Praktická aplikace laserů

Vynález laseru lze právem považovat za jeden z nejvýznamnějších objevů 20. století. Dokonce i na samém začátku vývoje této technologie již prorokovali zcela všestrannou použitelnost, od samého začátku byla viditelná perspektiva řešení různých problémů, a to i přesto, že v té době nebyly na horizontu vidět ani některé úkoly.

Lékařství a astronautika, termonukleární fúze a nejnovější zbraňové systémy jsou jen některé z oblastí, ve kterých se laser dnes úspěšně používá. Podívejme se, kde laser našel praktickou aplikaci, a uvidíme velikost tohoto úžasného vynálezu, který vděčí za svůj vzhled řadě vědců.

Laserová spektroskopie

Monochromatické laserové záření lze v zásadě získat s jakoukoli vlnovou délkou, a to jak ve formě kontinuální vlny určité frekvence, tak i ve formě krátkých pulzů, které vydrží až do zlomků femtosekundy. Zaměřením na zkoumaný vzorek podléhá laserový paprsek nelineárním optickým efektům, což vědcům umožňuje provádět spektroskopii změnou frekvence světla a provádět koherentní analýzu procesů řízením polarizace laserového paprsku.

Měření vzdáleností k objektům

Laserový paprsek je velmi vhodný pro přímé nasměrování na studovaný objekt, i když je tento objekt velmi daleko, protože divergence laserového paprsku je velmi malá. V roce 2018 byl jako součást experimentu nasměrován laserový paprsek z Yunnanské čínské observatoře na Měsíc. Reflektory Apollo 15, které již byly nainstalovány na lunárním povrchu, odrážely paprsek zpět na Zemi, kde jej observatoř přijala.

Je známo, že laserové světlo, jako každá elektromagnetická vlna, se pohybuje konstantní rychlostí - rychlostí světla. Měření doby průchodu paprsků ukázala, že vzdálenost od observatoře k měsíci, v intervalu od 21:25 do 22:31 Pekingského času 22. ledna 2018, se pohybovala od 385823 433 do 387119 600 kilometrů.

Laserový dálkoměr pro takové velké vzdálenosti, jako je vzdálenost od Země k Měsíci, pracuje na podobném principu. Pulzní laser posílá paprsek k objektu, ze kterého se paprsek odráží. Detektor záření přijímá odražený paprsek. S ohledem na čas mezi začátkem záření a okamžikem, kdy detektor zachytil odražený paprsek, stejně jako rychlost světla, vypočítá elektronika zařízení vzdálenost k objektu.

Adaptivní optika a kompenzace atmosférické deformace

Pokud pozorujete vzdálený astronomický objekt od Země přes dalekohled, ukáže se, že atmosféra zavádí do výsledného obrazu tohoto objektu určitá optická zkreslení. K odstranění těchto zkreslení se používají metody tzv. Adaptivní optiky - zkreslení se měří a kompenzuje.

Aby bylo dosaženo tohoto cíle, je zaměřen silný laserový paprsek na pozorovaný objekt, který, stejně jako jednoduché světlo, podléhá rozptylu v atmosféře a vytváří „umělou hvězdu“, světlo, z něhož na cestě zpět k pozorovateli zažívá přesně stejná optická zkreslení v horní části atmosférické vrstvy, stejně jako obrázek pozorovaného astronomického objektu.

Informace o zkreslení je zpracována a použita pro kompenzaci optického zkreslení vhodným nastavením obrazu pozorovaného astronomického objektu. Výsledkem je, že obraz objektu je více „čistý“.

Bio a fotochemie

V biochemických studiích o tvorbě a fungování proteinů jsou užitečné ultrakrátké laserové pulzy s dobou trvání femtosekundy.Tyto pulzy umožňují iniciovat a studovat chemické reakce s vysokým časovým rozlišením, aby se našli a studovaly dokonce i chemické látky s nízkou životností.

Změnou polarizace světelného pulzu mohou vědci stanovit nezbytný směr chemické reakce a vybrat si z několika možných scénářů pro vývoj událostí během reakce přesně definované.

Laserová magnetizace pulzů

V současné době probíhá výzkum možnosti ultrarychlých změn magnetizace médií pomocí ultrakrátkých laserových pulzů trvajících několik femtosekund. Již nyní bylo dosaženo ultrarychlé demagnetizace pomocí laseru za 0,2 pikosekundy, jakož i optické řízení magnetizace polarizačním světlem.

Laserové chlazení

Počáteční experimenty s chlazením laserem byly prováděny s ionty. Iony byly drženy elektromagnetickým polem v iontové pasti, kde byly osvětleny paprskem laserového světla. Při procesu neelastických kolizí s fotony došlo ke ztrátě energie iontů, a tím k dosažení ultralehkých teplot.

Poté byl nalezen praktičtější způsob laserového chlazení pevných látek - anti-Stokesovo chlazení, které spočívá v následujícím. Atom média, který byl ve stavu těsně nad zemským stavem (na vibrační úrovni), byl excitován na energii mírně pod excitovaným stavem (na vibrační úrovni) a absorbováním fononu atom přešel do excitovaného stavu. Potom atom emitoval foton, jehož energie je vyšší než energie čerpadla, procházející do zemského stavu.

Lasery ve fúzních rostlinách

Problém udržování zahřáté plazmy uvnitř termonukleárního reaktoru lze také vyřešit laserem. Malý objem termonukleárního paliva je ozářen ze všech stran po dobu několika nanosekund výkonným laserem.

Cílový povrch se odpařuje, což vede k enormnímu tlaku na vnitřní vrstvy paliva, takže terč zažívá velmi pevné stlačení a zhutnění a při určité teplotě se mohou termonukleární fúzní reakce v takovém zhutněném cíli vyskytnout. Zahřívání je také možné pomocí ultra-výkonných femtosekundových laserových pulzů.

Laserové optické pinzety

Laserové pinzety umožňují manipulovat s mikroskopickými dielektrickými objekty pomocí světla z laserové diody: síly se aplikují na objekty uvnitř několika nanonewtonů a také se měří malé vzdálenosti od několika nanometrů. Tato optická zařízení se dnes používají při studiu proteinů, jejich struktury a práce.

Bojové a obranné laserové zbraně

Na začátku druhé poloviny 20. století byly v Sovětském svazu již vyvinuty vysoce výkonné lasery, které mohly být použity jako zbraně schopné zasáhnout cíle v zájmu protiraketové obrany. V roce 2009 Američané oznámili vytvoření mobilního laseru v pevné fázi o výkonu 100 kW, teoreticky schopného zasáhnout letecké a pozemní cíle potenciálního nepřítele.

Laserový pohled

Malý laserový světelný zdroj je pevně připevněn k hlavni pušky nebo pistole tak, že jeho paprsek je nasměrován rovnoběžně s hlavní. Když míří, střelec vidí malou škvrnu na terč kvůli malé divergenci laserového paprsku.

Nejčastěji se pro takové zaměřovače používají červené laserové diody nebo infračervené laserové diody (takže bod lze vidět pouze v zařízení pro noční vidění). Pro větší kontrast za denního světla se používají laserové zaměřovače se zelenými laserovými LED.

Klamání vojenského protivníka

Nízkoenergetický laserový paprsek směřuje k nepřátelskému vojenskému vybavení. Nepřítel zjistí tuto skutečnost, je přesvědčen, že na něj je zaměřena nějaká zbraň, a je nucen naléhavě přijmout opatření k obraně namísto zahájení útoku.

Laserem naváděná střela

Je vhodné použít odražené místo laserového paprsku pro zaměřování letícího projektilu, jako je raketa vypuštěná z letadla. Terč osvětluje laser ze země nebo z letadla a projektil je jím veden. Laser je běžně používán infračervený, protože je těžší detekovat.

Laserové kalení

Povrch kovu je zahříván laserem na kritickou teplotu, zatímco teplo proniká hluboko do produktu díky jeho tepelné vodivosti. Jakmile se laserová akce zastaví, produkt rychle ochlazuje v důsledku pronikání tepla dovnitř, kde se začnou vytvářet kalicí struktury, které zabraňují rychlému opotřebení během budoucího použití produktu.

Laserové žíhání a temperování

Žíhání je druh tepelného zpracování, při kterém se produkt nejprve zahřeje na určitou teplotu, poté se udržuje na této teplotě po určitou dobu, poté se pomalu ochladí na teplotu místnosti.

To snižuje tvrdost kovu, usnadňuje jeho další mechanické zpracování, zatímco zlepšuje mikrostrukturu a dosahuje větší rovnoměrnosti kovu, uvolňuje vnitřní napětí. Laserové žíhání umožňuje zpracovat malé kovové části tímto způsobem.

Dovolená se provádí za účelem získání vyšší tažnosti a snížení křehkosti materiálu při zachování přijatelné úrovně jeho pevnosti ve spojích částí. Za tímto účelem se produkt zahřívá laserem na teplotu 150–260 ° C až 370–650 ° C, následuje pomalé chlazení (chlazení).

Laserové čištění a dekontaminace povrchů

Tato metoda čištění se používá k odstranění povrchových nečistot z předmětů, památek, uměleckých děl. Pro čištění výrobků z radioaktivní kontaminace a pro čištění mikroelektroniky. Tento způsob čištění je prostý nevýhod spočívajících v mechanickém broušení, abrazivním zpracování, vibračním zpracování atd.

Laserová fúze a amorfizace

Vysokorychlostní amorfizace připraveného povrchu slitiny skenovacím paprskem nebo krátkým impulsem je dosaženo díky rychlému odvádění tepla, během kterého se tavenina zamrzá, vzniká druh kovového skla s vysokou tvrdostí, odolností proti korozi a zlepšením magnetických charakteristik. Předběžně nanášený materiál je vybrán tak, že spolu s hlavním materiálem tvoří směs náchylnou k amorfizaci působením laseru.

Laserové legování a navařování

Přiřazení kovového povrchu laserem zvyšuje jeho mikrotvrdost a odolnost proti opotřebení.

Metoda laserového navařování umožňuje nanášet povrchové vrstvy odolné proti opotřebení. Používá se při obnově vysoce přesných dílů používaných v podmínkách zvýšeného opotřebení, jako jsou například ventily ICE a další součásti motoru. Tato metoda má vynikající kvalitu než rozprašování, protože se zde tvoří monolitická vrstva spojená se základnou.

Vakuové laserové stříkání

Ve vakuu se část materiálu odpařuje laserem, pak se data odpařování kondenzují na speciálním substrátu, kde spolu s dalšími produkty tvoří materiál s nezbytným novým chemickým složením.

Laserové svařování

Slibná metoda průmyslového svařování pomocí vysoce výkonných laserů, která poskytuje velmi hladký, úzký a hluboký svar. Na rozdíl od konvenčních metod svařování je výkon laseru přesněji regulován, což vám umožňuje velmi přesně řídit hloubku a další parametry svaru. Svařovací laser je schopen svařovat silné části vysokou rychlostí, stačí přidat energii a tepelný účinek na sousední oblasti je minimální. Svar se získá lépe, stejně jako jakékoli spojení získané touto metodou.

Řezání laserem

Vysoká koncentrace energie v zaostřeném laserovém paprsku umožňuje řezat téměř jakýkoli známý materiál, zatímco řez je úzký a zóna ovlivněná teplem je minimální. V souladu s tím neexistují žádné významné zbytkové kmeny.

Laserové kreslení

Pro následné rozdělení do menších prvků jsou popsány polovodičové destičky - hluboké drážky jsou naneseny laserem. Zde je dosaženo vyšší přesnosti než při použití diamantového nástroje.

Hloubka drážky je od 40 do 125 mikronů, šířka je od 20 do 40 mikronů, s tloušťkou zpracované desky od 150 do 300 mikronů. Drážky se vyrábějí rychlostí až 250 mm za sekundu. Výstup hotových výrobků je větší, manželství méně.

Laserové gravírování a značení

Téměř všude v průmyslu se dnes používá laserové gravírování a značení: kresby, nápisy, kódování vzorků, talíře, štítky, umělecká dekorace, suvenýry, šperky, miniaturní nápisy na nejmenších a nejkřehčích výrobcích - bylo možné pouze díky automatizovanému laseru technologie.

Laser v medicíně

Nelze přeceňovat použitelnost laserů v moderní medicíně. Chirurgické lasery se používají ke srážení exfoliované sítnice oka, laserové skalpely mohou řezat maso a svařovat kosti pomocí laserů. Laserový oxid uhličitý svařuje biologické tkáně.

Samozřejmě, co se týče medicíny, musí vědci v tomto směru každý rok vylepšovat a zdokonalovat technologii vylepšování technologie používání určitých laserů, aby se zabránilo škodlivým vedlejším účinkům na tkáně v okolí. Stává se, že laser léčí jedno místo, ale okamžitě má destruktivní účinek na sousední orgán nebo buňku, která se pod něj náhodou dostane.

Další sady nástrojů, speciálně navržené pro spolupráci s chirurgickým laserem, umožnily lékařům uspět v gastrointestinální chirurgii, chirurgii žlučových cest, sleziny, plic a jater.

Odstranění tetování, korekce zraku, gynekologie, urologie, laparoskopie, stomatologie, odstranění mozkových a míšních nádorů - to vše je dnes možné pouze díky moderní laserové technologii.

Informační technologie, design, život a laser

CD, DVD, BD, holografie, laserové tiskárny, čtečky čárových kódů, bezpečnostní systémy (bezpečnostní bariéry), světelné show, multimediální prezentace, ukazatele atd. Jen si představte, jak by vypadal náš svět, kdyby z něj zmizel. laser ...