Praktyczne zastosowanie laserów

Wynalazek lasera można słusznie uznać za jedno z najważniejszych odkryć XX wieku. Już na samym początku rozwoju tej technologii przepowiadali już całkowicie wszechstronne zastosowanie, od samego początku widoczna była perspektywa rozwiązania różnych problemów, pomimo tego, że niektóre zadania nie były w tym czasie nawet widoczne na horyzoncie.

Medycyna i astronautyka, synteza termojądrowa i najnowsze systemy uzbrojenia - to tylko niektóre z obszarów, w których laser z powodzeniem stosuje się dzisiaj. Zobaczmy, gdzie laser znalazł praktyczne zastosowanie, i zobaczmy wielkość tego cudownego wynalazku, który zawdzięcza swój wygląd wielu naukowcom.

Spektroskopia laserowa

Monochromatyczne promieniowanie laserowe można uzyskać zasadniczo przy dowolnej długości fali, zarówno w postaci ciągłej fali o określonej częstotliwości, jak i w postaci krótkich impulsów, trwających do ułamków femtosekundy. Skupiając się na badanej próbce, wiązka laserowa podlega nieliniowym efektom optycznym, co pozwala badaczom na przeprowadzanie spektroskopii poprzez zmianę częstotliwości światła, a także na przeprowadzanie spójnej analizy procesów poprzez kontrolowanie polaryzacji wiązki laserowej.

Pomiar odległości do obiektów

Wiązka laserowa jest bardzo wygodna do skierowania na badany obiekt, nawet jeśli obiekt ten jest bardzo daleko, ponieważ rozbieżność wiązki laserowej jest bardzo mała. Tak więc w 2018 r. W ramach eksperymentu wiązka laserowa została skierowana z chińskiego obserwatorium Yunnan na Księżyc. Reflektory Apollo 15, które zostały już zainstalowane na powierzchni Księżyca, odbijały wiązkę z powrotem na Ziemię, gdzie została odebrana przez obserwatorium.

Wiadomo, że światło lasera, jak każda fala elektromagnetyczna, porusza się ze stałą prędkością - z prędkością światła. Pomiary czasu przejścia wiązki wykazały, że odległość od obserwatorium do księżyca w przedziale od 21:25 do 22:31 czasu Pekinu 22 stycznia 2018 r. Wynosiła od 385823,433 do 38711 6900 kilometrów.

Laserowy dalmierz, dla nie tak dużych odległości, jak odległość Ziemi od Księżyca, działa na podobnej zasadzie. Laser pulsacyjny wysyła wiązkę do obiektu, od którego odbijana jest wiązka. Detektor promieniowania odbiera odbijaną wiązkę. Biorąc pod uwagę czas między początkiem promieniowania a momentem, w którym detektor złapał odbitą wiązkę, a także prędkość światła, elektronika urządzenia oblicza odległość od obiektu.

Adaptacyjna optyka i kompensacja zniekształceń atmosferycznych

Jeśli obserwujesz odległy obiekt astronomiczny z Ziemi przez teleskop, okazuje się, że atmosfera wprowadza pewne zniekształcenia optyczne do powstałego obrazu tego obiektu. W celu usunięcia tych zniekształceń stosuje się metody tzw. Optyki adaptacyjnej - zniekształcenia są mierzone i kompensowane.

Aby osiągnąć ten cel, silna wiązka laserowa skierowana jest na obserwowany obiekt, który podobnie jak zwykłe światło ulega rozproszeniu w atmosferze, tworząc „sztuczną gwiazdę”, światło, z którego w drodze powrotnej do obserwatora doświadczają dokładnie takich samych zniekształceń optycznych w górnej części warstwy atmosferyczne, a także obraz obserwowanego obiektu astronomicznego.

Informacja o zniekształceniach jest przetwarzana i wykorzystywana do kompensacji zniekształceń optycznych poprzez odpowiednie dostosowanie obrazu obserwowanego obiektu astronomicznego. W rezultacie obraz obiektu jest bardziej „czysty”.

Bio i fotochemia

W badaniach biochemicznych dotyczących tworzenia i funkcjonowania białek przydatne są ultrakrótkie impulsy laserowe o czasie femtosekundowym.Impulsy te umożliwiają inicjowanie i badanie reakcji chemicznych o wysokiej rozdzielczości czasowej w celu znalezienia i zbadania nawet słabo żyjących związków chemicznych.

Zmieniając polaryzację impulsu świetlnego, naukowcy mogą ustalić niezbędny kierunek reakcji chemicznej, wybierając spośród kilku możliwych scenariuszy rozwoju zdarzeń podczas ściśle określonej reakcji.

Magnetyzacja impulsów laserowych

Obecnie trwają badania nad możliwością ultraszybkich zmian w magnetyzacji mediów za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych o czasie kilku femtosekund. Już teraz osiągnięto ultraszybką rozmagnesowanie za pomocą lasera w 0,2 pikosekund, a także optyczną kontrolę magnetyzacji przez polaryzację światła.

Chłodzenie laserowe

Wczesne eksperymenty z chłodzeniem laserowym przeprowadzono z jonami. Jony były trzymane przez pole elektromagnetyczne w pułapce jonowej, gdzie były oświetlane wiązką światła laserowego. W procesie zderzeń nieelastycznych z fotonami jony traciły energię, a tym samym osiągały bardzo niskie temperatury.

Następnie znaleziono bardziej praktyczną metodę laserowego chłodzenia ciał stałych - chłodzenie antystokesowskie, które polega na: Atom ośrodka, znajdujący się w stanie tuż powyżej stanu podstawowego (na poziomie wibracji), został wzbudzony do energii tuż poniżej stanu wzbudzonego (na poziomie wibracji), a pochłaniając fonon, atom przeszedł w stan wzbudzony. Następnie atom emitował foton, którego energia jest wyższa niż energia pompy, przechodząc do stanu podstawowego.

Lasery w instalacjach syntezy jądrowej

Problem trzymania ogrzanej plazmy w reaktorze termojądrowym można również rozwiązać za pomocą lasera. Niewielka ilość paliwa termojądrowego jest napromieniowywana ze wszystkich stron przez kilka nanosekund silnym laserem.

Powierzchnia docelowa paruje, co prowadzi do ogromnego nacisku na wewnętrzne warstwy paliwa, a zatem cel doświadcza bardzo silnego ściskania i zagęszczania, a w pewnej temperaturze reakcje termojądrowej syntezy jądrowej mogą już zachodzić w tak zagęszczonym celu. Ogrzewanie jest również możliwe przy użyciu ultra mocnych impulsów lasera femtosekundowego.

Laserowe pęsety optyczne

Laserowe pincety umożliwiają manipulowanie mikroskopijnymi obiektami dielektrycznymi za pomocą światła z diody laserowej: siły są przykładane do obiektów w obrębie kilku nanonewtonów, a także mierzone są małe odległości od kilku nanometrów. Te urządzenia optyczne są dziś stosowane w badaniach białek, ich struktury i działania.

Bojowa i defensywna broń laserowa

Na początku drugiej połowy XX wieku w Związku Radzieckim opracowano już lasery dużej mocy, które można wykorzystać jako broń zdolną do trafiania w cele w celu obrony przeciwrakietowej. W 2009 r. Amerykanie ogłosili utworzenie mobilnego lasera półprzewodnikowego o mocy 100 kW, teoretycznie zdolnego do trafienia w cele powietrzne i naziemne potencjalnego wroga.

Celownik laserowy

Małe laserowe źródło światła jest sztywno przymocowane do lufy karabinu lub pistoletu, dzięki czemu jego wiązka jest skierowana równolegle do lufy. Podczas celowania strzelec widzi niewielką plamkę na celu z powodu niewielkiej rozbieżności wiązki laserowej.

Najczęściej do takich celowników stosuje się czerwone diody laserowe lub diody laserowe na podczerwień (aby punkt był widoczny tylko w urządzeniu noktowizyjnym). Dla większego kontrastu w świetle dziennym stosuje się celowniki laserowe z zielonymi laserowymi diodami LED.

Oszukanie przeciwnika wojskowego

Wiązka laserowa małej mocy jest kierowana na sprzęt wojskowy wroga. Wróg odkrywa ten fakt, uważa, że ​​celuje w niego jakaś broń, i jest zmuszony pilnie podjąć działania w celu obrony zamiast rozpocząć atak.

Pocisk kierowany laserowo

Wygodne jest użycie odbijanego miejsca wiązki laserowej do wycelowania w latający pocisk, taki jak rakieta wystrzelona z samolotu. Laser z ziemi lub z samolotu oświetla cel, a pocisk nim kieruje. Laser jest powszechnie stosowany w podczerwieni, ponieważ jest trudniejszy do wykrycia.

Hartowanie laserowe

Powierzchnia metalu jest podgrzewana laserowo do temperatury krytycznej, podczas gdy ciepło przenika głęboko do produktu z powodu przewodności cieplnej. Gdy tylko działanie lasera ustanie, produkt szybko się ochładza z powodu przenikania ciepła do wnętrza, gdzie zaczynają tworzyć się struktury utwardzające, które zapobiegają szybkiemu zużyciu podczas przyszłego użytkowania produktu.

Wyżarzanie laserowe i odpuszczanie

Wyżarzanie jest rodzajem obróbki cieplnej, w której produkt jest najpierw podgrzewany do określonej temperatury, następnie jest utrzymywany w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie jest powoli schładzany do temperatury pokojowej.

Zmniejsza to twardość metalu, ułatwiając jego dalszą obróbkę mechaniczną, a jednocześnie poprawiając mikrostrukturę i osiągając większą jednolitość metalu, zmniejsza naprężenia wewnętrzne. Wyżarzanie laserowe umożliwia obróbkę małych części metalowych w ten sposób.

Urlop jest przeprowadzany w celu uzyskania większej plastyczności i zmniejszenia kruchości materiału przy jednoczesnym utrzymaniu akceptowalnego poziomu jego wytrzymałości na połączeniach części. W tym celu produkt jest podgrzewany laserowo do temperatury 150–260 ° C do 370–650 ° C, a następnie powolne chłodzenie (chłodzenie).

Laserowe czyszczenie i odkażanie powierzchni

Ta metoda czyszczenia służy do usuwania zanieczyszczeń powierzchniowych z przedmiotów, zabytków, dzieł sztuki. Do czyszczenia produktów przed skażeniem radioaktywnym i do czyszczenia mikroelektroniki. Ta metoda czyszczenia jest wolna od wad związanych ze szlifowaniem mechanicznym, obróbką ścierną, obróbką wibracyjną itp.

Fuzja laserowa i amorfizacja

Szybką amorfizację przygotowanej powierzchni stopu za pomocą wiązki skanującej lub krótkiego impulsu uzyskuje się dzięki szybkiemu usuwaniu ciepła, podczas którego stop topnieje, tworzy się rodzaj szkła metalowego o wysokiej twardości, odporności na korozję i poprawa właściwości magnetycznych. Materiał podkładowy dobiera się tak, aby wraz z głównym materiałem utworzyć kompozycję podatną na amorfizację pod działaniem lasera.

Laserowe stapianie i napawanie

Stopienie metalowej powierzchni za pomocą lasera zwiększa jej mikrotwardość i odporność na zużycie.

Metoda napawania laserowego umożliwia nakładanie odpornych na zużycie warstw powierzchniowych. Służy do odnawiania precyzyjnych części stosowanych w warunkach zwiększonego zużycia, na przykład zaworów ICE i innych części silnika. Ta metoda ma wyższą jakość niż rozpylanie, ponieważ powstaje tutaj monolityczna warstwa związana z podstawą.

Laserowe natryskiwanie próżniowe

W próżni część materiału odparowuje się za pomocą lasera, a następnie dane odparowywania są kondensowane na specjalnym podłożu, gdzie z innymi produktami tworzą materiał o niezbędnym nowym składzie chemicznym.

Spawanie laserowe

Obiecująca metoda spawania przemysłowego za pomocą laserów dużej mocy, zapewniająca bardzo gładką, wąską i głęboką spoinę. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod spawania moc lasera jest kontrolowana bardziej precyzyjnie, co pozwala bardzo precyzyjnie kontrolować głębokość i inne parametry spoiny. Laser spawalniczy jest w stanie spawać grube części z dużą prędkością, wystarczy dodać moc, a efekt termiczny na sąsiednich obszarach jest minimalny. Spoina jest uzyskiwana lepiej, podobnie jak każde połączenie uzyskane tą metodą.

Cięcie laserem

Wysokie stężenie energii w skupionej wiązce laserowej umożliwia cięcie prawie dowolnego znanego materiału, podczas gdy cięcie jest wąskie, a strefa wpływu ciepła jest minimalna. W związku z tym nie ma znaczących odkształceń resztkowych.

Pisanie laserowe

W celu późniejszego podziału na mniejsze elementy rysuje się płytki półprzewodnikowe - głębokie rowki nakłada się za pomocą lasera. Tutaj osiąga się wyższą dokładność niż przy użyciu narzędzia diamentowego.

Głębokość rowka wynosi od 40 do 125 mikronów, szerokość wynosi od 20 do 40 mikronów, a grubość obrabianej płyty od 150 do 300 mikronów. Rowki są produkowane z prędkością do 250 mm na sekundę. Wydajność gotowych produktów jest większa, małżeństwo jest mniejsze.

Grawerowanie i znakowanie laserowe

Niemal wszędzie w branży stosuje się grawerowanie i znakowanie laserowe: rysunki, napisy, kodowanie próbek, tabliczki, tabliczki znamionowe, dekoracje artystyczne, pamiątki, biżuteria, miniaturowe napisy na najmniejszych i najbardziej delikatnych produktach - stało się możliwe tylko dzięki zautomatyzowanemu laserowi technologia.

Laser w medycynie

Nie można przecenić zastosowania laserów we współczesnej medycynie. Lasery chirurgiczne służą do koagulacji złuszczonej siatkówki oka, skalpele laserowe pozwalają ciąć ciało i spawać kości za pomocą laserów. Laser z dwutlenkiem węgla zgrzewa tkanki biologiczne.

Oczywiście, w odniesieniu do medycyny, w tym kierunku naukowcy muszą co roku doskonalić i udoskonalać, ulepszać technologię korzystania z niektórych laserów, aby uniknąć szkodliwych skutków ubocznych w pobliskich tkankach. Zdarza się, że laser leczy jedno miejsce, ale natychmiast wywiera destrukcyjny wpływ na sąsiedni narząd lub przypadkowo wpadającą pod niego komórkę.

Dodatkowe zestawy narzędzi, specjalnie zaprojektowane do współpracy z laserem chirurgicznym, pozwoliły lekarzom odnieść sukces w chirurgii przewodu pokarmowego, chirurgii dróg żółciowych, śledziony, płuc i wątroby.

Usuwanie tatuaży, korekcja wzroku, ginekologia, urologia, laparoskopia, stomatologia, usuwanie guzów mózgu i kręgosłupa - wszystko to jest dziś możliwe tylko dzięki nowoczesnej technologii laserowej.

Informatyka, design, życie i laser

CD, DVD, BD, holografia, drukarki laserowe, czytniki kodów kreskowych, systemy bezpieczeństwa (bariery bezpieczeństwa), pokazy świetlne, prezentacje multimedialne, wskaźniki itp. Wyobraź sobie, jak wyglądałby nasz świat, gdyby z niego zniknął laser ...