Den praktiske anvendelse af lasere

Opfindelsen af ​​laser kan med rette betragtes som en af ​​de mest markante opdagelser i det 20. århundrede. Selv i begyndelsen af ​​udviklingen af ​​denne teknologi profeterede de allerede en fuldstændig alsidig anvendelighed, lige fra starten var udsigten til at løse en række problemer synlige, på trods af at nogle opgaver ikke engang var synlige i horisonten på det tidspunkt.

Medicin og astronautik, termonuklear fusion og de nyeste våbensystemer er blot nogle af de områder, hvor laseren bruges med succes i dag. Lad os se, hvor laseren fandt praktisk anvendelse, og se storheden ved denne vidunderlige opfindelse, som skylder et antal forskere.

Laserspektroskopi

Monokromatisk laserstråling kan i princippet opnås med en hvilken som helst bølgelængde, både i form af en kontinuerlig bølge med en bestemt frekvens og i form af korte pulser, der varer op til fraktioner af et femtosekund. Med fokus på prøven, der undersøges, gennemgår laserstrålen ikke-lineære optiske effekter, som gør det muligt for forskere at udføre spektroskopi ved at ændre lysfrekvensen samt gennemføre en sammenhængende analyse af processer ved at kontrollere polarisationen af ​​laserstrålen.

Måling af afstand til genstande

Laserstrålen er meget praktisk at rette til objektet, der undersøges, selvom dette objekt er meget langt væk, fordi laserstrålens afvigelse er meget lille. Så i 2018, som en del af et eksperiment, blev en laserstråle rettet fra Yunnan Chinese Observatory til månen. Apollo 15-reflektorer, som allerede var installeret på månens overflade, reflekterede bjælken tilbage til Jorden, hvor den blev modtaget af observatoriet.

Det er kendt, at laserlys, som enhver elektromagnetisk bølge, bevæger sig med en konstant hastighed - med lysets hastighed. Målinger af bjælkens rejsetid viste, at afstanden fra observatoriet til månen i intervallet fra 21:25 til 22:31 Beijing-tid den 22. januar 2018 varierede fra 385823.433 til 387119.600 kilometer.

Laserintervaller, for ikke så store afstande som afstanden fra Jorden til Månen, fungerer efter et lignende princip. En pulseret laser sender en stråle til et objekt, hvorfra strålen reflekteres. Strålingsdetektoren modtager en reflekteret stråle. Under hensyntagen til tiden mellem strålingens start og det tidspunkt, hvor detektoren fangede den reflekterede stråle, såvel som lysets hastighed, beregner enhedens elektronik afstanden til objektet.

Adaptiv optik og atmosfærisk forvrængningskompensation

Hvis du observerer et fjernt astronomisk objekt fra jorden gennem et teleskop, viser det sig, at atmosfæren indfører visse optiske forvrængninger i det resulterende billede af dette objekt. For at fjerne disse forvrængninger anvendes metoder til den såkaldte adaptive optik - forvrængninger måles og kompenseres.

For at nå dette mål rettes en kraftig laserstråle mod det observerede objekt, som ligesom simpelt lys gennemgår spredning i atmosfæren og danner en ”kunstig stjerne”, lyset, hvorfra man på vej tilbage til observatøren oplever nøjagtigt de samme optiske forvrængninger i den øverste atmosfæriske lag såvel som billedet af det observerede astronomiske objekt.

Forvrængningsinformationen behandles og bruges til at kompensere for optisk forvrængning ved passende justering af billedet af det observerede astronomiske objekt. Som et resultat er billedet af objektet mere "rent".

Bio- og fotokemi

I biokemiske undersøgelser af dannelse og funktion af proteiner er ultrashort-laserpulser af femtosekunders varighed nyttige.Disse impulser gør det muligt at starte og undersøge kemiske reaktioner med en høj tidsopløsning for at finde og undersøge selv lavtlevende kemiske forbindelser.

Ved at ændre polarisering af lyspulsen kan forskere indstille den nødvendige retning for den kemiske reaktion ved at vælge fra et par mulige scenarier for udvikling af begivenheder under den strengt definerede reaktion.

Laserpulsmagnetisering

I dag forskes der på muligheden for ultrahurtige ændringer i magnetiseringen af ​​medier ved hjælp af ultrashort-laserpulser af få femtosekunders varighed. Allerede nu opnået ultrahurtig demagnetisering ved hjælp af en laser på 0,2 picosekunder, såvel som optisk styring af magnetisering ved polarisering af lys.

Laserkøling

Tidlige laserafkøling eksperimenter blev udført med ioner. Ioner blev holdt af et elektromagnetisk felt i en ionfælde, hvor de blev oplyst af en laserstråle. I processen med uelastisk kollision med fotoner mistede ioner energi, og derved blev ultralow-temperaturer nået.

Derefter blev der fundet en mere praktisk metode til laserafkøling af faste stoffer - anti-Stokes afkøling, som består af følgende. Et atom i mediet, der befandt sig i en tilstand lige over jordtilstanden (på vibrationsniveauet), blev begejstret til energi lige under den ophidsede tilstand (på vibrationsniveauet), og ved at absorbere fononet passerede atomet til den ophidsede tilstand. Derefter udsendte atomet en foton, hvis energi er højere end pumpenergien, der går ind i jordtilstanden.

Lasere i fusionsplanter

Problemet med at holde opvarmet plasma inde i en termonuklear reaktor kan også løses med en laser. Et lille volumen termonukleart brændstof bestråles fra alle sider i adskillige nanosekunder med en kraftig laser.

Måloverfladen fordamper, hvilket fører til et enormt tryk på de indre lag af brændstoffet, hvorved målet oplever en meget lang kompression og komprimering, og ved en bestemt temperatur kan der allerede forekomme termonukleære fusionsreaktioner i et sådant komprimeret mål. Opvarmning er også mulig ved hjælp af ultra-kraftige femtosekund laserpulser.

Laserbaseret optisk pincet

Laserpincet gør det muligt at manipulere mikroskopiske dielektriske objekter ved hjælp af lys fra en laserdiode: kræfter påføres objekter inden for et par nanonewtons, og der måles også små afstande fra flere nanometer. Disse optiske enheder bruges i dag i studiet af proteiner, deres struktur og arbejde.

Bekæmpende og defensive laservåben

I begyndelsen af ​​anden halvdel af det 20. århundrede blev der allerede udviklet højeffektlasere i Sovjetunionen, der kunne bruges som våben, der kan ramme mål med henblik på missilforsvar. I 2009 bebudede amerikanerne oprettelsen af ​​en 100 kW mobil solid-state laser, der teoretisk er i stand til at ramme luft- og jordmål for en potentiel modstander.

Lasersyn

En lille laserlyskilde er stift fastgjort til tønden på en rifle eller pistol, så dens stråle er rettet parallelt med tønden. Når man sigter, ser skytten en lille plet på målet på grund af den lille divergens i laserstrålen.

Til sådanne seværdigheder bruges røde laserdioder eller infrarøde laserdioder (så man kun kan se et sted i nattesynsenheden). For større kontrast i dagslysforhold bruges lasersigter med grønne laser-LED'er.

At bedrage en militær modstander

En lavstrøms laserstråle er rettet mod fjendens militære udstyr. Fjenden opdager denne kendsgerning, mener, at en slags våben er rettet mod ham og er tvunget til hurtigt at træffe foranstaltninger til at forsvare i stedet for at iværksætte et angreb.

Laserstyret projektil

Det er praktisk at bruge et reflekteret sted af en laserstråle til at sigte et flyvende projektil, såsom en raket, der er skudt op fra en flyvemaskine. En laser fra jorden eller fra et fly lyser målet, og projektilet styres af det. Laseren bruges ofte infrarødt, da det er sværere at opdage.

Laserhærdning

Overfladearealet af metallet opvarmes af en laser til en kritisk temperatur, mens varmen trænger dybt ind i produktet på grund af dets varmeledningsevne. Så snart laservirkningen stopper, afkøles produktet hurtigt på grund af indtrængen af ​​varme indeni, hvor der begynder at dannes hærder, som forhindrer hurtig slid ved fremtidig brug af produktet.

Laserglødning og temperering

Udglødning er en type varmebehandling, hvor produktet først opvarmes til en bestemt temperatur, derefter holdes det ved denne temperatur i et bestemt tidspunkt, derefter afkøles det langsomt til stuetemperatur.

Dette reducerer metalets hårdhed og letter dets yderligere mekaniske bearbejdning, mens mikrostrukturen forbedres og opnås større ensartethed af metallet, lindrer interne spændinger. Laserglødning giver dig mulighed for at behandle små metaldele på denne måde.

Ferie udføres for at opnå højere duktilitet og reducere materialets skrøbelighed, samtidig med at det opretholdes et acceptabelt niveau af dets styrke ved samlingerne af delene. Til dette opvarmes produktet til en temperatur fra 150-260 ° C til 370–650 ° C, efterfulgt af langsom afkøling (afkøling).

Laserrensning og dekontaminering af overflader

Denne rengøringsmetode bruges til at fjerne overfladeforurening fra genstande, monumenter, kunstværker. Til rengøring af produkter fra radioaktiv forurening og til rengøring af mikroelektronik. Denne rengøringsmetode er fri for ulemperne ved mekanisk slibning, slibebehandling, vibrationsbehandling osv.

Laserfusion og amorfisering

Amorfisering af høj hastighed af den forberedte legeringsoverflade med en skannestråle eller en kort puls opnås på grund af den hurtige fjernelse af varme, hvor smelten fryser, en slags metalglas med høj hårdhed, korrosionsbestandighed og forbedring af magnetiske egenskaber dannes. Det forbelagte materiale vælges således, at det sammen med hovedmaterialet danner en sammensætning, der er tilbøjelig til amorfisering under virkningen af ​​en laser.

Laserlegering og overfladebehandling

Legering af en metaloverflade med en laser øger dens mikrohårdhed og slidstyrke.

Metoden til laseroverflade giver dig mulighed for at anvende slidbestandigt overfladelag. Det bruges til genopretning af dele med høj præcision, der bruges under forhold med øget slid, f.eks. ICE-ventiler og andre motordele. Denne metode er overlegen i forhold til sputtering, fordi der dannes et monolitisk lag, der er forbundet med basen.

Vakuumlasersprøjtning

I vakuum fordampes en del af materialet med en laser, derefter kondenseres fordampningsdataene på et specielt underlag, hvor de med andre produkter danner et materiale med den nødvendige nye kemiske sammensætning.

Lasersvejsning

En lovende metode til industriel svejsning ved hjælp af lasere med høj effekt, hvilket giver en meget glat, smal og dyb svejsning. I modsætning til traditionelle svejsemetoder styres laserkraften mere præcist, hvilket giver dig mulighed for meget præcist at kontrollere dybden og andre parametre for svejsningen. En svejselaser er i stand til at svejse tykke dele i høj hastighed, du skal bare tilføje strøm, og den termiske effekt på tilstødende områder er minimal. Svejsningen opnås bedre såvel som enhver forbindelse opnået ved denne metode.

Laserskæring

En høj koncentration af energi i den fokuserede laserstråle gør det muligt at skære næsten ethvert kendt materiale, mens snittet er smalt og den varmepåvirkede zone er minimal. Der er følgelig ingen signifikante reststammer.

Laserskrivning

For efterfølgende opdeling i mindre elementer skrives halvlederpladerne - dybe riller påføres med en laser. Her opnås en højere nøjagtighed end ved brug af et diamantværktøj.

Rilledybden er fra 40 til 125 mikron, bredden er fra 20 til 40 mikron, med tykkelsen af ​​den forarbejdede plade fra 150 til 300 mikron. Riller fremstilles i hastigheder op til 250 mm pr. Sekund. Produktionen af ​​færdige produkter er større, ægteskabet er mindre.

Lasergravering og -mærkning

Næsten overalt i industrien bruges i dag lasergravering og -mærkning: tegningstegninger, inskriptioner, kodning af prøver, plader, navneskilt, kunstnerisk udsmykning, souvenirs, smykker, miniatyrinskriptioner på de mindste og mest skrøbelige produkter - blev kun mulig takket være automatiseret laser teknologi.

Laser i medicin

Det er umuligt at overvurdere anvendeligheden af ​​lasere i moderne medicin. Kirurgiske lasere bruges til at koagulere det eksfolierede nethinden i øjet, laser-hovedbunde giver dig mulighed for at skære kød og svejse knogler med lasere. En carbondioxid-laser svejser biologisk væv.

Med hensyn til medicin skal forskere i denne retning naturligvis forbedre og foredle hvert år, forbedre teknologien til at bruge visse lasere for at undgå skadelige bivirkninger på vævene i nærheden. Det sker, at en laser heler et sted, men det har øjeblikkelig en destruktiv virkning på et nærliggende organ eller en celle, der ved et uheld falder under det.

Yderligere værktøjssæt, specielt designet til at arbejde sammen med en kirurgisk laser, gjorde det muligt for læger at få succes med mave-tarmkirurgi, kirurgi i galdekanalen, milten, lungerne og leveren.

Fjernelse af tatovering, synskorrektion, gynækologi, urologi, laparoskopi, tandpleje, fjernelse af hjerne- og rygmarvsvulster - alt dette er muligt i dag kun takket være moderne laserteknologi.

Informationsteknologi, design, liv og laser

CD, DVD, BD, holografi, laserprintere, stregkodelæsere, sikkerhedssystemer (sikkerhedsbarrierer), lysshows, multimediepræsentationer, pointer osv. Forestil dig, hvordan vores verden ville se ud, hvis den forsvandt fra den laseren ...