 |
|
Правила установки транзистора
При монтажі транзисторів необхідно дотримуватися таких правил:
1. Кріплення транзисторів повинно проводитися за корпус. Вигин зовнішніх висновків необхідно виконувати на відстані не ближче 16 мм від прохідного ізолятора (якщо немає інших вказівок). Вигин жорстких виводів потужних транзисторів забороняється.
2. Пайка висновків повинна здійснюватися на відстані не ближче 10 мм від корпусу приладу.
3. Потужність паяльника повинна бути не більше 60 Вт, час пайки - не більше 3 с, а температура - не вище 200 'С.
4. У процесі монтажу необхідно виключити проходження струму через транзистори і забезпечити надійний тепловідвід.
5. Не допускається розташовувати транзистори поблизу тепловиділяючих елементів (мережевих трансформаторів, потужних резисторів), а також у сильних електромагнітних полях.
СРС №12
Терморезистори
Терморезистор, термістор — напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого залежить від температури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см; на їх основі розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, протипожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін.
Термісторами також називають термометри, в яких температура визначається за зміною електричного опору.
Для термістора характерні великий температурний коефіцієнт опору (ТКО) (що у десятки раз перевищує цей коефіцієнт для металів), простота обладнання, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях, стабільність характеристик у часі.
Терморезистор виготовляють у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб, бусинок і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії. Їхні розміри можуть варіюватися в межах від 1—10 мкм до 1—2 см.
Основними параметрами терморезистора є: номінальний опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочих температур, максимально припустима потужність розсіювання.
Термістор був винайдений Самюелем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 році й має патент США номер #2,021,491.
Розрізняють терморезистори з негативним (термістори) і позитивним (позистори) ТКО. Терморезистори з негативним ТКО виготовляють із суміші полікристалічних оксидів перехідних металів (наприклад, MnO, CoO?, NiO, CuO), легованихGe і Si, напівпровідників типу AIII BV, скловидних напівпровідників і інших матеріалів.
Розрізняють терморезистори низькотемпературні (розраховані на роботу при температурах нижче 170 К), середньотемпературні (170–510 К) і високотемпературні (вище 570 К). Крім того, існують терморезистори, призначені для роботи при 4,2 К и нижче й при 900–1300 К. Найбільш широко використовуються середньотемпературні терморезистори із ТКС від — 2,4 до —8,4 %/ К і номінальним опором 1—106 Ом.
Режим роботи терморезисторів залежить від того, на якій ділянці статичної вольт-амперної характеристики (ВАХ) обрана робоча точка. У свою чергу ВАХ залежить як від конструкції, розмірів і основних параметрів терморезистора, так і від температури теплопровідності навколишнього середовища, тепловому зв'язку між терморезистором і середовищем. Терморезистори з робочою точкою на початковій (лінійній) ділянці ВАХ використовуються для виміру й контролю температури й компенсації температурних змін параметрів електричних кіл і електронних приладів. Терморезистори з робочою точкою на спадній ділянці ВАХ (з негативним опором) застосовуються в якості пускових реле, реле часу, вимірників потужності електрогмагнітного випромінювання на НВЧ, стабілізаторів температури й напруги. Режим роботи терморезистора, при якому робоча точка перебуває також на спадаючій ділянці ВАХ (при цьому використовується залежність опору терморезистора від температури й теплопровідності навколишнього середовища), характерний для терморезисторів, застосовуваних у системах теплового контролю й пожежної сигналізації, регулювання рівня рідких і сипучих середовищ; дія таких терморезисторів заснована на виникненні релейного ефекту в ланцюзі з терморезистором при зміні температури навколишнього середовища або умов теплообміну терморезистора з середовищем.
Виготовляються також терморезистори спеціальної конструкції — з непрямим підігрівом. У таких терморезисторах є підігрівна обмотка, ізольована від напівпровідникового резистивного елемента (якщо при цьому потужність, що виділяється в резистивном елементі, мала, те тепловий режим терморезистора визначається температурою підігрівника, тобто струмом у ньому). Таким чином, з'являється можливість змінювати стан терморезистора, не міняючи струм через нього. Такий терморезистор використовується в якості змінного резистора, керованого електрично на відстані.
З терморезисторів з позитивним температурним коефіцієнтом найбільший інтерес являють терморезистори, виготовлені із твердих розчинів на основі batio3. Такі терморезистори звичайно називають позисторами. Відомі терморезистори з невеликим позитивним температурним коефіцієнтом (0,5—0,7 %/ К), виконані на основі кремнію з електронною провідністю; їхній опір змінюється з температурою приблизно за лінійним законом. Такі терморезистори використовуються, наприклад, для температурної стабілізації електронного обладнання на транзисторах.
Залежність опору термістора від температури. 1: для R<0.2: для R>0
СРС №13
Варистори
Варистор - нелінійний прилад, який має симетричну вольт-амперну характеристику, аналогічну характеристиці стабілітрона. Серія оксидно-цинкових варисторів - це нелінійні резистори, що складаються в основному з оксиду цинку з додаванням оксидів інших металів. Вони володіють симетричної високонелінійною вольтамперною характеристикою при унікально високій імпульсній стійкості. Оксидо-цинкові варистори є в даний час практично єдиним швидкодіючим засобом захисту складних і дорогих напівпровідникових систем різного призначення. Унікальні властивості варисторів використовуються для створення низькочастотних фільтрів, необхідних для високошвидкісних ліній передачі даних; для захисту від імпульсних впливів напруги, для шумопоглинання (радіо / електромагнітні перешкоди)
Властивості
1.Широкий діапазон напруг.
2.Висока стійкість до струму перевантаження.
3.Швидка реакція на різке підвищення напруги (мкс).
4.Симетричність вольт-амперних характеристик.
5.Оптимальна вольт-амперна характеристика.
6.Надійність, підтверджена міжнародними стандартами.
Застосування
1.Побутова електроніка (телевізори, мікрохвильові печі, радіоелектронна апаратура, тощо).
2.Пристрої промислової електроніки (електродвигуни, тиристорні схеми керування, релейні схеми, схеми захисту).
3.Апаратура засобів зв'язку.
4.Пристрої обробки даних.
5.Обладнання передачі електроенергії.
6.Системи електропостачання.
Вольт-амперна характеристика варистора
Варистор в стані спокою має високий опір (кілька МОм) по відношенню до захищаємого приладу і не змінює характеристику електричного кола. При перевищенні напруги варістор має низький опір (всього кілька Ом) і фактично шунтує прилад, тобто пристрій Е захищено.
Опис параметрів
Напруга варистора:
Напруга варистора - це падіння напруги на ньому при струмі від 0,1 мА до 1мА протягом певного періоду часу
Робоча напруга:
Зазвичай наводяться максимальні значення змінного UAC і постійного UDC робочої напруги. Токи витоків при робочих напругах незначні
Нелінійна експонента (α):
Вольт-амперна характеристика варистора визначається рівністю I = KVα,
Де К - константа, що залежить від конфігурації, а α - нелінійна експонента.
Для обчислення значення α зазвичай беруть дві точки - (V1, I1), (V2, I2):
Максимальна напруга обмеження:
Це максимальна напруга Up між висновками варистора протягом тривалості імпульсу струму (8/20 μсек)
Потужність:
Максимальна розсіювальна енергія (Дж) протягом імпульсу тривалістю 10/1000 μсек
E = K x Vm x Im x T
E: потужність (Дж)
K: константа = 1.4
Vm: максимальна напруга обмеження при Im
Im: максимально допустимий піковий струм з імпульсом 10/1000 μсек
T: тривалість струму перевантаження (1000 μсек)
Струм перевантаження:
Максимальний піковий струм варистора при зміні напруги варистора на 10% при стандартному імпульсі струму (8/20 μсек) прикладений один або два рази з інтервалом 5 хв
Середня розсіювальна потужність:
Середня потужність розсіювання при заданій температурі навколишнього середовища
Ємність:
Ємність - опорна величина, вимірювана при заданій частоті
Оцінка терміну служби варистора:
Визначається як максимально допустима кількість імпульсів, що прикладаються до Варистора. Для визначення використовуються імпульси стандартної тривалості - 8/20 μсек (або 10/1000 μсек)
СРС №14
Лазери та оптрони
Оптронами називають такі оптоелектронні прилади, в яких є джерело і приймач випромінювання (світловипромінювач і фотоприймач) з тим чи іншим видом оптичної та електричного зв'язку між ними, конструктивно пов'язані один з одним.
Принцип дії оптронів будь-якого виду заснований на наступному. У випромінювачі енергія електричного сигналу перетвориться в світлову, в фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний відгук.
Практично поширення одержали лише оптрони, у яких є пряма оптична зв'язок від випромінювача до фотоприймача й, як правило, виключені всі види електричного зв'язку між цими елементами.
За ступенем складності структурної схеми серед виробів оптронной техніки виділяють дві групи приладів. Оптопара (кажуть також "елементарний оптрон") являє собою оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що з випромінювального і фотоприймального елементів, між якими є оптична зв'язок, що забезпечує електричну ізоляцію між входом і виходом. Оптоелектронна інтегральна мікросхема є мікросхему, що складається з однієї або декількох оптопар і електрично з'єднаних з ними одного або декількох узгоджувальних або підсилюючих пристроїв.
Таким чином, в електронній ланцюга такий прилад виконує функцію елемента зв'язку, в якому в той же час здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу.
Відмінні особливості оптронів
Переваги цих приладів базуються на загальному оптоелектронному принципі використання електрично нейтральних фотонів для переносу інформації. Основні з них такі: можливість забезпечення ідеальної електричної (гальванічної) розв'язки між входом і виходом; для оптронів не існує будь-яких принципових фізичних або конструктивних обмежень по досягненню як завгодно високих напруг і опорів розв'язки і як завгодно малої прохідний ємності; можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними об'єктами і зумовлені цим різноманітність і гнучкість конструкторських рішень керуючих ланцюгів; односпрямованість поширення інформації по оптичному каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач; широка частотна смуга пропускання оптрона, відсутність обмеження з боку низьких частот (що властиво імпульсним трансформаторам); можливість передачі по оптронной ланцюга, як імпульсного сигналу, так і постійної складової; можливість управління вихідним сигналом оптрона шляхом впливу (в тому числі і неелектричного) на матеріал оптичного каналу і випливає звідси можливість створення різноманітних датчиків, а також різноманітних приладів для передачі інформації; можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв з фотоприймачами, характеристики яких при висвітленні змінюються по складному заданому закону; несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що у випадку "довгих" оптронів (з протяжним волоконно-оптичним світловодом між випромінювачем і приймачем) обумовлює їх захищеність від перешкод і витоку інформації, а також виключає взаємні наведення; фізична і конструктивно-технологічна сумісність з іншими напівпровідниковими і мікроелектронними приладами. Оптрони притаманні і певні недоліки: значна споживана потужність, обумовлена необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика - світло - електрика) і невисокими ККД цих переходів; підвищена чутливість параметрів і характеристик до впливу підвищеної температури і проникаючою ядерної радіації; більш-менш помітна тимчасова деградація (погіршення) параметрів; відносно високий рівень власних шумів, обумовлений, як і два попередніх нестачі, особливостями фізики світлодіодів; складність реалізації зворотних зв'язків, викликана електричної роз'єднаністю вхідний і вихідний ланцюгів; конструктивно-технологічне недосконалість, пов'язане з використанням гібридної непланарной технології, (з необхідністю об'єднання в одному приладі декількох - окремих кристалів з різних напівпровідників, що розташовані в різних площинах). Перераховані недоліки оптронов у міру вдосконалення матеріалів, технології, схемотехніки частково усуваються, але, тим не менш, ще тривалий час будуть носити досить принциповий характер. Проте їх гідності настільки високі, що забезпечують впевнену позаконкурентних оптронов серед інших приладів мікроелектроніки.
Узагальнена структурна схема Як елемент зв'язку оптрон характеризується коефіцієнтом передачі К i, визначеним ставленням вихідного і вхідного сигналів, і максимальною швидкістю передачі інформації F. Практично замість F вимірюють тривалості наростання і спаду переданих імпульсів t нар (сп) або граничну частоту. Можливості оптрона як елемента гальванічної розв'язки характеризуються максимальною напругою і опором розв'язки U разв і R разв і прохідний ємністю C розв. У структурній схемі на рис. 14.1 вхідний пристрій служить для оптимізації робочого режиму випромінювача (наприклад, зміщення світлодіода на лінійний ділянку ват-амперної характеристики) і перетворення (посилення) зовнішнього сигналу. Вхідний блок повинен володіти високим ККД перетворення, високою швидкодією, широким динамічним діапазоном допустимих вхідних струмів (для лінійних систем), малим значенням "порогового" вхідного струму, при якому забезпечується надійна передача інформації по ланцюгу.
Рис 14.1. Узагальнена структурна схема оптрона
Призначення оптичного середовища - передача енергії оптичного сигналу від випромінювача до фотоприймача, а також у багатьох випадках забезпечення механічної цілісності конструкції. Принципова можливість керування оптичними властивостями середовища, наприклад, за допомогою використання електрооптичних або магнітооптичних ефектів, відображена введенням в схему пристрою керування, В цьому випадку ми отримуємо оптрон з керованим оптичним каналом, функціонально відрізняється від "звичайного" оптрона: зміна вихідного сигналу може здійснюватися як за входу, так і по ланцюгу управління. У фотоприймачі відбувається "відновлення" інформаційного сигналу з оптичного в електричний; при цьому прагнуть мати високу чутливість і високу швидкодію. Нарешті, вихідна пристрій покликаний перетворити сигнал фотоприймача в стандартну форму, зручну для впливу на наступні за Оптрон каскади. Практично обов'язковою функцією вихідного пристрою є посилення сигналу, так як втрати після подвійного перетворення дуже значні. Нерідко функцію посилення виконує і сам фотоприймач (наприклад, фототранзистор). Загальна структурна схема рис. 1 реалізується в кожному конкретному приладі лише частиною блоків. Відповідно до цього виділяють три основні групи приладів оптронной техніки; раніше названі оптопари (елементарні оптрони), які використовують блоки світловипромінювач - оптичне середовище - фотоприймач; оптоелектронні (оптронні) мікросхеми (оптопари з додаванням вихідного, а іноді і вхідного пристрою); спеціальні види оптронів - прилади, функціонально і конструктивно істотно відрізняються від елементарних оптронів та оптоелектронних ІС. Реальний оптрон може бути влаштований і складніше, ніж схема на рис. 1; кожний із зазначених блоків може включати в себе не один, а кілька однакових або подібних один одному елементів, пов'язаних електрично і оптично, проте це не змінює істотно основ фізики та електроніки оптрона.
Застосування
В якості елементів гальванічної розв'язки оптрони застосовуються: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод і наведень і т.д. Інша найважливіша область застосування оптронів - оптичне, безконтактне управління Потужнострумові і високовольтними ланцюгами. Запуск потужних тиристорів, триаків, сімісторов, управління електромеханічними релейними пристроями. Специфічну групу керуючих оптронов складають резисторні оптрони, призначені для слабкострумових схем комутації в складних пристроях візуального відображення інформації, виконаних на електролюмінесцентних (порошкових) індикаторах, мнемосхемах, екранах. Створення "довгих" оптронів (приладів з протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом) відкрило зовсім новий напрямок застосування виробів оптронной техніки - зв'язок на коротких відстанях. Різні оптрони (діодні, резисторні, транзисторні) знаходять застосування і в чисто радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та ін Вплив по оптичному каналу використовується тут для виведення схеми в оптимальний робочий режим, для безконтактної перебудови режиму і т. п. Можливість зміни властивостей оптичного каналу при різних зовнішніх впливах на нього дозволяє створити цілу серію оптронні датчиків: такі датчики вологості і загазованості, датчика наявності в обсязі тієї чи іншої рідини, датчики чистоти обробки поверхні предмета, швидкості його переміщення і т. п. Досить специфічним є використання оптронів в енергетичних цілях, тобто робота діодного оптрона в фотовентільном режимі. У такому режимі фотодіод генерує електричну потужність в навантаження і оптрон до певної міри подібний малопотужного вторинного джерела живлення, повністю розв'язані від первинного кола. Створення оптронов з фоторезисторами, властивості яких при висвітленні змінюються по заданому складному закону, дозволяє моделювати математичні функції, є кроком на шляху створення функціональної оптоелектроніки. Універсальність оптронов як елементів гальванічної розв'язки і безконтактного управління, різноманітність і унікальність багатьох інших функцій є причиною того, що сферами застосування цих приладів стали обчислювальна техніка, автоматика, зв'язкова і радіотехнічна апаратура, автоматизовані системи управління, вимірювальна техніка, системи контролю і регулювання, медична електроніка, пристрої візуального відображення інформації.
Принцип дії лазерів
В основу лазерів покладено явище індукованого випромінювання, існування якого було передбачене Ейнштейном в 1917 році. За Ейнштейну, поряд з процесами звичайного випромінювання і резонансного поглинання існує третій процес - вимушене (індуковане) випромінювання. Світло резонансної частоти, тобто тієї частоти, яку атоми здатні поглинати, переходячи на вищі енергетичні рівні, повинен викликати світіння атомів, які вже перебувають на цих рівнях, якщо такі є в середовищі. Характерна особливість цього випромінювання полягає в тому, що випускається світло не відрізняється від змушує світла, тобто збігається з останнім по частоті, по фазі, поляризації та напрямку розповсюдження. Це означає, що вимушене випромінювання додає в світловий пучок точно такі ж кванти світла, які веде з нього резонансне поглинання.
Атоми середовища можуть поглинати світло, перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, випромінюють ж вони на верхніх рівнях. Звідси випливає, що при великій кількості атомів на нижніх рівнях (принаймні, більшій, ніж кількість атомів на верхніх рівнях), світло, проходячи через середовище, буде послаблюватися. Навпаки, якщо число атомів на верхніх рівнях більше числа збудженому, то світло, пройшовши через дане середовище, посилиться. Це означає, що в даному середовищі переважає індуковане випромінювання. Простір між дзеркалами заповнено активним середовищем, тобто середовищем, що містить більшу кількість збуджених атомів (атомів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях), ніж збудженому. Середа посилює проходить через неї світ за рахунок індукованого випромінювання, початок якому дає спонтанне випромінювання одного з атомів.
Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться. При проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її енергія поглинається. За рахунок поглиненої енергії хвилі частина атомів порушується, тобто переходить у вищий енергетичнийстан. При цьому від світлового пучка віднімається деяка енергія:
hν = E2-E1,
де hν - величина, що відповідає кількості витраченої енергії,
E2 - енергія вищого енергетичного рівня,
E1 - енергія нижчого енергетичного рівня.
Збуджений атом може віддати свою енергію сусіднім атомам при зіткненні або випустити фотон в будь-якому напрямку. Тепер уявімо, що яким-небудь способом ми порушили більшу частину атомів середовища. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі з частотою 
,
де v - частота хвилі,
Е2 - Е1 - різниця енергій вищого і нижчого рівнів,
h - довжина хвилі,
ця хвиля буде не послаблюватися, а навпаки, посилюватись за рахунок індукованого випромінювання. Під її впливом атоми узгоджено переходять у нижчі енергетичні стани, випромінюючи хвилі, що збігаються за частотою і фазою з падаючою хвилею.
Основні властивості лазерного променя
Лазери є унікальними джерелами світла. Їх унікальність визначають властивості, якими не володіють звичайні джерела світла. На противагу, наприклад, звичайної електричної лампочки, електромагнітні хвилі, що зароджуються в різних частинах оптичного квантового генератора, віддалених один від одного на відстані макроскопічні, виявляються когерентні між собою. Це означає, що всі коливання в різних частинах лазера відбуваються узгоджено. Щоб розібрати поняття когерентності в деталях, потрібно згадати поняття інтерференції. Інтерференція - це взаємодія хвиль, при якому відбувається складання амплітуд цих хвиль. Якщо вдається відобразити процес цієї взаємодії, то можна побачити так звану інтерференційну картину (вона виглядає як чергування темних і світлих ділянок). Інтерференційну картину здійснити досить важко, тому що звичайно джерела досліджуваних хвиль породжують хвилі неузгоджено, і самі хвилі при цьому будуть гасити один одного. У цьому випадку інтерференційна картина буде надзвичайно розмита або ж не буде видно зовсім. Процес взаємного гасіння схематично представлений на рис.1 (а) Отже, вирішення проблеми отримання інтерференційної картини лежить у використанні двох залежних і узгоджених джерел хвиль. Хвилі від узгоджених джерел випромінюють таким чином, що різниця ходу хвиль буде дорівнювати цілому числу довжин хвиль. Якщо ця умова виконується, то амплітуди хвиль накладаються один на одного і відбувається інтерференція хвиль рис. 1 (б). Тоді джерела хвиль можна назвати когерентними.
Когерентність хвиль, і джерел цих хвиль можна визначити математично. Нехай Е1 - напруженість електричного поля, що створюється перша пучком світла, Е2 - другим. Припустимо, що пучки перетинаються в деякій точці простору А. Тоді згідно з принципом суперпозиції напруженість поля в точці А дорівнює
Е = Е1 + Е2
Так як в явищах інтерференції і дифракції оперують відносними значеннями величин, то подальші операції будемо виробляти з величиною - інтенсивність світла, яка позначена за I і дорівнює
I = E2
Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо
I = I1 + I2 + I12,
де I1 - інтенсивність світла першого пучка,
I2 - інтенсивність світла другого пучка.
Останній доданок I12 враховує взаємодію пучків світла і називається інтерференційних членом. Це складова одно
I12 = 2 (E1 * E2)
Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I1 + I2, тобто результуюча інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей накладаються пучків, а тому інтерференційний член звертається в нуль. Тоді кажуть, що пучки некогерентних між собою, отже, некогерентних і джерела світла. Однак, якщо накладаються пучки залежні, то інтерференційний член не звертається в нуль, а тому I <> I1 + I2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I1 і I2. Тоді й відбувається інтерференція хвиль, а значить, джерела світла виявляються когерентними між собою. З поняттям когерентності також пов'язане поняття просторової когерентності. Два джерела електромагнітних хвиль, розміри і взаємне розташування яких дозволяє отримати інтерференційну картину, називаються просторово когерентними. Інший чудовою рисою лазерів, тісно пов'язаної з когерентністю їх випромінювання, є здатність до концентрації енергії - концентрації в часі, в спектрі, у просторі, у напрямку розповсюдження. Перше означає те, що випромінювання оптичного генератора може тривати всього близько сотні мікросекунд. Концентрація в спектрі припускає, що ширина спектральної лінії лазера дуже вузька. Це монохроматичность. Лазери також здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності. Як правило, це значення досягає 10-5 радий. Це означає, що на Місяці такий пучок, посланий з Землі, дасть пляма діаметром близько 3 км. Це є проявом концентрації енергії лазерного променя в просторі і у напрямку розповсюдження.
Для деяких квантових генераторів характерна надзвичайно висока ступінь монохроматичности їх випромінювання. Будь-який потік електромагнітних хвиль завжди має набір частот. Випромінювання і поглинання атомної системи характеризується не тільки частотою, але і деякою невизначеністю цієї величини, званої шириною спектральної лінії (або смуги). Абсолютно монохроматичного одноколірного потоку створити не можна, однак, набір частот лазерного випромінювання надзвичайно вузький, що і визначає його дуже високу монохроматичность. Потрібно відзначити, що лінії лазерного випромінювання мають складну структуру і складаються з великого числа надзвичайно вузьких ліній. Застосовуючи відповідні оптичні резонатори, можна виділити і стабілізувати окремі лінії цієї структури, створивши тим самим одночастотний лазер.
Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра (протягом проміжку часу, тривалістю близько 10-13 с) у деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 1017 Вт/см2, в той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 103 Вт/см2, причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтервал l = 10-6 см (це ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт/см2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 1017 Вт/см2, то вдаються до різних методів підвищення потужності.
Для підвищення потужності випромінювання необхідно збільшити число атомів, що беруть участь у посиленні світлового потоку за рахунок індукованого випромінювання, і зменшити тривалість імпульсу.
Застосування лазерів
Застосування лазерного променя у промисловості і техніці
Оптичні квантові генератори та їх випромінювання знайшли застосування в багатьох галузях промисловості. Так, наприклад, в індустрії спостерігається застосування лазерів для зварювання, обробки і розрізання металевих і діелектричних матеріалів і деталей у приладобудуванні, машинобудуванні і в текстильній промисловості. Починаючи з 1964 року малопродуктивне механічне свердління отворів стало замінятися лазерним свердлінням. Термін лазерне свердління не слід розуміти буквально. Лазерний промінь не з отвiр: він його пробиває за рахунок інтенсивного випаровування матеріалу в точці впливу. Приклад такого способу свердління - пробивання отворів у годинникових каменях, яка зараз вже є звичайною справою. Для цієї мети застосовуються твердотільні імпульсні лазери, наприклад, лазер на склі з неодимом. Отвір у камені (при товщині заготовки близько 0,1 - 0.5 мм.) Пробивається серією з декількох лазерних імпульсів, що мають енергію близько 0,1 - 0,5 Дж. і тривалістю близько 10-4 с. Продуктивність установки в автоматичному режимі складає 1 камінь у секунду, що в 1000 разів вище продуктивності механічного свердління. Лазер використовується і при виготовленні надтонких дротів з міді, бронзи,вольфраму та інших металів.
При виготовленні дротів застосовують технологію протягування (волочіння) дроту крізь отвори дуже малого діаметру. Ці отвори (або канали волочіння) висвердлюють у матеріалах, які мають особливо високу твердість, наприклад, в надтвердих сплавах. Найбільш твердий, як відомо, алмаз. Тому краще всього протягувати тонкий дріт крізь отвори в алмазі (алмазні фільєри). Тільки вони дозволяють отримати дріт діаметром всього 10 мкм. Однак, на механічне свердління одного отвору в алмазі потрібно 10 годин (!). Зате зовсім неважко пробити цей отвір серією з декількох потужних лазерних імпульсів. Як і у випадку з пробивкой отворів у годинникових каменях, для свердління алмазу використовуються твердотільні імпульсні лазери.
Лазерне свердління широко застосовується при отриманні отворів у матеріалах, які мають підвищену крихкістю. Як приклад можна навести підкладки мікросхем, виготовлені з глиноземний кераміки.Через високу крихкості кераміки механічне свердління виконується на "сирому" матеріалі. Обпалюють кераміку вже після свердління. При цьому відбувається деяка деформація вироби, спотворюється взаємне розташування висвердлених отворів. При використанні "лазерних свердел" можна спокійно працювати з керамічними підкладками, що вже пройшли випал. Цікаве застосування лазера і як універсального паяльника. Припустимо, що всередині електронно-променевої трубки сталася аварія - перегорів або обірвався який-небудь провід, порушився контакт. Трубка вийшла з ладу. Здавалося б, поломка невиправно, адже ЕПТ являє собою пристрій, всі внутрішні компоненти якого знаходяться у вакуумі, всередині скляного балона, і ніякому паяльника туди не проникнути. Однак, лазерний промінь дозволяє вирішувати і такі завдання. Направляючи промінь в потрібну точку і належним чином фокусує його, можна здійснити зварювальну роботу. Лазери з плавною перебудовою частоти служать основою для спектральних приладів з винятково високою роздільною силою.
Наприклад, нехай потрібно дослідити спектр поглинання якої-небудь речовини. Вимірявши величину лазерного потоку, що падає на об'єкт, що вивчається, і пройшов через нього, можна обчислити значення коефіцієнта поглинання. Перебудовуючи частоту лазерного випромінювання, можна, отже, визначити коефіцієнт поглинання як функцію від довжини хвилі. Роздільна здатність цього методу збігається, очевидно, з шириною лінії лазерного випромінювання, яку можна зробити дуже малою. Ширина лінії, що дорівнює, наприклад, 10-3 см-1 забезпечує таку ж роздільну здатність, як і дифракційна решітка з робочою поверхнею 5 м., а виготовлення таких грат являє собою майже нездійсненне завдання. Лазери дозволили здійснити светолокатор, за допомогою якого відстань до предметів вимірюється з точністю до декількох міліметрів. Така точність недоступна для радіолокаторів.
В даний час у світі існує кілька десятків лазерних локаційних систем. Багато з них вже мають космічне значення. Вони здійснюють локацію Місяця і геодезичних штучних супутників Землі. Як приклад можна назвати лазеро-локаційних систему Фізичного інституту імені П. М. Лебедєва. Похибка вимірювання при використанні даної системи складає 40 см. Проведення таких досліджень організовується для того, щоб точніше довідатися відстань до Місяця протягом деякого періоду часу, наприклад, протягом року. Досліджуючи графіки, що описують зміну цієї відстані з часом, вчені отримують відповіді на ряд питань, що мають наукову важливість.
Імпульсні лазерні локатори сьогодні застосовуються не тільки в космонавтиці, але і в авіації. Зокрема, вони можуть грати роль наукових вимірників висоти. Лазерний висотомір застосовувався також в космічному кораблі "Аполлон" для фотографування поверхні Місяця. Втім, у оптичних лазерних систем є і свої слабкі сторони. Наприклад, не так просто за допомогою гостронаправленої променя лазера виявити об'єкт, тому що час огляду контрольованій області простору виявляється занадто великим. Тому оптичні радіолокаційні системи використовуються разом з радіолокаційними. Останні забезпечують швидкий огляд простору, виявляють мета, а потім оптична система вимірює параметри мети і здійснює стеження за нею. Великий інтерес представляють останні розробки в галузі створення телевізора на основі лазерних технологій. Згідно з очікуваннями фахівців, такий телевізор повинен відрізнятися надвисоким якістю зображення. Варто також відзначити використання лазерів у вже давно відомих принтерах високої якості або лазерних принтерах. У цих пристроях лазерне випромінювання використовується для створення на спеціальному світлочутливому барабані прихованої копії друкованого зображення.
СРС №15