Încă din momentul dezvoltării sale, laserul a fost numit un dispozitiv care el însuși caută sarcini de rezolvat. Laserele și-au găsit aplicații într-o mare varietate de domenii. Laserul a devenit una dintre cele mai importante invenții ale secolului al XX-lea .
Sursele moderne de radiație laser oferă experimentatorilor lumină monocromatică cu aproape orice lungime de undă dorită . În funcție de sarcina la îndemână, aceasta poate fi fie radiație continuă cu un spectru extrem de îngust, fie impulsuri ultrascurte cu o durată de până la sute de attosecunde (1 as = 10 -18 secunde). Energia ridicată stocată în aceste impulsuri poate fi concentrată asupra eșantionului studiat într-un punct comparabil ca dimensiune cu lungimea de undă, ceea ce face posibilă investigarea diferitelor efecte optice neliniare . Cu ajutorul reglajului frecvenței, se efectuează studii spectroscopice ale acestor efecte, iar controlul polarizării radiației laser face posibilă efectuarea unui control coerent al proceselor studiate.
În timpul zborurilor către Lună de către vehicule cu și fără pilot, mai multe reflectoare speciale de colț au fost livrate la suprafața acesteia . Un fascicul laser special focalizat a fost trimis de pe Pământ cu ajutorul unui telescop și a măsurat timpul necesar pentru a călători la suprafața lunară și înapoi. Pe baza valorii vitezei luminii, a devenit posibil să se calculeze distanța până la lună. Astăzi, parametrii orbitei Lunii sunt cunoscuți la câțiva centimetri.
Utilizarea metodelor de optică adaptivă în telescoapele de la sol poate îmbunătăți semnificativ calitatea imaginii obiectelor astronomice prin măsurarea și compensarea distorsiunilor optice atmosferice . Pentru a face acest lucru, un fascicul laser puternic este îndreptat către observație. Radiația laser este împrăștiată în straturile superioare ale atmosferei, creând o sursă de lumină de referință vizibilă de pe suprafața pământului - o „stea” artificială. Lumina din ea, care a trecut prin straturile atmosferei în drumul său înapoi spre pământ, conține informații despre distorsiunile optice care au loc la un moment dat. Distorsiunile atmosferice măsurate în acest fel sunt compensate de un corector special. De exemplu, o oglindă deformabilă .
Unele tipuri de lasere pot produce impulsuri de lumină ultrascurte măsurate în pico- și femtosecunde (10 -12 - 10 -15 s). Astfel de impulsuri pot fi folosite pentru a declanșa și analiza reacții chimice. Pulsurile ultrascurte pot fi folosite pentru a studia reacțiile chimice cu rezoluție în timp mare, permițând izolarea fiabilă a compușilor cu durată scurtă de viață. Manipularea polarizării pulsului face posibilă alegerea selectivă a direcției unei reacții chimice dintre mai multe posibile ( control coerent ). Astfel de metode își găsesc aplicarea în biochimie , unde sunt folosite pentru a studia formarea și funcționarea proteinelor .
Impulsurile laser ultrascurte sunt folosite pentru controlul ultrarapid al stării magnetice a unui mediu, care face în prezent obiectul unor cercetări intense. Multe fenomene optic-magnetice au fost deja descoperite, cum ar fi demagnetizarea ultrarapidă în 200 femtosecunde (2⋅10 -13 s), remagnetizarea termică prin lumină și controlul optic non-termic al magnetizării prin polarizarea luminii.
Primele experimente de răcire cu laser au fost efectuate cu ioni în capcane de ioni, ionii au fost ținuți în spațiul capcanei folosind un câmp electric și/sau magnetic . Acești ioni au fost iluminați de un fascicul laser și, datorită interacțiunii inelastice cu fotonii , au pierdut energie după fiecare coliziune. Acest efect este folosit pentru a obține temperaturi ultra-scăzute.
Mai târziu, în procesul de îmbunătățire a laserelor, s-au găsit și alte metode, precum răcirea solidelor anti-Stokes - cea mai practică metodă de răcire cu laser de astăzi. Această metodă se bazează pe faptul că atomul este excitat nu din starea electronică fundamentală, ci de la nivelurile vibraționale ale acestei stări (cu o energie puțin mai mare decât energia stării fundamentale) la nivelurile vibraționale ale stării excitate ( cu o energie ceva mai mică decât energia acestei stări excitate). Mai mult, atomul trece neradiativ la nivelul excitat ( absorbând fononi ) și emite un foton la trecerea de la nivelul electronic excitat la cel de la sol (acest foton are mai multă energie decât fotonul pompei ). Atomul absoarbe un fonon și ciclul se repetă.
Există deja sisteme capabile să răcească cristalul de la temperaturi de azot la heliu . Această metodă de răcire este ideală pentru navele spațiale în care nu este disponibil un sistem convențional de răcire.
O modalitate de a efectua o reacție termonucleară este de a menține combustibilul termonuclear pe durata reacției de propriile forțe de inerție. De obicei, în acest caz, un volum mic de combustibil este iradiat cu radiații laser puternice (uneori radiația laser este transformată preliminar în radiații cu raze X) din toate părțile pentru un interval de timp scurt (de ordinul a câteva nanosecunde). Ca urmare a iradierii, suprafața țintă se evaporă, exercitând o presiune enormă asupra straturilor interioare. Această presiune comprimă ținta la densități ultraînalte, astfel încât în ea au loc reacții termonucleare. Încălzirea este posibilă atât direct prin forțe de presiune, cât și folosind un impuls laser suplimentar super-puternic și ultrascurt (de ordinul câtorva femtosecunde).
O pensetă optică este un dispozitiv care vă permite să manipulați obiecte microscopice folosind lumină laser (emisă de obicei de o diodă laser). Vă permite să aplicați forțe de la femtonewtoni la nanonewtoni la obiecte dielectrice și să măsurați distanțe de la câțiva nanometri. În ultimii ani, pensetele optice au fost folosite pentru a studia structura și modul în care funcționează proteinele.
De la mijlocul anilor 1950, în URSS s-au desfășurat lucrări la scară largă pentru a dezvolta și testa arme cu laser de mare putere ca mijloc de distrugere directă a țintelor în interesul apărării strategice antispațiale și antirachetă. Printre altele, au fost implementate programele Terra și Omega . Testele laserelor au fost efectuate la locul de testare Sary-Shagan ( apărare antiaeriană , apărare antirachetă , PKO , SKKP , sistem de avertizare timpurie ) din Kazahstan . După prăbușirea Uniunii Sovietice , lucrările la locul de testare Sary-Shagan au fost oprite.
La mijlocul lunii martie 2009, corporația americană Northrop Grumman a anunțat crearea unui laser electric cu stare solidă cu o putere de aproximativ 100 kW . Dezvoltarea acestui dispozitiv a fost realizată ca parte a unui program de creare a unui complex mobil eficient de lasere conceput pentru a combate ținte terestre și aeriene [1] .
În majoritatea aplicațiilor militare, un laser este folosit pentru a facilita țintirea cu o armă de un fel. De exemplu, o vizor laser este un laser mic, de obicei în domeniul vizibil, atașat la țeava unui pistol sau pușcă, astfel încât fasciculul său să fie paralel cu țeava. Datorită divergenței slabe a fasciculului laser, chiar și la distanțe mari, vederea dă o mică pată. O persoană pur și simplu îndreaptă acest loc către țintă și astfel vede exact unde este îndreptat trunchiul său.
Majoritatea laserelor folosesc o diodă laser roșie. Unii folosesc o diodă în infraroșu pentru a crea un punct care este invizibil cu ochiul liber, dar vizibil pentru ochelarii de vedere pe timp de noapte. În 2007, Lasermax, o companie specializată în producția de lasere în scopuri militare, a anunțat începerea primei producții în masă de lasere verzi disponibile pentru arme de calibru mic [2] . S-a presupus că laserul verde ar fi mai bun decât cel roșu, vizibil în condiții de lumină puternică datorită sensibilității mai mari a retinei umane la regiunea verde a spectrului. Cu toate acestea, după 8 ani, utilizarea laserului verde nu a prins atât de mult pe cât se credea în 2007. Diodele verzi, dispozitive care emit un fascicul verde, s-au dovedit a fi mult mai scumpe de fabricat (de mai multe ori din cauza unui număr mai mare de defecte în comparație cu o diodă roșie). Și durata de viață a diodei verzi s-a dovedit a fi mult mai mică. În total, motivele de mai sus au afectat costul final al echipamentelor care utilizează un laser verde [3] .
Principiul acestor sisteme se bazează pe faptul că fasciculul, care trece prin lentile, va fi reflectat de un obiect sensibil la lumină (convertoare optice, retină etc.).
Ca avantaj, astfel de sisteme sunt active, adică detectează lunetiştii înainte de împuşcătură, şi nu după. Pe de altă parte, aceste sisteme se demasc, fiind emițători.
Astfel de sisteme sunt produse atât în Rusia [4] , cât și în alte țări.
Blocarea este posibilă prin „scanarea” terenului cu un fascicul laser, împiedicând lunetiştii inamici să efectueze foc ţintit sau chiar să observe prin dispozitive optice.
În acest caz, se referă la arme „non-letale”, al căror scop principal este de a preveni un atac din partea inamicului. Dispozitivul creează un fascicul laser de putere redusă îndreptat către inamic (această tehnologie este folosită în principal împotriva aeronavelor și tancurilor). Inamicul crede că o armă de precizie este îndreptată spre el, el este forțat să se ascundă sau să se retragă în loc să-și dea propria lovitură.
Un telemetru laser este un dispozitiv format dintr-un laser pulsat și un detector de radiații . Măsurând timpul necesar fasciculului pentru a ajunge la reflector și înapoi și cunoscând valoarea vitezei luminii , puteți calcula distanța dintre laser și obiectul care reflectă. Un telemetru laser este cea mai simplă versiune a unui lidar . Valoarea distanței țintă poate fi utilizată pentru a ținti o armă, cum ar fi un tun de tanc .
O altă aplicație militară a laserelor este sistemele de ghidare a armelor. Astfel de sisteme sunt un laser de putere redusă care „iluminează” ținta pentru munițiile ghidate cu laser - bombe „inteligente” sau rachete lansate dintr -o aeronavă . Racheta își schimbă automat zborul, concentrându-se pe punctul reflectat al fasciculului laser pe țintă, asigurând astfel o precizie ridicată a loviturii. Emițătorul laser poate fi amplasat atât pe aeronavă în sine, cât și pe sol. Laserele cu infraroșu sunt de obicei folosite în dispozitivele de ghidare cu laser , deoarece munca lor este mai ușor de ascuns de inamic.
Prima aplicație militară a laserelor care îmi vine în minte este, de obicei, utilizarea lor în proiectarea armelor mici laser capabile să distrugă infanterie , tancuri și chiar avioane . În practică, astfel de idei se confruntă imediat cu un obstacol serios - cu nivelul actual de tehnologie, un laser capabil să provoace daune unei persoane (ținând cont de sursa de alimentare) va fi prea greu pentru a fi transportat singur și un dispozitiv cu suficientă putere dezactivarea unui rezervor va fi un dispozitiv extrem de greoaie și sensibil la vibrații, ceea ce va face imposibilă utilizarea lui pe teren. În primul rând, acest lucru se datorează eficienței extrem de scăzute a laserului: pentru a obține o cantitate suficientă (pentru a deteriora ținta) de energie radiată, este necesar să cheltuiți de zeci (uneori de sute) de ori mai multă energie pentru a pompa funcționarea. corpul laserului. În special, pentru a provoca daune similare cu impactul unui glonț de calibru .30 (din punct de vedere al energiei), este necesar un impuls laser cu o putere de aproximativ 5 kilojuli; 1,6 kilojuli ar fi echivalent cu un glonț de 9 mm, respectiv. Prin urmare, un impuls de raze care durează pe secundă ar trebui să aibă o putere de 1600 de wați. În acest caz, ar trebui luat în considerare factorul de mai sus de eficiență scăzută a laserului, respectiv, sursa de alimentare trebuie să furnizeze de cel puțin zece ori mai multă putere (în cel mai bun caz). Masa surselor de energie pentru pompare este cea care, în mare măsură, va determina severitatea unei astfel de arme. În prezent, surse portabile de energie cu o asemenea densitate de energie nu există. De asemenea, trebuie remarcat faptul că restul energiei care nu este emisă în impulsul laser va fi eliberată sub formă de căldură în structura armei, ceea ce va necesita un sistem de răcire foarte eficient și greu pentru a elibera căldură. Și timpul de răcire necesar, la rândul său, va reduce foarte mult rata de tragere a armei. Să facem o rezervă că problema eliminării căldurii este parțial rezolvată în laserele pompate chimic (în special, laserele cu oxigen-iod și deuteriu-fluor de mare putere care produc impulsuri megawați pe secundă), unde componentele chimice uzate sunt ejectate din sistem. după puls, ducând căldura. În același timp, emițătorul necesită o cantitate mare din acești reactivi adesea agresivi și recipiente de depozitare adecvate.
Singurul lucru rămas este posibilitatea folosirii unui laser pentru a orbi inamicul, deoarece în acest scop sunt necesare lasere de foarte mică putere, care pot fi portabile. În prezent, utilizarea unor astfel de dispozitive este interzisă de regulile internaționale de război. Cu toate acestea, laserele de putere mică, inclusiv pointerii laser , sunt folosite într-o măsură limitată pentru a orbi lunetiştii inamici şi pentru a dezvălui amplasamente ascunse ale armelor.
În anii 1960 au fost efectuate primele studii privind utilizarea laserelor în medicină. Au avut loc în clinicile de MMA . I. M. Sechenov , CITO , Institutul Central de Cercetare de Balneologie și Fizioterapie , dezvoltatorul primelor dispozitive medicale cu laser din URSS a fost Întreprinderea de cercetare și producție Istok ( Fryazino , Regiunea Moscova ). Au fost studiate posibilitățile de utilizare a laserelor heliu-neon cu o lungime de undă de 0,63 μm în practica clinică. S-a dovedit oportunitatea utilizării laserelor heliu-neon în scopuri medicale, iar în 1972 s-a obținut permisiunea de la Ministerul Sănătății al URSS pentru utilizarea radiațiilor laser cu heliu-neon de putere redusă în terapie [6] .
Lucrările privind utilizarea laserelor în chirurgie în URSS au început în 1965 la MNIOI. P. A. Herzen (condus de profesorul S. D. Pletnev) împreună cu NPP Istok (condus de academicianul Academiei de Științe a URSS N. D. Devyatkov și V. P. Belyaev). Au fost utilizate lasere cu CO 2 de înaltă energie cu o lungime de undă de 10,6 μm. Pe baza rezultatelor acestor lucrări, NPP Istok a creat mai multe modificări ale unităților chirurgicale cu laser, care au fost transferate în clinici și utilizate în operații chirurgicale [6] .
Odată cu apariția laserelor industriale, a început o nouă eră în chirurgie. Totodată, a fost utilă experiența specialiștilor în prelucrarea metalelor cu laser. Sudarea cu laser a retinei exfoliate a ochiului este sudarea în puncte; bisturiu laser - tăiere autogenă; sudare osoasă - sudare cap la cap; legătura țesutului muscular este și sudarea de contact.
Pentru ca radiația laser să aibă vreun efect, aceasta trebuie să fie absorbită de țesut. Cel mai popular laser în chirurgie este dioxidul de carbon. Alte lasere sunt monocromatice , adică încălzesc, distrug sau sudează doar anumite țesuturi biologice cu o culoare bine definită. De exemplu, un fascicul laser cu argon trece liber prin corpul vitros înghețat și își eliberează energia retinei, a cărei culoare este aproape de roșu.
Un laser cu dioxid de carbon este potrivit pentru majoritatea aplicațiilor, cum ar fi atunci când trebuie să tăiați sau să sudați țesături de diferite culori între ele. Totuși, acest lucru ridică o altă problemă. Țesuturile sunt saturate cu sânge și limfă , conțin multă apă, iar radiația laser din apă pierde energie. Este posibilă creșterea energiei razei laser, dar acest lucru poate duce la arderea țesuturilor. Creatorii laserelor chirurgicale trebuie să recurgă la tot felul de trucuri, ceea ce crește foarte mult costul echipamentului.
Sudorii de metale știu de mult că atunci când tăiați un teanc de foi subțiri de metal, este necesar ca acestea să se potrivească perfect, iar atunci când sudează prin puncte, este necesară o presiune suplimentară pentru a intra în contact strâns cu piesele care trebuie sudate.
Această metodă a fost folosită și în chirurgie: profesorul O. K. Skobelkin și coautorii săi au sugerat ca atunci când sudați țesuturile, să le strângeți ușor pentru a forța sângele. Pentru a implementa noua metodă, a fost creat un întreg set de instrumente, care este folosit astăzi în chirurgia gastrointestinală , în timpul operațiilor la tractul biliar , splina , ficat și plămâni .
Spectacol cu laser