Лазерные технологии в науке и технике

Научная библиотека Комментариев к записи Лазерные технологии в науке и технике нет

Сюй А.В. // Журнал: Бюллетень научных сообщений, 
Издательство: Дальневосточный государственный университет путей сообщения (Хабаровск), номер: 20, год: 2015, с: 55-64, УДК: 621.373.826

АННОТАЦИЯ:
Статья представляет собой краткий литературный обзор о применении лазерного излучения в различных областях науки и техники. Рассмотрены лазерные технологии в вооружении и их перспективы развития в будущем.

Описание на английском языке:

Syuy a.V. // Laser technology in science and technology

The article presents a brief literature review on the use of laser radiation in various areas of science and technology. We consider laser technology in weaponry, and their development prospects in the future.

В 1960 году 16 мая Т. Мейман впервые продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора – лазера (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света по средством вынужденного излучения») [1].

В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, который представлял из себя кристалл, на торцах которого нанесены серебряные зеркальные покрытия. Такой лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме [2]. Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света с длиной волны 632,8 нм.

С момента изобретения лазера научно-технический прогресс испытал мощный скачок. Лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств, таких как высокая степень когерентности излучения, крайне низкий уровень расходимости излучения, высокая плотность мощности излучения и т.д. Лазеры можно классифицировать [3–6]:

  •  на твердотельные на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла);
  • полупроводниковые. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p–n-переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстры-ми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии;
  • Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей;
  • Газовые лазеры – лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров;
  • Газодинамические лазеры – газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество CO2);
  • эксимерные лазеры – разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне;
  • химические лазеры – разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения;
  • лазеры на свободных электронах – лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнит-ном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты гене-рации;
  • квантовые каскадные лазеры – полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. Излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии;
  • волоконный лазер – лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным;
  •  вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) – «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» – разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности пластин;
  • другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

Благодаря своим свойствам лазеры стали использоваться в различных областях науки и техники в зависимости от длительности импульса, мощности излучения и диапазона частот.

1. Наука.

  • Спектроскопия. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования различных нелинейно-оптических эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов [7].
  • Измерение расстояния до Луны. Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность были доставлены несколько специальных отражателей. С Земли посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света рассчитали рас-стояние до Луны.
  • Создание искусственных опорных «звёзд». Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света – искусственную «звезду». Свет от неё, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором;
  • Фотохимия [8]. Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико и фемтосекундами (10−12 – 10−15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией им-пульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков [9].
  • Лазерное намагничивание [10]. Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2·10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.
  • Лазерное охлаждение [11]. Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел – наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией, чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.
  • Термоядерный синтез. Один из способов решить проблему удержания нагретой плазмы в ядерном реакторе может заключаться в использовании лазе-ров [12]. При этом небольшой объём топлива облучается мощным лазерным излучением (иногда лазерное излучение предварительно трансформируется в рентгеновское) со всех сторон в течение небольшого (порядка нескольких наносекунд) промежутка времени. В результате облучения поверхность мишени испаряется, оказывая огромное давление на внутренние слои. Это давление сжимает мишень до сверхвысоких плотностей. В сжатой мишени могут протекать термоядерные реакции при достижении определённой температуры. Нагрев возможен как непосредственно силами давления, так и с использование дополнительного сверхмощного и сверхкороткого (порядка нескольких фемто-секунд) лазерного импульса.
  • Оптический (лазерный) пинцет- прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света [13]. Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков. Лазерные технологии получили широкое применение в науке и в будущем будет только развиваться. Будут создаваться новые приборы с использованием лазерного излучения, например уже существуют лазерные микроскопы, которые дают более высокое разрешение в сравнении с оптическими микроскопами, которые используют белый свет.

2. Вооружение.

  • Лазерное оружие. С середины 50-х гг. XX в. в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». После распада Советского Союза работы были остановлены. В середине марта 2009 г. американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями. В настоящее время лазерное оружие не получило широкого применения в армии в силу своей непрактичности и массивности. Существуют только единичные опытные образцы. Можно полагать, что в будущем лазерное оружие может получить развитие только как средство непосредственно-го поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны.
  • Лазерный прицел – это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу, таким образом производится прицеливание на мишень.
  • Системы обнаружения снайперов. Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.).  Постановка помех снайперам. Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.
  •  Введение противника в заблуждение. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.
  • Лазерный дальномер – устройство, работа которого основано на измерении времени, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
  •  Лазерное наведение. Ракета автоматически меняет свой полёт, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая таким образом высокую точность попадания. В настоящее время лазерные технологии эффективно применяются только как средство наведения.

3. Промышленность.

  •  Поверхностная лазерная обработка.
  • Лазерная термообработка (лазерная закалка, лазерный отжиг, лазерный отпуск, лазерная очистка, в том числе лазерная дезактивация, лазерное оплавление, оплавление для улучшения качества поверхности, аморфизация) [14].
  • Получение поверхностных покрытий (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) [15].
  • Ударное воздействие (ударное упрочнение, инициирование физико-химических процессов).
  •  Инициирование поверхностных химических реакций.  Лазерная сварка [16].
  • Лазерное разделение материалов (лазерная резка, газолазерная резка, термораскалывание, скрайбирование).
  • Лазерная размерная обработка (лазерная маркировка и гравировка, лазерная обработка отверстий).
  •  Фотолитография.
  •  Экологический мониторинг [17]. В промышленности лазерные технологии также получили широкое приме-нение. Сейчас уже не представляется производство таких приборов как дальномер, лидар, нивелир без использования лазерного излучения. Все больше при-меняются инфракрасные лазеры в тяжелой промышленности.

4. Медицина [18].

  •  Косметическая хирургия.
  •  Коррекция зрения.
  •  Стоматология.
  •  Диагностика заболеваний.
  •  Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга.
  •  Дробление «камней» при мочекаменной болезни.

В медицине лазерное излучение все больше и больше используется в таких областях как терапия и хирургия. Лазерное излучение имеет неоспоримое преимущество перед полосковыми операциями и с точки зрения экономии времени реабилитации и с точки зрения эстетики.

5. В связи и информационных технологиях.

Основной задачей является хранение, обработка и передача информации. Хранение информации на оптических носителях (компакт-диск, DVD и т. д.); Оптический диск (англ. optical disc) – собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помо-щью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками «питами» (от англ. pit – «ямка», «углубление») на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация.

В настоящее время мы наблюдаем рождение четвертого поколения оптических дисков. К первому поколению можно отнести: Лазерный диск; Компакт-диск; MiniDisc. Ко второму поколению: DVD; Digital Multilayer Disk; DataPlay; Fluorescent Multilayer Disc; GD-ROM; Universal Media Disc.

К третьему поколению:
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray – синий луч и disc – диск) – формат оптиче-ского носителя, используемый для записи с повышенной плотностью хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 г. Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера.
HD DVD (англ. High-Definition/Density DVD – «DVD высокой чётко-сти/ёмкости») – технология записи оптических дисков, разработанная компа-ниями Toshiba, NEC и Sanyo. HD DVD (как и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. 19 февраля 2008 г. компания Toshiba объявила о пре-кращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить ко-нец войне форматов.
– Forward Versatile Disc;
– Ultra Density Optical;
– Professional Disc for DATA;
– Versatile Multilayer Disc.
А к четвертому поколению:
Голографический многоцелевой диск (Holographic Versatile Disc) – перспек-тивная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объём хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию, известную как голография, кото-рая использует два лазера: один – красный, а второй – зелёный, сведённые в один параллельный луч. Зелёный лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обыч-ного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения, наподобие системы CHS в обычном жёстком диске. На CD или DVD эта информация внедрена в данные.
Super Rens Disc;
Optical Disc Archive Advisory Group Волоконнооптическая связь – способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем – волоконнооптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования пропускная способность волоконнооптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконнооптическая связь свободна от электромагнитных помех и трудно-доступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.
Оптические компьютеры. Оптические или фотонные вычисления – вычисления, которые производятся с помощью фотонов, сгенерированных лазерами или диодами. Используя фотоны, возможно достигнуть более высокой скорости передачи сигнала, чем у электронов, которые используются в современных компьютерах. Большинство исследований фокусируется на замене обычных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты. Результатом станет новая цифровая компьютерная система для обработки двоичных данных. Такой подход дает возможность в краткосрочной перспективе раз-работать технологии для коммерческого применения, поскольку оптические компоненты могут быть внедрены в стандартные компьютеры, сначала создавая гибридные системы, а впоследствии и полностью фотонные. Однако оптоэлектронные приборы теряют 30% энергии на конвертацию электронов в фотоны и обратно. Это также замедляет передачу информации. В полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из оптического в электронный и обратно в оптический полностью исчезает. Голография – набор технологий для точной записи, воспроизведения и пе-реформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.
Лазерный принтер – один из видов принтеров, позволяющий быстро изготавливать высококачественные отпечатки текста и графики на обычной (не специальной) бумаге. Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процесс ксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственной экспозиции (освещения) лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера. Отпечатки, сделанные таким способом, не боятся влаги, устойчивы к истиранию и выцветанию. Качество такого изображения очень высокое. Минифотолаборатория, Минилаб – комплекс из нескольких устройств, предназначенный для массового изготовления фотографий на светочувстви-тельной цветной фотобумаге, автоматизирующее все этапы обработки фотома-териалов, начиная от проявления фотоплёнки и заканчивая печатью готового фотоотпечатка.
Считыватели штрих-кодов.
В связи и информационных технологиях за счет лазерного излучения мы перешли на новый уровень обработки, хранения и передачи информации.

6. В культуре.

  • Лазерное шоу (представление) на концертах и дискотеках.
  • Мультимедийные демонстрации и презентации.
  • В световом дизайне.
  • Лазерные субтитры на киноэкранах.
  • Объемное гравирование прозрачных материалов.

7. В быту.

  • Лазерные указки.
  • Лазерный дальномер.
  • Системы слежения.
  • Лидар (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging – световое обнаружение и определение дальности) – технология полу-чения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.
  • Системы навигации (напр. Лазерный гироскоп).
  •  Проецирование изображений на сетчатку. Таким образом, подводя итог вышесказанному можно заключить, что лазерные технологии нашли широкое практическое применение в жизни человека. И без лазерных технологий теперь трудно представить комфортную жизнь. С момента создания лазера прошло уже больше 50 лет, а развитие лазерных технологий как и создание новых лазеров продолжается бурными темпами.

Список литературы

1. Maiman, T.H. Stimulated optical radiation in ruby / T.H. Maiman // Nature. – 1960. – Vol. 187. – P. 493–494.
2. Javan, A. Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture / A. Javan, D.R. Herriott and W.R. Bennett // Physical Review Letters – 1961. – Vol. 6. – Issue 1. – P. 106–110.
3. Тарасов, Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения / Л.В. Тарасов. – М. : Радио и связь, 1981. – 440 с.
4. Звелто, О. Принципы лазеров / О. Звелто. – М. : Мир, 1990. – 558 с.
5. Мэйтленд, А. Введение в физику лазеров / А. Мэйтленд, М. Дан. – М. : Наука, 1978. – 407 с.
6. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М. : Наука, 1973. – 720 с.
7. Зайдель, А.Н. Техника и практика спектроскопии / А.Н. Зайдель, Островская, Ю.И. Островский. – М. : Наука, 1972. – 376 с.
8. Турро Н. Молекулярная фотохимия / Н. Турро. – М. : Мир, 1967.
9. Handy D.E., Loscalzo J. Redox Regulation of Mitochondrial Function Antioxidants & Re-dox signaling. – 2012. – Vol. 16. – № 11. – Р. 1323–1367.
10. Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II. Topics in Applied Physics. Volume 87, 2003. DOI 10.1007/3-540-46097-7
11. Gilbert S.L. and Wieman C.E. Laser Cooling and Trapping for the Masses // Optics and Photonics News. – 1993. – № 4. – Р. 8–14.
12. Goebel D.M., Campbell G. and Conn R.W. / Plasma surface interaction experimental facili-ty (PISCES) for materials and edge physics studies // Nucl. Mater. – 1984. – № 121. – Р. 277–282.
13. Hocheng H., Tseng C. Mechanical and optical design for assembly of vascular endothelial cells using laser guidance and tweezers // Optics Communications. – 2008. – № 281. – Р. 4435–4441.
14. Kikuchi M. The Influence of Laser Heat Treatment Technique on Mechanical Properties // Proceedings of the Materials Processing Conference-ICALEO, LIA, 1981.
15. Kah, P., Salminen, A., Martikainen, J. The effect of the relative location of laser beam with arc in different hybrid welding processes // Mechanika. – 2010. – № 3(83). – Р. 68–74.
16. Cary, Howard B. and Scott C. Helzer. Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2005.
17. Stribling J. B. & Davie S.R. Design of an environmental monitoring programme for the Lake Allatoona // Upper Etowah river watershed.» Proceedings of the 2005 Georgia Water Re-sources Conference, April 25–27, 2005.
18. http://www.laserinmedicine.com/

Источник: http://elibrary.ru/item.asp?id=25007187


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top