Багато термінів перейшло в суспільну свідомість із галузі науки, тому ми можемо почути слово лазер поетапно. Але чи знаємо ми, скільки існує різновидів, для чого їх використовують і які можливості має майбутнє? У багатьох сферах нашого повсякденного життя ми стикаємося з лазерами. На касах магазинів лазерний зчитувач коду ідентифікує придбаний товар, лазерний промінь сканує цифрову інформацію, записану на диску в нашому програвачі компакт-дисків, а в компакт-диску нашого комп’ютера дані записуються так само. Миготливі промені шоу зробити це ще більш вражаючим.
На одному кінці відстані, що вимірюється, знаходиться лазер, на іншому кінці - так званий є кутове дзеркало (дзеркало, яке відображає світло паралельно самому собі); порівнюючи фазу пускового та зворотного пучків, вимірювана відстань може бути визначена за допомогою радіотехнології. Точність вимірювання становить кілька сантиметрів, відстань, виміряна таким чином, становить приблизно. 60 км.
Вимірювання відстані шпильки
Імпульсні лазерні далекоміри працюють за іншим принципом: тут вони спрямовують сильний лазерний імпульс на об'єкт, що підлягає вимірюванню, і вимірюють час, що пройшов між виявленням випромінювання та виявленням випромінювання, відсіяного від об'єкта. Точність вимірювання менша (кілька дм), вимірювана відстань - приблизно. 10 км. Однак за тим же принципом космічні відстані можна виміряти з високою точністю за допомогою більш потужних лазерів і додатково зменшуючи відстань лазерного променя за допомогою дзеркал.
Можливості добре ілюструє Місячна експедиція Аполлона 1969 року. Потім на поверхню Місяця було розміщено систему кутових дзеркал, і з Землі було «випущено» потужний короткий лазерний імпульс і виміряно час, що минув між виявленням випущених і повернутих фотонів. Найбільшою проблемою було не саме вимірювання, а пошук системи кутових дзеркал на Місяці, оскільки діаметр лазерного променя на Місяці становив лише 200 м! Таким чином вдалося визначити Землю-Місяць приблизно. 380 000 км з точністю до 15 см.
Точне вимірювання невеликих відстаней вимагає іншого методу. Тут використовується порядок і узгодженість лазерного світла. Так звані. в лазерному інтерферометрі лазерний промінь ділиться на два підпромені, а потім знову збирається шляхом відображення на дзеркалах. Через перешкоди світла два підпромені підсилюють або гасять один одного відповідно до різниці шляху. Якщо один шлях світла підтримується постійним, тоді як в іншому дзеркало, що відбиває, переміщується з однієї кінцевої точки відстані, яку потрібно виміряти, до іншої кінцевої точки, воно періодично посилюється або відбувається вимирання.
Один період - це рівно половина довжини хвилі лазерного світла. Вимірюючи кількість змін, якщо ми знаємо довжину хвилі лазера, можна визначити відстань між початковою та кінцевою точками. Тут точність вимірювання в першу чергу визначається постійною довжиною хвилі лазера. Сьогодні існують лазери безперервної дії з робочою довжиною хвилі від 10-12 до 10-13, що визначаються з відносною точністю і постійною. Досяжна точність вимірювання для комерційно доступних приладів перевищує 0,1 мкм на відстані 10 м. Сучасна промисловість дуже потребує таких точних вимірювальних приладів, наприклад, при виготовленні та експлуатації прецизійних обробних верстатів або в управлінні обладнанням для виробництва мікроелектронних приладів.
У майстерні та на лузі
Ще одним дуже широким спектром перевірених і широко використовуваних лазерних програм є обробка лазерного матеріалу. Тут використовується, що спрямований лазерний промінь може бути сфокусований лінзою або увігнутим дзеркалом до дуже малого розміру (кілька мкм плям), і якщо потужність лазера досить висока, може бути досягнуте в цій невеликій лазерній плямі. Абсорбуюче лазерне світло нагріває матеріал до такої високої температури, що він плавиться або випаровується. Крім того, лазерний промінь можна легко контролювати і положення оброблюваної лазерної плями можна контролювати.
Обладнання для лазерного різання, зварювання та термообробки, що працює за цим принципом, має численні переваги: швидка, точна, рівна поверхня різання, рівний шов тощо. і може використовуватися на найтвердіших матеріалах. Єдиним їх недоліком є те, що вони досить дорогі, і тому їх використання в основному здійснюється у високоприбутковому масовому виробництві, наприклад він поширився в автомобільній промисловості або в галузях, що вимагають точних методів, таких як аерокосмічна промисловість. Потужність використовуваних лазерів (постійно діючий діоксид вуглецю або Nd-YAG) становить 1-10 кВт. Варто згадати, що твердотільні імпульсні лазери також використовуються для виготовлення точних отворів і в деяких зварювальних завданнях.
Варто коротко згадати тут подібне застосування - лазерна хірургія; лазерний скальпель успішно застосовується в міфічній практиці вже кілька років. Тут використовуються ті самі вигідні властивості лазерного променя, що і при механічній обробці: добре керований, сфокусований на невеликій ділянці, при високій температурі, що досягається в цьому місці, виділена тканина тіла локально випаровується, при цьому навколишнє середовище не пошкоджується. Лазерний промінь може надходити на зовнішні поверхні тіла безпосередньо до внутрішніх частин тіла за допомогою світловодного волокна (ендоскопа). & Iacutegy можна оперувати з високою точністю, з невеликою кровотечею, на різних ураженнях очей, шкіри, гортані, стравоходу, вух, носа, шлунка, кишечника та сечового міхура. У міфах використовуються менші лазери (CO2, Nd-YAG, аргон) потужністю 5-100 Вт. Сьогодні ми можемо знайти таке обладнання у багатьох місцях і в угорських лікарнях.
Іншою, але не менш важливою областю застосування є лазерний підрахунок часток, який в основному використовується в охороні навколишнього середовища. Тут ми в основному маємо справу з вимірюванням пилового забруднення повітря, але лазерні вимірювальні прилади, що використовуються, також можуть бути використані в багатьох інших областях, де мікроскопічні частинки повинні досліджуватися, наприклад в токсикології, фармацевтиці, хімії, мікроелектроніці.
Небезпечні частинки пилу
Крихітні невидимі частинки пилу, що плавають у повітрі, впливають на весь живий світ, а отже, і на нас, людей. Під час дихання ми щодня всмоктуємо мільярди частинок пилу в наше тіло. Деякі з них відкладаються в легенях, як у живому скальпелі. Досвід показав, що менша частка широкого спектру частинок пилу різного розміру не може випорожнитися з легенів і, осідаючи тут, роками чинить шкідливий вплив. Це може спричинити захворювання легенів та інших органів дихання, не рідко злоякісні процеси. Тому існує велика потреба зібрати якомога більше інформації про частинки пилу, що потрапляють у повітря, щоб якомога точніше виявити їх зв’язок із захворюваннями та знайти відповідні заходи протидії.
Вимірювання вмісту пилу в повітрі базується на розсіюванні лазерного світла на цих частинках. Випробовуване повітря пропускається через вимірювальну комірку і висвітлюється з певного напрямку вузькофокусованим лазерним променем. Лазерне світло розсіюється у всіх напрямках на частинках, що проходять через промінь. Ці слабкі, розсіяні імпульси світла вимірюються за допомогою чутливого детектора, а отримані сигнали детектора підсумовуються та аналізуються за допомогою комп'ютера. Кількість виявлених імпульсів дає кількість частинок пилу в даному вимірюваному об'ємі, а їх амплітуда пропорційна розміру частинок, що розсіюються. За допомогою відповідного калібрування розподіл частинок пилу в повітрі за розмірами може бути визначений у дуже широкому діапазоні розмірів (до нижньої межі близько 0,1 мкм), і, таким чином, сила тяжіння частинок пилу в кожному діапазоні розмірів може бути відомим.
Також розробляються методи вимірювання для визначення форми та електричного заряду частинок. Можливо, нецікаво згадати, що такий мірний автомобіль - оснащений вітчизняними приладами - вже ходить вулицями Будапешта.
Ми могли б продовжувати і розповідати про різні лазерні програми. Після їх відкриття розвивалися абсолютно нові галузі науки. Такий випадок з лазерною спектроскопією, коли заміна джерел світла класичної спектроскопії лазером відкрила абсолютно нові можливості для дослідників фізичної, хімічної та біологічної структури. Такий випадок з голографією, теоретична основа якої раніше була розроблена нашим співвітчизником, лауреатом Нобелівської премії Габором Денесом, але за відсутності когерентного джерела світла з адекватними характеристиками вона представляла науковий інтерес лише до появи лазерів. Сьогодні вони широко використовуються в багатьох галузях техніки, і навіть на стінах нашої кімнати ми можемо милуватися прекрасними тривимірними голограмами, виготовленими за допомогою лазерів, а фальшивомонетники сумно хитають головами від голограм на банкнотах.
Величезна енергія
Також існує низка нових лазерних методик, які були розроблені лише на лабораторному рівні, і майбутнє застосування яких є дуже перспективним. Ось лише один з них: експерименти для досягнення лазерного ядерного синтезу.
Відомо, що виснаження звичайних джерел енергії є серйозною проблемою для людства. Енергія, вироблена реакторами ядерного поділу, може затримати це на сотні років, але одного дня запаси урану закінчаться. Однак ми знаємо, що коли легкі ядра зливаються, виділяється навіть більше енергії, ніж ділення ядра. (Наскільки нам відомо, саме так виробляється енергія всередині Сонця). Детонація Н-бомби на нашій землі довела величину цієї енергії. Крім того, вихідна речовина, водень, доступна нам через океани майже в необмеженій кількості.
Реакція синтезу вимагає поєднання ядер водню (дейтерій-тритій), в результаті чого ядро He і нейтрон, останнє з величезною кінетичною енергією 18 мільйонів еВ. Проблема полягає в тому, що ядра відштовхуються одне від одного через їх позитивний електричний заряд, тому їм доводиться стикатися з дуже високою швидкістю (при дуже високій температурі), щоб відбувся синтез, а зіткнення відбувалися досить часто, повинна бути забезпечена велика гравітація матеріалу. Незважаючи на величезні зусилля дослідників, за останні десятиліття було досягнуто багато часткових результатів, але реального рішення досі не знайдено.
Ось і лазери. Уже в матеріалі, який випаровувався з першими імпульсними лазерами, можна було досягти кількох температур 10000 ° С. Було очевидно, що, збільшуючи потужність лазерів багаторазово, бажаний прибл. Температура 100 мільйонів градусів Цельсія. Відповідна висока гравітація матеріалу визначається т. Зв може забезпечуватися легким тиском. Відповідно до поточних планів, для невеликої сфери діаметром у кілька десятих мм - бажано, що складається з суміші дейтерію та тритію, оскільки умови для синтезу тут найбільш сприятливі - короткі імпульсні лазерні імпульси з усіх боків одночасно .
Ця величезна кристалічність світлової потужності (як очікується, становить близько 1021 Вт/см2) генерує плазму в 100 млн. К і одночасно відведення приблизно. Стисніть його до 20 разів у могилу. Це відповідає умовам плавлення водню, а виділена енергія плавлення спричинює мікровибух. Майбутній реактор на термоядерному синтезі може виробляти цю енергію під час серії таких мікровибухів. Експерименти будуть успішними, якщо в мікробласті виділиться значно більше енергії, ніж було використано для роботи лазерів. Величезні лазерні системи вже будуються, а експерименти тривають у кількох великих країнах. Дослідники впевнені, що перші позитивні результати будуть досягнуті в цьому десятилітті. Однак є ті, хто сумнівається в цьому ... Лазери завоювали світ за чотири десятиліття. Ми впевнені, що їх заявки будуть і надалі (лише) на користь людству.
-
Що таке лазери?
Зараз досить добре відомо, що лазери - це спеціальні джерела світла; лазерний промінь, що виходить від них, є спрямованим (низьке розсіювання), у ньому може бути сконцентрована велика потужність світла, а лазерна хвиля світла впорядкована фазова (когерентна) і монохроматична (мала спектральна смуга пропускання). Лазери можна розрізнити за своїм активним матеріалом (газ, твердотільний, рідкий лазер) або за режимом роботи (безперервний або імпульсний лазер), а також за робочою довжиною хвилі: останні охоплюють дуже широкий діапазон електромагнітного спектра від радіохвиль до декількох разів 10 мм. нм до м’яких рентгенівських променів.
Найбільш поширені типи лазерів: гелій-неоновий лазер (червоний), аргоновий лазер (синій, зелений, ультрафіолетовий), Nd-YAG-лазер (забруднений неодимом ітрій-алюмінієвий гранатовий кристал) (ближній інфрачервоний), вуглекислий газ l (далеко інфрачервоний) і, нещодавно, багатолюдне сімейство напівпровідникових лазерів, що швидко розвиваються (у всьому видимому та інфрачервоному спектральному діапазоні). Зазначені параметри лазерного променя можуть суттєво відрізнятися для кожного типу та режиму лазера.
Щоб навести це, ми наводимо один приклад: потужність безперервно працюючих He-Ne-лазерів, що використовуються в шкільних експериментах, становить приблизно. 1 мВт, потужність випромінювання найбільшого у світі твердотільного імпульсного лазера - 1015 Вт для імпульсу 10-12 сек - отже, різниця між цими двома потужностями становить 18 порядків!, Але навпаки: лише конкретні лазери та режими підходить для різних застосувань.