Практическото приложение на лазерите

Изобретението на лазера с право може да се счита за едно от най-значимите открития на 20 век. Още в самото начало на развитието на тази технология те вече предсказаха напълно универсална приложимост, от самото начало беше видима перспективата за решаване на различни проблеми, въпреки факта, че някои задачи дори не бяха видими на хоризонта по това време.

Медицина и астронавтика, термоядрен синтез и най-новите оръжейни системи - това са само част от областите, в които лазерът се използва успешно днес. Нека да видим къде лазерът намери практическо приложение и ще видим величието на това прекрасно изобретение, което дължи появата си на редица учени.

Лазерна спектроскопия

Монохроматичното лазерно излъчване може да се получи по принцип с всяка дължина на вълната, както под формата на непрекъсната вълна с определена честота, така и под формата на къси импулси, продължителни до фракции от фемтосекунда. Фокусирайки се върху изследваната проба, лазерният лъч е подложен на нелинейни оптични ефекти, което позволява на изследователите да извършват спектроскопия чрез промяна на честотата на светлината, както и да извършват кохерентен анализ на процесите, като контролират поляризацията на лазерния лъч.

Измерване на разстояния до обекти

Лазерният лъч е много удобно да се насочва към обекта, който се изследва, дори ако този обект е много далеч, тъй като дивергенцията на лазерния лъч е много малка. Така през 2018 г., като част от експеримент, лазерен лъч беше насочен от китайската обсерватория Юнан към Луната. Рефлекторите Apollo 15, които вече бяха инсталирани на лунната повърхност, отразяваха лъча обратно към Земята, където той беше получен от обсерваторията.

Известно е, че лазерната светлина, като всяка електромагнитна вълна, се движи с постоянна скорост - със скоростта на светлината. Измерванията на времето за преминаване на лъча показаха, че разстоянието от обсерваторията до Луната в интервала от 21:25 до 22:31 пекинско време на 22 януари 2018 г. варира от 385823,433 до 387119,600 километра.

Лазерният далекомер за не толкова големи разстояния, колкото разстоянието от Земята до Луната, работи на подобен принцип. Импулсен лазер изпраща лъч към обект, от който лъчът се отразява. Радиационният детектор получава отразен лъч. Отчитайки времето между началото на излъчването и момента, в който детекторът улови отразения лъч, както и скоростта на светлината, електрониката на устройството изчислява разстоянието до обекта.

Адаптивна оптика и компенсация на атмосферните изкривявания

Ако наблюдавате далечен астрономически обект от земята чрез телескоп, се оказва, че атмосферата въвежда определени оптични изкривявания в полученото изображение на този обект. За да се премахнат тези изкривявания, се използват методи на така наречената адаптивна оптика - изкривяванията се измерват и компенсират.

За да се постигне тази цел, към наблюдавания обект се насочва мощен лазерен лъч, който подобно на обикновена светлина претърпява разсейване в атмосферата, образувайки „изкуствена звезда“, светлината, от която на връщане към наблюдателя изпитва точно същите оптични изкривявания в горната част атмосферни слоеве, както и изображението на наблюдавания астрономически обект.

Информацията за изкривяване се обработва и се използва за компенсиране на оптичното изкривяване чрез подходящо коригиране на изображението на наблюдавания астрономически обект. В резултат на това изображението на обекта е по-"чисто".

Био и фотохимия

В биохимичните изследвания за образуването и функционирането на протеини са полезни ултракоротките лазерни импулси с продължителност на фемтосекундата.Тези импулси позволяват да се инициират и изучават химични реакции с висока времева резолюция, за да се намерят и изучат дори нискоживи химични съединения.

Променяйки поляризацията на светлинния импулс, учените могат да зададат необходимата посока на химическата реакция, избирайки от няколко възможни сценария за развитие на събитията по време на строго определената реакция.

Лазерно намаление на импулса

Днес се провеждат изследвания за възможността за ултрабързи промени в намагнитването на средата с помощта на ултракоротки лазерни импулси с продължителност от няколко фемтосекунди. Вече е постигнато ултрабърза демагнетизация от лазер за 0,2 пикосекунди, както и оптичен контрол на намагнитване чрез поляризация на светлината.

Лазерно охлаждане

Ранните експерименти с лазерно охлаждане бяха проведени с йони. Йони се държаха от електромагнитно поле в йонна капана, където бяха осветени от лъч лазерна светлина. В процеса на нееластични сблъсъци с фотони йони са загубили енергия и по този начин са достигнати свръх ниски температури.

След това беше намерен по-практичен метод за лазерно охлаждане на твърди частици - анти-Стокс охлаждане, което се състои в следното. Атом на средата, намиращ се в състояние точно над основното състояние (на вибрационното ниво), се възбужда на енергия точно под възбуденото състояние (на вибрационното ниво) и, поглъщайки фонона, атомът преминава във възбудено състояние. Тогава атомът излъчва фотон, чиято енергия е по-висока от енергията на помпата, преминавайки в основно състояние.

Лазери в термоядрени инсталации

Проблемът с задържането на нагрята плазма в термоядрен реактор може да бъде решен и с лазер. Малък обем от термоядрено гориво се облъчва от всички страни в продължение на няколко наносекунди с мощен лазер.

Повърхността на целта се изпарява, което води до огромен натиск върху вътрешните слоеве на горивото, като по този начин целта изпитва свръхсилно компресиране и уплътняване и при определена температура вече могат да възникнат реакции на термоядрен синтез в такава уплътнена мишена. Загряването е възможно и с помощта на ултра мощни фемтосекундни лазерни импулси.

Лазерни оптични пинсети

Лазерните пинсети дават възможност за манипулиране на микроскопични диелектрични обекти, използвайки светлина от лазерен диод: сили се прилагат към обекти в рамките на няколко нанонометра, а също така се измерват и малки разстояния от няколко нанометра. Тези оптични устройства се използват днес при изследването на протеините, тяхната структура и работа.

Бойно и защитно лазерно оръжие

В началото на втората половина на 20 век в Съветския съюз вече са разработени мощни лазери, които могат да се използват като оръжия, способни да удрят цели в интерес на противоракетната отбрана. През 2009 г. американците обявиха създаването на мобилен солиден лазер със 100 кВт, теоретично способен да удря въздушни и наземни цели на потенциален враг.

Лазерно зрение

Малък лазерен източник на светлина е здраво закрепен към цевта на пушка или пистолет, така че лъчът му да бъде насочен успоредно на цевта. Когато се прицелва, стрелецът вижда малко петънце в целта поради малкото разминаване на лазерния лъч.

Най-вече за такива гледки се използват червени лазерни диоди или инфрачервени лазерни диоди (така че да се вижда петно ​​само в устройството за нощно виждане). За по-голям контраст при дневна светлина се използват лазерни мерници със зелени лазерни светодиоди.

Измамяване на военен противник

Лазерният лъч с малка мощност е насочен към военната техника на противника. Врагът открива този факт, вярва, че някакво оръжие е насочено към него и е принуден спешно да предприеме мерки за защита, вместо да започне атака.

Лазерно ръководен снаряд

Удобно е да използвате отразено петно ​​от лазерен лъч, за да насочите летящ снаряд, като ракета, изстреляна от самолет. Лазер от земята или от самолет осветява целта и снарядът се ръководи от нея. Лазерът обикновено се използва инфрачервен, тъй като е по-трудно да се открие.

Лазерно втвърдяване

Повърхността на метала се нагрява с лазер до критична температура, докато топлината прониква дълбоко в продукта поради неговата топлопроводимост. Веднага щом лазерното действие спре, продуктът бързо се охлажда поради проникването на топлина вътре, където започват да се образуват втвърдяващи структури, които предотвратяват бързото износване при бъдеща употреба на продукта.

Лазерно отгряване и закаляване

Отгряването е вид топлинна обработка, при която продуктът първо се нагрява до определена температура, след това се задържа за определено време при тази температура, след което бавно се охлажда до стайна температура.

Това намалява твърдостта на метала, улеснява по-нататъшната му механична обработка, като същевременно подобрява микроструктурата и постига по-голяма равномерност на метала, облекчава вътрешните напрежения. Лазерното отгряване ви позволява да обработвате малки метални части по този начин.

Ваканцията се извършва с цел да се постигне по-висока пластичност и да се намали крехкостта на материала, като същевременно се поддържа приемливо ниво на неговата здравина в ставите на частите. За целта продуктът се нагрява лазерно до температура от 150-260 ° С до 370–650 ° С, последвано от бавно охлаждане (охлаждане).

Лазерно почистване и обеззаразяване на повърхности

Този метод на почистване се използва за отстраняване на повърхностни замърсители от предмети, паметници, произведения на изкуството. За почистване на продукти от радиоактивно замърсяване и за почистване на микроелектроника. Този метод на почистване е свободен от недостатъците, присъщи на механичното смилане, абразивната обработка, вибрационната обработка и др.

Лазерно сливане и аморфизация

Високоскоростната аморфизация на подготвената повърхност от сплав със сканиращ лъч или къс импулс се постига поради бързото отстраняване на топлината, по време на което стопилката замръзва, образува се вид метално стъкло с висока твърдост, устойчивост на корозия и подобряване на магнитните характеристики. Материалът за предварително покритие е избран така, че заедно с основния материал да образува състав, предразположен към аморфизация под действието на лазер.

Лазерно легиране и напластяване

Легирането на метална повърхност с лазер повишава нейната микротвердост и устойчивост на износване.

Методът на лазерно покритие ви позволява да нанасяте устойчиви на износване повърхностни слоеве. Използва се за възстановяване на високо прецизни части, използвани в условия на повишено износване, като например ICE клапани и други части на двигателя. Този метод е по-качествен по отношение на разпръскването, тъй като тук се образува монолитен слой, свързан с основата.

Вакуумно лазерно пръскане

Във вакуум част от материала се изпарява с лазер, след което данните за изпаряването се кондензират върху специален субстрат, където с други продукти образуват материал с необходимия нов химичен състав.

Лазерно заваряване

Обещаващ метод за индустриално заваряване, използващ лазери с висока мощност, даващ много гладка, тясна и дълбока заварка. За разлика от конвенционалните методи на заваряване, силата на лазера се контролира по-прецизно, което ви позволява много точно да контролирате дълбочината и други параметри на заваряването. Заваръчният лазер е в състояние да заварява дебели части с висока скорост, просто трябва да добавите мощност, а топлинният ефект върху съседни зони е минимален. Заварката се получава по-добре, както и всяка връзка, получена по този метод.

Лазерно рязане

Високата концентрация на енергия във фокусирания лазерен лъч прави възможно изрязването на почти всеки известен материал, докато разрезът е тесен и зоната, засегната от топлина, е минимална. Съответно няма значителни остатъчни щамове.

Лазерно писане

За последващо разделяне на по-малки елементи се изписват полупроводникови вафли - дълбоки канали се прилагат с лазер. Тук се постига по-висока точност, отколкото при използване на диамантен инструмент.

Дълбочината на канала е от 40 до 125 микрона, ширината е от 20 до 40 микрона, като дебелината на обработената плоча е от 150 до 300 микрона. Жлебовете се произвеждат със скорост до 250 мм в секунда. Изходът на готовите продукти е по-голям, бракът е по-малък.

Лазерно гравиране и маркиране

Почти навсякъде в индустрията днес се използват лазерно гравиране и маркиране: рисуване на рисунки, надписи, кодиране на образци, плочи, табелки, художествена украса, сувенири, бижута, миниатюрни надписи върху най-малките и чупливи продукти - стана възможно само благодарение на автоматизиран лазер технология.

Лазер в медицината

Невъзможно е да се надцени приложимостта на лазерите в съвременната медицина. Хирургичните лазери се използват за коагулация на ексфолираната ретина на окото, лазерните скалпели ви позволяват да режете плът и да заварявате кости с лазери. Лазер с въглероден диоксид заварява биологични тъкани.

Разбира се, що се отнася до медицината, в тази посока учените трябва да усъвършенстват и усъвършенстват всяка година, да подобряват технологията на използване на определени лазери, за да избегнат вредните странични ефекти върху тъканите, които са наблизо. Случва се лазер да лекува едно място, но веднага оказва разрушителен ефект върху съседен орган или клетка, случайно попаднала под него.

Допълнителните комплекти инструменти, специално проектирани да работят съвместно с хирургичен лазер, позволяват на лекарите да постигнат успех в стомашно-чревната хирургия, хирургията на жлъчните пътища, далака, белите дробове и черния дроб.

Премахване на татуировки, корекция на зрението, гинекология, урология, лапароскопия, стоматология, отстраняване на тумори на мозъка и гръбначния стълб - всичко това е възможно днес само благодарение на съвременната лазерна технология.

Информационни технологии, дизайн, живот и лазер

CD, DVD, BD, холография, лазерни принтери, четци на баркодове, системи за сигурност (бариери за сигурност), светлинни предавания, мултимедийни презентации, указатели и т.н. Само си представете как би изглеждал светът ни, ако изчезне от него лазерът ...