tesuturilor infectate se poate face la o lungime de
unda specifica ,potrivita pentru un anumit medicament, laserul
este alegerea potrivita. Cele mai adecvat laser in acest scop este laserul
Dye reglabil. Puterea necesara depinde aria iradiata , dar, in
general, un fascicul laser de cativa wati este de ajuns. Durata de
iradiere este de cateva minute, astfel incat cantitatea de energie pe unitatea
de suprafata este masurata in zeci de
Lungimile
de unda utilizate pentru PDT sunt in spectrul vizibil, si sunt
transmise prin fibre optice. Aceasta proprietate permite iradierea celulelor
cancerigene in cavitatile corpului, cum ar fi sistemul de digestie
sau sistemul de secretie.
Avantajele PDT:
Tratamentul este inofensiv, si se poate repeta dupa cum este necesar.
Tratamentul este netraumatizant, si este pe termen scurt, in
comparatie cu terapia chimica sau radioactiva care dureaza cateva
saptamani.
Intregul proces PDT este inca in stadiu experimental, si nu este
folosit ca un tratament standard.
Terapia cu laser la nivel scazut
(LLT-Low Laser Therapy)
Cea mai mare parte a
aplicatiilor medicale cu laser au fost pana de curand, bazate pe
efectele termice cauzate de radiatiile electromagnetice, care au fost
absorbite de tesutul biologic. In ultimii cativa ani, unele
aplicatii noi folosesc laseri cu puteri mici, de mai putin de 1 Watt.
Unele dintre efectele acestor nivele reduse de putere pe tesutul biologic
nu sunt termice, iar mecanismul de interactiune nu este inca clar. Este
denumit uneori biostimulare, care nu explica multe.
Unele dintre aplicatiile terapiei cu laser la nivel scazut:
1. Vindecare ranilor - Exista rapoarte in literatura medicala care sustin
ca emisia dintr-o dioda laser sau dintr-un laser cu He-Ne,de ordinul
miliwatilor, asupra unei rani deschise mareste viteza
procesului de vindecare. Nu exista inca nici o explicatie a
acestui fenomen, si trebuie sa se mai execute cercetari asupra
acestui fenomen.
2. Incetinirea distrugerii celuleor nervoase avariate - pana acum au fost
realizate experminete numai pe animale mici, pe celule nervulului optic. Atunci
cand o celula nervoasa este deteriorata, acesta se
deterioreaza rapid, si moare. Iluminarea cu un laser He-Ne asupra celulelor
deteriorate pare a incetini aceasta degradare.
3.Reconectarea
vaselor de sange - Prin utilizarea laserului CO2 cu putere
scazuta ,chirurgii au reusit conectarea vaselor de sange,
fara a fi nevoie sa utilizeze copci. Procesul este
asemanator cu sudarea a doua tuburi metalice.
4. Ameliorarea durerii - Exista unele indicii ca folosirea unei diode
laser cu putere mica asupra unei zone care cauzeaza dureri, sau pe
anumite puncte de pe corp, poate reduce
durerea.
5. Acupunctura fara ace - similar cu ameliorarea durerii, unii medici
folosesc puterea de ordinul miliwatilor de la un laser cu He-Ne sau de la
o dioda laser. Ei trateaza pacientii, folosind aceeasi
tehnica, care este utilizata in acupunctura, dar in loc sa
introduca ace in interiorul pielii, folosesc emisia radiatiilor
electromagnetice de la un laser. Nu exista dovezi stiintifice
ca aceasta tratamente sunt utile, dar cel putin, nu exista
probleme de infectii de orice fel, folosind laserul, comparativ cu acele.
6. Aplicatii cosmetice - Multe clinici cosmetice folosesc laserii pentru multe
tipuri de tratamente. Cel mai cunoscut tratament cosmetic cu laserul este
pentru exfolierea stratulului exterior al pielii (adancime de 10-30 microni)
prin scanarea cu un laser pulsatoriu cu CO2. Stratul de dedesubt genereaza
un strat proaspat de piele. Aceasta procedura a inlocuit exfolierea
chimica si interventia chirurgicala pentru intinderea
pielii. Multe aplicatii in cosmetica utilizeaza puterea
scazuta a laserului cu He-Ne sau a diodelor laser, dar pana
existenta unor dovezi stiintifice care sa le
dovedeasca eficienta, noi nu le includem aici.
7. Eliminarea Parului - Radiatia laser este absorbita doar de
catre par (aplicat numai la parul inchis si o piele
palida).
Unele companii au incercat sa gaseasca tehnici care se
aplica la toate culorile de par si piele. Un exemplu: prima
data aplica o pulbere inchisa,apoi stergand pielea,pulberea
ramane aproape de radacina parului. Din nou,radiatia
laser este absorbita doar de catre pulberea neagra din
apropierea radacinii parului. Aceste proceduri sunt inca in
stadii experimentale.
Radiatia laser este absorbita de par, astfel radacina
parului celulele din jur sunt distruse. Acest tratament este folosit
pentru indepartarea permanenta a parului.
8. Transplantul de par - Inlocuirea parului dintr-o parte a corpului
si 'plantarea' intr-un alt loc, prin forarea unui canal cu
ajutorul laserului. Acest tratament foloseste par de la aceeasi
persoana, de aceea este acceptat de catre celulele din jur, si
parul continu sa creasca in mod normal, in noua sa pozitie.
Acest tratament este foarte scump, si are o lunga perioada de
timp (parul este tratat fir cu fir!), Dar rezultatele sunt foarte
incurajatoare, si sunt multi oameni care vin pentru tratament.
Laser Range Finder
Masurarea
distantelor cu mare viteza si precizie inalta a fost interesul
armatei imediat dupa ce laserul a fost inventat. Avand in vedere ca
fascicul laser este o lumina electromagnetica, viteza sa este
cunoscuta (viteza luminii, c). Prin trimiterea unui scurt puls laser catre
tinta si de masurarea timpului necesar fasciculului sa
ajunga la tinta si sa reflecte inapoi la expeditor,
este usor sa se calculeze distanta. Masurarea distantelor
cu un grad ridicat de precizie este important pentru aplicatii militare,
cum ar fi de masurarea distantei pana la o tinta
pentru rachete si artilerie si pentru navigatie.
Detectarea semnalului laser
Cand pulsul de lumina laser este trimis, un semnal electronic de
declansare este trimis la un contor de timp. Atunci cand detectorul
primeste semnalul reflectat de la tinta, se opreste
contorul de timp. Acum, un computer va calcula distanta pana la
tinta prin inmultirea jumatatii de timp a contorului
de viteza cu viteza luminii (deoarece fasciculul laserului parcurge
distanta dus-intors pana la tinta).
Fascicul laser este
imprastiat de tinta in toate directiile (reflexie
difuza). Astfel, un semnal slab reflectat ajunge la detector.
Intr-un sistem simplu de
detectare a semnalului,semnalul reflectat de la tinta este colectat de
catre un detector, amplificat pe cale electronica, si semnalul
electronic este transferat la calculator pentru prelucrare.
Exista metode speciale de
a creste sensibilitatea de detectare a sistemului, si cea mai
buna este folosirea detectarii heterodyne. In acest sistem, semnalul
slab primit de la tinta este amestecat optic cu un semnal puternic al
unui oscilator local (cu laser). Ca rezultat al amestecarii celor
doua semnale optice, un al treilea semnal oscilant este creat cu o
frecventa egala cu diferenta in frecvente intre
semnalul primit si cel al oscilatorului local.
Laser Range Finders
Ruby laser gama-Finder - a
fost pentru prima data utilizat in 1962 (la doi ani dupa ce primul
laser a fost inventat). Laserul range finder a fost instalat pe tancuri si
a fost imbunatatita corectitudinea loviturilor. Chiar
si astazi cativa laseri range finders sunt pe baza laserului cu
rubin.
Range finder Nd YAG - Cele mai multe range finder din armata se
bazeaza pe laserul cu Nd-YAG.
Range
finder cu diode laser - Datorita avantajelor diodelor laser, toate noile range
finder sunt bazate pe diode laser, care vor inlocui treptat celelalte tipuri de
laser.
Sistemul de urmarie cu laser:
Urmarirea unei tinte in miscare, este foarte importanta
pentru aplicatiile militare. Prin utilizarea efectului Doppler, este
posibila calcularea vitezei de deplasare a tintei in miscare,
si directia de deplasare. Astfel, este posibila utilizarea computerului
pentru a alinia sistemul optic pentru a urmari obiectul in miscare.
Avand in vedere ca fascicul laser este in miscare la viteza luminii,
este usor sa urmarim obiectece se deplaseaza rapid, chiar
daca acestea brusc isi schimba directia.
Marcarea tintei cu ajutorul
laserului
Laserul este folosit pentru a
marca obiectivele de atac ale artilierei inteligente si a rachetelor
ghidate. Proprietatile care fac laserul important pentru marcare sunt:
Fascicul laser parcurge distante mari in linie dreapta.
Fascicul laser se propaga la viteza foarte mare (viteza luminii).
Este posibila modularea fasciculului laser, pentru a include
informatii de identificare. Un soldat in teren, sau un vehicul de zbor
poate fi folosit pentru a trimite un fascicul laser catre
tinta.Laserul este proiectat pentru a trimite o serie de impulsuri
intr-un anumit model (cod) de impulsuri de lumina invizibila. Sisteme
speciale de detectare sunt blocate pe acest model de impulsuri laser, si
ghideaza 'bombele inteligente' pentru a-si atinge
tinta marcata.
Figure 13.2: Laser Designator systems in the Battlefield.
Arme Laser ( 'Star War').
Un lot a fost scris cu privire
la Initiativa de Aparare Strategica (SDI) a guvernului SUA.
Acest proiect futurist a fost numit de catre public 'Star
Wars'-Razboiul Stelelor. Ideea din spatele acestei initiative a
fost aceea de a construi dispozitive de mare putere, care pot trimite fascicule
pe distante foarte mari cu o foarte mare acuratete si cu o foarte
mare viteza. Aceste dispozitive de mare putere ar fi trebuit sa
distruga rachetele URSS peste site-urile de lansarea mai sus, chiar
dupa lansare. Deoarece aceste rachete ar fi trebuit sa poarte focoase
nucleare, nu permisa ajungerea lor deasupra Europei sau SUA. Prin
distrugerea rachetelor la zona de lansarea mari daune ar fi fost cauzate
atacatorului, deci un astfel de sistem de aparare ar fi fost o
amenintare la adresa celeilalte parti.
Locatia armelor laser
Una dintre cele mai avansate
aparate din acest proiect SDI a fost un laser. Au existat doua posibile
locatii pentru a monta acest laser:
1.Pe un munte inalt (pentru a reduce durata de transmitere
prin atmosfera). Atmosfera absoarbe puternic fasciculul laser.
2.Pe un satelit care se roteste in jurul
Pamantului.
O vedere a unui artist despre acest sistem este prezentata in figura 13.3.
Figure 13.3: O varianta a sistemului pentru distrugerea racheteleor ICBM
Problema cu ideea SDI-ului
Problema cu ideea SDI-ului a
fost ca aceste tehnologii avansate sunt departe de a fi o realitate,
si necesita o uriasa suma de bani pentru o foarte
lunga perioada de timp.
O alta problema este ca protectia impotriva acestor arme
laser este relativ simpla:
Un mod simplu este acoperirea rachetei cu un
invelis reflectant tip oglinda care va preveni absorbtia si
va directiona fasciculul laser in directii diferite
O metoda mai sofisticata de
protectie pentru rachete se bazeaza pe principiul descris in figura
13.4.
Figure 13.4: Strat protector pentru a preveni distrugerea rachetelor de fasciculul laser.
Un strat
protector de pe racheta este proiectat pentru a absorbi radiatiile
laser. In cazul energia laser este absorbita de stratul protector, este expulzata
din racheta, si se creeaza un nor de plasma. Aceast nor de plasma
nu este transparent la radiatiile laser, astfel incat toate radiatie
laser vor fi absorbite norul de plasma si racheta nu va fi
distrusa.
ABL (Airborn Laser-Laserul Aeropurtat)
Proiectul SDI a fost anulat,
dar exista inca un proiect denumit ABL (Airborn Laser), pentru a
distruge rachetele inamice de un laser dintr-un avion. Avand in vedere ca
fasciculul laser este un fascicul de lumina, el circula la viteza
luminii. Astfel, acesta poate fi folosit pentru a distruge rachetele TBM cat
sunt inca in faza de lansare. Rachetele TBM sunt folosite intr-o
anumita zona geografica.
Este de ajuns pentru a
deteriora invelisul rachetei inca din faza de lansare, pentru a
provoca distrugerea sa in teritoriul inamic. Un bun exemplu este
amenintarea Irakiana cu rachete Scud. Fascicul laser este absorbit la
nivelul invelisului rachetei, iar energia termica slabeste suficient
structura de metal, astfel incat presiunea interna va rupe racheta.
Proiectul ABL se bazeaza pe un laser chimic cu oxigen iodat, cu o puterea
de emisie de 1 mega-Watt.
Telescopul pentru ghidarea
fasciculului laser dupa tinta se bazeaza pe o oglinda cu
diametrul de 1.5-2 metri situata in botul avionului.
In paralel cu arma laser
cateva pulsuri laser cu puterea de 1 kW vor fi utilizate pentru urmarirea
rachetelor in zbor.
Frecventa estimata a pulsului este de 5-10 KHz fiecare puls avand
energie de 1-2 J.
Orbirea omului cu laser si
echimpamentul sensibil
Un proiect simplu si
foarte promitator, care este in curs de dezvoltare la multe site-uri
de peste tot in lume, este sistemul laser pentru orbirea soldatilor
inamici si a echipamentelor optice. Puterea necesara nu este mare,
datorita sensibilitat sistemului nostru de vedere, si a
sensibilitatii sistemelor optice de detectare in uz de pe campul de
lupta. Modul de functionare a sistemului de orbire laser este simplu:
un fascicul laser este folosit pentru a scana spatiul din fata trupelor
militare, orbind soldatii inamici si echipamentele lor.
Densitatea de putere optica mai
mare decat la nivelul de siguranta poate provoca orbire
(temporara sau permanenta) pentru om, si saturatia sau
deteriorarea echipamentului optic sensibil.
Structura ochiului
In figura 13.5 o sectiune
transversala a ochiului uman este ilustrata. Lumina care loveste
corneea este reflectata, si lentila o concentreaza pe
retina.
Figure 13.5:Sectiune transversala prin ochiul uman drept
Spectrul de transmisie al ochiului uman
Toate structurile ochiului de
la nivelul corneei pana la retina sunt transparente luminii vizibile
si spectrul apropiat al infrarosului pana la 1.4 mm,
asa cum se poate vedea in sepctrul transmisiei din figura 9.5.
Figure 13.6 Spectrul de transmisie al ochiului uman.
Functia de raspuns a ochiului uman
Figura 13.7 arata functia de raspuns a ochiului uman la diferite regiuni ale spectrului vizibil.Ochiul este cel mai sensibil la lumina galbena,iar sensibilitatea scade odata cu capetele spectrului,rosu si violet.
Figure 13.7 Functia de raspuns al ochiului uman la diferite zone ale spectrului
Sistemele laser
orbitoare:
Pentru cel mai simplu sistem
orbitor, este recomandata sa folosirea lungimilor de unda, care
sunt absorbite de ochi, dar care sunt dincolo de regiunea vizibila a
spectrului. Soldatul inamic nu este constient prezensa
radiatiilor electromagnetice invizibile, asa ca nu se protejaza. Cum
ochiul este transparent la lungimile de unda din apropierea-infra-rosului,
aceasta radiatie este axata pe retina, si o arde.
Faptul ca ochiul nu simte
aceste radiatii previne activarea sistemului natural uman de aparare
(reflexul de clipire atunci cand o lumina de intensitate mare este
indreptata spre ochi).
Este relativ simplu de a proteja soldatii impotriva acestor laseri
orbitori oferindu-le ochelari de protectie cu filtre care transmit numai
spectrul vizibil. Astfel de ochelari nu deranjeaza vizibilitatea, si
poate fi, de asemenea, folositi pentru a proteja instrumentele optice sensibile.
Un sistem mai sofisticat de
orbire laser functioneaza in spectrul vizibil, si folosesc laseri reglabili. Este greu de realizat
sisteme de protectie impotriva unor astfel de lasere, deoarece un filtru
care va bloca lumina vizibila nu va permite soldatului sa vada.
Multe dintre solutii sunt
in prezent in dezvoltare, cum ar fi straturi speciale pe ochelarii de
protectie, care isi schimba proprietatile transmitere
foarte rapid (in mai putin de o nanosecunda) atunci cand intalnesc o
lumina de mare putere. Aceste straturi transforma sufrafetele
transparente in suprafete opace.
Compact Discul si CD-ROM-ul, Stocarea
optica a informatiei digitale.
Inca de la inceputul istoriei,
omul a cautat p mijloace de stocare a informatiilor, in scopul de a
mosteni cunostintele lor urmatoarele generatii. La
prima pestera facuta de om,el a desenat pe peretii pesterii
vanatoarea. Apoi au venit pergamentul, hartia, imprimarea, si acum,
inregistrarile magnetice. Inregistrarile magnetice sunt folosite pe
mai multe dispozitive, cum ar fi: casetofoane, benzi de calculator pentru
stocarea de informatii in calculatoare, dischete de alculator, si
unitati hard disk pentru stocarea de informatii in
calculatoarele personale (PC-uri).
Pe masura ce
societatea s-a dezvoltat, cantitatea de informatii este in crestere
exponentiala. Oamenii au incercat sa gaseasca metode mai
bune de a stoca informatii, si de tendinta actuala este
spre: Stocarea optica si digitala a informatiei.
Stocarea
optica si digitala a informatiei
Sistemul digital
functioneaza in doua moduri (sistemul binar), care sunt definite
ca '1' sau '0'. Fiecare cifra binara se
numeste 'bit'. Unitatea de stocare de baza intr-un
calculator este formata din 8 biti, si numit 'octet'.
Un text simplu, tiparit intr-o carte este
stocat in 2-4 KB. O carte de 200 de pagini de text simplu, este stocat in 400-800
KB. Pe un disc optic, este posibila in prezent stocarea de pana la 10
GB (1010 octeti) de informatii.
Stocarea magnetica este un pic in urma, ca si capacitatea de
stocare, cu toate ca este posibil sa se stocheze aceeasi
cantitate.
Avantajele stocarii digitale
Informatia prin natura sa
este dinamica si se modifica continuu. Lucrarile scrise
sunt statice, este imposibil sa le actualizati interactiv, costa o
gramada de bani pentru a le pregati, si ocupa o multime de
spatiu.
Astfel, avantajele stocarii digitale sunt:
Stocarea digitala permite actualizarea continua. Ca un exemplu, putem
compara informatiile citite de pe un monitor, cu un text standard de carte.
Este foarte usor sa actualizam o pagina web, in comparatie
cu publicarea unei noi editii a unei carti.
Preluarea informatiilor este dinamica - stocarea digitala este
extrem de flexibila ca si baza de date.Este posibila
extragerea informatiilor, in functie de anumite categorii, precum
si compararea informatiilor din diferite surse (un exemplu fantastic este
Internetul).
CD-ROM-ul
In 1997-1998, cea mai buna
si mai ieftina tehnologie pentru a stoca informatiile digitale
este stocarea optica. Din sistemele de stocarea optice disponibile, cele
mai frecvente si ieftine este CD-ROM-ul (Compact Disc - Read Only Memory )
CD-ROM-ul standard stocheaza aproximativ 550 MB de informatii, care
pot contine 150000 de pagini de text tiparit.
Evolutia CD-ROM-ului standard:
Una dintre cele mai importante
aspecte intr-o productie in masa, cum ar fi CD-ROM-ul este un
standard international. Acest standard universal permite utilizarea de produse
fabricate de companii diferite, in diferite tari. Standard
determina dimensiunile fizice ale CD-ROM-ul, modul in care informatia
este stocata pe el, si mai multe detalii tehnice, cum ar fi viteza de
lucru. Tehnologia CD a fost dezvoltata in 1976 de Philips, in Olanda,
si de Sony, in Japonia. Aceste companii au stabilit primul standard de
stocare digitala pe CD.
Figure 13.8 Compact Discul.
Informatia este stocata intr-o spirala continuua care contine microgauri intr-un material plastic cu un strat metalic.
Structura CD-ului
Diametrul
CD-ului este de 120 mm (vezi figura 9.7) si este impartit in
piste (vezi figura 13.9).
Figure 13.9 Metode de inregistrare a informatiilor pe CD
Pe o
parte a CD-ului, informatiile digitale sunt inregistrate in forma
binara ( '0' si '1'). Informatia binara
este codata in depresiuni (gropi) de pe CD (a se vedea figura 13.9). Pe
cealalta,CD-ul contine o eticheta cu informatii tiparite
despre el.
Doua piste speciale sunt
rezervate pentru sistemul de operare:
Track 00, care este Pista de Intrare, contine informatii despre
CD-ul, cum ar fi numele melodiilor, amplasarea lor pe CD-ul, etc, este situat
in partea aproape de centru, cu diametre intre 44 mm si 50 mm.
Track AA, care este Pista de Iesire, situata in partea
exterioara, pana la aproximativ 1 mm in afara diametrului exterior,
dincolo pistele de informatii.
Pistele de informatii intre aceste doua piste speciale. Fizic, situate
intre 50 mm si 136 mm.
Este un standard similar,
pentru CD-ul cu diametrul de 80 mm. Singura diferenta este ca
diametrul maxim al pistelor deinformatie este de 75 mm.
Lumina reflectata dintr-un
orificiu este 1800, la o diferenta de faza de lumina
reflectata de la suprafata superioara.
De fiecare data cand lumina
este reflectata de la granita dintre orificiu si suprafata CD-ului
, exista o interferenta distructiva intre cele doua
semnale, precum si semnalul logic este zero ( '0').
Rotatie a CD-ului:
In timpul inregistrarii
si citirii informatiilor viteza de rotatie a CD-ului este controlata,
astfel fasciculul de lumina se deplaseaza cu o viteza
Astfel, viteza de rotatie a CD-ului (viteza unghiulara) se
schimba continuu, pentru a regla viteza liniara
Pentru viteza standard CD-DAD,viteza liniara este de 1.3 m / s.
Capul de citire citeste 75 blocuri de informatie pe secunda,
care sunt traduse ca transmitere de informatii la o rata de 150 kB /
s.
Inregistrare a informatiilor pe CD
Inregistrarea informatiilor
digitale pe un CD este realizata indreptarea radiatiei laser pe un
strat foto-sensibil care isi schimbe proprietatile cand este
expus la lungimi de unda specifice (scurte) de lumina .Informatiile
(codificate in forma binara: ON / OFF) sunt transferate la un
modulator, care este un dispozitiv de controleaza lumina laserului.
Aceasta radiatie laser creaza orificii pe fotorezist, iar
rezultatul este un CD MASTER.Acest CD este folosit in procesul de electro-placare
sau copiere fotopolimerica pentru a stanta sute de CD-uri pe
ora cu o presa calda.Pentru comparatie, copierea
informatiilor pe dischete magnetice este mai lenta de cateva ordine
de marime.
In productia de CD-uri
Master, obiectivul este de a face orificii cat mai mici posibil, pentru a avea
la dispozitie densitate maxima de stocare a informatiilor.
Deoarece difractie luminii dicteaza limita dimensiunea spotului
laser, cel mai bun mod de a creste densitatea de stocare de
informatiilor este de a utiliza o lungime de unda.
mai scurta
Citirea informatiilor de pe CD
Citirea informatiilor de
pe CD se face prin iluminarea cu un fascicul concentrat al unei diode laser.Radiatiile
diodei laser sunt concentrate de un sistem optic intr-un loc de pe
suprafata CD-ului.Radiatiile sunt reflectate inapoi la un detector de
la ambele sprafete metalice superioare, precum si din partea de jos a
orificiului.
Unul dintre primele modele de CD, lumina laser este transmisa prin
orificiile din CD, si detectate de
catre o serie de detectoare foto-electrice de pe partea cealalta a
discului.
CD-ul de azi se bazeaza pe reflectarea luminii laser de pe invelisul
metalic al CD-ului. Detectorul este montat pe aceeasi parte a CD-ului ca si
laserul.
Figura 13.10 optice de citire a CD-ului de sistem
Principiul Fizic al citirii
informatiilo de pe CD:
Majoritatea oamenilor cred suprafata
metalica superioara de pe CD-ul reflecta lumina, in timp ce orificiul
( 'Pit') nu. Daca ati citi din nou despre structura CD-ului,
veti vedea ca ambele suprafete sunt acoperite cu acelasi strat
metalic. Nu este vorba ca una dintre ele reflecta lumina laser, pe
cand cealalta absoarbe sau imprastie lumina.
Fascicul se reflecta atat din partea superioara metalica si
din partea inferioara a orificiului.
Mecanismul care sta la baza este interferent dintre lumina laser
reflectata din orificiu, si lumina reflectata de la
suprafata.
CD-ul se roteste sub fasciculul de lumina. Fascicul laser
scaneaza pistele.Atunci cand limnua este reflectata de suprafata
metalica superioara, sau de partea inferioara a
orificiului,exista o singura raza reflectata catre
detector.
In cazul care fascicul laser este reflectat de o tranzitie intre suprafetele
metalice superioare si inferioare, doua unde (cu o diferenta
de faza p) sunt reflectate spre detector. Aceste doua valuri iinteractioneaza
distructiv, (se anuleaza reciproc) si detectorul nu citeste niciun
semnal.
In cazul in care detectorul
'vede' o tranzitie intre un orificiu si suprafata superioara,
detectorul citeste '1'.
Altfel, reflectia este de pe suprafata metalica, si nu
exista nici o tranzitie (interferenta distructiva),
deci detectorul citeste 'zero'.
Avantajele CD-ului:
1. Mediu de stocare de mare densitate.
2. Accesul rapid la date, in comparatie cu benzile
speciale de rezerva.
3. Citind informatiile de pe CD se poate face fara
contact mecanic intre capul de citire si mediul de stocare. Astfel, nu
exista nici o uzura a capului de citire sau a mediului.
4. CD-ul poate stoca informatiile pentru mai multi
ani, si nu are nevoie de o protectie speciala in timpul
perioadei de depozitare, astfel cum ar fi fost nevoie pentru benzile magnetice.
Figure 13.13: Concentrarea fasciculului laser pe suprafata CD-ului.
5. CD-ul nu este influentat de campuri magnetice, avand
in vedere ca stocarea nu se bazeaza pe magnetism.
6. CD-ul este lavabil, spre deosebire de dispozitivele de
stocare magnetice.
7. Distanta dintre capul de lectura si CD-ul
este de pana la cativa milimetri, comparativ cu 0,5 microni la dispozitivele
magnetice. Astfel daunele din cauza impacturilor mecanice sunt neglijabile.
8. Fascicul laser trece printr-un invelis de plastic inainte
de a fi axat pe suprafata reflectanta. Dimensiunea fasciculului de pe
suprafata exterioara a materialului plastic este de aproximativ 1 mm
(vezi figura 13.13). Astfel, mici particule de praf pe plastic sau mici
zgarieturi nu sunt deranjante pentru functionarea CD-romului.
Standardul CD-I
Cerinta pentru multimedia
au determinat Philips si Sony sa definieasca Cartea Verde, in
1987. In aceasta carte ei au definit termenul de Compact Disc Interactiv
(CD-I). Acest standard a fost aplicat pentru produse electronice de consum,
precum si pentru calculatoarele personale (PC-uri).
Avansari in cadrul tehnologiei CD
1.Viteza de citire de pe CD se dubleaza la fiecare cateva
luni.
Primul CD citea la 'unica viteza de
150 KB / s.
Dupa, a venit 'dubla
viteza', la 300 KB / s.
La sfarsitul anului 1998 viteza este de
pana la 36 de ori viteza unica.
2. Timpul de acces la informatii devine mult mai mic, indreptandu-se
catre mai putin de 100 msec.
3. Dispozitivele CD-R, care permit utilizatorului
sa-si scrie propriile CD-uri acasa, este disponibil la
preturi relativ scazute la sfarsitul anului 1998.
4. CD-RW-ul este un dispozitiv nou, care permite scrierea de
mai multe ori a CD-ului.
5. Fiabilitate crestere, la fel si timpul de
depozitare. Acest lucru poate fi obtinut prin inlocuirea aluminiului cu
aur, si inlocuirea sticlei cu plastic.
DVD Digital Versatile Disk
In 1995, un nou standard a
fost stabilit pentru DVD Digital Versatile Disk (numit, prima data Digital
Video Disc). Acestea au fost dezvoltate pentru stocarea un film digital.
DVD-ul este un disc care poate stoca pana la 4.7 GB de informatii pe un
singur strat de pe disc.
Noile dispozitive pot stoca informatii pe ambele parti, astfel incat
suma totala de informatie este de 9.4 GB.
Dimensiunea DVD-ului este la fel ca a CD-ului, dar pentru ca
foloseste o lungime de unda mai scurta, orificiile pot fi mai
mici (dimensiunea minima de 0.4 mm)
CD-ROM-urile sunt bazate pe diode laser cu lungime de unda infrarosie
de 780 nm.
Dispozitivele DVD sunt bazate pe diode
laser de culoare rosie, cu o lungime de unda de 650 nm.
Dupa cum am vazut, lungimea de unda exacta este un
parametru critic in citirea informatiei, avand in vedere ca se
bazeaza pe procesul de interferenta fasciculele reflectate de la
diferite adancimi in interiorul mediului de inregistrare.
Pentru ca noul DVD sa fie compatibil cu un CD, doua module optice au
fost montate in interior. Fiecare bloc optic lucreaza la propria lungime
de unda.
Datorita dimensiunilor reduse ale diodelor laser, ambele lasere pot fi
combinate in acelasi mecanism, deci laserul suplimentar va adauga foarte
putin la pretul dispozitivului.
In primul rand ambele dispozitive cu laser au aparut pe piata la
sfarsitul anului 1996, de catre Sony.
Viitoarele inbunatatiri
ale DVD-ului
Adancimea stratului
transparent a DVD-ului este 0,6 mm, comparativ cu 1.2 mm a CD-ului. Viitorul
DVD poate utiliza doua straturi de inregistrare pe fiecare parte a DVD-ului.
Unul din straturi va fi semi-transparent, si prin schimbarea lentilei, va
fi posibil sa se puna accent pe fiecare strat separat. Acest lucru va
spori capacitatea de stocare a DVD-ului la 8,5 GB pe fiecare parte, ducand la
un total de 17 GB pentru un DVD.
Aceste DVD-uri pote stoca
filme digitale in care telespectatorul poate alege modul in care un film se va
derula.
Acesta poate fi un film
interactiv, cu multe unghiuri de vizualizare, limbi, diferite niveluri de
violenta, precum si diferite moduri in care povestea se
deruleaza.
Laserii cu dioda albastra
si DVD-ul
Atunci cand dioda laser
albastra l = 450 nm) va fi
disponibila in comert, cantitatea de informatii de pe DVD poate
creste de cateva ori.
In februarie 1996 o companie
japoneza a anuntat primul laser cu dioda albastra l = 450 nm), care functioneaza la temperatura
camerei. Acest laser este facut din GaN si este de tipul
'Multilayer quantum well' si a functionat cateva minute
si apoi s-a ars. La sfarsitul anului 1997 acest tip de laser
functioneaza mai multe sute de ore, si multi
cercetatori au incercat sa-l imbunatateasca.
Cantitatea de informatii prezisa
cu privire la un astfel de disc poate fi de pana la 60 GB.
Imprimanta laser
Toata lumea a auzit despre
imprimantele laser, precum si cele mai multe birouri folosesc imprimantele
laser pentru a-si imprimare documentele. Suntem cu totii
constienti de calitatea obtinuta de o imprimanta
laser, dar putini stiu raspunsurile la intrebarile cu
privire la principiile de functionare a imprimantei laser:
Care este rolul laserului intr-o imprimanta
laser?
Care este diferenta dintre o imprimanta
laser si un dispozitiv xerox?
Poate fi folosit acelasi sistem de
imprimare pentru documentele care provin de la un computer si pentru
fotocopierea documentelor?
Care sunt avantajele imprimantei laser,
comparativ cu imprimarea in puncte?
Imprimanta laser a fost inventata in 1972 de catre Xerox Corporation.
Aceasta a permis, pentru prima data, obtinerea unei
calitati din calculator similara cu cea de la tipografie.
Procesul de imprimare este impartit in doua etape:
1.Primirea informatiilor care urmeaza sa fie tiparite
si traducerea lor intr-o imagine de pe dispozitivul de imprimare.
2.Transferul informatiei de la dispozitivul de
imprimare pe hartie.
Fotocopierea (Xerox) si imprimanta
laser:
Exista o mare
similitudine in procesul de tiparire dintre imprimanta laser si un xerox. In
ambele sisteme procesul de transfer al informatiilor pe hartie este
aceeasi, iar principala diferenta dintre ele este in modul in care
informatia este scrisa pe tamburul fotoconductiv.
Intr-o masina de o
fotocopiere o imagine optica a continutului documentului se face
printr-un set de lentile. O lumina care se deplaseaza scaneaza
documentul si fiecare zona a documentului este imprimata pe
tamburul fotoconductiv.
Intr-o imprimanta laser
informatiile sunt transferate foarte rapid la tamburul fotoconductor,punct
cu punct, de un fascicul laser, care scaneaza tamburul fotoconductor.
Intr-o imprimanta laser exista
un procesor independent, care controleaza memoria interna a
imprimantei. Cea mai mare parte a prelucrarii informatiilor de la
impulsurile electronice, care au venit de la computer, pana la hartie
imprimata, se face in interiorul imprimantei laser. In acest fel,
computerul doar trimite cea mai mare parte a informatiilor la
imprimanta si este liber de controlul procesului de imprimare.
Avand in vedere ca procesul de aplicare a informatiilor pe hartie
intr-o imprimanta laser este foarte similar cu procesul de fotocopiere,
vom descrie acest proces prima data.
Stocarea optica a informatiei
Am vazut deja compact-disc-ul,
sau CD-ROM-ul ca o modalitate de a stoca informatii si de a le citi
optic. Exista dispozitive de stocare magnetica, care
actioneaza ca hard disc a unui computer, dar pastreaza
informatiile optic. Ambele procese, scrisul informatiilor pe discul
optic si citirea lor se face cu ajutorul laserilor. Aceste dispozitive
permit rescrierea informatiilor pe discul optic de mii de ori, spre deosebire
de CD-uri,pe care poti scrie o singura data.
Noile dispozitive, care sunt acum la stadiul de cercetare, se bazeaza pe
scrierea holografica si citirea de informatii. Aceste dispozitive
pastreaza o pagina ca imagine, spre deosebire de stocare de
biti intr-un dispozitiv standard de stocare.
Dispozitive de stocare mangneto-optice
Dispozitive de stocare
mangneto-optice au un mare avantaj al amovibilitatii. Materialul
magnetic de stocare are o temperatura fixa la care magnetizarea se
pierde - la punctul Curie. Principiul de functionare a unui dispozitiv de
inregistrare MO este de a incalzi materialul pana la o
temperatura aproape de punctul Curie, apoi utilizand un mic camp magnetic
schimba polaritatea materialului intre cele doua stari posibile.Incalzirea
controlata este efectuata de catre un laser.Punctul Curie al
celor mai multe materiale de stocare este in jur de 1500C.
Inregistrarea unui sector pe discul MO se face in trei etape:
1.Zona specifica de pe mediul de stocare MO este
incalzita de fasciculul laser. Apoi, un camp magnetic
directioneaza toate domeniile magnetice (biti) intr-o
anumita directie. Aceasta este echivalenta cu stergerea tuturor
informatiilor si inceperea unei noi pagini de 'zero'.
2. Acum laserul trece din nou,incalzind doar in zonele
care contin informatii de 'unu', iar apoi magnetul trece cu
o polaritate opusa si schimba numai directiile acestor
domenii.
3. Se face o verificare a datelor scrise.
Cerinta pentru o perioada de trei cicluri limiteaza timpul mediu
de acces la informatii al dispozitivelor MO.
Experimentele facute sunt pentru a pune doua sau
trei capete pe acelasi dispozitiv, astfel ca toate cele trei etape
ale procesului vor fi efectuate la o singura rotatie a materialului.
Computerele Optice
Computerele Optice sunt
limitate de viteza de deplasare a curentului prin firele din interiorul
calculatorului. Prin folosirea impulsurile de lumina in loc de curenti
electrici, este posibil sa creasca cu cateva ordine de magnitudine
viteza computerelor.In electronica, este posibila astazi integrarea
a milioane de tranzistori intr-un singur circuit integrat (IC).
Pentru computerele optice, circuite similare trebuiesc dezvoltate, iar ele sunt
numite integrate optice (IO). Acesta este un nou subiect de cercetare si
nu sunt inca produse comerciale pentru calculatoarele optice. In
laborator, oamenii de stiinta au demonstrat operatiuni simple de editare
si de multiplicare, dar va dura probabil mai mult de 10-20 de ani,
pana cand astfel de produse vor fi disponibile.
Scannerul de coduri de bare.
Cu cresterea
automatizarii in viata de zi cu zi, a fost nevoie de un sistem
automat standard de identificare pentru produsele de consum. Multe sisteme
automate de identificare a produselor se bazeaza pe sisteme optice. Aceste
sisteme sunt bazate pe un fascicul de lumina, care scaneaza un cod de
bare de pe produs.Lumina reflectata este citita de un sistem optic.
Codul de bare este un cod bazat pe o serie de benzi luminoase si intunecate
si cu anumite distante intre ele.Se face de obicei prin aplicarea
benzilor intunecate pe un fundal alb. De obicei, codurile de bare apar pe o
eticheta de hartie.Intr-un cod de bare normal informatia este codata
intr-o singura dimensiune: latimea benzilor intunecate si a
benzilor deschise. Lungimea benzilor este doar pentru a citi mai usor si
nu contine nici un fel de informatii importante.
Principiul optic de functionare:
Folosirea codurilor de bare se
bazeaza pe principiul ca un obiect intunecat absoarbe lumina, in timp
ce un obiect alb reflecta lumina. Datorita acestui principiu
exista o diferenta a intensitatii luminoase
reflectata de la benzile intunecate si benzile deschise. Aceste diferente
sunt detectate de un detector optic printr-un sistem optic de imagine. Un
computer este folosit pentru a analiza informatiile primite de la codurile
de bare.
In primele sisteme de coduri de
bare, o dioda care emite lumina (LED) a fost utilizata in
calitate de sursa de lumina. Lumina este emisa de LED-ul la un
unghi mare care creea un fascicul divergent.
Acest fascicul divergent a
creeat probleme deoarece sistemul optic de concentrare creea dimensiunea
ceruta a spotului pentru citirea codului numai in punctul focal.
In cazul in care codul de bare
nu este exact la punctul focal,spotul de lumina este prea mare, si
calitatea citirii scade (numarul de greseli in citirea datelor
creste).
Metode de codificare a informatii,
folosind codul de bare
Pentru a transforma
informatiile in coduri de bare, exista cateva metode diferite.
Diferentele dintre metode consta in latimea benzilor
intunecate si de felul in care ele sunt aranjate.Cum operatiunile
calculatorului se bazeaza pe sistemul binar ( '0' si
'1'), este posibil sa se construiasca foarte simplu coduri
de bare.
Deoarece exista multe sisteme de codificare ne vom concentra pe trei
dintre cele mai simpe:
1.Cel mai simplu cod binar.
2.Sistemul standard 2 din 5.
3.Codul comun pentru consumatorul de produse de pe
piata: Universal Product Code (UPC).
1. Cel mai simplu cod binar.
In cel mai simplu cod binar o banda
lata intunecata reprezinta cifra 1 si o banda
subtire si intunecata reprezinta cifre 0. Spatiile
dintre benzile intunecate au o latime fixa,care este egala
cu lasimea benzilor intunecate subtiri. Un exemplu de astfel de
cod poate fi vazut in figura 11.12.
Figure 11.12 Un exemplu al unui cod binar
Acesta este un cod foarte simplu,
dar nu este fiabil. Ca exemplu, nu contine un semn al inceputului sau al
sfarsitului codului.
Cel mai simplu cod binar nu mai este folosit si apare aici numai
demonstrativ.
2. Codul de bare "2 din 5"
Deoarece oamenii nu sunt obisnuiti
sa lucreze cu numere binare, au conceput codul zecimal folosind cifrele
0-9. Acesta este un cod mai avansat decat codul binar, deoarece fiecare
numar zecimal este codat de doua benzi intunecate si late
si trei benzi subtiri intunectae (in total 5 benzi intunecate).Spatiul
alb dintre benzile intunecate nu contine informatii deloc.
Latimea unei benzi intunecate late este de trei ori mai subtire
decat latimea benzii intunecate subtiri. Latimea unei
benzi albe este identica cu cea a unei benzi intunecate. La inceputul codului
de bare ( la stanga) exista un cod special care marcheaza inceputul
codului.Codul de inceput este alcatuit din 3 benzi intunecate late, urmate
de 2 benzi inguste intunecate, dupa cum se poate observa in figura 11.13.
Figure 11.13: Numerele 1,2,3 scrise cu ajutorul codului 2 din 5.
La sfarsitul codului de bare (la dreapta) exista
un cod special pentru a marca sfarsitul.El este alcatuit din 2 benzi
late si intunecate, 2 benzi inguste si intunecate, urmate de o mare
indoitura. Cele doua coduri de la ambele capete ale codului de bare
spune computerului unde incepe codul si unde se termina. Aceste
coduri permit scanarea din orice pozitie. Acest cod este inca in uz
in industrie, dar nu este folosit pentru produsele de consum
3. Universal Product Code (UPC)
Codul de bare UPC este codul
standard al produselor de consum. Acest cod se bazeaza pe un numar
fix de benzi intunecate pe un fundal alb.Benzile intunecate au latimi
si spatii diferite intre ele. Acestea sunt, de obicei,expuse pe o
eticheta de culoare alba, dar acestea pot face parte din invelisul
produsului. Un exemplu poate fi vazut in figura 11.14.
Figure 11.14: Universal Product Code
Datorita liniilor inguste, citirea unui astfel de cod,
fara greseli, se face numai cu ajutorul laserului.
Metode de citire a codurilor de bare
Sistemul optic folosit pentru
a citi informatii din codul de bare nu depinde de metoda de codificare.
Citirea informatiilor se face in anumite etape:
1. Fasciculul laser scaneaza codul si este
reflectat la un detector sau la mai multe detectoare (fotodiode).
2. Detectoarele transforma semnalele optice in semnale
electrice.
3. Semnalele electrice sunt transferate in computer si
traduse de catre aceasta im numere si cifre, care descriu produsul.
Aceste informatii sunt folosite de calculator pentru a fi prelucrate
suplimentar (o chitanta de tiparire, gestionarea inventarului,
etc.)
Cresterea gradului de fiabilitate si evitarea greselilor cauzate
de reflectarea surselor de iluminare standard:
Faptul ca laserul are o lumina monocromatica (o lungime de
unda definita), permite instalarea unui filtru in fata detectorului
pentru a transmite la detector doar lungimea de unda a laserului. Astfel
reflectiile de la alte surse de lumina nu sunt detectate. Astfel,
numai informatiile de codurile de bare, iluminate de laser ajung la
detector.
Scanerul Optic
Scanerul optic poate fi instalat intr-unul din 3 forme:
1.Flexibil,folosind pixul cu scaner.
2.Scanerul fix care poate scana coduri de bare intr-una din
urmatoarele doua moduri:
a.Folosind un fascicul laser
static
b.Folosind un fascicul laser
care scaneaza
1. Pixul cu scaner
'Pixul cu scaner'
contine o dioda laser si un detector in interiorul unui
dispozitiv care are forma unui pix. Se emite un fascicul ingust de lumina
laser si utilizatorul muta pixul manual pe eticheta cu cod de bare.
Detectorul intern receptioneaza lumina reflectata de la codul de
bare si o transfera la calculator.Un astfel de sistem poate fi
vazut in figura 13.15.
Figura 13.15: Pixul cu scaner
In trecut,
LED-urile au fost folosite la pixul cu scaner, dar asa cum am spus mai
devreme, LED-ul necesita contact intre stilou si codul de bare,
astfel, ducand la uzura codului de bare si a stiloului. Un alt mod de a
folosi 'pixul cu scaner' este prin utilizarea unui laser fix in
interiorul mesei (ascuns), si transferul de lumina laser la 'pixul
cu scaner' se face utilizand fibra optica.
Laserul Fix
1.Laserul fix incastrat intr-o masa - similar cu cel al
'pixului cu scaner', dar in acest sistem de produsele cu coduri de
bare sunt mutate de-a lungul unui fascicul laser fix.
2.Sistemul automat de scanare.
Un fascicul laser de putere mica (de la un
laser heliu-neon sau a unei diode laser) trece printr-un sistem optic care
contine lentile, oglinzi si prisme care transfera lumina laser
la un separator de fascicul.
Un exemplu al acestui sistem este descris in
figura 13.16. De la separatorul fasciculului, laserul ajunge la o oglinda
vibranta sau rotativa. Pentru fiecare pozitie a oglinzii, unghiul
de incidenta al luminii este diferit si deci si cel de reflexie.
Mai multe oglinzi sunt utilizate pentru a conduce fasciculul la codul de bare si
inapoi la separatorul fasciculului care il transfera la detector.
Noile sisteme de azi au mai multe
fascicule de scanare in directii diferite, simultan. Nu sunt utilizate separatoare
de fascicul deoarece fasciculele ajung la codurile de bare la un anumit unghi,si
sunt reflectate la acelasi unghi. Astfel, chiar si in cazul in care
produsul este pus in orice pozitie,tot poate fi citit. Computerul analizeaza
semnalele primite de la mai multe detectoare, si numai in cazul in care o
citire are logica,scoate un sunet ca acest cod este acceptat.
Avantajele Sistemului Automat de scanare:
1.Un nivel ridicat de siguranta - traiectoria
fasciculului este stabilita catre codul de bare si nu exista
nici un pericol de indreptare a fasciculului laser in directii nedorite.
2.O rata de scanare ridicata (o zecime de metru pe
secunda), astfel incat fasciculul scaneaza codul de mai multe ori
si computerul il poate verifica,ducand astfel la cresterea
fiabilitatii citirii. Fata de 'pixul cu scaner'unde
rata de scanare este determinata de operator si se limiteaza la
o scanare pe secunda.
3.Rata de scanare este fixa si nu este
influentata de eroarea operatorului.
4.Intregul sistem este ascuns si protejat, si nu exista nici o
deteriorare a partii externe, ca la 'pixul cu scaner', care
este legat de un cablu la calculator.
5. Sistemul automat de scanare poate functiona
fara un operator, in cazul in care produsele sunt in miscare
(cum ar fi in linia de asamblare).
Exista multe avantaje la un sistem automat de scanare si toate
sistemele sunt de acest fel.
Aplicatiile codurilor de bare:
Principala aplicatie a
codurilor de bare este in cazul in care este nevoie de o modalitate rapida
de introducere a informatiilor in computer de catre un operator
lipsit de cunostiinte in domeniul computerelor.Inlocuieste
invatarea operarii unei tastaturi. Exemple sunt:
1.La un punct de vanzare, pentru a citi codul produsului la casa.
Aceasta informatie este folosita atat pentru a calcula
pretul pe care cumparatorul trebuie sa-l
plateasca, si pentru actualizarea inventarului. Folosind codurile de bare
scade numarul greselilor, citirea informatiilor este foarte
rapid, si toata lumea poate sa opereze sistemul.
2.In industrie - pentru gestionarea inventarului, verificarea
elementelor de pe o linie de productie, pentru a evita greselile, etc
3.Un exemplu esential de utilizare a codurilor de bare
este in spitale: atunci cand un pacient intra in spital, el
capata multe etichete cu detalii esentiale. La fiecare
etapa de tratament aceste etichete sunt testate esantioane de sange,
urina, etc Pe parcursul tratamentului, computerul controleaza daca
testul cerut apartine unui pacient si daca medicamentele pe care le
ia sunt corecte.
4. In posta
Holograme pe carduri de credit si a
altor produse valoroase, pentru a evita falsificarea.
Productia hologramei
master necesita echipamente sofisticate si cunostiinte
speciale. Acest lucru le face ideale in prevenirea falsurilor. Exemple pentru
aceasta utilizare de holograme sunt pe fiecare card de credit 'Visa',
software Microsoft, si bancnote speciale.
Aplicatiile
din viitor, probabil, vor include toate tipurile de carduri de identificare.
Comunicatiile prin fibra
optica
Fiecare canal de comunicare are
nevoie de o latime de banda ( intervalul de frecvente in
jurul frecventei centrale de transmisie). Frecventele optice
(vizibile sau in apropierea spectrului infrarosu) sunt foarte mari (1014-1015
Hz). Latimea de banda a comunicatiilor de voce pe linii telefonice este de
aproximativ 10 kHz. Astfel, numarul de conversatii telefonice care
pot fi transmise prin metode optice este imens.
Laserii cu dioda pot fi
modulati la viteze de zeci de Giga-Herti (1010 Hz) si
lumina lor poate fi transmisa pe zeci de kilometri de fibra
optica fara a fi nevoie de amplificare. Astfel, comunicatiile
prin fibra optica ofera solutia perfecta pentru
fiabilitatea transmiterii unui volum mare de informatii.
Avantajele fibrei optice sunt:
latime de banda larga, imunitate la interferente
electrice, scaderea in greutate, costuri reduse, transmisii mai sigure.
Utilizarea fibrelor optice in
loc de cabluri metalice care transmit semnale electrice prezinta multe
avantaje, ca toate liniile noi de comunicare sunt realizate din fibre
optice.
O singura fibra optica poate asigura toate comunicatiile
dintr-o casa:telefon,televiziune,radio,Tv prin cablu,comunicatiile cu
computerul etc.
Comunicatii optice in spatiul liber
Viteza foarte mare de modulare a
laserilor cu dioda permite o comunicare la viteza foarte mare.
Principalele aplicatii ale comunicatiilor optice in spatiul liber sunt:
a. Comunicarea dintre sateliti in spatiu, care poate transfera
informatii la o viteza de 1010 de biti pe secunda.
Astfel, zeci de mii de conversatii telefonice pot fi transmise simultan.
b. Uz militar de spatiu liber optice de canale de comunicare sunt
utilizate in special in camp de lupta, atunci cand nu este practic sa
aiba legaturi fibra optica. Aceasta comunicare se bazeaza
pe linie directa de vedere, si ofera o legatura securizata,
din cauza foarte inguste divergenta de fascicul laser.
Laserii in Arta si
Divertisment
Prin utilizarea laserilor care
emit in spectrul vizibil, este posibila creerea unor efecte vizuale impresionante.
In cazul in care un fascicul laser trece printr-o regiune cu multa
umiditate, fum, sau orice alte particule mici in aer,lumina imprastiata
poate fi vazuta de observatori din toate partile. In marile
spectacole in aer liber, atunci cand efectul trebuie sa fie vazut de
la distanta, este posibil, prin mutarea unui mic element optic (cum
ar fi oglinda) pentru a deplasa fasciculul laser peste o arie mare.
Pentru divertisment o
metoda comuna este folosirea laserilor care emit cateva lungimi de
unda. In primul rand fiecare culoare este separata, folosind prisme, pentru
a crea multe fascicule laser de diferite culori. Folosind o mica
oglinda vibranta , controlata de un computer, este posibila
mutarea fiecarui fascicul laser foarte rapid, si de a crea imagini colorate
in miscare.
Deoarece vederea noastra se bazeaza pe a vedea imaginea la putin timp
dupa ce a disparut, vom vedea o imagine completa creata de
fasciculul laser, desi fascicul laser lumineaza fiecare punct pentru
o scurta perioada de timp.
Primele aparate au fost folosite pentru a crea imagini 2D pe ecrane, dar noile
dispozitive sunt folosite pentru a crea sculpturi 3D ce se deplaseaza in
spatiu (cu mici particule in ele).
Prin utilizarea unor puteri de cativa wati, este posibil sa se
creeze imagini mari in miscare, in spatiul liber, o sarcina imposibila
prin alte mijloace.
Prin utilizarea laserului cu ioni de argon si a laserilor cu krypton care
emit in spectrul vizibil, este posibil sa se creeze efecte vizuale
impresionante. Fiecare din aceste lasere emite mai multe lungimi de unda
vizibile.Laserii cu ioni de argon si laserii cu krypton sunt
potriviti pentru aceste efecte vizuale, deoarece acestea emit sute de
miliwati pentru fiecare lungime de unda simultan. Fascicul laser trece
printr-o prisma sau un grating si este separat in fascicule de diferite
culori (lungimi de unda). Un computer controleaza fiecare fascicul
(fiecare culoare) si muta o oglinda in functie de
muzica.
Holograme pentru expozitii si
muzee
Hologramele ne permite
vizionarea unor imagini tridimensionale. Astfel, exista muzee speciale holografice
care holograma ca o arta in sine. O utilizare mai avansata este de a
arata holograme a unor exemplare rare, care pot fi afectate de expunerea
catre public. Astfel de exponate includ descoperirile arheologice care
trebuie sa fie tinute la lumina speciala,anumite
conditii de temperatura si umiditate.Elemente foarte scumpe,
care pot fi furate sau deteriorate de catre public. Obiecte rare care nu
pot fi expuse ]n fiecare muzeu,dar poti vedea o holograma a lor
O holograma de calitate contine
toate informatiile incluse in obiectul original. Odata ce
holografierea culorilor va fi dezvoltata,multe exponate speciale vor fi
disponibile pentru a fi vazute la multe muzee.
Sculpturi kinetice.
Lumina vizibila este folosit pentru a crea efecte vizuale. Utilizarea
laserului in spectrul vizibil, cu ajutorul unor elemente optice care provoca
reflectia, refractia, si dispersia, este posibil sa se creeze
sculpturi tridimensionale, care se deplaseaza in spatiu.
Pentru a vedea fasciculele laser in spatiu avem nevoie de un mediu care
imprastie lumina in toate directiile. Mediul standard este de
fumul, care contine particule foarte mici. La folosirea laserilor mai
puternici, este posibila vizualizarea fasciculului datorita
particulelor "standard" din aer,fara folosirea fumului.Cele mai bune
lasere aplicatii sunt laserii cu ioni de argon si laserii cu ioni de
krypton. Un 'zid' (plan) de lumina poate fi create printr-o
oglinda vibranta sau oscilanta. Prin folosirea mai multor oglinzi
rotative si / sau vibrante, controlate de computere, este posibila proiectarea
unor forme complicate care apar in spatiu. Combinarea holografiei cu
laserii de putere mare cu emisie in spectrul vizibil va permite nou tip de
sculpturi virtuale in spatiul.
Aplicatii stiintifice
Spectroscopia.
Fiecare material are propriile
sale caracteristici de absorbtie si propriul spectru de emisie. Prin excitatia
selectiva folosind lungimi de unda specifice, este posibil sa se
identifice materialele cu un grad ridicat de siguranta, chiar
daca exista doar mici urme. Spectroscopie este utilizata in
cercetarea moleculelor prin excitarea optica a moleculelor. Este una
dintre cele mai importante instrumente de cercetare a structurii materiei.
Laserul permite utilizarea unor lungimi de unda bine definite, ceea ce
duce la o foarte inalta rezolutie a masuratorii. Cresterea
gradului de precizie la determinarea lungimii de unda permite o
distinctie intre detaliile mai mici din structura materialului.
Foto-chimie este stiinta modificarilor chimicie care sunt rezultatul
luminii.
Exemple sunt:
'Bronzul' pielii, in lumina soarelui.
Fotosinteza la plante.
Procesul de vedere care se
desfasoara in celulele retinei.
Fluorescenta indusa este un proces
foarte sensibil, care permite excitatia selectiva a diferite niveluri
energetice intr-o anumita molecula. Acest proces este utilizat in criminalistica
pentru a identifica urmele reziduale ale moleculei.
Fuziunea inertiala cu ajutorul
laserului
Echivalenta dintre masa
si energie:
Masa si de energia sunt legate de formula matematica:
E=m·c2
Aceasta formula bine
cunoscuta a fost descoperita de catre Albert Einstein in 1905,
si a explicat echivalent intre masa si energie folosind
aceasta relatie.
Fiecare reactie, ceea ce duce
la produse cu masa totala mai mica decat masa originala , emite
energie. Cantitatea de energie este egala cu diferenta de masa
ori patratul vitezei luminii. Prima
utilizare a energiei de fuziune a fost in cazul bombei cu hidrogen (octombrie
1952). De atunci, oamenii de stiinta au incercat sa
controleze reactia fuziunii nucleare; pentru a controla emisia energiei
descarcate.
Transformarea masei in energie
Exista doua moduri de a utiliza practic echivalenta dintre
masa si energie:
1.Fisiunea nucleara - In cazul in care nucleele elementului
greu se transforma in elemente mai usoare, astfel incat masa
totala a produsului este mai mic decat cel original. Acesta este procesul
din reactoarele nucleare (si din bombele nucleare).Problemele cu acest proces
sunt radioactivitatea si exploziile. El se bazeaza pe reactia in
lant, care poate iesi de sub control.
2.Fuziunea nucleara - In cazul in care nucleele
usoare sunt folosite impreuna pentru a forma nuclee grele. In acest
proces, la fel ca la fisiunea nucleara, masa originala este mai mare
decat masa produsului finit.Procesul de fuziune nucleara se produce in mod
natural in Soare si in stele, si marea provocare este de a efectua
fuziuni nucleare controlate pe Pamant. Urmatoarele pagini
explica fuziunea nucleara,
precum si programele de cercetare pentru a le folosi ca sursa de
energie a viitorului.
Procesul fuziunii nucleare:
Cele mai frecvente
reactii care pot servi unui reactor de fuziune nucleara, sunt
prezentate in figura 13.18.
Combustibilii pentru procesul fuziunii
nucleare.
Cum nucleei sunt particule
pozitiv incarcate, exista o forta de respingere
electrostatica intre ei. Este clar ca cele mai bune materiale pentru
fuziunea nucleara sunt cele cu o singura sarcina pozitiva
in nucleu, care ar fi izotopii de hidrogen. Cele mai bune materiale sunt
deuteriul si tritiul, si vom limita discutia noastra cu ei.
Deuteriul - izotopi de hidrogen, care contine un proton si un neutron in
nucleu.
1.La fiecare 6500 atomi de
hidrogen, exista un deuteron (0,015%).
2.Valoarea totala
estimata a deuteriului de pe Pamant este de 1016 kg, care poate
furniza energie pentru sute de milioane de ani pentru intreaga populatie.
3. Cele mai frecvent material
care contine hidrogen in natura este apa (H2O).
4. Distributia apei de pe
Pamant face deuteriul disponibil peste tot.
5. Fata de cantitatea
imensa de energie eliberata de la fiecare reactie de fuziune,
este relativ ieftina extragerea deuteriului din apa.
6. Nu exista probleme de
ecologie cu deuteriul, comparativ cu productia de petrol sau carbune.
Tritiul - Izotop de hidrogen, care contine un proton si doi neutroni
in nucleu.
1.Nedisponibil in natura.
2.Material radioactiv cu
durata de viata de 12.3 ani.
3.Creat de reactiile
nucleare, cum ar fi bombardarea izotopilor de litiu cu neutroni:
Li + n ==> T + 4He + 4.8 Mev
Li + n ==> T + 4He + 2.5 Mev
Conditiile optime de functionare
ale unui Reactor cu Fuziune Nucleara Controlata:
1. Materii prime disponibile care pot fi extrase cu
usurinta.
2. O probabilitate ridicata ca reactia sa
aiba loc.
3. O cantitate de energie ridicata emisa per
reactie.
4. Siguranta procesului de productie.
5. Lipsa problemelor ecologice ale procesului de
productie.
Deoarece reactorul cu fuziune nucleara poate rezolva problema energiei
pentru oameni, este clar de ce o suma uriasa de bani este
investita in cercetarea spre atingerea acestui obiectiv. Energia din acest
proces este relativ curata, si materia prima este disponibila
peste tot.
Marea provocare in constructia unui
Reactor cu Fuziune Nucleara Controlata
Avand in vedere ca nucleeii
de fuziune sunt sarcini pozitive,exista o repulsie electrostatica
intre ele (in conformitate cu Legea Coulomb). Pentru a crea o reactie de
fuziune, cele doua nuclee trebuie sa vina foarte aproape una de
alta. Cel mai simplu mod de a depasi repulsia electrica intre
nuclee este de a le induce o energie cinetica ridicata ,
astfel va avea loc o coliziune intre
ele. In laborator multe reactii de fuziune au fost testate in scopuri de
cercetare, prin utilizarea unor acceleratoare de particule. Problemele folosirii
unor acceleratoare mari sunt:
1. O cantitate de energie enorma necesara pentru
accelerator.
2. Un nivel foarte scazut de eficienta al
procesului.
Pentru a produce energie practica, procesul de productie trebuie
sa aiba randament. Aceasta inseamna ca procesul va elimina
mai multa energie decat energia pentru crearea acestui proces. Este
imposibil de a castiga energie prin utilizarea acceleratoarelor de
particule
Fuziunea termonucleara
Pentru a obtine particule
ce se deplaseaza cu o energie cinetica ridicata este de a
ridicam temperatura. Stim sarcina particulelor, astfel incat putem
calcula cantitatea de energie necesara pentru a depasi repulsia
electrica dintre ele.Prin calculul temperaturii necesare pentru a aduce
particulele la aceasta energie rezulta ca o fuziune
termonucleara poate sa
apara la aproximativ 100 de milioane de grade Celsius. Astfel de
temperaturi inalte exista in interiorul soarelui (si la alte stele),
iar acest proces este responsabil pentru energia care o primim de la soare.
La astfel de temperaturi
ridicate, atomii sunt sparti in nuclee cu sarcini pozitive si
electroni negativi liberi. Acest nor de particule incarcate este numit
plasma.
Plasma
Plasma este o stare a
materiei, in care nucleeii sunt separati de electronii lor, si
formeaza un nor de particule ionizate. Pentru mediul exterior norul este
neutru din punct de vedere electric, deoarece numarul de sarcini pozitive
este egal cu numarul de sarcini negative. O proprietate a plasmei este
pierderea a energiei radiatiilor electromagnetice, pentru ca
electronii sunt decelerati de sarcinile campului electric al nucleelor.
Aceasta radiatie este numita 'Bremsstrahlung', si
este radiata departe de plasma.
La temperaturi de pana la
sute de mii de grade, rata la care plasma pierde energie prin radiatii
este mai mare decat rata de fuziune termonucleara. In cazul in care
temperatura este in continuare ridicata, rata reactiilor de fuziune
creste mai rapid decat cresterea pierderilor de energie prin
radiatie.
Temperatura la care crearea de energie este egala cu pierderea de energie
se numeste 'temperatura de aprindere' din plasma (vom presupune
plasma ideal, in care exista numai pierderi prin mecanismul Bremsstrahlung.
Temperatura de aprindere este temperatura minima la care plasma se poate
autoalimenta cu energie pentru a-si mentine temperatura.
Principiul de limitare al plasmei
Daca vrem sa
producem energie din plasma, rata la care energia este eliberata trebuie
sa depaseasca rata energiei de intrare (diferenta
dintre ele este energia produsa). Calcule teoretice despre plasma din deuteriu
si tritiu arata ca o anumita densitate a materialelor
trebuie sa fie limitata, pentru o anumita perioada de timp,
astfel astfel produsul densitatilor, in timp, va fi mai mare de 1014
sec/cm3. Acest criteriu este denumit criteriul Lawson sau criteriul de limitare
al plasmei, si este puternic dependent de temperatura.
Problema principala in realizarea fuziunii nucleare controlate este
gasirea unei metode de limitare pentru plasma, deoarece nimic nu
poate rezista la astfel de temperaturi enorme.
Dupa cum am vazut, temperatura necesara plasmei este de milioane
de grade. Nu exista nici un material care poate servi ca un container
pentru a limita plasma fierbinte, si care sa faca fata
la astfel de temperaturi.Exista doua metode de limitare a plasmei:
1. Limitare magnetica
Un camp magnetic spatial limiteaza particulele din plasma intr-o
regiune inchisa printr-o miscare continuua. Liniile de camp
magnetic determina ionii si electronii sa se deplaseze de-a
lungul liniilor de camp inchise. Amploarea unor astfel de campuri magnetice
este enorma, si exista un program de cercetare pe termen lung
(atat teoretic cat si experimental) pentru a rezolva problemele in
cauza. Cum limitarea magnetica nu are nici o legatura cu
laserii, noi nu ne vom ocupa de aceasta metoda.
2. Limitarea inertiala a plasmei folosind laserii
Potrivit criteriului lui Lawson conditia care determina fuziunea
nucleara este produsul dintre densitate si timp. Prin cresterea
densitatii materiei, se poate reduce timpul necesar pentru a
tine plasma intr-o anumita regiune din spatiu.Ideea
limitarii inertiale este de a comprima o cantitate mica de
deuteriu sau tritiu la o densitate ridicata pentru o scurta
perioada de timp. Calculele arata ca o granula
promitatoare, care contine Deuteriu si tritiu la presiunea
atmosferica, trebuie sa fie de aproximativ 1 mm in diametru. La presiunea
atmosferica,timpul de limitare a plasmei este de 10-8 sec.
Daca putem mentine plasma in acest timp putem obtine prin
fuziune nucleara o cantitate mai mare de energie decat cea pe care am introdus-o.Problema
este ca, la presiunea atmosferica plasma se extinde rapid, astfel
incat densitatea se va reduce si va
fi imposibil de a efectua acest proces. Pe de alta parte, la o presiune
mult de 10000 de ori presiunea atmosferica, timpul necesar este de 10-12
sec.
Obtinerea presiunii ridicate prin
limitarea inertiala
Pentru a realiza o presiune
enorma (de ordinul a 1012 atmosfere), asupra granulei, ideea
este de a utiliza principiul propulsarii rachetelor (care se bazeaza
pe Legea a treia a lui
Combustibilul se afla intr-o sfera
goala.
Stratul exterior al sferei este incalzit
rapid la temperaturi foarte ridicate.
Stratul exterior se evapora si se
extinde rapid afara.
Ca rezultat al expansiunii stratului exterior,presiunea
este creata spre centru.
Procesul de comprimare ridica temperatura la temperaturi ridicate
necesare pentru procesul de fuziune. Volumul necesar de energie este de ordinul
a 1014 Jouli, intr-un timp de ordinul 10-9 sec. Obtinerea unei cantitati de energie
asa de mare intr-un timp asa de scurt este realizata cu ajutorul
unui laser. Astfel,laserul este ideal pentru limitarea inertiala.
Laserul in limitarea inertiala
Primele experimente au fost efectuate folosind laserul cu CO2 la o lungime de unda de 10.6 mm deoarece are puterea necesara. Mai tarziu s-au
facut experimente cu laserul cu sticla dopata cu Nd, deoarece
impulsurile sale au fost controlate cu precizie, si are, de asemenea,
putere mare.
Astazi, tendinta este de a trece la lungimi de unda scurte, de
cele mai multe ori, prin dublarea si triplarea frecventei laserului
cu sticla dopata cu Nd in
cristale neliniare. Motivul pentru lungimi de unda scurte este vazut
in figura 13.19.
Figura 13.18 Absorbtia fasciculelor laser la diferite lungimi de unda.
Trei Cerinte de baza pentru fuziunea nucleara:
1. Temperatura ridicata a plasmei - astfel ca nucleele deuteriului si
tritiului vor avea destula energie cinetica pentru a depasi
repulsia electrostatica dintre ele.
Energia se masoara in unitati electron volt, eV (1 eV = 1.6
. 10-19 J).
Media de energie per particula, la temperatura T este:
E = 3kT / 2, k = 1.38 . 10-23 J
2. Densitate de particule mare(n).
Densitatea descrie
numarul de particule pe unitatea de volum. Cu cat este mai dens
materialul,cu atat el va contine mai multe particule pe unitatea de volum.
3. Timpul mare de limitare
Cerintele 2 si 3 pentru n si t trebuie sa fie suficient de
ridicate,care va genera o probabilitate ridicata a coliziunii intre
nucleei de tritiu si deuteri.Acesta este criteriul lui Lawson:
n·t > 1014 s/cm3
Este de ajuns pentru a creste unul din aceste numere pentru a atinge
obiectivul fuziunii nucleare controlate.
Temperatura de prag pentru fuziunile nucleare controlate:
Threshold Temperature [keV]
1. D + T ==> 4He + n + 17.6 MeV 4
2. D + D ==> 3He + n + 3.2 MeV 50
3. D + D ==> T + p + 4 MeV 50
4. D + 3He ==> 4He + p + 18.3 MeV 100
Din acest tabel este clar ca:
1.Prima reactie este preferata la aceasta
etapa (din cauza temperaturii necesare relativ scazute)
2.In viitor, cea de-a doua reactie va fi de preferat, pentru
ca nu contine tritiu radioactiv.
3.A patra reactie are avantaje, deoarece produsele sunt
particule incarcate(protoni si
alfa).
Este relativ usoara extragerea
energiei din particule incarcate.
Etape in procesul fuziunii nucleare
controlate
Prima reactie pe care oamenii de stiinta vor incerca
sa o efectueze in conditii controlate este:
D + T ==> 4He + n + 17,6 MeV
Figura 13.20 descrie etapele fuziunii nucleare controlate dintr-o granula.
1. Energia asupra tintei - determinata de multe
fascicule laser simultan.
2. Comprimarea granulei - stratul exterior este
incalzit si este eliminat. O unda de soc comprima
combustibilul nuclear spre centru. Presiunea creste la zeci de milioane de
atmosfere.
3. "Aprinderea" combustibilului-
Ca un rezultat al compresiei, temperatura creste la centru, si
fuziunea nucleara are loc la 50-100 de milioane de grade.
4. 'Mini explozia' - procesul de fuziune produce cantitati
enorme de energie, care este eliberata in toate directiile, pe o
scara de timp de micro-secunde (bomba cu hidrongen in miniatura).
Figure 13.19 Etape in controlarea fuziunii nucleare.
Datorita
comprimarii ridicate a granulei, temperatura in interior ajunge la
temperatura necesara pentru a realiza fuziunea nucleara
controlata. Odata ce reactia de fuziune incepe, se
elibereaza o multime de energiei, care continua procesul de
fuziune, pana cand intreaga granula arde. De fapt, acest proces nu
este 100% eficace, doar aproximativ 30%. Astfel, criteriul practic al lui
Lawson este:
n*t >
1015 sec/cm3
Este interesant de a urmari modul in care energia necesara pentru fuziunea
nucleara controlate a evoluat in timpul a 30 de ani de cercetare:
La inceput, bazat pe calcule simple, oamenii de stiinta din au
crezut ca 1 kJ de energie ar fi suficient. Aceasta cerinta
a crescut de circa 10 ori la fiecare 10 de ani, si astazi estimarea
este de aproximativ 1 MJ. Astazi, procesul de fuziune este de
inteles, in functie de rezultatele experimentale, astfel incat
estimare este mult mai realista.
Cercetarea fuziunii are multe implicatii militare, ceea ce explica de ce
cea mai mare parte a cercetarii a fost efectuata in laboratoarele
nationale din SUA si Rusia. Explicatia aici este limitata la
fizica procesului de fuziune, si modul in care poate fi folosit pentru a
extrage energie utila.
Ordinele de magnitudine pentru cantitatea de energie
Cand toate masa deuteriului
si tritiului este transformata intr-o reactie de fuziune
nucleara, cantitatea de energie elimiata pe 1 gram de materie este:
EBurn
= 3.4·1013 J
Pentru a incepe procesul de fuziune nucleara la o energie de 100-1000 keV cantitatea de energie
incidenta este de:
EHeat
= 109-1010 J
Exista posibilitatea de a
castiga energie, chiar si atunci cand eficienta procesului nu va fi de 100%. Pe baza rezultatelor
teoretice si experimentale, dimensiunea granulei trebuie sa fie mai
putin de 2 milimetri. Astfel, cantitatea de combustibil nuclear in fiecare
granula este de ordinul miligramelor. Dupa comprimarea, granula va
avea dimensiunea de 0,2 mm, si incepe aprinderea.
Metode de transfer al energiei la
granula
Toate experimentele ale
fuziunii din trecut s-au bazat pe iluminarea directa a tintei
(granulei) cu fascicule laser din toate partile.Abordarea
moderna este de a utiliza incalzirea indirecta folosind
Hohlraum-Hollow Cavity Illumination-Iluminarea cavitatii goale).
Ideea este de a transfera
energie combustibilului nuclear uniform din toate partile. Hohlraum-ul este o camera
speciala cilindrica, care este acoperita cu aur la interior.
Fasciculele laser lovesc partea interioara a cavitatii Hohlraum,
ceea ce duce la un flux ridicat de raze X. Aceste raze incalzesc granula
din toate partile, dupa cum se poate observa in figura 13.21.
Figure 13.20: Incalzirea indirecta a
granulei folosind Hohlraum.
Structura de baza a reactorului cu
fuziune nucleara
Dupa rezolvarea tuturor
problemelor legate de reactia fuziunii nucleare, trebuie gasite
intrebuintari pentru energia eliberata. Din moment ce noi suntem
inca departe de atingerea acestui obiectiv, cercetarea este teoretica
pentru moment. Fiecare reactor de fuziune nucleara cu deuteriu - tritiu are
3 cerinte de baza:
1. Protectia oamenilor din jur(constructia unor
ziduri speciale).
2. Transferul eficient al energiei obtinute in energie
utila.
3. Crearea tritiului necesar pentru combustibil.
Reactorul cu limitare inertiala are alte cereri:
4.Transferul eficient al energiei de la laser la
granula.
In cazul limitarii inertiale, deoarece timpul este foarte scurt, nu
este nevoie de magneti mari pentru retinerea plasmei. Astfel, este suficient
pentru a avea in jur lichid in jurul reactorului.
Figure 13.21: Principiul de baza al reactorului fuziunii nucleare controlate
1. 70%
din energia reactiei nucleare intr-o reactie DT se face cu neutronii.
2. Maximul acestei energii este in jur de 14 MeV.
Alte particule ejectate sunt: particule alfa, raze X, si
ramasitile camerei tinta.
Reactorul cu fuziune nucleara
controlata
Schema de baza al unui reactor cu fuziune nucleara controlata
este descrisa in figura 13.22.
Neutronii sunt ejectati in timpul fuziunii nucleare in toate directiile. In cazul in care un strat curgator de litiu lichid inconjoara miezul reactorului,neutronii ejectati vor interactiona cu litiul si vor ceda energie lichidului.
Temperatura
litiului lichid va creste, si mai tarziu prin utilizarea
schimbatoarelor de caldura energia termica poate actiona
turbine pentru producerea energiei electrice.
1. Latimea stratului de litiu este de aproximativ 0.5-1.5 m.
2. Coliziunea litiului cu neutroni poate determina o reactie nucleara,
care produce tritiu ,folosit ca si combustibil nuclear:
6Li + n 4He + 3H
Ordinele de marime intr-o
centrala nucleara a viitorului bazata pe fuziune:
O centrala medie produce
aproximativ 1.000 de MW de energie electrica, care este echivalentul a 109
J / s. Intr-un reactor nuclear de fuziune:
1. Laserul produce 106J pe puls.
2. Castigul de energie intr-o granula este de
aproximativ 100.
3. Rezultatul este de 108 J per granula.
4. Eficienta este de aproximativ 40%.
5. De la energia produsa de reactor, 107 J
sunt returnati la laser cu un randament de 10%.
6. Astfel, energia obtinuta este:
0.4·108
J - 107 J = 3·107 J = 30 MJ
7. Pentru a produce 1000 MW de numarul pulsuri necesare
este de aproximativ 30 pe secunda.
8. Aceasta cerinta pare complicata
intr-o singura camera de reactie, dar acelasi laser poate
functiona la cateva camere de reactie prin trecerea de la una la
alta.
Cantitatea de combustibil necesar la 30 de
granule pe secunda, rata pe an este de:
30 . 60 . 60 . 24 . 365 = 9,5 . 108 granule pe an
9. Fiecare granula contine aproximativ 1 mg de
combustibil.
Astfel, cantitatea de combustibil pe an:
Aproximativ 106 de grame = 103 kg
10. Deoarece deuteriul este disponibil din apa marii, si
tritiul este produs de reactor, cantitatea de deuteriu este de ajuns pentru
aprovizionarea omenirii cu energie timp de miloane de ani.
Laseri care emit pulsuri foare
scurte (10-15-10-18
sec).
Impulsurile foarte scurte
reprezinta noua unealta de cercetare.Aplicatiile lor sunt:
Folosirea lor pentru a studia procese rapide.
Iluminarea procesului la intervale scurte, si fotografierea lui.
Comunicatiile optice. Cu cat este mai scurt pulsul, cu atat este mai mare
numarul de pulsuri care poate fi transmis intr-o secunda. Acest
numar determina cantitatea de informatii care poate fi
transmisa intr-o anumita perioada de timp.
Racirea atomilor cu ajutorul
laserului.
Toti atomii se
deplaseaza in natura, deoarece sunt la o temperatura mai mare de
0 K, astfel, au energie termica. La temperaturi scazute, este posibila
aproape oprirea atomilor prin utilizarea momentului fotonilor emisi de
laser.
Un fascicul laser de lumina ce se deplaseaza in directia
opusa a unui fascicul de atomi pot interactiona intre ei astfel incat
atomii pot absorbi fotonii din fasciculul laser. Procesul are loc in cazul in
care energia fotonului(care este determinata de frecventa fotonului)
este exact egala cu diferenta de energie dintre nivelurile de energie
ale acestor atomi. In cazul in care un atom este in miscare, apoi folosind
efectul Doppler acest atom 'vede' o frecventa usor
diferita a fotonului incident. Prin folosirea catorva fascicule din
directii opuse, este posibil sa se opreasca atomul.
Frecventa fasciculului laser este aleasa sa fie foarte aproape
de frecventa absorbtie a atomului, dar nu identic cu aceasta. De
fiecare data cand un atom incepe sa se deplaseze spre unul din
fasciculele laser, efectul Doppler determina absorbtia radiatiei
de catre atom si astfel acesta revine la locul lui.
Studiul interactiunii materiei cu
radiatia electromagnetica
Radiatiilor electromagnetice pot reactiona cu materia prin diferite
mecanisme.Cercetarea mecanismelor de interactiune intre radiatiile
electromagnetice si materie este un domeniu de cercetare foarte productiv,
care produc mai multe aplicatii noi.
Pentru toate aplicatiile medicale cu laser aceasta cercetare este de o
importanta extraordinara. Pentru toate prelucrarile
industriale folosind laserul acest domeniu este la fel de important. Noi vom
mentiona avansul din ultimii ani al interactiunii radiatiilor
electromagnetice cu diferite molecule biologice, precum si
potentialul ingineriei genetice (modificarea proprietatilor
genetice prin manipularea moleculelor de ADN din nucleul celulelor biologice ).
Aplicatii speciale
Transportul energiei in spatiu.
Statiile spatiale
sunt planificate pentru viitorul apropiat. Spatiu deschide noi
posibilitati pentru rasa umana.Energia pentru statia
spatiala va fi colectata de catre celule solare imense. Exista
o idee de a construi astfel de colectoare solare in spatiu. Aceste celule
solare vor converti energia solara in energie electrica.Energia electrica
se va trimite pe Pamant sub forma de radiatii electromagnetice
ca un fascicul de energie laser.
Avantajele punerii celulelor solare in spatiu:
Este posibila utilizarea pe suprafete
foarte mari (fara limite spatiale).
Conditiile meteorologice nu vor fi deranja
colectarea radiatiei solare.
Este posibila colectarea energiei solare 24
din 24 fara a inetrveni succesiunea noapte/zi.
Atmosfera nu va influenta colectarea
radiatiei solare.
Avantajele folosirii laserilor pentru a trimite energia pe Pamant:
Laserul este cea mai buna metoda
pentru a transmite energie electromagnetica fata de alte metode
de transmitere (cum ar fi microundele), datorita divergentei reduse. Chiar
si dupa distante mari,diametrul fasciculului nu este mare.
Astfel, un sistem eficient de colectare nu este imposibil de construit.
Exista anumite lungimi de unda laser
care sunt transmise prin atmosfera care nu este transparenta pentru
microunde.
Giroscopul laser.
Giroscopul este un instrument
care va ajuta sa mentineti orientarea in spatiu.
In trecut, au fost construite giroscoape cu sisteme mecanice rotative,unde
principiul conservarii momentului unghiular ajuta deplasarea intr-o
singura directie. Aceste dispozitive au fost foarte masive si
necesitau motoare si intretinere. Osciloscoapele optice sunt bazate
pe un principiu numit efectul Sagniac. Acest efect, care a fost descoperit la
inceputul secolului 20, prevede ca: 'O unda electromagnetica
care se deplaseaza intr-o zona inchisa, care inconjoara o
zona finita, este influentata de viteza unghiulara a
sistemului care este inclus in acest domeniu'.
Principiul functional al
giroscopului optic:
Doua fascicule laser se
misca in directii opuse in aceeasi traiectorie
circulara. Orice schimbare in directie a sistemului va determina o
diferenta in traiectoria acestor doua fascicule. Prin folosirea masuratorilor
interferometrice, este posibila detectarea unor foarte mici
modificari, asa ca giroscopul cu laser este un dispozitiv foarte
sensibil.
Exista doua tipuri de giroscoape optice, ambele bazate pe
acelasi principiu:
1. Giroscopul cu laser este un laser intr-o cavitate
circulara.Cavitatea laser este alcatuita din trei sau patru
oglinzi care formeaza o bucla inchisa.
2. Giroscopul cu fibra optica este un dispozitiv
similar, dar fasciculele laser se deplaseaza printr-o fibra
optica,asezata in spirala.
Fibra laser
Este posibila creerea
procesului laser intr-o fibra optica. Mediul activ este o fibra
optica fabricata din atomi impurificatori introdusi in sticla
din miezul fibrei.
Avantajele laserilor cu fibra sunt:
Fibra optica limiteaza fasciculul
laser in interiorul ei (mediul activ).
Pomparea optica este realizata cu
ajutorul luminii care circula in interiorul fibrei.
Laserii cu fibra pot amplifica direct lumina laser incidenta
fara a fi necesara convertirea in semnal electric,amplificat
si apoi convertit la loc in lumina.
Principala utilizare a laserului cu fibra este in comunicare, in cazul in
care un semnal este transmis pe distante lungi (cum ar fi peste ocean)
necesita amplificare pe drum.
Cea mai cunoscuta familie
de fibra laser este Amplificatorul fibrei dopat cu erbiu, care este
utilizata in comunicatii optice.
Masurarea parametrilor laser
O multime parametri laser
caracterizeaza fasciculul laser: putere medie sau media de energie,
divergentaa, structura modului, lungimea de unda, stabilitatea
frecventei, etc Fiecare aplicatie necesita cunoasterea
anumitor parametrii. Practic, pentru fiecare laser, primul parametru care
urmeaza a fi masurat este puterea pentru laserii cu functionare
continuua (sau freventa ridicata a folosirii) si energia in
cazul laserilor pulsatorii. Un interes deosebit ar putea fi axat pe anumite masuratori
intrinseci a parametrilor de mediului activ, astfel cum ar fi randamentul
semnalului mic, intensitatea de saturatie.
Masurarea puterii sau a energiei
fasciculului laser
Unele efecte care ar putea fi
utilizate pentru a masura energia sau puterea laserului sunt induse de interactiunea
fasciculului laser cu tinta. O calibrare corecta a aparatului este necesara
in orice caz. Efectul termic,piroelectric si fotonic sunt cele mai
utilizate.
Masurarea calorimetrica,
prin utilizarea efectului termic al radiatiei laser. Acestea sunt
impartite in doua categorii: isoperibolical si conductoare.
In primul caz, elementul absorbant este izolat termic de restul calorimetrului
si cresterea temperaturii, datorita puls laser sau din cauza
unei mici iradieri de un fascicul continuu laser, este masurata.
Calorimetrele conductoare au elementul
absorbant conectat la restul calorimetrului. Intre elementul de absorbtie
si restul calorimetrului (aer sau apa de racire este folosit) un
gradient de temperatura dependent de puterea laserului este stabilit.
Acest tip de calorimetru este utilizat in special pentru masurarea laserilor
cu functionare continua.
Ambele tipuri de calorimetre
mentin o temperatura
Calibrarea calorimetrelor poate fi
facuta prin compararea cu un calorimetru etalon, prin utilizarea
radiatiei de la un bec standard, sau prin utilizarea metodelor de
substitutie electrice. Substitutia electrica este efectuata
prin plasarea unui rezistor pe elementul de absorbtie. Un curent constant
sau un puls de energie cunoscut trece prin rezistorul de calibrare. Deci,un calorimetru
etalon ieftin este construit. Erorile sunt introduse pentru ca energia
electrica nu este total absorbita si disiparea de
caldura de pe cele doua parti ale calorimetrului nu
sunt identice.
Detectoarele piroelectrice
sunt cele mai utilizate. In cazul in care
Cateva definitii
Radiometria este masura
distributiei luminii in spatiu si timp. Principalii termeni
sunt:
1.Energia radianta (E) este termenul de baza care descrie cantitatea
de energie care este purtata de lumina. Aceasta este
masurata in unitati de Joule, J.
2.Puterea radianta (P) este cantitatea de energie a radiatiei
purtata in unitatea de timp. Dt) este timpul
iluminarii (in secunde).
Puterea radianta este masurata in wati.
3.Densitatea de putere - Raportul din puterea radiatiei si suprafata iluminata Ds).Relatia matematica dintre puterea radianta si densitatea de putere este:
Radiatia ca o functie de timp
Atunci cand puterea radiatiei este exprimata ca functie de timp,energia totala dintr-un interval de timp specific poate fi calculat prin suprafata de sub grafic (integrala specifica).
Figura 12.1: Puterea ca o functie de timp.
Radiatia
emisa de un laser poate fi un fascicul continuu (ca intr-un laser He-Ne
sau un laser CO2 cu emisie continua) sau un puls de radiatie. Un
impuls de radiatii de la un laser poate fi lung (milisecunde), scurt
(microsecunde, nanoseconds), foarte scurt (10-12 s, picoseconds), sau
ultrascurt (10-15 s, femtosecunde).
Impulsurile laser pot aparea ca singur puls sau ca pulsuri repetate, iar
numarul impulsurilor poate fi de mii de milioane pe secunda.
Caracteristicile radiatiei laser
Energia radiatiei este
descrisa in termeni diferiti pentru emisia continua de
radiatie si emisia pulsatorie. Pentru laserul cu functionare
continua,puterea P este un parametru bun:
Energia
nu este suficienta, deoarece aceeasi cantitate de energie poate fi
transmis intr-un timp scurt, folosind putere mare, sau intr-o lunga
perioada de timp, folosind puteri mici.
Pentru laserul pulsatoriu - detalierea parametrilor pulsurilor este
importanta, iar puterea medie nu este de ajuns.
Parametrii comuni sunt:
1.Energia per puls (Ep).
1.Durata pulsului Dt),care este numita adancimea pulsului.
1.Numarul de impulsuri pe secunda (PPS), care se
numeste frecventa de impulsuri.
Masurarea impulsurilor radiatiei
electromagnetice se face prin absorbtia lor in materie (detector), si
masurarea schimbarii parametrilor detectorului.
Puterea laserului
In multe aplicatii, puterea
laserului este cel mai important parametru, deoarece acesta determina
cantitatea de energie emisa intr-o unitate de timp. Pentru unele
aplicatii laser de puterea trebuie sa fie stabila, astfel incat stabilitatea
puterii este importanta.
Emisia unui laser este determinata de tipul acestuia.
1.Dintr-un anumit tip de laser nu este posibila
obtinerea tuturor nivelurilor de putere.
2.Pentru fiecare tip de laser exista o anumita
gama limitata de putere.
3. Din partea laserului He-Ne nu vom obtine puteri de
ordinul watilorEi emit puteri de ordinul miliwatilor.
4. Laserii cu CO2 pot emite puteri de ordinul zecilor de
kilowati in regim continuu.
Eficienta laserului
Una dintre cele mai importante proprietati a unui laser este puterea
maxima, care este cantitatea maxima a radiatiilor
electromagnetice emise intr-o unitate de timp. Pentru a obtine putere, trebuie
sa introducem energie.Raportul dintre energia introdusa in sistem
si energia emisa se numeste eficienta laserului. Eficienta
laserului este exprimata in procente.
Eficienta laserului = (puterea de iesire) / (puterea de intrare)
Cele mai multe lasere au eficienta scazuta, chiar de
ordinul a zecimi de procent. Disiparea energiei termice este mica,deci nu
este un factor important. Intr-un laser de putere mare ,caldura este
luata in considerare,iar elimiarea caldurii in exces este o
problema. Intr-un laser cu emisie continua,avand puterea de 1000 W cu
un randament de 10% cantitatea de
caldura generata este 9000 W.
Randamentul total al unui laser
Eficienta unui laser este
influentata de multi factori,iar aici vom prezenta factorii
decisivi ai unui laser cu gaz. Energia electrica este furnizata de o
sursa, care schimba o parte din energia electrica in curent
electric in gaz. O parte din energia cinetica a electronilor
accelerati din tub interactioneaza cu moleculele de gaz si
transfera energie catre acestea. O parte din energie transferata
la moleculele de gaz este utilizata pentru a le excita, pentru a crea inversare
de populatie. In procesul de emisie stimulata, o parte din energie
este utilizata pentru crearea radiatiei laser.
Valoarea totala a eficientei de laser este produsul eficientelor
tuturor proceselor mai sus mentionate:
Randamentul total al laserului = (eficienta
electrica a sursei de alimentare) * (eficienta transferului energetic
catre molecule) * (eficienta excitatiei) * (eficienta
tranzitiilor laser) * (eficienta emisiei stimulate ) * (eficienta
cuplajului de iesire)
Utilizand cifrele corespunzatoare, determinam de ce este laserul are
o eficienta scazuta. La unii laseri eficienta poate fi
de ordinul a sutimilor de procente.
Tabelul 12.1 rezuma eficienta unor laseri comerciali:
|
Tipul laserului |
Lungime de unda [mm] |
Eficienta tipica [%] |
|
CO2 |
|
|
|
He-Ne |
|
|
|
He-Cd |
|
|
|
Nd-YAG |
|
|
|
FEL |
|
|
|
Diode Laser |
|
|
Tabelul 12.1
Numai in cazul diodelor laser,unde energia electrica este transformata in radiatie laser,este posibila obtinerea unei eficiente ridicate.O asemenea eficienta ridicata este motivul pentru care foarte putina energie este consumata in cazul diodelor laser,si de aceea pot opera fara sisteme speciale de racire.
Cateva exemple de putere/energie de la firma Ophir Optronics
Fotodiode pentru putere continuua
Modelele PD-300 ofera o acoperire spectrala de la 200 nm - 1800 nm.Domeniul puterii este de la nanowati pana la 3 wati.Modelul PD-300 ofera o substragere automata a fundalului,astfel incat masuratoarea nu este sensibila la lumina din camera.Toate modelele au o calibrare a lungimii de unda incorporata in sistem.
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
|
auto background subtraction |
10x10mm |
350 - 1100nm |
1nW-300mW |
|
auto background subtraction |
10x10mm |
350 - 1100nm |
1nW - 3W |
|
infrared region |
5mm |
800 - 1800nm |
5nW -300mW |
|
wide spectral range |
10mm |
200 - 1100nm |
1nW -300mW |
|
low cost power meter to measure 1 or 2 wavelengths. Has own display |
10mm |
400 - 1100nm |
20nW-200mW |
|
measures scanning beams. Has own display |
10x10mm |
633, 650, 675nm |
0.1 - 20mW |
Thermopile Surface Absorber Heads
Detectoare termopile a emisiei continue
Termopilele de la Ophir au un spectru bine definit intre 19-20 μm.Au un prag de defectare de aproape 20 KW/cm2 .Ofera un domeniu dinamic de la μW pana la kW si un timp de raspuns scurt,de o secunda.Capul de detectie este montat in EEROM-ul capului de detectie si este activat cand dispay-ul este pronit,deci toate capetele sunt plug and play.
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
|
|
very low powers |
10mm |
0.19 -20um |
60uW - 2W |
0.1mJ - 2J |
|
general purpose to 10W |
16mm |
0.19 -20um |
6mW - 10W |
1mJ - 20J |
|
general purpose to 30W. |
18mm |
0.19 -20um |
20mW - 30W |
6mJ - 30J |
|
large aperture to 30W |
29mm |
0.19 -20um |
80mW-30W |
20mJ - 30J |
|
Thin profile to 30W |
26mm |
0.15 -20um |
80mW-30W |
20mJ - 60J |
|
CW to 30W. Intermittent to 150W |
18mm |
0.19 -20um |
60mW - 150W |
20mJ -100J |
|
CW to 40W. Intermittent to 150W |
50mm |
0.19 -20um |
200mW - 150W |
50mJ -200J |
|
Fan cooled to 150W |
18mm |
0.19 -20um |
60mW - 150W |
20mJ -100J |
|
Fan cooled to 250W. |
50mm |
0.19 -20um |
200mW -250W |
50mJ -200J |
|
Fan
cooled to 300W |
25mm |
0.19
-20um |
120mW-300W |
50mJ -200J |
|
Water cooled to 1000W. |
34mm |
0.19 -20um |
20W-1000W |
150mJ-200J |
|
Water cooled to 1500W. LP has high damage threshold |
50mm |
0.19
-20um |
20W-1500W |
150mJ-200J |
|
Water cooled to 5000W. LP has high damage threshold |
50mm |
0.19
-20um |
100W-5000W |
N.A. |
|
Water cooled to 8000W. LP has high damage threshold |
50mm |
0.19
-20um |
200W-8000W |
N.A. |
|
Water cooled to 30 Kilowatt |
70mm |
0.4 -1.5um, 10.6um |
300W-30,000W |
N.A. |
|
Self contained water circulator for water cooled heads to 8000W |
||||
Thermopile Volume Absorber Heads
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
|
|
low powers and energies |
12mm |
0.19 - 6um |
0.2mW - 3W |
0.1mJ - 2J |
|
general purpose to 10W |
16mm |
0.19 - 6um |
10mW -10W |
1mJ - 10J |
|
general purpose to 30W |
18mm |
0.19 - 6um |
60mW -30W |
30mJ - 30J |
|
high energy and average power cont. to 30W, intermittent to 150W |
18mm |
0.19 - 3um |
60mW-150W |
50mJ -300J |
|
high energy and average power continuous to 100W |
18mm |
0.19 - 3um |
60mW - 100W |
50mJ -300J |
|
for long pulse lasers |
25mm |
0.19 - 20um |
120mW - 250W |
50mJ -200J |
|
fiber optic adapters for model 3A-P/10A/10A-P |
||||
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
|
|
large aperture to 30W EX absorber for excimer lasers |
29mm |
0.2 - 0.4um, 10.6um |
80mW-30W |
20mJ - 30J |
|
large aperture CW to 40W intermittent to 150W EX absorber |
50mm |
0.2 - 0.4um, 10.6um |
200mW-150W |
50mJ - 200J |
|
Fan cooled to 250W. EX absorber for excimer lasers |
50mm |
0.2 - 0.4um, 10.6um |
200mW -250W |
50mJ -20 |
Pulsed Energy Pyroelectric and Photodiode Detectors
Seriile PE de detectoare piroelectrice combina o buna acuratete cu un prag de defectare ridicat si o frecventa a operarii intr-un singur cap.Pentru prima data putem masura atat pulsuri lungi de 3 ms si o freventa de 1KHz in acelasi cap al detectorului.Detectorii pentru puls au o sensibilitate de 1nJ.
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
Maximum Frequency |
|
very low energies to nJ. silicon photodiode |
10mm |
0.2-1.1um |
1nJ - 10uJ |
4000Hz |
|
low energies, pyroelectric |
10mm |
0.19 -10.6um |
2uJ - 10mJ |
5000Hz |
|
25mm
aperture pyroelectric |
25x25mm |
0.19
- 3um |
15uJ
- 10J/ |
2000Hz/ |
|
48mm
aperture pyroelectric |
48mm |
0.19
- 3um |
40uJ
- 10J/ |
2000Hz/ |
|
low profile pyroelectric head with remote electronics module. BBH has low reflectance. |
40mm |
0.19 -3um |
40uJ - 200mJ |
2000Hz |
|
pyroelectric with removable diffuser for high energy density |
48mm/ |
0.4-2.5um/ |
200uJ
- 50J/ |
50Hz/ |
|
beam splitter for pyro and thermal heads |
48mm |
0.19 - 3um |
to >200J/cm2 |
N.A. |
|
Features |
Aperture |
Spectral Range |
|
Maximum Frequency |
|
low profile, metallic |
12mm |
0.19 - 3um |
2uJ - 1J |
400Hz |
|
low profile, metallic |
25x25mm |
0.19 - 3um |
100uJ - 10J |
40Hz |
|
low profile, broadband |
25x25mm |
0.19 - 20um |
1mJ - 10J |
20Hz |
|
low profile, with diffuser |
20mm |
0.4 - 3um |
3mJ - 50J |
20Hz |
|
low profile, metallic |
48mm |
0.19 - 3um |
400uJ - 10J |
20Hz |
|
low profile, broadband |
46mm |
0.19 - 20um |
10mJ - 10J |
10Hz |
|
low profile BBH |
12mm |
0.19 - 18um |
2uJ - 1J |
400Hz |
Divergenta fasciculului laser (divergenta fasciculului
Radiatia emisa de un laser este descrisa in figura 12.2.Liniile drepte definesc marginilie fasciculului (punctele lui e-2 ) si creeaza un unghi numit divergenta fasciculului.
Figure 12.2: Divergence of Laser Beam (Beam Divergence q
O buna aproximare pentru divergenta fasciculului laser este:
q - divergenta fasciculului (in radiani)
d1,d2 - diametrul fasciculului in punctele 1 si 2.
L1,L2 - distantele de-alungul axei laserului, de la capatul laserului pana la punctele 1 si 2.
Emisia in apropiere si emisia in departare a unui fascicul laser
Cuplajul de iesire a unui laser este de obicei proiectat pentru a reda un fascicul paralel (divergenta minima).Conform cu tipul cavitatii optice,exista o pozitie in care diametrul fasciculului este minim.Aceasta pozitie de-alungul fasciculului este numita talia fasciculului si din acest punct,fasciculul se extinde.Figura 12.3 descrie emisia unui fascicul dintr-o cavitate semicirculara,si pozitia taliei fasciculului.
Figura 12.3: Fasciculul laser emis dintr-o cavitate optica semi circulara.
Figura 12.3 arata imprecizia masurarii diametrului fasciculului atunci cand masuratoarea are loc in apropierea cuplajului de iesire.
Masurarea taliei fasciculului
Alt exemplu al unui diametru al fasciculului poate fi vazut in figura 12.4 dintr-o cavitate optica plan-paralela.
Figure 12.4: Fasciculul laser emis de o cavitate optica plan paralela.
Intr-o
cavitate optica stabila cu oglinzi sferice, talia fasciculului este
determinata de:
1. Raza oglinzilor de la capatul cavitatii.
2. Distanta dintre oglinzi.
3. Lungimea de unda a laserului.
Intr-o cavitate simetrica cu oglinzi sferice, diametrul fasciculului la
centrul cavitatii scade
odata cu scadere raportului dintre razele oglinzilor.
Definitiile Domeniilor Apropiate
si Departate
Ecuatia de calcul a
divergentei fasciculului este intotdeauna corecta la distante
mari fata de laser.Astfel,aceasta este ecuatia domeniului departat si nu este neaparat
adevarata in apropierea laserului.Conditia pentru un domeniu
departat este definita ca:
L - distanta de la punctul de masurare la laser.
d - diametrul fasciculului la cuplajul de iesire, sau talia fasciculului din cavitate (daca se stie).
l - lungimea de unda a laserului.
Conditia domeniului apropiat este definita ca:
Intre domeniul apropiat si cel departat este o regiune care nu este definita.Exista o definitie pentru granita artificiala dintre domeniul departat si cel apropiat:
Pentru un fascicul Gaussian intregul unghi de divergenta in domeniul indepartat este :
Parametrii care determina divergenta fasciculului
Figura 12.5 arata parametrii care determina divergenta fasciculului:
W0 - raza taliei fasciculului la punctul z = 0.
W(z) - raza fasciculului la punctul z.
Figura 12.5: Divergenta fasciculului Gaussian.
Figura 12.6 explica grafic o comparatie intre un fascicul cu o talie ingusta,implicit o divergenta ridicata, cu un fascicul dupa extinderea taliei fasciculului,implicit cu o divergenta redusa.
Figura 12.6: Divergenta scazuta si ridicata a fasciculului Gaussian
Distanta Rayleigh
Distanta Rayleigh (z0)
este definita ca
Figura 12.7: Distanta Rayleigh
La distanta Rayleigh raza fasciculului W(z) este:
Cunoscand z0 si raza fasciculului la z0 (W0), este usor de calculat diametrul fasciculului la orice punct z:
Aproximand z >> z0:
Astfel, la distante mari (z) de la talia fasciculului,raza fasciculului poate fi aproximata ca o functie liniare a lui z.
Divergenta fasciculului Gaussian
Folosind aproximarea matematica pentru diametrul razei fasciculului la distante mari, divergenta fasciculului poate fi determinata ca:
Pentru unghiuri mici, tangenta unghiului poate fi aproximata prin unghiul in radiani si rezultatul este:
Concluzia:unghiul de divergenta este proportional cu λ/W0 , astfel este determinat de cantitatea difractiei de la talia fasciculului.
Diametrul fasciculului si planul focal
Atunci cand un fascicul laser este concentrat de o lentila pozitiva cu o lungime focala f,diametrul spotului la e-2 puncte la focalizare poate fi aproximat de :
d' = f·q
Astfel, diametrul fasciulului depinde numai de:
Lungimea focala a lentilei (f).
Unghiul de divergenta al fasciculului inainte de lentila (vezi figura 12.8)
Figure 12.8: Concentrarea fasciculului laser.
Atunci cand se cunosc cei doi parametrii mentionati mai sus,al treilea poate fi calculat.
Masurare a puterii de transmitere printr-o calibrat Pinhole
Un fascicul laser este
focalizat de o lentila pozitiva intr-un calibrat pinhole pozitionat
la planul focal al lentilei.pinhole diametru trebuie sa fie mai mic decat
diametrul fasciculului concentrat, astfel ca o parte din fascicul este
blocat de marginile pinhole.
Lungimea focala (f) a lentilei trebuie sa fie de cel putin 10 de
ori (de preferat mult mai mult) diametrul fasciculului (d) inainte de
lentila, pentru a reduce aberatiile sferice.
Puterea transmisa prin pinhole este masurata, si
comparata fata de puterea masurata fara
pinhole. Puterea relativa transmisa se calculeaza si
folosita cu parametrii lentilei si pinhole.
Caracteristicile radiatiei laser
ale pulsului
Unele lasere emit
radiatii in pulsuri. Durata pulsului poate varia,de la pulsuri foarte
scurte (cele mai scurte pulsuri obtinute pana azi au fost de 10-15
s) pana la pulsuri lungi, de ordinul secundelor.
Explicatia de mai jos este impartita in:
1. Un singur puls al radiatiei laser.
2. Excitatia laserului cu energie pulsatorie.
3. Explicatia fizica a constructiei laserilor
in puls.
4. Diferite tipuri de impulsuri.
Un singur puls al radiatiei laser
Un puls laser poate fi descris
prin reprezentarea grafica a puterii laser ca o functie de timp
(asa cum se vede in figura 12.9). O buna aproximare a formei pulsului
laser este triunghiul. Puterea maxima emisa este Pmax.
Cele mai multe impulsuri laser au o crestere abrupta (un timp scurt
de incarcare), si o descarcare lunga. Este normal sa
consideram durata pulsului Dt1/2)
ca adancimea sa la jumatate din maxim (0.5Pmax). Astfel, adancimea pulsului este intervalul
de timp in care puterea pulsului este mai mare decat jumatate din puterea
maxima: FWHM = Full Width at Half
Maximum.
Figure 12.9: Puterea ca functie de timp al unui laser cu functionare pulsatorie
Energia unui singur puls
Aria de sub graficul din figura 12.9 descrie cantitatea de energie purtata de puls,masurata in joule,W/s.Aproximand forma pulsului printr-un triunghi,aria triunghiului este jumatate din baza Dt1 /2) inmultita cu inaltimea (Pmax).Astfel,energia pulsului este:
E = (D t1/2)·Pmax
Aceasta aproximare,care este precisa pentru pulsurile triunghiulare,este o aproximare buna pentru toate pulsurile laser.
Detectarea radiatiilor optice
Detectarea radiatiilor
optice se realizeaza prin conversia energiei luminoase intr-un semnal electric
a carui intensitate se masoara prin tehnici conventionale.
Unele dintre aceste mecanisme fizice care pot fi implicate in conversie includ:
a) generarea purtatorilor de sarcina mobili intr-un detector
fotoconductiv solid;
b) schimbarea voltajului din jonctiune la termocuple prin absorbtia luminii;
c) eliberarea, prin efectul fotoelectric, a electronilor din suprafete
fotoemitente.
Cele mai importante detectoare sunt:
a) fotomultiplicatorul;
b) detectorul fotoconductiv;
c) fotodiod
d) fotodioda avalanche.
Tranzitii induse optic
O caracteristica
comuna a tuturor schemelor ale detectoarelor optice este ca semnalul
electric este proportional cu rata la care electronii sunt excitati
de campul optic. Aceasta excitatie implica o tranzitie a
electronilior dintr-o stare initiala A intr-o stare finala sau
un grup de stari B in care miscarea este libera si
contribuie la conducerea curentului electric.
De exemplu, intr-un detector
fotoconductiv de tip n, starea A corespunde cu electronii din banda de
valenta ocupata sau cu atomii impurificatori,in timp ce starea B
corespunde cu electronii din banda de conductie.Un foton cu o energie h·ν este
absorbit in procesul de excitare a unui electron din starea A in starea B,stare
in care electronul poate contribui la conducerea curentului electric.
B A
Fig.12.Absorbtia fotonului
Rata tranzitiile per electron din starea A in starea B trebuie luate in considerare.Aceasta rata este derivata din suma considerentelor mecanice, /Yariv/.O scurta prezentare este necesara:
Avand un camp optic sinusoidal:
Unde V(t)=E(t)exp(iω0t), rata tranzitiilor per electron este idusa de acest camp,W, si este proportionala cu V(t)·V*(t) :
Este usor de aratat ca V(t)·V*(t) este de doua ori valoarea medie a lui e2(t), unde media este facuta peste cateva perioade optice.Consideram acum problema determinarii ratei de tranzitie influentate de un camp:
folosind 
Putem rescrie relatia 12.1 ca :
si folosind 12.1 putem identifica V(t) ca: 
Astfel,folosind 12.2 obtinem:
Aceasta arata ca rata de tranzitie are, in
plus fata de termenul constant (
),o componenta osciland la o frecventa
diferita ω cu o faza egala cu diferenta dintre cele
doua faze originale.Aceste efecte formeaza baza schemei
detectiei heterodyne.
Fotomultiplicatorul
Fotomultiplicatorul este utilizat pentru a masura
radiatiile apropierea ultravioletelor, vizibile si din apropierea
infrarosului. Din cauza amplificarii la curent inalt si zgomotului
scazut, fotomultiplicatorul este una dintre cele mai sensibile
instrumente. Ea a fost utilizata pentru a detecta niveluri de putere
scazute de circa 10-19 W.
Fotomultiplicatorul este
alcatuit dintr-un fotocatod (C) si o serie de electrozi, numit
dynodes, care sunt etichetate la 1 la 8.dynodes sunt pastrati
progresiv la potentiale ridicate fata de catod, cu un potential
tipic dintre adiacente dynodes adiacente de 100 V. Ultimul electrod (A), anodul,
este folosit pentru a colecta electronii. Intregul montaj este introdus intr-un
invelis vidat in scopul de a reduce posibilitatea coliziunilor dinte
electroni si moleculele de gaz.
Fotocatodul este cea mai importanta piesa din fotomultiplicator,
deoarece aceasta transforma radiatia optica incidenta in
curent electric si, astfel, detrmina raspunsul la lungimea de
unda si caracteristicile detectorului si sensibilitatea sa. Fotocatodul
este alcatuit dintr-un material care are o functie limitata in
functionarea dispozitivului. Functia de lucru, ,
reprezinta energia minima care ridica un electron din metal in
vacuum, astfel incat numai fotonii cu h · ν > Φ pot fi
detectati. Nivelul vidului corespunde cu energia unui electron in repaus la o distanta infinita de
catod. Compusii care contin Ag-O-Cs si Sb-Cs sunt adesea
folositi. Acesti compusi poseda functii de lucru mai jos de
1.5 eV, comparativ cu 4,5 eV la metalele tipice. Acest lucru face posibila
detectarea unor fotoni cu lungime de unda lunga. In prezent este
posibila fotoemisia la lungimi de 1 μm.
Electronii, care sunt emisi de fotocatod sunt concentrati
electrostatic si accelerati spre primul dynode,sosind cu o energie
cinetica de circa 100 eV. Emisiile secundare de pe suprafata dynode
determina o multiplicare a curentului initial. Acest proces se
repeta la fiecare dynode pana cand curentul emis de fotocatod este
amplificat de un factor foarte mare. Daca emisia secundara la fiecare
dynode este in medie δ (δ electroni secundari pentru fiecare electron
incident) si de numarul de dynodes este N, multiplicarea totala
dintre catod si anod este:
G = δN
Care pentru valori tipice de genul δ = 5 si N =9 obtinem aproximativ G = 2·106.
Fluctuatiile aleatoare observate la iesirea fotomultiplicatorului sunt cauzate de:
Zgomotul pulsului de la catod:
unde 
este curentul emis ca urmare a semnalului puternic, care este incident pe el
si curentul 
care este
numit si curentul de intuneric, care se
datoreaza excitatiei termice aleatoare a electronilor de la
suprafata precum si a excitatiei cauzate de radiatiile
cosmice si al bombardamentului radioactiv.
b) Zgomotul pulsului de la dynode,
care este zgomotul datorat naturii aleatoare ale emisiei secundare de la
dynodes. Cum curentul provenit de la dynode nu exercita randamentul maxim
al tubului, contributia tuturor dynodes la zgomot este mai mica cu un
factor de decat zgomotul cauzat de catod.
c)
zgomotul Johnson, care este zgomotul termic asociat cu rezistenta de
iesire R conectata de-alungul anodului.Magnitudinea sa este data
de:
Detectoarele fotoconductive
Un cristal semiconductor este
conectat in serie cu o rezistenta R si o tensiune de alimentare
V. Domeniul optic care trebuie detectat este incident pe cristal si este
absorbit de acesta, astfel excitand electronii din banda de conductie (sau
in semiconductoarele de tip p,gauri in banda de valenta).O
astfel de excitatie duce la o scadere a rezistentei Rd
a cristalului semiconductor si duce la o crestere a voltajului peste
R,care pentru ΔRd
/Rd<<1, este proportional cu intensitatea
optica incidenta.
Fotodiodele semiconductoare
Jonctiunile p-n
semiconductoare sunt utilizate pe scara larga pentru detectarea
optica. Un foton incident este absorbit in partea de tip p si
creeaza o gaura si un electron liber. Daca acest lucru are
loc intr-o lungime de difuzie (distanta in care un exces de
minoritati concentrate este redusa la e-1 din
valoarea maxima, sau distanta medie pe care o sarcina
minoritara o parcurge inainte de a se recombina cu o sarcina
opusa) pana la epuizarea stratului, electronii, vor ajunge foarte
probabil la stratul limita si vor fi purtati de campul de
influenta. Un electron care traverseaza jonctiunea contribuie
cu o sarcina e la debitul curentului din circuitul exterior.
O fotodioda este capabila
de detectarea radiatiilor cu fotoni de energie hν > Eg
unde Eg este golul de energie al semiconductorului.
Fotodioda Avalanche
Fotodiodele avalanche sunt
similare in constructia lor cu fotodiodele obisnuite cu exceptia
faptului ca, din cauza dependentei M de terenul aplicat in regunea de
avalanche, o grija speciala trebuie avuta pentru a obtine
jonctiuni uniforme.
Acest document nu se poate descarca
| E posibil sa te intereseze alte documente despre: |
| Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate QReferat.com | Folositi documentele afisate ca sursa de inspiratie. Va recomandam sa nu copiati textul, ci sa compuneti propriul document pe baza informatiilor de pe site. { Home } { Contact } { Termeni si conditii } |
Documente similare:
|
Cauta document |