Praktická aplikácia laserov

Vynález lasera možno oprávnene považovať za jeden z najvýznamnejších objavov 20. storočia. Už na samom začiatku vývoja tejto technológie prorokovali úplne všestrannú použiteľnosť, od samého začiatku bola viditeľná perspektíva riešenia rôznych problémov, a to napriek skutočnosti, že niektoré úlohy neboli v tom čase na horizonte viditeľné.

Medicína a astronautika, termonukleárna fúzia a najnovšie zbrane - to sú len niektoré z oblastí, v ktorých sa laser dnes úspešne používa. Pozrime sa, kde laser našiel praktickú aplikáciu, a uvidíme veľkosť tohto úžasného vynálezu, ktorý dlhuje jeho vzhľad mnohým vedcom.

Laserová spektroskopia

Monochromatické laserové žiarenie sa dá v zásade získať s akoukoľvek vlnovou dĺžkou, a to ako vo forme súvislej vlny určitej frekvencie, tak aj vo forme krátkych impulzov, ktoré trvajú až do zlomkov femtosekundy. Zameraním sa na skúmanú vzorku laserový lúč podlieha nelineárnym optickým efektom, čo umožňuje vedcom vykonávať spektroskopiu zmenou frekvencie svetla, ako aj uskutočňovať koherentnú analýzu procesov riadením polarizácie laserového lúča.

Meranie vzdialeností od objektov

Laserový lúč je veľmi vhodný na nasmerovanie na študovaný objekt, aj keď je tento objekt veľmi ďaleko, pretože divergencia laserového lúča je veľmi malá. V roku 2018 bol v rámci experimentu nasmerovaný laserový lúč z čínskeho observatória Yunnan na Mesiac. Reflektory Apollo 15, ktoré už boli nainštalované na lunárnom povrchu, odrážali lúč späť na Zem, kde ho observatórium prijalo.

Je známe, že laserové svetlo, rovnako ako akékoľvek elektromagnetické vlny, sa pohybuje konštantnou rýchlosťou - rýchlosťou svetla. Merania času prechodu lúčom ukázali, že vzdialenosť od observatória k Mesiacu v intervale od 21:25 do 22:31 Pekingského času 22. januára 2018 sa pohybovala od 385823 433 do 387119 600 kilometrov.

Laserový zameriavač vzdialenosti, ktorý nemá také veľké vzdialenosti, ako je vzdialenosť od Zeme k Mesiacu, pracuje na podobnom princípe. Impulzný laser vysiela lúč k objektu, z ktorého sa lúč odráža. Detektor žiarenia prijíma odrazený lúč. Po zohľadnení času medzi začiatkom žiarenia a okamihom, keď detektor zachytil odrazený lúč, ako aj rýchlosťou svetla, elektronika zariadenia vypočíta vzdialenosť k objektu.

Adaptívna optika a kompenzácia atmosférickej deformácie

Ak pozorujete vzdialený astronomický objekt od Zeme cez ďalekohľad, ukáže sa, že atmosféra vnesie do výsledného obrazu tohto objektu určité optické skreslenie. Na odstránenie týchto skreslení sa používajú metódy tzv. Adaptívnej optiky - skreslenie sa meria a kompenzuje.

Aby sa dosiahol tento cieľ, je silný laserový lúč nasmerovaný na pozorovaný objekt, ktorý, podobne ako jednoduché svetlo, podlieha rozptylu v atmosfére a vytvára „umelú hviezdu“, svetlo, z ktorého po ceste späť k pozorovateľovi zažívajú rovnaké optické skreslenie v hornej časti atmosférické vrstvy, ako aj obraz pozorovaného astronomického objektu.

Informácie o skreslení sa spracúvajú a používajú na kompenzáciu optického skreslenia vhodným nastavením obrazu pozorovaného astronomického objektu. Výsledkom je, že obraz objektu je „čistejší“.

Biológia a fotochémia

V biochemických štúdiách tvorby a fungovania proteínov sú užitočné ultrakrátke laserové pulzy s dobou femtosekundy.Tieto impulzy umožňujú iniciovať a študovať chemické reakcie s vysokým časovým rozlíšením, aby sa našli a študovali aj chemické zlúčeniny s nízkou životnosťou.

Zmenou polarizácie svetelného impulzu môžu vedci určiť potrebný smer chemickej reakcie a zvoliť si z niekoľkých možných scenárov vývoja udalostí v priebehu presne vymedzenej reakcie.

Laserová pulzná magnetizácia

V súčasnosti prebieha výskum možnosti ultrarýchlych zmien v magnetizácii médií pomocou ultra krátkych laserových pulzov trvajúcich niekoľko femtosekúnd. Už teraz sa dosiahla ultra rýchla demagnetizácia laserom za 0,2 pikosekundy, ako aj optická kontrola magnetizácie polarizáciou svetla.

Laserové chladenie

Uskutočnili sa včasné experimenty s chladením laserom s iónmi. Ióny boli držané elektromagnetickým poľom v iónovom lapači, kde boli osvetlené lúčom laserového svetla. V procese nepružných zrážok s fotónmi ióny stratili energiu a tým sa dosiahli ultrafialové teploty.

Potom bol nájdený praktickejší spôsob laserového chladenia pevných látok - anti-Stokesove chladenie, ktoré spočíva v nasledujúcom. Atóm média, ktorý je v stave tesne nad základným stavom (na vibračnej úrovni), bol excitovaný na energiu tesne pod excitovaným stavom (na vibračnej úrovni) a po absorpcii fonónu prešiel atóm do excitovaného stavu. Potom atóm emitoval fotón, ktorého energia je vyššia ako energia pumpy a prešiel do základného stavu.

Lasery vo fúznych prevádzkach

Problém udržiavania zahrievanej plazmy vo vnútri termonukleárneho reaktora môže byť tiež vyriešený laserom. Malý objem termonukleárneho paliva je ožarovaný zo všetkých strán na niekoľko nanosekúnd výkonným laserom.

Cieľový povrch sa vyparuje, čo vedie k enormnému tlaku na vnútorné vrstvy paliva, takže terč prežíva veľmi silné stlačenie a zhutnenie a pri určitej teplote sa môžu termonukleárne fúzne reakcie vyskytnúť už v takom zhutnenom cieli. Zahrievanie je možné aj pomocou ultra-výkonných femtosekundových laserových pulzov.

Laserové optické pinzety

Laserové pinzety umožňujú manipuláciu s mikroskopickými dielektrickými objektmi pomocou svetla z laserovej diódy: sily sa vyvíjajú na objekty v rámci niekoľkých nanonewtonov a merajú sa aj malé vzdialenosti od niekoľkých nanometrov. Tieto optické zariadenia sa dnes používajú pri štúdiu proteínov, ich štruktúry a práce.

Bojové a obranné laserové zbrane

Na začiatku druhej polovice 20. storočia sa v Sovietskom zväze už vyvinuli vysokovýkonné lasery, ktoré sa mohli použiť ako zbrane schopné zasiahnuť ciele v záujme protiraketovej obrany. V roku 2009 Američania oznámili vytvorenie mobilného polovodičového laseru s výkonom 100 kW, ktorý je teoreticky schopný zasiahnuť letecké a pozemné ciele potenciálneho nepriateľa.

Laserový zameriavač

Malý laserový svetelný zdroj je pevne pripevnený k hlavni pušky alebo pištole, takže jej lúč je nasmerovaný rovnobežne s hlavňou. Keď mieri na cieľ, strelec vidí malú škvrnu na terči kvôli malej divergencii laserového lúča.

Najčastejšie sa na takéto zameriavače používajú červené laserové diódy alebo infračervené laserové diódy (takže bod je viditeľný iba v zariadení pre nočné videnie). Pre väčší kontrast za denného svetla sa používajú laserové zameriavače so zelenými laserovými LED diódami.

Podvádzanie vojenského protivníka

Nízkoenergetický laserový lúč je nasmerovaný na nepriateľské vojenské vybavenie. Nepriateľ odhaľuje túto skutočnosť, je presvedčený, že nejaká zbraň je namierená proti nemu, a je nútený naliehavo prijať opatrenia na obranu namiesto toho, aby zaútočil.

Laserom navádzaná strela

Je vhodné použiť odrazené miesto laserového lúča na zameranie lietajúceho strely, ako je raketa vypustená z lietadla. Terč osvetľuje laser zo zeme alebo z lietadla, ktorým je projektil vedený. Laser sa bežne používa infračervené, pretože jeho detekcia je ťažšia.

Laserové kalenie

Povrch kovu sa zahrieva laserom na kritickú teplotu, zatiaľ čo teplo preniká hlboko do produktu kvôli jeho tepelnej vodivosti. Hneď ako sa laserové pôsobenie zastaví, produkt rýchlo ochladzuje v dôsledku prenikania tepla dovnútra, kde sa začínajú tvoriť vytvrdzovacie štruktúry, ktoré bránia rýchlemu opotrebeniu počas budúceho použitia produktu.

Laserové žíhanie a temperovanie

Žíhanie je typ tepelného spracovania, pri ktorom sa produkt najskôr zahreje na určitú teplotu, potom sa udržuje pri tejto teplote určitý čas a potom sa pomaly ochladí na teplotu miestnosti.

To znižuje tvrdosť kovu, uľahčuje jeho ďalšie mechanické spracovanie, zatiaľ čo zlepšuje mikroštruktúru a dosahuje väčšiu rovnomernosť kovu, zmierňuje vnútorné napätie. Laserové žíhanie umožňuje týmto spôsobom spracovať malé kovové časti.

Dovolenka sa uskutočňuje s cieľom dosiahnuť vyššiu ťažnosť a znížiť krehkosť materiálu pri zachovaní prijateľnej úrovne jeho pevnosti v spojoch častí. Na tento účel sa výrobok zahrieva laserom na teplotu 150–260 ° C až 370–650 ° C, po čom nasleduje pomalé chladenie (ochladzovanie).

Laserové čistenie a dekontaminácia povrchov

Táto metóda čistenia sa používa na odstránenie povrchových nečistôt z predmetov, pamiatok, umeleckých diel. Na čistenie výrobkov z rádioaktívnej kontaminácie a na čistenie mikroelektroniky. Tento spôsob čistenia je zbavený nevýhod, ktoré sú spojené s mechanickým brúsením, abrazívnym spracovaním, spracovaním vibrácií atď.

Laserová fúzia a amorfizácia

Vysokorýchlostná amorfizácia pripraveného povrchu zliatiny pomocou skenovacieho lúča alebo krátkeho impulzu sa dosiahne vďaka rýchlemu odvádzaniu tepla, počas ktorého sa tavenina zamŕza, vytvára sa kovové sklo s vysokou tvrdosťou, odolnosťou proti korózii a zlepšením magnetických charakteristík. Predbežný poťahovací materiál je vybraný tak, že spolu s hlavným materiálom tvorí kompozíciu náchylnú na amorfizáciu pôsobením lasera.

Laserové legovanie a povrchová úprava

Priradenie kovového povrchu laserom zvyšuje jeho mikrotvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu.

Metóda laserového navárania umožňuje nanášanie povrchových vrstiev odolných voči opotrebeniu. Používa sa pri obnove vysoko presných dielov používaných v podmienkach zvýšeného opotrebenia, napríklad ventilov ICE a iných častí motora. Táto metóda má vynikajúcu kvalitu ako naprašovanie, pretože sa tu tvorí monolitická vrstva spojená so základňou.

Vákuové laserové striekanie

Vo vákuu sa časť materiálu odparí laserom, potom sa údaje o odparení kondenzujú na špeciálnom substráte, kde spolu s inými produktmi tvoria materiál s potrebným novým chemickým zložením.

Laserové zváranie

Sľubná metóda priemyselného zvárania pomocou vysoko výkonných laserov, ktorá poskytuje veľmi hladký, úzky a hlboký zvar. Na rozdiel od konvenčných metód zvárania je výkon lasera regulovaný presnejšie, čo umožňuje veľmi presnú kontrolu hĺbky a ďalších parametrov zvaru. Zvárací laser dokáže zvárať silné časti vysokou rýchlosťou, stačí pridať energiu a tepelný efekt na priľahlé oblasti je minimálny. Zvar sa získa lepšie, ako aj akékoľvek spojenie získané touto metódou.

Rezanie laserom

Vysoká koncentrácia energie v zaostrenom laserovom lúči umožňuje rezať takmer akýkoľvek známy materiál, zatiaľ čo rez je úzky a zóna ovplyvnená teplom je minimálna. Preto neexistujú žiadne významné zvyškové kmene.

Laserové písanie

Na následné rozdelenie na menšie prvky sú napísané polovodičové doštičky - laserom sa nanášajú hlboké drážky. Tu sa dosiahne vyššia presnosť ako pri použití diamantového nástroja.

Hĺbka drážky je od 40 do 125 mikrónov, šírka je od 20 do 40 mikrónov, s hrúbkou spracovanej platne od 150 do 300 mikrónov. Drážky sa vyrábajú pri rýchlostiach až 250 mm za sekundu. Produkcia hotových výrobkov je vyššia, manželstvo je menšie.

Laserové gravírovanie a značenie

Takmer všade v priemysle sa dnes používa laserové gravírovanie a značenie: kresby, nápisy, kódovanie vzoriek, taniere, štítky, umelecká výzdoba, suveníry, šperky, miniatúrne nápisy na najmenších a najkrehkejších výrobkoch - to bolo možné iba vďaka automatizovanému laseru technológie.

Laser v medicíne

Je nemožné preceňovať použiteľnosť laserov v modernej medicíne. Chirurgické lasery sa používajú na koaguláciu exfoliačnej sietnice, laserové skalpely dokážu rezať mäso a kosti sa zvárajú lasermi. Laserový oxid uhličitý zvára biologické tkanivá.

Pokiaľ ide o medicínu, vedci v tomto smere samozrejme musia každý rok vylepšovať a vylepšovať technológiu používania určitých laserov, aby sa predišlo škodlivým vedľajším účinkom na okolité tkanivá. Stáva sa, že laser lieči jedno miesto, ale okamžite má deštruktívny účinok na susedný orgán alebo na bunku, ktorá sa pod ním náhodou dostane.

Ďalšie súpravy nástrojov špeciálne navrhnuté tak, aby spolupracovali s chirurgickým laserom, umožnili lekárom uspieť v gastrointestinálnej chirurgii, chirurgii žlčových ciest, sleziny, pľúc a pečene.

Odstránenie tetovania, korekcia zraku, gynekológia, urológia, laparoskopia, zubné lekárstvo, odstránenie nádorov mozgu a miechy - to všetko dnes je možné len vďaka modernej laserovej technológii.

Informačné technológie, dizajn, životnosť a laser

CD, DVD, BD, holografia, laserové tlačiarne, snímače čiarových kódov, bezpečnostné systémy (bezpečnostné prekážky), svetelné predstavenia, multimediálne prezentácie, ukazovatele atď. Len si predstavte, ako by náš svet vyzeral, keby z neho zmizol laser ...