De praktische toepassing van lasers

De uitvinding van de laser kan met recht worden beschouwd als een van de belangrijkste ontdekkingen van de 20e eeuw. Zelfs aan het begin van de ontwikkeling van deze technologie voorspelden ze al een volledig veelzijdige toepasbaarheid, vanaf het begin was het vooruitzicht op het oplossen van een verscheidenheid aan problemen zichtbaar, ondanks het feit dat sommige taken op dat moment niet eens zichtbaar waren aan de horizon.

Geneeskunde en astronautica, thermonucleaire fusie en de nieuwste wapensystemen zijn slechts enkele van de gebieden waarop de laser vandaag met succes wordt gebruikt. Laten we eens kijken waar de laser praktische toepassing vond en de grootheid van deze prachtige uitvinding, die zijn uiterlijk te danken heeft aan een aantal wetenschappers.

Laserspectroscopie

Monochromatische laserstraling kan in principe met elke golflengte worden verkregen, zowel in de vorm van een continue golf van een bepaalde frequentie als in de vorm van korte pulsen, die tot fracties van een femtoseconde duren. Focussen op het onderzochte monster ondergaat de laserstraal niet-lineaire optische effecten, waarmee onderzoekers spectroscopie kunnen uitvoeren door de frequentie van het licht te veranderen, en een coherente analyse van processen kunnen uitvoeren door de polarisatie van de laserstraal te regelen.

Afstanden tot objecten meten

De laserstraal is erg handig om naar het te bestuderen object te richten, zelfs als dit object erg ver weg is, omdat de divergentie van de laserstraal erg klein is. Dus, in 2018, als onderdeel van een experiment, werd een laserstraal van het Yunnan Chinese Observatorium naar de maan gericht. De Apollo 15-reflectoren, die al op het maanoppervlak waren geïnstalleerd, reflecteerden de straal terug naar de aarde, waar deze werd ontvangen door het observatorium.

Het is bekend dat laserlicht, zoals elke elektromagnetische golf, met een constante snelheid beweegt - met de snelheid van het licht. Metingen van de straalpassagetijd toonden aan dat de afstand van het observatorium tot de maan, in het interval van 21:25 tot 22:31 Beijing-tijd op 22 januari 2018, varieerde van 385823.433 tot 387119.600 kilometer.

De laserafstandsmeter, voor niet zo grote afstanden als de afstand van de aarde tot de maan, werkt op een soortgelijk principe. Een gepulseerde laser stuurt een straal naar een object van waaruit de straal wordt gereflecteerd. De stralingsdetector ontvangt een gereflecteerde straal. Rekening houdend met de tijd tussen het begin van de straling en het moment waarop de detector de gereflecteerde straal opvangde, evenals de snelheid van het licht, berekent de elektronica van het apparaat de afstand tot het object.

Adaptieve optica en compensatie van atmosferische vervorming

Als je door een telescoop een astronomisch object op afstand van de aarde waarneemt, blijkt dat de atmosfeer bepaalde optische vervormingen in het resulterende beeld van dit object introduceert. Om deze vervormingen te verwijderen, worden methoden van de zogenaamde adaptieve optica gebruikt - vervormingen worden gemeten en gecompenseerd.

Om dit doel te bereiken, wordt een krachtige laserstraal op het waargenomen object gericht, dat, net als eenvoudig licht, zich in de atmosfeer verspreidt en een "kunstmatige ster" vormt, het licht waarvan, op de terugweg naar de waarnemer, exact dezelfde optische vervormingen in de bovenste atmosferische lagen, evenals het beeld van het waargenomen astronomische object.

De vervormingsinformatie wordt verwerkt en gebruikt om optische vervorming te compenseren door het beeld van het waargenomen astronomische object op de juiste manier aan te passen. Als gevolg hiervan is het beeld van het object meer "schoon".

Bio en fotochemie

In biochemische onderzoeken naar de vorming en werking van eiwitten zijn ultrakorte laserpulsen van femtoseconde duur nuttig.Deze pulsen maken het mogelijk om chemische reacties met een hoge temporele resolutie te initiëren en te bestuderen om zelfs laaglevende chemische verbindingen te vinden en te bestuderen.

Door de polarisatie van de lichtpuls te veranderen, kunnen wetenschappers de noodzakelijke richting van de chemische reactie instellen, kiezen uit een paar mogelijke scenario's voor de ontwikkeling van gebeurtenissen tijdens de strikt gedefinieerde reactie.

Magnetische laserpuls

Tegenwoordig wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheid van ultrasnelle veranderingen in de magnetisatie van media met behulp van ultrakorte laserpulsen van enkele femtoseconde duur. Al nu bereikt ultrasnelle demagnetisatie door een laser in 0,2 picoseconden, evenals optische controle van magnetisatie door polariserend licht.

Laserkoeling

Vroege laserkoelingsexperimenten werden uitgevoerd met ionen. Ionen werden vastgehouden door een elektromagnetisch veld in een ionenval, waar ze werden verlicht door een laserstraal. In het proces van inelastische botsingen met fotonen verloren ionen energie en zo werden ultralage temperaturen bereikt.

Daarna werd een meer praktische methode voor laserkoeling van vaste stoffen gevonden - anti-Stokes-koeling, die bestaat uit het volgende. Een atoom van het medium, dat zich in een toestand net boven de grondtoestand (op het trillingsniveau) bevindt, werd opgewonden tot energie net onder de opgewekte toestand (op het trillingsniveau), en, het fonon absorberend, ging het atoom over in de opgewekte toestand. Toen gaf het atoom een ​​foton af waarvan de energie hoger is dan de pompenergie en ging het de grond in.

Lasers in fusie-installaties

Het probleem van het houden van verwarmd plasma in een thermonucleaire reactor kan ook worden opgelost met een laser. Een klein volume thermonucleaire brandstof wordt van alle kanten bestraald gedurende meerdere nanoseconden door een krachtige laser.

Het doeloppervlak verdampt, wat leidt tot een enorme druk op de binnenste lagen van de brandstof, dus het doel ervaart supersterke compressie en verdichting, en bij een bepaalde temperatuur kunnen thermonucleaire fusiereacties al optreden in een dergelijk verdicht doel. Verwarming is ook mogelijk met behulp van ultra-krachtige femtoseconde laserpulsen.

Op laser gebaseerd optisch pincet

Laserpincetten maken het mogelijk om microscopische diëlektrische objecten te manipuleren met behulp van licht van een laserdiode: krachten worden uitgeoefend op objecten binnen een paar nanotonsen, en kleine afstanden vanaf verschillende nanometers worden ook gemeten. Deze optische apparaten worden tegenwoordig gebruikt in de studie van eiwitten, hun structuur en werk.

Gevecht en defensieve laserwapens

Aan het begin van de tweede helft van de 20e eeuw werden in de Sovjetunie al krachtige lasers ontwikkeld die als wapens konden worden gebruikt om doelen te raken in het belang van de raketafweer. In 2009 kondigden de Amerikanen de oprichting aan van een 100 kW mobiele solid-state laser, die theoretisch in staat is lucht- en gronddoelen van een potentiële vijand te raken.

Laser zicht

Een kleine laserlichtbron is star bevestigd aan de loop van een geweer of pistool zodat zijn straal parallel aan de loop is gericht. Bij het richten ziet de schutter een klein stipje op het doel vanwege de kleine divergentie van de laserstraal.

Meestal voor dergelijke bezienswaardigheden worden rode laserdiodes of infrarood laserdiodes gebruikt (zodat een plek alleen in het nachtzichtapparaat kan worden gezien). Voor meer contrast bij daglicht worden laservizieren met groene laser-LED's gebruikt.

Een militaire tegenstander bedriegen

Een low-power laserstraal wordt gericht op de militaire uitrusting van de vijand. De vijand ontdekt dit feit, gelooft dat een soort wapen op hem is gericht en is gedwongen om dringend maatregelen te nemen om te verdedigen in plaats van een aanval uit te voeren.

Lasergestuurd projectiel

Het is handig om een ​​gereflecteerde plek van een laserstraal te gebruiken om een ​​vliegend projectiel te richten, zoals een raket vanuit een vliegtuig. Een laser vanaf de grond of vanuit een vliegtuig verlicht het doel en het projectiel geleidt het. De laser wordt vaak infrarood gebruikt, omdat deze moeilijker te detecteren is.

Laserverharding

Het oppervlak van het metaal wordt verwarmd door een laser tot een kritische temperatuur, terwijl de warmte diep doordringt in het product vanwege de thermische geleidbaarheid. Zodra de laserwerking stopt, koelt het product snel af door de penetratie van warmte binnenin, waar zich hardende structuren beginnen te vormen, die snelle slijtage tijdens toekomstig gebruik van het product voorkomen.

Laser gloeien en temperen

Gloeien is een soort warmtebehandeling waarbij het product eerst tot een bepaalde temperatuur wordt verwarmd, vervolgens gedurende een bepaalde tijd op deze temperatuur wordt gehouden en vervolgens langzaam wordt afgekoeld tot kamertemperatuur.

Dit vermindert de hardheid van het metaal, waardoor de verdere mechanische verwerking wordt vergemakkelijkt, terwijl de microstructuur wordt verbeterd en een grotere uniformiteit van het metaal wordt bereikt, de interne spanningen worden verlicht. Met laser gloeien kunt u op deze manier kleine metalen onderdelen verwerken.

Vakantie wordt uitgevoerd om een ​​hogere ductiliteit te verkrijgen en de brosheid van het materiaal te verminderen, terwijl een acceptabel niveau van sterkte bij de verbindingen van de delen wordt gehandhaafd. Hiervoor wordt het product met een laser verwarmd tot een temperatuur van 150-260 ° C tot 370-650 ° C, gevolgd door langzaam koelen (koelen).

Laserreiniging en ontsmetting van oppervlakken

Deze reinigingsmethode wordt gebruikt om oppervlakteverontreinigingen van objecten, monumenten en kunstwerken te verwijderen. Voor het reinigen van producten tegen radioactieve besmetting en voor het reinigen van micro-elektronica. Deze reinigingsmethode is vrij van de nadelen die inherent zijn aan mechanisch slijpen, schurende verwerking, trillingsverwerking, enz.

Lasergroei en amorfisatie

Hoge snelheid amorfisatie van het voorbereide legeringsoppervlak met een scanstraal of een korte puls wordt bereikt door de snelle warmteafvoer, waarbij de smelt bevriest, een soort metaalglas met hoge hardheid, corrosieweerstand en verbetering van magnetische eigenschappen wordt gevormd. Het voorbekledingsmateriaal wordt zo gekozen dat het samen met het hoofdmateriaal een samenstelling vormt die gevoelig is voor amorfisatie onder invloed van een laser.

Legeren en oplassen met laser

Het legeren van een metalen oppervlak met een laser verhoogt de microhardheid en slijtvastheid.

Met de methode van laseroppervlakken kunt u slijtvaste oppervlaktelagen aanbrengen. Het wordt gebruikt bij de restauratie van zeer precieze onderdelen die worden gebruikt in omstandigheden met verhoogde slijtage, bijvoorbeeld ICE-kleppen en andere motoronderdelen. Deze methode is superieur in kwaliteit ten opzichte van sputteren omdat hier een monolithische laag wordt gevormd geassocieerd met de basis.

Vacuüm laserspuiten

In vacuüm wordt een deel van het materiaal verdampt door een laser, waarna de verdampingsgegevens worden gecondenseerd op een speciaal substraat, waar ze met andere producten een materiaal vormen met de noodzakelijke nieuwe chemische samenstelling.

Laserlassen

Een veelbelovende methode voor industrieel lassen met behulp van krachtige lasers, voor een zeer soepele, smalle en diepe las. In tegenstelling tot conventionele lasmethoden wordt het laservermogen nauwkeuriger geregeld, waardoor u de diepte en andere parameters van de las zeer nauwkeurig kunt regelen. Een laslaser is in staat dikke delen met hoge snelheid te lassen, u hoeft alleen maar vermogen toe te voegen en het thermische effect op aangrenzende gebieden is minimaal. De las wordt beter verkregen, evenals elke verbinding die met deze methode wordt verkregen.

Lasersnijden

Een hoge concentratie energie in de gefocusseerde laserstraal maakt het mogelijk om bijna elk bekend materiaal te snijden, terwijl de snede smal is en de door warmte beïnvloede zone minimaal is. Dienovereenkomstig zijn er geen significante resterende stammen.

Laserschrijven

Voor daaropvolgende scheiding in kleinere elementen, worden de halfgeleiderwafels gekrast - diepe groeven worden aangebracht met een laser. Hier wordt een hogere nauwkeurigheid bereikt dan bij het gebruik van een diamantgereedschap.

De groefdiepte is van 40 tot 125 micron, de breedte is van 20 tot 40 micron, met de dikte van de bewerkte plaat van 150 tot 300 micron. Groeven worden vervaardigd met snelheden tot 250 mm per seconde. De output van afgewerkte producten is groter, het huwelijk is minder.

Lasergraveren en markeren

Bijna overal in de industrie worden tegenwoordig lasergravure en -markering gebruikt: tekeningen, inscripties, codering van monsters, platen, naamplaatjes, artistieke decoratie, souvenirs, sieraden, miniatuurinscripties op de kleinste en meest kwetsbare producten - werd alleen mogelijk dankzij geautomatiseerde laser technologie.

Laser in de geneeskunde

Het is onmogelijk om de toepasbaarheid van lasers in de moderne geneeskunde te overschatten. Chirurgische lasers worden gebruikt om het geëxfolieerde netvlies van het oog te coaguleren, met laser scalpels kunt u vlees snijden en botten lassen met lasers. Een koolstofdioxidelaser last biologische weefsels.

Wat geneeskunde betreft, moeten wetenschappers in deze richting natuurlijk elk jaar de technologie van het gebruik van bepaalde lasers verbeteren en verfijnen om schadelijke bijwerkingen op de nabijgelegen weefsels te voorkomen. Het gebeurt dat een laser een plaats geneest, maar het heeft onmiddellijk een destructief effect op een naburig orgaan of een cel die er per ongeluk onder valt.

Met extra gereedschapskits, speciaal ontworpen om samen te werken met een chirurgische laser, konden artsen slagen in gastro-intestinale chirurgie, chirurgie van de galwegen, milt, longen en lever.

Tattoo verwijdering, visie correctie, gynaecologie, urologie, laparoscopie, tandheelkunde, verwijdering van hersentumoren en spinale tumoren - dit alles is vandaag alleen mogelijk dankzij moderne lasertechnologie.

Informatietechnologie, ontwerp, leven en laser

CD, DVD, BD, holografie, laserprinters, barcodelezers, beveiligingssystemen (beveiligingsbarrières), lichtshows, multimediapresentaties, pointers, enz. Stel je eens voor hoe onze wereld eruit zou zien als deze eruit zou verdwijnen de laser ...