L'application pratique des lasers

L'invention du laser peut à juste titre être considérée comme l'une des découvertes les plus importantes du 20e siècle. Même au tout début du développement de cette technologie, ils ont déjà prophétisé une applicabilité complètement polyvalente, dès le début la perspective de résoudre une variété de problèmes était visible, malgré le fait que certaines tâches n'étaient même pas visibles à l'horizon à cette époque.

Médecine et astronautique, fusion thermonucléaire et derniers systèmes d'armes - ce ne sont que quelques-uns des domaines dans lesquels le laser est utilisé avec succès aujourd'hui. Voyons où le laser a trouvé une application pratique et voyons la grandeur de cette merveilleuse invention, qui doit son apparence à un certain nombre de scientifiques.

Spectroscopie laser

Le rayonnement laser monochromatique peut être obtenu en principe avec n'importe quelle longueur d'onde, à la fois sous la forme d'une onde continue d'une certaine fréquence et sous la forme d'impulsions courtes, pouvant durer jusqu'à des fractions de femtoseconde. En se concentrant sur l'échantillon à l'étude, le faisceau laser subit des effets optiques non linéaires, ce qui permet aux chercheurs d'effectuer une spectroscopie en modifiant la fréquence de la lumière, ainsi que d'effectuer une analyse cohérente des processus en contrôlant la polarisation du faisceau laser.

Mesurer les distances aux objets

Le faisceau laser est très pratique à diriger vers l'objet étudié, même si cet objet est très éloigné, car la divergence du faisceau laser est très faible. Ainsi, en 2018, dans le cadre d'une expérience, un faisceau laser a été dirigé de l'observatoire chinois du Yunnan vers la lune. Les réflecteurs Apollo 15, déjà installés sur la surface lunaire, renvoyaient le faisceau vers la Terre, où il était reçu par l'observatoire.

On sait que la lumière laser, comme toute onde électromagnétique, se déplace à une vitesse constante - à la vitesse de la lumière. Les mesures du temps de passage du faisceau ont montré que la distance de l'observatoire à la lune, dans l'intervalle de 21h25 à 22h31, heure de Pékin le 22 janvier 2018, variait de 385823 433 à 387119 600 kilomètres.

Le télémètre laser, pour des distances pas aussi grandes que la distance de la Terre à la Lune, fonctionne sur un principe similaire. Un laser pulsé envoie un faisceau vers un objet à partir duquel le faisceau est réfléchi. Le détecteur de rayonnement reçoit un faisceau réfléchi. Après avoir pris en compte le temps entre le début du rayonnement et le moment où le détecteur a capté le faisceau réfléchi, ainsi que la vitesse de la lumière, l'électronique de l'appareil calcule la distance jusqu'à l'objet.

Optique adaptative et compensation de la distorsion atmosphérique

Si vous observez un objet astronomique éloigné de la terre à travers un télescope, il s'avère que l'atmosphère introduit certaines distorsions optiques dans l'image résultante de cet objet. Afin d'éliminer ces distorsions, des méthodes de l'optique dite adaptative sont utilisées - les distorsions sont mesurées et compensées.

Pour atteindre cet objectif, un puissant faisceau laser est dirigé vers l'objet observé qui, comme la lumière simple, subit une dispersion dans l'atmosphère, formant une «étoile artificielle», la lumière à partir de laquelle, sur le chemin du retour vers l'observateur, subit exactement les mêmes distorsions optiques dans la partie supérieure. couches atmosphériques, ainsi que l'image de l'objet astronomique observé.

Les informations de distorsion sont traitées et utilisées pour compenser la distorsion optique en ajustant de manière appropriée l'image de l'objet astronomique observé. En conséquence, l'image de l'objet est plus "propre".

Bio et photochimie

Dans les études biochimiques sur la formation et le fonctionnement des protéines, des impulsions laser ultracourtes de durée femtoseconde sont utiles.Ces impulsions permettent d'initier et d'étudier des réactions chimiques à haute résolution temporelle afin de trouver et d'étudier même des composés chimiques peu vivants.

En modifiant la polarisation de l'impulsion lumineuse, les scientifiques peuvent définir la direction nécessaire de la réaction chimique, en choisissant parmi quelques scénarios possibles pour le développement d'événements au cours de la réaction strictement définis.

Magnétisation par impulsions laser

Aujourd'hui, des recherches sont en cours sur la possibilité de changements ultrarapides dans la magnétisation des médias à l'aide d'impulsions laser ultra-brèves d'une durée de quelques femtosecondes. Déjà maintenant atteint une démagnétisation ultrarapide par un laser en 0,2 picosecondes, ainsi qu'un contrôle optique de la magnétisation par polarisation de la lumière.

Refroidissement laser

Les premières expériences de refroidissement au laser ont été réalisées avec des ions. Les ions étaient retenus par un champ électromagnétique dans un piège à ions, où ils étaient éclairés par un faisceau de lumière laser. Au cours des collisions inélastiques avec les photons, les ions ont perdu de l'énergie, et donc des températures ultra-basses ont été atteintes.

Après cela, une méthode plus pratique de refroidissement laser des solides a été trouvée - le refroidissement anti-Stokes, qui consiste en ce qui suit. Un atome du milieu, étant dans un état juste au-dessus de l'état fondamental (au niveau vibratoire), a été excité à l'énergie juste en dessous de l'état excité (au niveau vibratoire), et, absorbant le phonon, l'atome est passé dans l'état excité. Ensuite, l'atome a émis un photon dont l'énergie est supérieure à l'énergie de la pompe, passant à l'état fondamental.

Lasers dans les usines de fusion

Le problème du maintien du plasma chauffé à l'intérieur d'un réacteur thermonucléaire peut également être résolu avec un laser. Un petit volume de combustible thermonucléaire est irradié de tous côtés pendant plusieurs nanosecondes par un laser puissant.

La surface cible s'évapore, ce qui entraîne une énorme pression sur les couches internes du carburant, ainsi la cible subit une compression et un compactage ultra-forts et, à une certaine température, des réactions de fusion thermonucléaire peuvent déjà se produire dans une telle cible compactée. Le chauffage est également possible avec des impulsions laser femtosecondes ultra-puissantes.

Brucelles optiques à laser

Les pincettes laser permettent de manipuler des objets diélectriques microscopiques en utilisant la lumière d'une diode laser: des forces sont appliquées à des objets à quelques nanonewtons, et de minuscules distances de plusieurs nanomètres sont également mesurées. Ces dispositifs optiques sont aujourd'hui utilisés dans l'étude des protéines, de leur structure et de leur travail.

Armes laser de combat et défensives

Au début de la seconde moitié du 20e siècle, des lasers de haute puissance étaient déjà développés en Union soviétique et pouvaient être utilisés comme des armes capables de toucher des cibles dans l'intérêt de la défense antimissile. En 2009, les Américains ont annoncé la création d'un laser à semi-conducteurs mobile de 100 kW, théoriquement capable de toucher les cibles aériennes et terrestres d'un adversaire potentiel.

Visée laser

Une petite source de lumière laser est fixée rigidement au canon d'un fusil ou d'un pistolet de sorte que son faisceau soit dirigé parallèlement au canon. Lors de la visée, le tireur voit une petite tache sur la cible en raison de la petite divergence du faisceau laser.

Surtout pour de telles vues, des diodes laser rouges ou infrarouges sont utilisées (de sorte qu'un point ne peut être vu que dans l'appareil de vision nocturne). Pour un meilleur contraste à la lumière du jour, des viseurs laser avec des LED laser vertes sont utilisés.

Tromper un adversaire militaire

Un faisceau laser de faible puissance est dirigé vers l'équipement militaire ennemi. L'ennemi découvre ce fait, croit qu'une sorte d'arme est dirigée contre lui et est contraint de prendre d'urgence des mesures pour se défendre au lieu de lancer une attaque.

Projectile guidé par laser

Il est pratique d'utiliser une tache réfléchie d'un faisceau laser pour viser un projectile volant, comme une fusée lancée depuis un avion. Un laser du sol ou d'un avion éclaire la cible et le projectile est guidé par celle-ci. Le laser est un infrarouge couramment utilisé, car il est plus difficile à détecter.

Durcissement au laser

La surface du métal est chauffée par un laser à une température critique, tandis que la chaleur pénètre profondément dans le produit en raison de sa conductivité thermique. Dès que l'action du laser s'arrête, le produit se refroidit rapidement en raison de la pénétration de chaleur à l'intérieur, où des structures de durcissement commencent à se former, ce qui empêche une usure rapide lors d'une utilisation future du produit.

Recuit laser et revenu

Le recuit est un type de traitement thermique dans lequel le produit est d'abord chauffé à une certaine température, puis il est maintenu à cette température pendant un certain temps, puis il est lentement refroidi à température ambiante.

Cela réduit la dureté du métal, facilite son traitement mécanique supplémentaire, tout en améliorant la microstructure et en obtenant une plus grande uniformité du métal, soulage les contraintes internes. Le recuit au laser vous permet de traiter de petites pièces métalliques de cette manière.

Les vacances sont effectuées afin d'obtenir une ductilité plus élevée et de réduire la fragilité du matériau tout en maintenant un niveau acceptable de résistance aux joints des pièces. Pour cela, le produit est chauffé au laser à une température de 150–260 ° C à 370–650 ° C, suivi d'un refroidissement lent (refroidissement).

Nettoyage au laser et décontamination des surfaces

Cette méthode de nettoyage est utilisée pour éliminer les contaminants de surface des objets, monuments, œuvres d'art. Pour nettoyer les produits de la contamination radioactive et pour nettoyer la microélectronique. Cette méthode de nettoyage est exempte des inconvénients inhérents au meulage mécanique, au traitement abrasif, au traitement par vibration, etc.

Fusion et amorphisation laser

Une amorphisation à grande vitesse de la surface en alliage préparée avec un faisceau de balayage ou une impulsion courte est obtenue en raison de l'élimination rapide de la chaleur, au cours de laquelle la masse fondue gèle, une sorte de verre métallique avec une dureté élevée, une résistance à la corrosion et une amélioration des caractéristiques magnétiques est formée. Le matériau de pré-revêtement est choisi de manière à former avec le matériau principal une composition sujette à l'amorphisation sous l'action d'un laser.

Alliage et surfaçage au laser

L'alliage d'une surface métallique avec un laser augmente sa microdureté et sa résistance à l'usure.

La méthode de surfaçage laser vous permet d'appliquer des couches de surface résistantes à l'usure. Il est utilisé dans la restauration de pièces de haute précision utilisées dans des conditions d'usure accrue, par exemple, comme les soupapes ICE et d'autres pièces de moteur. Cette méthode est supérieure en qualité à la pulvérisation car une couche monolithique est formée ici associée à la base.

Pulvérisation laser sous vide

Sous vide, une partie du matériau est vaporisée par un laser, puis les données de vaporisation sont condensées sur un substrat spécial, où avec d'autres produits, elles forment un matériau avec la nouvelle composition chimique nécessaire.

Soudage au laser

Une méthode prometteuse de soudage industriel utilisant des lasers haute puissance, permettant une soudure très lisse, étroite et profonde. Contrairement aux méthodes de soudage conventionnelles, la puissance du laser est contrôlée plus précisément, ce qui vous permet de contrôler très précisément la profondeur et d'autres paramètres de la soudure. Un laser de soudage est capable de souder des pièces épaisses à grande vitesse, il vous suffit d'ajouter de la puissance et l'effet thermique sur les zones adjacentes est minime. La soudure est mieux obtenue, ainsi que toute connexion obtenue par cette méthode.

Découpe laser

Une concentration élevée d'énergie dans le faisceau laser focalisé permet de couper presque tous les matériaux connus, tandis que la coupe est étroite et la zone affectée par la chaleur est minimale. En conséquence, il n'y a pas de souches résiduelles significatives.

Tracer au laser

Pour la séparation ultérieure en éléments plus petits, les plaquettes semi-conductrices sont tracées - des rainures profondes sont appliquées avec un laser. Ici, une précision plus élevée est obtenue que lors de l'utilisation d'un outil diamant.

La profondeur de rainure est de 40 à 125 microns, la largeur est de 20 à 40 microns, l'épaisseur de la plaque traitée de 150 à 300 microns. Les rainures sont fabriquées à des vitesses allant jusqu'à 250 mm par seconde. La production de produits finis est plus importante, le mariage moins.

Gravure et marquage laser

Presque partout dans l'industrie aujourd'hui, la gravure et le marquage au laser sont utilisés: dessins, inscriptions, codage d'échantillons, plaques, plaques signalétiques, décoration artistique, souvenirs, bijoux, inscriptions miniatures sur les produits les plus petits et les plus fragiles - devenues possibles uniquement grâce au laser automatisé la technologie.

Le laser en médecine

Il est impossible de surestimer l'applicabilité des lasers en médecine moderne. Les lasers chirurgicaux sont utilisés pour coaguler la rétine exfoliée de l'œil, les scalpels laser vous permettent de couper la chair et de souder les os avec des lasers. Un laser au dioxyde de carbone soude les tissus biologiques.

Bien sûr, en ce qui concerne la médecine, dans ce sens, les scientifiques doivent améliorer et affiner chaque année, améliorer la technologie d'utilisation de certains lasers afin d'éviter les effets secondaires néfastes sur les tissus à proximité. Il arrive qu'un laser guérisse un endroit, mais il a immédiatement un effet destructeur sur un organe voisin ou une cellule tombant accidentellement sous lui.

Des trousses d'outils supplémentaires, spécialement conçues pour fonctionner en conjonction avec un laser chirurgical, ont permis aux médecins de réussir en chirurgie gastro-intestinale, en chirurgie des voies biliaires, de la rate, des poumons et du foie.

Enlèvement de tatouage, correction de la vision, gynécologie, urologie, laparoscopie, dentisterie, ablation des tumeurs cérébrales et vertébrales - tout cela n'est possible aujourd'hui que grâce à la technologie laser moderne.

Technologie de l'information, design, vie et laser

CD, DVD, BD, holographie, imprimantes laser, lecteurs de codes-barres, systèmes de sécurité (barrières de sécurité), jeux de lumière, présentations multimédias, pointeurs, etc. Imaginez à quoi ressemblerait notre monde s'il en disparaissait le laser ...