Практическое применение лазеров

Изобретение лазера можно по праву считать одним из самых значимых открытий 20 столетия. Еще в самом начале разработки данной технологии ей уже пророчили совершенно разностороннюю применимость, с самого начала была видна перспектива решения самых разных задач, несмотря на то, что некоторые задачи даже не виднелись на горизонте в то время.

Медицина и космонавтика, термоядерный синтез и новейшие системы вооружений, — вот лишь некоторые из направлений, в которых сегодня с успехом применяется лазер. Давайте посмотрим, где же нашел практическое применение лазер, и убедимся в величии этого замечательного изобретения, обязанного своим появлением целому ряду ученых.

Лазерная спектроскопия

Монохроматическое излучение лазера можно получить в принципе с любой длиной волны, причем как в форме непрерывной волны определенной частоты, так и в форме коротких импульсов, длительностью вплоть до долей фемтосекунд. Будучи сфокусирован на исследуемом образце, лазерный луч подвергается нелинейным оптическим влияниям, что позволяет исследователям осуществлять спектроскопию изменяя частоту света, а также проводить когерентный анализ процессов, управляя поляризацией лазерного луча.

Измерение расстояний до объектов

Луч лазера очень удобно направлять на исследуемый объект, даже если этот объект находится очень далеко, ведь расхождение луча лазера очень незначительно. Так, в 2018 году, в рамках эксперимента, из Китайской обсерватории Юньнань лазерный луч был направлен на Луну. Светоотражатели «Апполон-15», которые уже были установлены на поверхности Луны, отразили луч обратно на Землю, где он был принят обсерваторией.

Известно, что свет лазера, как и любая электромагнитная волна, движется с постоянной скоростью — со скоростью света. Измерения времени прохождения луча показали, что расстояние от обсерватории до Луны, в промежутке времени с 21:25 до 22:31 по пекинскому времени 22 января 2018 года, составляло от 385823,433 до 387119,600 километров.

Лазерный дальномер, для не столь больших расстояний как расстояние от Земли до Луны, работает на аналогичном принципе. Импульсный лазер посылает луч на объект, от которого луч отражается. Детектор излучения принимает отраженный луч. Приняв в расчет время между началом излучения и тем моментом когда детектор поймал отраженный луч, а также скорость света, электроника прибора рассчитывает расстояние до объекта.

Адаптивная оптика и компенсация атмосферных искажений

Если наблюдать с земли в телескоп за каким-нибудь далеким астрономическим объектом, то окажется, что атмосфера вносит определенные оптические искажения в получаемое изображение этого объекта. Чтобы данные искажения убрать, применяют методы так называемой адаптивной оптики — искажения измеряются и компенсируются.

Чтобы данной цели достичь, в сторону наблюдаемого объекта направляют мощный луч лазера, который, как и простой свет, испытывает в атмосфере рассеивание, формируя «искусственную звезду», свет от которой, на обратном пути к наблюдателю, испытывает точно такие же оптические искажения в верхних слоях атмосферы, как и изображение наблюдаемого астрономического объекта.

Информация об искажениях обрабатывается, и используется для компенсации оптических искажений путем соответствующей корректировки изображения наблюдаемого астрономического объекта. В результате изображение объекта получается более «чистым».

Био и фотохимия

В биохимических исследованиях на тему образования и работы белков, полезны сверхкороткие лазерные импульсы фемтосекундной длительности. Данные импульсы позволяют инициировать и изучать химические реакции с высоким временным разрешением, чтобы находить и исследовать даже маложивущие химические соединения.

Изменяя поляризацию светового импульса, ученые могут задать необходимое направление химической реакции, выбрав из нескольких возможных сценариев развития событий в ходе реакции строго определенный.

Намагничивание лазерным импульсом

Сегодня ведутся исследования о возможности сверхбыстрого изменения намагниченности сред при помощи сверхкоротких лазерных импульсов длительностью в несколько фемтосекунд. Уже сейчас достигнуто сверхбыстрое размагничивание лазером за 0,2 пикосекунды, а также оптическое управление намагниченностью путем поляризации света.

Охлаждение сред лазером

Ранние эксперименты по охлаждению при помощи лазера проводились с ионами. Ионы удерживались электромагнитным полем в ионной ловушке, где освещались пучком лазерного света. В процессе неупругих соударений с фотонами, ионы теряли энергию, и таким образом были достигнуты сверхнизкие температуры.

Уже после был найден более практичный метод лазерного охлаждения твердых тел — антистоксово охлаждение, который заключается в следующем. Атом среды, находясь в состоянии чуть выше основного состояния (на колебательном уровне), возбуждался до энергии чуть ниже возбужденного состояния (на колебательном уровне), и, поглощая фонон, атом переходил в возбужденное состояние. Затем атом испускал фотон, энергия которого выше, чем энергия накачки, переходя в основное состояние.

Лазеры в установках термоядерного синтеза

Проблема удержания разогретой плазмы внутри термоядерного реактора может быть также решена при помощи лазера. Небольшой объем термоядерного топлива облучают со всех сторон в течение нескольких наносекунд мощным лазером.

Поверхность мишени испаряется, что приводит к огромному давлению на внутренние слои топлива, таким образом мишень испытывает сверхсильное сжатие и уплотнение, и при определенной температуре в такой уплотненной мишени уже могут протекать термоядерные реакции синтеза. Нагрев также возможен при помощи сверхмощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности.

Оптический пинцет на основе лазера

Лазерный пинцет позволяет при помощи света от лазерного диода манипулировать микроскопическими диэлектрическими объектами: к объектам прикладываются силы в пределах нескольких наноньютон, также измеряются крошечные расстояния от нескольких нанометров. Данные оптические приборы применяются сегодня в исследовании белков, их структуры и работы.

Боевое и оборонительное лазерное оружие

Еще в начале второй половины 20 столетия в Советском Союзе уже разрабатывались лазеры высокой мощности, которые могли бы применяться в качестве оружия, способного поражать цели в интересах ПРО. В 2009 году американцы заявили о создании мобильного твердотельного лазера мощностью в 100 кВт, теоретически способного поражать воздушные и наземные цели потенциального противника.

Лазерный прицел

Небольшой источник лазерного света жестко прикрепляется к стволу винтовки или пистолета так, чтобы его луч был направлен параллельно стволу. При прицеливании стрелок видит на мишени маленькое пятнышко, благодаря малой расходимости лазерного луча.

В основном для таких прицелов используются красные лазерные диоды либо инфракрасные лазерные диоды (чтобы пятнышко можно было разглядеть лишь в прибор ночного видения). Для большей контрастности в условиях дневного света применяются лазерные прицелы с зелеными лазерными светодиодами.

Обман военного противника

Маломощный лазерный луч направляется в сторону военной техники противника. Противник обнаруживает этот факт, полагает что на него направлено какое-то оружие, и вынужден срочно принимать меры к защите, вместо того чтобы вести атаку.

Лазерное наведение снаряда

Для наведения летящего снаряда, такого как запускаемая с самолета ракета, удобно использовать отраженное пятно лазерного луча. Лазер с земли или с самолета подсвечивает цель, а снаряд по нему ориентируется. Лазер обычно используется инфракрасный, так как его труднее обнаружить.

Закалка металла лазером

Участок поверхности металла нагревают лазером до критической температуры, при этом тепло проникает вглубь изделия благодаря его теплопроводности. Как только действие лазера прекращается, происходит быстрое остывание изделия за счет проникновения тепла вовнутрь, где начинают формироваться закалочные структуры, препятствующие быстрому износу при будущей эксплуатации изделия.

Лазерные отжиг и отпуск

Отжиг — это такой вид термической обработки, при котором сначала осуществляют нагрев изделия до определённой температуры, затем выдерживают в течение определенного времени при этой температуре, далее медленно охлаждают до комнатной температуры.

Так снижают твердость металла, облегчая дальнейшую механическую его обработку, при этом улучшается микроструктура и достигается большая однородность металла, снимаются внутренние напряжения. Отжиг лазером позволяет обрабатывать таким образом мелкие детали из металлов.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности в местах соединения деталей. Для этого изделие подвергается нагреву лазером до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным охлаждением (остыванием).

Лазерная очистка и дезактивация поверхностей

Данный способ очистки применяют для удаления поверхностных загрязнений с предметов, памятников, произведений искусства. Для очистки изделий от радиоактивных загрязнений и для очистки микроэлектроники. Такой способ очистки лишен недостатков, свойственных механическому шлифованию, абразивной обработке, виброобработке и т. д.

Лазерное оплавление и аморфизация

Скоростная аморфизация подготовленной поверхности сплава сканирующим лучом или коротким импульсом достигается благодаря быстрому теплоотводу, при котором происходит как-бы замораживание расплава, образуется подобие металлического стекла с высокой твердостью, стойкостью к коррозии, улучшением магнитных характеристик. Материал предварительного покрытия подбирается так, чтобы вместе с основным материалом образовывать состав, склонный к аморфизации под действием лазера.

Лазерное легирование и наплавка

Легирование поверхности металла лазером повышает его микротвердость и износостойкость.

Метод лазерной наплавки позволяет наносить износостойкие поверхностные слои. Применяется в восстановлении высокоточных деталей, используемых в условиях повышенного износа, например таких как клапаны ДВС и другие детали двигателей. Данный метод по качеству превосходит напыление, поскольку здесь формируется монолитный слой связанный с основой.

Вакуумно-лазерное напыление

В вакууме лазером испаряется участок материала, затем данные испарения конденсируются на специальной подложке, где с другими продуктами образуют материал с необходимым новым химическим составом.

Лазерная сварка

Перспективный метод промышленной сварки с использованием мощных лазеров, дающих очень ровный, узкий и глубокий сварной шов. В отличие от обычных методов сварки, мощность лазера регулируется более прецизионно, что позволяет очень точно регулировать глубину и другие параметры сварного шва. Сварочный лазер способен сваривать толстые детали на высокой скорости, достаточно лишь добавить мощности, причем тепловое воздействие на прилегающие зоны минимально. Сварной шов получается более качественным, как и любое соединение, полученное данным способом.

Лазерная резка

Высокая концентрация энергии в сфокусированном лазерном луче дает возможности для разрезания почти любого известного материала, при этом рез получается узким, а зона термического воздействия минимальной. Соответственно отсутствуют и значимые остаточные деформации.

Лазерное скрайбирование

Для последующего разделения на более мелкие элементы, пластины полупроводника скрайбируют — наносят лазером глубокие канавки. Здесь достигается более высокая точность, чем при использовании алмазного резца.

Глубина канавки — от 40 до 125 мкм, ширина от 20 до 40 мкм, при толщине обрабатываемой пластинки от 150 до 300 мкм. Изготовление канавки происходит со скоростью до 250 мм в секунду. Выход готовой продукции больше, брака — меньше.

Лазерная гравировка и маркировка

Практически везде в промышленности на сегодняшний день применяются именно лазерная гравировка и маркировка: нанесение рисунков, надписей, кодирование образцов, таблички, шильды, художественная отделка, сувениры, ювелирные изделия, миниатюрные надписи на самых мелких и хрупких изделиях, — стали возможны только благодаря автоматизированной лазерной технологии.

Лазер в медицине

Невозможно переоценить применимость лазеров в современной медицине. Хирургические лазеры применяются для коагуляции отслоившейся сетчатки глаза, лазерные скальпели позволяют резать плоть, лазерами сваривают кости. Углекислотным лазером сваривают биологические ткани.

Безусловно, что касается медицины, то в данном направлении ученым приходится каждый год улучшать и уточнять, совершенствовать технологии использования тех или иных лазеров, дабы избежать вредных побочных действий на ткани, которые расположены рядом. Бывает так, что одно место лазер лечит, но тут же оказывает разрушительное действие на соседний орган или случайно попавшую под него клетку.

Дополнительные наборы инструментов, специально созданные для работы совместно с хирургическим лазером, позволили медикам добиться успехов в желудочно-кишечной хирургии, хирургии желчных путей, селезенки, легких и печени.

Удаление татуировок, коррекция зрения, гинекология, урология, лапароскопия, стоматология, удаление опухолей головного и спинного мозга — все это возможно сегодня только благодаря современной лазерной технике.

Информационные технологии, дизайн, быт и лазер

CD, DVD, BD, голография, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, системы безопасности (защитные барьеры), световые шоу, мультимедийные презентации, указки и т. д. Только представьте, как бы стал выглядеть наш мир, если бы из него исчез лазер…