Die praktische Anwendung von Lasern

Die Erfindung des Lasers kann zu Recht als eine der bedeutendsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts angesehen werden. Bereits zu Beginn der Entwicklung dieser Technologie prophezeite sie eine völlig vielseitige Anwendbarkeit. Von Anfang an war die Aussicht auf die Lösung einer Vielzahl von Problemen sichtbar, obwohl einige Aufgaben zu diesem Zeitpunkt noch nicht einmal am Horizont sichtbar waren.

Medizin und Astronautik, Kernfusion und die neuesten Waffensysteme - dies sind nur einige der Bereiche, in denen der Laser heute erfolgreich eingesetzt wird. Lassen Sie uns sehen, wo der Laser praktische Anwendung gefunden hat, und die Größe dieser wunderbaren Erfindung sehen, die ihr Aussehen einer Reihe von Wissenschaftlern verdankt.

Laserspektroskopie

Monochromatische Laserstrahlung kann im Prinzip mit jeder Wellenlänge erhalten werden, sowohl in Form einer kontinuierlichen Welle einer bestimmten Frequenz als auch in Form von kurzen Impulsen, die bis zu Bruchteilen einer Femtosekunde andauern. Der Laserstrahl konzentriert sich auf die untersuchte Probe und unterliegt nichtlinearen optischen Effekten, die es Forschern ermöglichen, Spektroskopie durch Änderung der Lichtfrequenz durchzuführen und eine kohärente Analyse von Prozessen durch Steuerung der Polarisation des Laserstrahls durchzuführen.

Entfernungen zu Objekten messen

Der Laserstrahl ist sehr praktisch, um auf das zu untersuchende Objekt zu richten, selbst wenn dieses Objekt sehr weit entfernt ist, da die Divergenz des Laserstrahls sehr gering ist. Im Jahr 2018 wurde im Rahmen eines Experiments ein Laserstrahl vom chinesischen Observatorium in Yunnan auf den Mond gerichtet. Die Apollo 15-Reflektoren, die bereits auf der Mondoberfläche installiert waren, reflektierten den Strahl zurück zur Erde, wo er vom Observatorium empfangen wurde.

Es ist bekannt, dass sich Laserlicht wie jede elektromagnetische Welle mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt - mit Lichtgeschwindigkeit. Messungen der Strahldurchgangszeit zeigten, dass die Entfernung vom Observatorium zum Mond im Intervall von 21:25 bis 22:31 Uhr Pekinger Zeit am 22. Januar 2018 zwischen 385823.433 und 387119.600 Kilometern lag.

Der Laser-Entfernungsmesser arbeitet für nicht so große Entfernungen wie die Entfernung von der Erde zum Mond nach einem ähnlichen Prinzip. Ein gepulster Laser sendet einen Strahl an ein Objekt, von dem der Strahl reflektiert wird. Der Strahlungsdetektor empfängt einen reflektierten Strahl. Unter Berücksichtigung der Zeit zwischen dem Beginn der Strahlung und dem Moment, in dem der Detektor den reflektierten Strahl einfing, sowie der Lichtgeschwindigkeit berechnet die Elektronik des Geräts die Entfernung zum Objekt.

Adaptive Optik und atmosphärische Verzerrungskompensation

Wenn Sie ein von der Erde entferntes astronomisches Objekt durch ein Teleskop beobachten, stellt sich heraus, dass die Atmosphäre bestimmte optische Verzerrungen in das resultierende Bild dieses Objekts einführt. Um diese Verzerrungen zu beseitigen, werden Methoden der sogenannten adaptiven Optik eingesetzt - Verzerrungen werden gemessen und kompensiert.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein starker Laserstrahl auf das beobachtete Objekt gerichtet, das wie einfaches Licht in der Atmosphäre gestreut wird und einen „künstlichen Stern“ bildet, dessen Licht auf dem Rückweg zum Betrachter im oberen Bereich genau die gleichen optischen Verzerrungen erfährt atmosphärische Schichten sowie das Bild des beobachteten astronomischen Objekts.

Die Verzerrungsinformationen werden verarbeitet und verwendet, um die optische Verzerrung durch geeignete Anpassung des Bildes des beobachteten astronomischen Objekts zu kompensieren. Infolgedessen ist das Bild des Objekts "sauberer".

Bio und Photochemie

In biochemischen Studien zur Bildung und Funktion von Proteinen sind ultrakurze Laserpulse von Femtosekunden-Dauer nützlich.Diese Impulse ermöglichen es, chemische Reaktionen mit einer hohen zeitlichen Auflösung auszulösen und zu untersuchen, um auch niedrig lebende chemische Verbindungen zu finden und zu untersuchen.

Durch Ändern der Polarisation des Lichtimpulses können Wissenschaftler die notwendige Richtung der chemischen Reaktion festlegen und aus einigen möglichen Szenarien für die Entwicklung von Ereignissen während der Reaktion genau definierte auswählen.

Laserpulsmagnetisierung

Heute wird die Möglichkeit ultraschneller Änderungen der Magnetisierung von Medien mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden untersucht. Bereits jetzt erreicht ultraschnelle Entmagnetisierung durch einen Laser in 0,2 Pikosekunden sowie optische Steuerung der Magnetisierung durch Polarisation von Licht.

Laserkühlung

Frühe Laserkühlungsexperimente wurden mit Ionen durchgeführt. Ionen wurden von einem elektromagnetischen Feld in einer Ionenfalle gehalten, wo sie von einem Laserlichtstrahl beleuchtet wurden. Bei unelastischen Kollisionen mit Photonen verloren Ionen Energie und damit ultraniedrige Temperaturen.

Danach wurde eine praktischere Methode zur Laserkühlung von Feststoffen gefunden - die Anti-Stokes-Kühlung, die im Folgenden besteht. Ein Atom des Mediums, das sich in einem Zustand knapp über dem Grundzustand (auf Schwingungsebene) befand, wurde zu Energie knapp unter dem angeregten Zustand (auf Schwingungsebene) angeregt, und das Atom absorbierte das Phonon und ging in den angeregten Zustand über. Dann emittierte das Atom ein Photon, dessen Energie höher als die Pumpenergie ist, und ging in den Grundzustand über.

Laser in Fusionsanlagen

Das Problem, erwärmtes Plasma in einem Kernreaktor zu halten, kann auch mit einem Laser gelöst werden. Ein kleines Volumen thermonuklearen Brennstoffs wird von einem leistungsstarken Laser mehrere Nanosekunden lang von allen Seiten bestrahlt.

Die Targetoberfläche verdampft, was zu einem enormen Druck auf die inneren Schichten des Brennstoffs führt, so dass das Target eine sehr starke Kompression und Verdichtung erfährt und bei einer bestimmten Temperatur bereits thermonukleare Fusionsreaktionen in einem solchen verdichteten Target auftreten können. Das Erhitzen ist auch mit extrem leistungsstarken Femtosekunden-Laserpulsen möglich.

Optische Pinzette auf Laserbasis

Laserpinzetten ermöglichen die Manipulation mikroskopisch kleiner dielektrischer Objekte mit Licht einer Laserdiode: Auf Objekte innerhalb weniger Nanonewton werden Kräfte ausgeübt und winzige Abstände von mehreren Nanometern gemessen. Diese optischen Geräte werden heute zur Untersuchung von Proteinen, ihrer Struktur und Arbeit verwendet.

Kampf- und Verteidigungslaserwaffen

Zu Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden in der Sowjetunion bereits Hochleistungslaser entwickelt, die als Waffen eingesetzt werden können, die im Interesse der Raketenabwehr Ziele treffen können. 2009 kündigten die Amerikaner die Schaffung eines mobilen Festkörperlasers mit einer Leistung von 100 kW an, der theoretisch in der Lage ist, Luft- und Bodenziele eines potenziellen Feindes zu treffen.

Laservisier

Eine kleine Laserlichtquelle ist starr am Lauf eines Gewehrs oder einer Pistole angebracht, so dass ihr Strahl parallel zum Lauf gerichtet ist. Beim Zielen sieht der Schütze aufgrund der geringen Divergenz des Laserstrahls einen kleinen Fleck auf dem Ziel.

Meist werden für solche Visiere rote Laserdioden oder Infrarotlaserdioden verwendet (so dass ein Punkt nur im Nachtsichtgerät sichtbar ist). Für einen höheren Kontrast bei Tageslicht werden Laservisiere mit grünen Laser-LEDs verwendet.

Einen militärischen Gegner täuschen

Ein Laserstrahl mit geringer Leistung wird auf die militärische Ausrüstung des Feindes gerichtet. Der Feind entdeckt diese Tatsache, glaubt, dass eine Art Waffe auf ihn gerichtet ist, und ist gezwungen, dringend Maßnahmen zur Verteidigung zu ergreifen, anstatt einen Angriff zu starten.

Lasergeführtes Projektil

Es ist zweckmäßig, einen reflektierten Punkt eines Laserstrahls zu verwenden, um ein fliegendes Projektil zu zielen, beispielsweise eine Rakete, die von einem Flugzeug abgefeuert wird. Ein Laser vom Boden oder von einem Flugzeug aus beleuchtet das Ziel und das Projektil wird von ihm geführt. Der Laser wird üblicherweise als Infrarot verwendet, da er schwerer zu erkennen ist.

Laserhärten

Die Oberfläche des Metalls wird von einem Laser auf eine kritische Temperatur erwärmt, während die Wärme aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit tief in das Produkt eindringt. Sobald die Laserwirkung aufhört, kühlt das Produkt aufgrund des Eindringens von Wärme in das Innere schnell ab, wo sich Härtungsstrukturen zu bilden beginnen, die einen schnellen Verschleiß während der zukünftigen Verwendung des Produkts verhindern.

Laserglühen und Anlassen

Das Tempern ist eine Art von Wärmebehandlung, bei der das Produkt zuerst auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, dann für eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Dies verringert die Härte des Metalls, erleichtert seine weitere mechanische Verarbeitung, während die Mikrostruktur verbessert und eine größere Gleichmäßigkeit des Metalls erreicht wird, wodurch innere Spannungen abgebaut werden. Mit dem Laserglühen können Sie kleine Metallteile auf diese Weise bearbeiten.

Der Urlaub wird durchgeführt, um eine höhere Duktilität zu erzielen und die Sprödigkeit des Materials zu verringern, während ein akzeptables Maß an Festigkeit an den Verbindungsstellen der Teile beibehalten wird. Dazu wird das Produkt per Laser auf eine Temperatur von 150–260 ° C bis 370–650 ° C erhitzt, gefolgt von langsamer Abkühlung (Abkühlung).

Laserreinigung und Dekontamination von Oberflächen

Diese Reinigungsmethode wird verwendet, um Oberflächenverunreinigungen von Gegenständen, Denkmälern und Kunstwerken zu entfernen. Zur Reinigung von Produkten von radioaktiver Kontamination und zur Reinigung der Mikroelektronik. Diese Reinigungsmethode ist frei von den Nachteilen, die dem mechanischen Schleifen, der Schleifverarbeitung, der Vibrationsverarbeitung usw. inhärent sind.

Laserfusion und Amorphisierung

Eine schnelle Amorphisierung der vorbereiteten Legierungsoberfläche mit einem Abtaststrahl oder einem kurzen Impuls wird aufgrund der schnellen Wärmeabfuhr erreicht, bei der die Schmelze gefriert, eine Art Metallglas mit hoher Härte, Korrosionsbeständigkeit und verbesserten magnetischen Eigenschaften gebildet wird. Das Vorbeschichtungsmaterial wird so ausgewählt, dass es zusammen mit dem Hauptmaterial eine Zusammensetzung bildet, die unter Einwirkung eines Lasers zur Amorphisierung neigt.

Laserlegierung und Oberflächenbehandlung

Das Legieren einer Metalloberfläche mit einem Laser erhöht die Mikrohärte und Verschleißfestigkeit.

Mit der Methode der Laseroberfläche können Sie verschleißfeste Oberflächenschichten auftragen. Es wird zur Restaurierung von hochpräzisen Teilen verwendet, die beispielsweise bei erhöhtem Verschleiß verwendet werden, wie z. B. ICE-Ventile und andere Motorteile. Dieses Verfahren ist qualitativ dem Sputtern überlegen, da hier eine monolithische Schicht gebildet wird, die mit der Basis verbunden ist.

Vakuumlaserspritzen

Im Vakuum wird ein Teil des Materials durch einen Laser verdampft, dann werden die Verdampfungsdaten auf einem speziellen Substrat kondensiert, wo sie mit anderen Produkten ein Material mit der erforderlichen neuen chemischen Zusammensetzung bilden.

Laserschweißen

Eine vielversprechende Methode zum industriellen Schweißen mit Hochleistungslasern, die eine sehr glatte, schmale und tiefe Schweißnaht ergibt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren wird die Laserleistung genauer gesteuert, wodurch Sie die Tiefe und andere Parameter der Schweißnaht sehr genau steuern können. Ein Schweißlaser kann dicke Teile mit hoher Geschwindigkeit schweißen, Sie müssen nur Leistung hinzufügen und der thermische Effekt auf angrenzende Bereiche ist minimal. Die Schweißnaht wird besser erhalten, ebenso wie jede Verbindung, die durch dieses Verfahren erhalten wird.

Laserschneiden

Eine hohe Energiekonzentration im fokussierten Laserstrahl ermöglicht das Schneiden nahezu aller bekannten Materialien, während der Schnitt eng und die Wärmeeinflusszone minimal ist. Dementsprechend gibt es keine signifikanten Restdehnungen.

Laserbeschriftung

Für die anschließende Trennung in kleinere Elemente werden die Halbleiterwafer beschrieben - tiefe Rillen werden mit einem Laser aufgebracht. Hier wird eine höhere Genauigkeit erreicht als bei Verwendung eines Diamantwerkzeugs.

Die Tiefe der Nut beträgt 40 bis 125 Mikrometer, die Breite 20 bis 40 Mikrometer und die Dicke der bearbeiteten Platte 150 bis 300 Mikrometer. Nuten werden mit einer Geschwindigkeit von bis zu 250 mm pro Sekunde hergestellt. Die Produktion von Fertigprodukten ist größer, die Ehe ist geringer.

Lasergravur und Markierung

Fast überall in der Industrie werden heute Lasergravur und -markierung eingesetzt: Das Anbringen von Zeichnungen, Inschriften, Codierung von Mustern, Tafeln, Typenschildern, künstlerischer Dekoration, Souvenirs, Schmuck, Miniaturinschriften auf den kleinsten und zerbrechlichsten Produkten wurde nur dank des automatisierten Lasers möglich Technologie.

Laser in der Medizin

Es ist unmöglich, die Anwendbarkeit von Lasern in der modernen Medizin zu überschätzen. Chirurgische Laser werden verwendet, um die exfolierte Netzhaut des Auges zu koagulieren, Laserskalpelle können Fleisch schneiden und Knochen mit Lasern schweißen. Ein Kohlendioxidlaser schweißt biologische Gewebe.

In Bezug auf die Medizin müssen Wissenschaftler in dieser Richtung natürlich jedes Jahr verbessern und verfeinern, die Technologie zur Verwendung bestimmter Laser verbessern, um schädliche Nebenwirkungen auf das Gewebe in der Nähe zu vermeiden. Es kommt manchmal vor, dass ein Laser einen Ort heilt, aber er wirkt sich sofort zerstörerisch auf ein benachbartes Organ oder eine Zelle aus, die versehentlich darunter fällt.

Zusätzliche Werkzeugsätze, die speziell für die Zusammenarbeit mit einem chirurgischen Laser entwickelt wurden, ermöglichten es Ärzten, Magen-Darm-Operationen, Operationen der Gallenwege, Milz, Lunge und Leber durchzuführen.

Tattooentfernung, Sehkorrektur, Gynäkologie, Urologie, Laparoskopie, Zahnmedizin, Entfernung von Hirntumoren und Tumoren der Wirbelsäule - all dies ist heute nur dank moderner Lasertechnologie möglich.

Informationstechnologie, Design, Leben und Laser

CD, DVD, BD, Holographie, Laserdrucker, Barcodeleser, Sicherheitssysteme (Sicherheitsbarrieren), Lichtshows, Multimedia-Präsentationen, Zeiger usw. Stellen Sie sich vor, wie unsere Welt aussehen würde, wenn sie verschwinden würde der Laser ...