Aplicarea practică a laserelor

Invenția laserului poate fi considerată pe bună dreptate una dintre cele mai semnificative descoperiri ale secolului XX. Chiar la începutul dezvoltării acestei tehnologii, aceștia au profetizat deja o aplicabilitate complet versatilă, de la bun început perspectiva rezolvării unei varietăți de probleme era vizibilă, în ciuda faptului că unele sarcini nu erau chiar vizibile la orizont la acea vreme.

Medicina și astronautica, fuziunea termonucleară și cele mai recente sisteme de arme sunt doar câteva dintre domeniile în care laserul este folosit cu succes în prezent. Să vedem unde laserul a găsit aplicație practică și să vedem măreția acestei minunate invenții, care își datorează aspectul unui număr de oameni de știință.

Spectroscopia cu laser

Radiația laser monocromatică poate fi obținută în principiu cu orice lungime de undă, atât sub forma unei unde continue de o anumită frecvență, cât și sub formă de impulsuri scurte, care durează până la fracțiuni ale unei femtosecunde. Concentrându-se pe eșantionul studiat, fasciculul laser suferă efecte optice neliniare, ceea ce permite cercetătorilor să efectueze spectroscopie schimbând frecvența luminii, precum și să efectueze analize coerente ale proceselor controlând polarizarea fasciculului laser.

Măsurarea distanțelor față de obiecte

Fasciculul laser este foarte convenabil pentru a direcționa spre obiectul studiat, chiar dacă acest obiect este foarte departe, deoarece divergența fasciculului laser este foarte mică. Așadar, în 2018, ca parte a unui experiment, un fascicul laser a fost direcționat de la Observatorul Chinez Yunnan către Lună. Reflectoarele Apollo 15, care erau deja instalate pe suprafața lunară, reflectau fasciculul înapoi pe Pământ, unde a fost primit de observator.

Se știe că lumina laser, ca orice undă electromagnetică, se mișcă cu o viteză constantă - cu viteza luminii. Măsurătorile timpului de trecere a fasciculului au arătat că distanța de la observator la lună, în intervalul de la 21:25 la 22:31 ora Beijing la 22 ianuarie 2018, a fost cuprinsă între 385823,433 și 387119.600 de kilometri.

Căutătorul de raze laser, pentru distanțe nu atât de mari ca distanța de la Pământ la Lună, funcționează pe un principiu similar. Un laser pulsat trimite un fascicul către un obiect din care este reflectat fasciculul. Detectorul de radiații primește un fascicul reflectat. Ținând cont de timpul dintre pornirea radiației și momentul în care detectorul a prins fasciculul reflectat, precum și viteza luminii, electronica dispozitivului calculează distanța până la obiect.

Optica adaptivă și compensarea distorsiunii atmosferice

Dacă observi un obiect astronomic îndepărtat de pe pământ printr-un telescop, se dovedește că atmosfera introduce anumite distorsiuni optice în imaginea rezultată a acestui obiect. Pentru a elimina aceste distorsiuni, se folosesc metode ale așa-numitei optici adaptive - se măsoară și se compensează distorsiunile.

Pentru a atinge acest obiectiv, un fascicul laser puternic este îndreptat către obiectul observat, care, la fel ca lumina simplă, suferă împrăștiere în atmosferă, formând o „stea artificială”, lumina din care, în drumul de întoarcere către observator, experimentează exact aceleași distorsiuni optice în partea superioară straturile atmosferice, precum și imaginea obiectului astronomic observat.

Informațiile de denaturare sunt procesate și utilizate pentru a compensa distorsiunea optică prin ajustarea adecvată a imaginii obiectului astronomic observat. Drept urmare, imaginea obiectului este mai „curată”.

Bio și fotochimie

În studiile biochimice asupra formării și funcționării proteinelor, sunt utile impulsurile cu ultrasunete cu durată femtosecundă.Aceste impulsuri fac posibilă inițierea și studiul reacțiilor chimice cu o rezoluție temporală ridicată pentru a găsi și studia chiar și compuși chimici cu un nivel scăzut de viață.

Prin schimbarea polarizării pulsului luminii, oamenii de știință pot seta direcția necesară a reacției chimice, alegând dintre câteva scenarii posibile pentru dezvoltarea evenimentelor în timpul reacției strict definite.

Magnetizarea pulsului laser

Astăzi, cercetările sunt efectuate cu privire la posibilitatea schimbărilor ultrarapide în magnetizarea mediilor folosind impulsuri laser cu ultrasunete cu o durată de câteva femtosecunde. Deja acum s-a realizat demagnetizarea ultrarapidă printr-un laser în 0,2 picosecunde, precum și controlul optic al magnetizării prin polarizarea luminii.

Răcire cu laser

Experimentele timpurii de răcire cu laser au fost efectuate cu ioni. Ionii erau ținuți de un câmp electromagnetic într-o capcană ionică, unde erau luminați de un fascicul de lumină laser. În procesul de coliziuni inelastice cu fotoni, ionii au pierdut energie și astfel s-au atins temperaturi ultralow.

După aceea, a fost găsită o metodă mai practică de răcire cu laser a solidelor - anti-Stokes răcire, care constă în următoarele. Un atom al mediului, aflat într-o stare chiar deasupra stării solului (la nivel vibrațional), a fost excitat la energie chiar sub starea excitată (la nivel vibrațional) și, absorbind fononul, atomul a trecut în starea excitată. Apoi atomul a emis un foton a cărui energie este mai mare decât energia pompei, trecând în starea de sol.

Lasere în instalațiile de fuziune

Problema reținerii plasmei încălzite în interiorul unui reactor termonuclear poate fi, de asemenea, rezolvată cu un laser. Un volum mic de combustibil termonuclear este iradiat din toate părțile pentru mai multe nanosecunde printr-un laser puternic.

Suprafața țintă se evaporă, ceea ce duce la o presiune enormă asupra straturilor interioare ale combustibilului, astfel că ținta experimentează o compresie și o compactare superioară, iar la o anumită temperatură pot apărea deja reacții termonucleare de fuziune într-o țintă atât de compactată. Încălzirea este posibilă și cu ajutorul impulsurilor laser ultra-puternice femtosecunde.

Pensete optice bazate pe laser

Penseta cu laser vă permite să manipulați obiecte dielectrice microscopice folosind lumina de la o diodă laser: forțele sunt aplicate obiectelor în câteva nanonewton, iar distanțele minuscule de la mai mulți nanometri sunt de asemenea măsurate. Aceste dispozitive optice sunt utilizate astăzi în studiul proteinelor, structura și munca lor.

Arme de luptă și de apărare defensivă

La începutul celei de-a doua jumătăți a secolului XX, în Uniunea Sovietică erau deja dezvoltate lasere de mare putere care puteau fi folosite ca arme capabile să lovească ținte în interesul apărării împotriva rachetelor. În 2009, americanii au anunțat crearea unui laser mobil în stare solidă de 100 kW, capabil, teoretic, să lovească ținte aeriene și la sol ale unui potențial adversar.

Vizionare laser

O mică sursă de lumină laser este fixată rigid la butoiul unei puști sau al unui pistol, astfel încât fasciculul său este direcționat paralel cu butoiul. Când țintește, trăgătorul vede o țepă mică pe țintă din cauza divergenței mici a fasciculului laser.

În principal pentru astfel de obiective turistice, se folosesc diode laser roșii sau diode laser cu infraroșu (astfel încât un spot poate fi văzut doar în dispozitivul de vedere nocturnă). Pentru un contrast mai mare în lumina zilei, se folosesc obiective laser cu LED-uri laser laser.

Înșelarea unui adversar militar

Un fascicul laser cu putere redusă este îndreptat către echipamentul militar al inamicului. Inamicul descoperă acest fapt, consideră că un fel de armă este orientat către el și este obligat să ia urgent măsuri de apărare în loc să lanseze un atac.

Proiectil ghidat cu laser

Este convenabil să folosiți un punct reflectat al unui fascicul laser pentru a viza un proiectil zburător, cum ar fi o rachetă lansată dintr-un avion. Un laser de la sol sau dintr-un avion iluminează ținta, iar proiectilul este ghidat de acesta. Laserul este frecvent utilizat în infraroșu, deoarece este mai greu de detectat.

Intarirea cu laser

Suprafața metalului este încălzită cu un laser la o temperatură critică, în timp ce căldura pătrunde adânc în produs datorită conductivității termice. Imediat ce acțiunea laser se oprește, produsul se răcește rapid datorită pătrunderii căldurii în interior, unde încep să se formeze structuri de întărire, care împiedică uzura rapidă în timpul utilizării viitoare a produsului.

Recuperarea și temperarea cu laser

Laminarea este un tip de tratament termic în care produsul este încălzit mai întâi la o anumită temperatură, apoi este menținut la această temperatură pentru un anumit timp, apoi este răcit lent la temperatura camerei.

Aceasta reduce duritatea metalului, facilitând prelucrarea mecanică ulterioară a acestuia, îmbunătățind în același timp microstructura și obținând o uniformitate mai mare a metalului, ameliorează eforturile interne. Recuperarea cu laser vă permite să procesați piese metalice mici în acest fel.

Vacanța se realizează pentru a obține o ductilitate mai mare și pentru a reduce fragilitatea materialului, menținând totodată un nivel acceptabil al rezistenței sale la îmbinările pieselor. Pentru aceasta, produsul este încălzit cu laser la o temperatură de 150-260 ° C până la 370–650 ° C, urmat de răcire lentă (răcire).

Curățarea cu laser și decontaminarea suprafețelor

Această metodă de curățare este folosită pentru a îndepărta contaminanții de suprafață de obiecte, monumente, opere de artă. Pentru produsele de curățare de contaminare radioactivă și pentru curățarea microelectronicii. Această metodă de curățare nu conține dezavantajele inerente măcinării mecanice, prelucrării abrazive, procesării vibrațiilor etc.

Fuziunea cu laser și amorfizarea

Amorfizarea de mare viteză a suprafeței de aliaj pregătit cu un fascicul de scanare sau un impuls scurt se realizează datorită eliminării rapide a căldurii, în timpul căreia topirea se topeste, se formează un fel de sticlă metalică cu duritate ridicată, rezistență la coroziune și îmbunătățirea caracteristicilor magnetice. Materialul pre-acoperire este selectat astfel încât împreună cu materialul principal să formeze o compoziție predispusă la amorfizare sub acțiunea unui laser.

Aliere cu laser și suprafață

Alierea unei suprafețe metalice cu un laser crește microhardness și rezistența la uzură.

Metoda suprafețelor cu laser vă permite să aplicați straturi de suprafață rezistente la uzură. Este utilizat la restaurarea pieselor de înaltă precizie utilizate în condiții de uzură crescută, de exemplu, cum ar fi supapele ICE și alte piese ale motorului. Această metodă este de calitate superioară sputteringului, deoarece aici se formează un strat monolitic asociat cu baza.

Pulverizarea cu laser prin vid

În vid, o porțiune din material este vaporizată de un laser, apoi datele de vaporizare sunt condensate pe un substrat special, unde cu alte produse formează un material cu compoziția chimică necesară.

Sudura cu laser

O metodă promițătoare de sudare industrială folosind lasere de mare putere, oferind o sudură foarte lină, îngustă și profundă. Spre deosebire de metodele convenționale de sudare, puterea laserului este controlată mai precis, ceea ce vă permite să controlați foarte precis adâncimea și alți parametri ai sudurii. Un laser de sudare este capabil să sudeze piese groase la viteză mare, trebuie doar să adăugați putere, iar efectul termic pe zonele adiacente este minim. Sudura este obținută mai bine, precum și orice conexiune obținută prin această metodă.

Tăiere cu laser

O concentrație mare de energie în fasciculul laser focalizat face posibilă tăierea aproape a oricărui material cunoscut, în timp ce tăierea este îngustă, iar zona de impact termic este minimă. În consecință, nu există tulpini reziduale semnificative.

Scribul cu laser

Pentru separarea ulterioară în elemente mai mici, scutele cu semiconductor sunt scrise - canelele profunde sunt aplicate cu un laser. Aici, se obține o precizie mai mare decât atunci când se utilizează un instrument cu diamante.

Adâncimea canelurii este de la 40 la 125 microni, lățimea este de la 20 la 40 microni, cu grosimea plăcii prelucrate de la 150 la 300 microni. Canelurile sunt fabricate cu viteze de până la 250 mm pe secundă. Producția produselor finite este mai mare, căsătoria este mai mică.

Gravarea și marcarea cu laser

Aproape peste tot în industrie astăzi se folosesc gravarea și marcarea cu laser: desenarea desenelor, inscripții, codarea eșantioanelor, plăcuțe, plăci de identificare, decorații artistice, suveniruri, bijuterii, inscripții în miniatură pe cele mai mici și mai fragile produse - au devenit posibile doar datorită laserului automatizat tehnologie.

Laser în medicină

Este imposibil să supraestimăm aplicabilitatea laserelor în medicina modernă. Laserele chirurgicale sunt folosite pentru a coagula retina exfoliată a ochiului, scalpurile laser vă permit să tăiați carnea și să sudați oasele cu lasere. Un laser cu dioxid de carbon sudează țesuturile biologice.

Desigur, în ceea ce privește medicina, în această direcție, oamenii de știință trebuie să îmbunătățească și să perfecționeze în fiecare an, să îmbunătățească tehnologia utilizării anumitor lasere pentru a evita efectele secundare dăunătoare asupra țesuturilor din apropiere. Se întâmplă ca un laser să vindece un singur loc, dar are imediat un efect distructiv asupra unui organ vecin sau a unei celule care intră accidental sub el.

Trusele de instrumente suplimentare, special concepute pentru a lucra împreună cu un laser chirurgical, au permis medicilor să aibă succes în chirurgia gastrointestinală, chirurgia tractului biliar, splinei, plămânilor și ficatului.

Eliminarea tatuajului, corectarea vederii, ginecologie, urologie, laparoscopie, stomatologie, îndepărtarea tumorilor cerebrale și ale coloanei vertebrale - toate acestea sunt posibile astăzi doar datorită tehnologiei moderne cu laser.

Tehnologia informației, design, viață și laser

CD, DVD, BD, holografie, imprimante laser, cititoare de coduri de bare, sisteme de securitate (bariere de securitate), spectacole de lumină, prezentări multimedia, indicatoare, etc. Imaginați-vă cum ar arăta lumea noastră dacă ar dispărea din ea laserul ...