Laseria kutsuttiin sen kehittämisen hetkestä lähtien laitteeksi, joka itse etsii ratkaistavia tehtäviä. Lasereille on löydetty käyttöä monilla eri aloilla. Laserista on tullut yksi 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä .
Nykyaikaiset lasersäteilyn lähteet tarjoavat kokeilijoille monokromaattista valoa käytännöllisesti katsoen millä tahansa halutulla aallonpituudella . Tehtävästä riippuen kyseessä voi olla joko jatkuvaa säteilyä erittäin kapealla spektrillä tai ultralyhyitä pulsseja, joiden kesto on jopa satoja attosekunteja (1 as = 10 −18 sekuntia). Näihin pulsseihin varastoitunut korkea energia voidaan fokusoida tutkittavaan näytteeseen kooltaan aallonpituuden kanssa vertailukelpoiseen pisteeseen, mikä mahdollistaa erilaisten epälineaaristen optisten vaikutusten tutkimisen . Taajuusvirityksen avulla näistä vaikutuksista tehdään spektroskooppisia tutkimuksia ja lasersäteilyn polarisaation hallinta mahdollistaa tutkittavien prosessien koherentin ohjauksen .
Miehitetyillä ja miehittämättömillä lennoilla Kuuhun sen pinnalle toimitettiin useita erityisiä kulmaheijastimia . Erityisesti kohdistettu lasersäde lähetettiin maasta kaukoputken avulla ja mittasi aikaa, joka kuluu matkaan Kuun pinnalle ja takaisin. Valonnopeuden arvon perusteella tuli mahdolliseksi laskea etäisyys kuuhun. Nykyään Kuun kiertoradan parametrit tunnetaan muutaman sentin tarkkuudella.
Mukautuvan optiikan menetelmien käyttö maassa sijaitsevissa teleskoopeissa voi parantaa merkittävästi tähtitieteellisten kohteiden kuvanlaatua mittaamalla ja kompensoimalla ilmakehän optisia vääristymiä . Tätä varten voimakas lasersäde suunnataan kohti havaintoa. Lasersäteily on hajallaan ilmakehän ylemmillä kerroksilla luoden maan pinnalta näkyvän vertailuvalolähteen - keinotekoisen "tähden". Siitä tuleva valo, joka kulki ilmakehän kerrosten läpi matkallaan takaisin maahan, sisältää tietoa tietyllä hetkellä tapahtuvista optisista vääristymistä. Tällä tavalla mitatut ilmakehän vääristymät kompensoidaan erityisellä korjaimella. Esimerkiksi muotoaan muuttava peili .
Tietyt lasertyypit voivat tuottaa ultralyhyitä valopulsseja, jotka mitataan piko- ja femtosekunteina (10 -12 - 10 -15 s). Tällaisia pulsseja voidaan käyttää laukaisemaan ja analysoimaan kemiallisia reaktioita. Ultralyhyitä pulsseja voidaan käyttää kemiallisten reaktioiden tutkimiseen korkealla aikaresoluutiolla, mikä mahdollistaa lyhytikäisten yhdisteiden luotettavan eristämisen. Pulssipolarisaation manipulointi mahdollistaa kemiallisen reaktion suunnan valinnan selektiivisesti useista mahdollisista ( koherentti ohjaus ). Tällaisia menetelmiä käytetään biokemiassa , jossa niitä käytetään proteiinien muodostumisen ja toiminnan tutkimiseen .
Ultralyhyitä laserpulsseja käytetään väliaineen magneettisen tilan ultranopeaan hallintaan, mikä on tällä hetkellä intensiivisen tutkimuksen kohteena. Monia optis-magneettisia ilmiöitä on jo löydetty, kuten ultranopea demagnetisaatio 200 femtosekunnissa (2⋅10 -13 s), lämpö uudelleenmagnetointi valolla ja ei-terminen optinen magnetisaation ohjaus valon polarisaatiolla.
Ensimmäiset laserjäähdytyskokeet tehtiin ioneilla ioniloukuissa , ioneja pidettiin loukun tilassa sähkö- ja/tai magneettikentän avulla . Nämä ionit valaistiin lasersäteellä, ja joustamattomasta vuorovaikutuksesta fotonien kanssa ne menettivät energiaa jokaisen törmäyksen jälkeen. Tätä vaikutusta käytetään erittäin alhaisten lämpötilojen saavuttamiseen.
Myöhemmin lasereita kehitettäessä löydettiin muita menetelmiä, kuten kiinteiden aineiden anti-Stokes-jäähdytys - käytännöllisin laserjäähdytysmenetelmä nykyään. Tämä menetelmä perustuu siihen tosiasiaan, että atomi ei viritetä maaelektroniikasta, vaan tämän tilan värähtelytasoilta (jolla on hieman suurempi energia kuin perustilan energia) virittyneen tilan värähtelytasoille ( jonka energia on hieman pienempi kuin tämän virittyneen tilan energia). Lisäksi atomi siirtyy ei- säteilytysti viritetylle tasolle (absorboivia fononeja ) ja emittoi fotonin siirtyessään viritetyltä elektronitasolta maatasolle (tällä fotonilla on enemmän energiaa kuin pumpun fotonilla ). Atomi absorboi fononin ja sykli toistuu.
On jo olemassa järjestelmiä, jotka pystyvät jäähdyttämään kiteen typestä heliumiin . Tämä jäähdytysmenetelmä on ihanteellinen avaruusaluksiin, joissa perinteistä jäähdytysjärjestelmää ei ole saatavilla.
Yksi tapa suorittaa lämpöydinreaktio on pitää lämpöydinpolttoainetta reaktion ajan omien hitausvoimiensa avulla. Yleensä tässä tapauksessa pieni määrä polttoainetta säteilytetään voimakkaalla lasersäteilyllä (joskus lasersäteily muunnetaan alustavasti röntgensäteilyksi) kaikilta puolilta lyhyiden (useiden nanosekuntien luokkaa) aikavälein. Säteilytyksen seurauksena kohdepinta haihtuu ja kohdistaa valtavan paineen sisäkerroksiin. Tämä paine puristaa kohteen ultrasuuriin tiheyksiin niin, että siinä tapahtuu lämpöydinreaktioita. Lämmitys on mahdollista sekä suoraan painevoimilla että käyttämällä ylimääräistä supertehokasta ja erittäin lyhyttä (muutaman femtosekuntia) laserpulssia.
Optinen pinsetti on laite, jonka avulla voit käsitellä mikroskooppisia esineitä laservalolla (yleensä laserdiodin lähettämä). Sen avulla voit kohdistaa voimia femtonewtoneista nanonewtoneihin dielektrisiin esineisiin ja mitata etäisyyksiä muutamasta nanometristä. Viime vuosina proteiinien rakennetta ja toimintaa on tutkittu optisilla pinseteillä.
1950-luvun puolivälistä lähtien Neuvostoliitossa on tehty laajamittaista työtä suuritehoisten laseraseiden kehittämiseksi ja testaamiseksi keinona tuhota kohteita suoraan strategisen avaruus- ja ohjuspuolustuksen etujen mukaisesti. Toteutettiin muun muassa Terra- ja Omega -ohjelmia . Laserkokeet suoritettiin Sary-Shaganin testipaikalla ( ilmapuolustus , ohjuspuolustus , PKO , SKKP , varhaisvaroitusjärjestelmä ) Kazakstanissa . Neuvostoliiton romahtamisen jälkeen työ Sary-Shaganin koepaikalla lopetettiin.
Maaliskuun 2009 puolivälissä yhdysvaltalainen yhtiö Northrop Grumman ilmoitti luovansa puolijohdelaserin, jonka teho on noin 100 kW . Tämän laitteen kehitys toteutettiin osana ohjelmaa, jolla luotiin tehokas mobiili laserkompleksi, joka on suunniteltu torjumaan maa- ja ilmakohteita [1] .
Useimmissa sotilaallisissa sovelluksissa laseria käytetään helpottamaan tähtäystä jollain aseella. Esimerkiksi lasertähtäin on pieni laser, yleensä näkyvällä alueella, joka on kiinnitetty pistoolin tai kiväärin piippuun siten, että sen säde on yhdensuuntainen piipun kanssa. Lasersäteen heikon hajaantumisen vuoksi, jopa pitkillä etäisyyksillä, tähtäin antaa pienen täplän. Ihminen yksinkertaisesti osoittaa tämän kohdan kohteeseen ja näkee näin tarkalleen, mihin hänen runkonsa on suunnattu.
Useimmat laserit käyttävät punaista laserdiodia. Jotkut käyttävät infrapunadiodia pisteen luomiseen, joka on näkymätön paljaalla silmällä, mutta näkyvä pimeänäkösuojalaseille. Vuonna 2007 sotilaskäyttöön tarkoitettujen lasereiden tuotantoon erikoistunut yritys Lasermax ilmoitti aloittavansa ensimmäisen pienaseisiin saatavilla olevien vihreiden lasereiden massatuotannon [2] . Oletettiin, että vihreä laser olisi parempi kuin punainen, näkyvä kirkkaassa valossa ihmisen verkkokalvon suuremman herkkyyden vuoksi spektrin vihreälle alueelle. Vihreän laserin käyttö ei kuitenkaan ole saanut 8 vuoden jälkeen niin suurta suosiota kuin vuonna 2007 luultiin. Vihreät diodit, vihreää sädettä lähettävät laitteet, osoittautuivat paljon kalliimmaksi valmistaa (useita kertoja johtuen suuremmasta määrästä vikoja verrattuna punaiseen diodiin). Ja vihreän diodin käyttöikä osoittautui paljon alhaisemmaksi. Kaiken kaikkiaan edellä mainitut syyt vaikuttivat vihreää laseria käyttävien laitteiden lopullisiin kustannuksiin [3] .
Näiden järjestelmien periaate perustuu siihen, että linssien läpi kulkeva säde heijastuu jostain valoherkästä kohteesta (optiset muuntimet, verkkokalvo jne.).
Etuna on, että tällaiset järjestelmät ovat aktiivisia, eli ne havaitsevat tarkka-ampujat ennen laukausta, eivät sen jälkeen. Toisaalta nämä järjestelmät paljastavat itsensä, koska ne ovat lähettäjiä.
Tällaisia järjestelmiä valmistetaan sekä Venäjällä [4] että muissa maissa.
Häiriö on mahdollista "skannaamalla" maastoa lasersäteellä, estämällä vihollisen tarkka-ampujia tekemästä kohdennettua tulia tai jopa tarkkailemasta optisten laitteiden kautta.
Tässä tapauksessa tarkoitetaan "ei-tappavia" aseita, joiden päätarkoitus on estää vihollisen hyökkäys. Laite luo pienitehoisen lasersäteen, joka on suunnattu viholliseen (tätä tekniikkaa käytetään pääasiassa lentokoneita ja tankkeja vastaan). Vihollinen uskoo, että tarkkuusase on suunnattu häneen, hänen on pakko piiloutua tai vetäytyä oman iskunsa sijaan.
Laseretäisyysmittari on laite, joka koostuu pulssilaserista ja säteilyilmaisimesta . Mittaamalla aika, joka kuluu säteen kulkemiseen heijastimeen ja takaisin, ja tietäen valonnopeuden arvon , voit laskea laserin ja heijastavan kohteen välisen etäisyyden. Laseretäisyysmittari on lidarin yksinkertaisin versio . Tavoiteetäisyyden arvoa voidaan käyttää aseen, kuten panssariasein , tähtäämiseen .
Toinen lasereiden sotilaallinen sovellus on aseiden ohjausjärjestelmät. Tällaiset järjestelmät ovat pienitehoisia lasereita, jotka "valaisevat" kohteen laserohjatuille ammuksille - "älykkäille" pommeille tai lentokoneesta laukaisuille ohjuksille . Ohjus vaihtaa automaattisesti lentoaan ja keskittyy lasersäteen heijastuneeseen kohtaan, mikä varmistaa korkean osumatarkkuuden. Lasersäteilijä voi sijaita sekä itse lentokoneessa että maassa. Infrapunalasereita käytetään yleensä laserohjauslaitteissa , koska niiden työ on helpompi piilottaa vihollisilta.
Ensimmäinen mieleen tuleva lasereiden sotilaallinen sovellus on yleensä niiden käyttö laserpienaseiden suunnittelussa, jotka pystyvät tuhoamaan jalkaväen , panssarivaunut ja jopa lentokoneet . Käytännössä tällaiset ideat törmäävät välittömästi vakavaan esteeseen - nykyisellä tekniikan tasolla henkilölle vahinkoa aiheuttava laser (virtalähde huomioon ottaen) on liian raskas kantaakseen yksin, ja laite, jolla on tarpeeksi tehoa säiliön poistaminen käytöstä on erittäin hankala ja tärinäherkkä laite, mikä tekee mahdottomaksi sen käytön kentällä. Ensinnäkin tämä johtuu laserin äärimmäisen alhaisesta hyötysuhteesta: riittävän (kohdetta vahingoittavan) säteilyenergiamäärän saamiseksi on käytettävä kymmeniä (joskus satoja) kertoja enemmän energiaa työskentelyn pumppaamiseen. laserin runko. Erityisesti 0,30-kaliiperisen luodin iskuja vastaavien vaurioiden aiheuttamiseksi (energian suhteen) tarvitaan laserpulssi, jonka teho on noin 5 kilojoulea; 1,6 kilojoulea vastaisi 9 mm:n luotia. Sekunnissa kestävän sädepulssin tehon tulisi siis olla 1600 wattia. Tässä tapauksessa edellä mainittu alhaisen lasertehokkuuden tekijä tulee ottaa huomioon, vastaavasti, virtalähteen tulee tuottaa vähintään kymmenen kertaa enemmän tehoa (parhaimmillaan). Se on pumppaamiseen tarkoitettujen energialähteiden massa, joka suurelta osin määrittää tällaisen aseen vakavuuden. Tällä hetkellä ei ole olemassa kannettavia virtalähteitä, joilla on tällainen energiatiheys. On myös huomioitava, että loppu energiasta, joka ei säteile laserpulssissa, vapautuu lämpönä aserakenteessa, mikä vaatii erittäin tehokkaan ja raskaan jäähdytysjärjestelmän lämmön vapauttamiseksi. Ja vaadittu jäähdytysaika puolestaan vähentää huomattavasti aseen tulinopeutta. Tehdään varauma, että lämmönpoistoongelma on osittain ratkaistu kemiallisesti pumpatuissa lasereissa (erityisesti megawattia sekunnissa pulssia tuottavat suuritehoiset happi-jodi- ja deuterium-fluorilaserit), joissa käytetyt kemialliset komponentit poistetaan järjestelmästä pulssin jälkeen kuljettaen lämpöä pois. Samanaikaisesti emitteri vaatii suuren määrän näitä usein aggressiivisia reagensseja ja sopivat säilytysastiat.
Jäljelle jää vain mahdollisuus käyttää laseria vihollisen sokeuttamiseen, koska tätä tarkoitusta varten tarvitaan erittäin pienitehoisia lasereita, jotka voidaan tehdä kannettavaksi. Tällä hetkellä tällaisten laitteiden käyttö on kielletty kansainvälisten sodankäyntisääntöjen mukaan. Pienitehoisia lasereita, mukaan lukien laserosoittimia , käytetään kuitenkin rajoitetusti sokeuttamaan vihollisen tarkka-ampujia ja paljastamaan piilotettuja aseiden paikkoja.
1960-luvulla tehtiin ensimmäiset tutkimukset lasereiden käytöstä lääketieteessä. Ne pidettiin MMA - klinikoilla . I. M. Sechenov , CITO , Balneologian ja Fysioterapian keskustutkimuslaitos, Neuvostoliiton ensimmäisten laserlääketieteellisten laitteiden kehittäjä oli Istok Research and Production Enterprise ( Fryazino , Moskovan alue ). Tutkittiin 0,63 μm:n aallonpituuden helium-neonlaserien käyttömahdollisuuksia kliinisessä käytännössä. Helium-neonlaserien käytön tarkoituksenmukaisuus lääketieteellisiin tarkoituksiin osoitettiin, ja vuonna 1972 saatiin Neuvostoliiton terveysministeriöltä lupa pienitehoisen helium-neon-lasersäteilyn käyttöön terapiassa [6] .
Työ lasereiden käytöstä kirurgiassa Neuvostoliitossa alkoi vuonna 1965 MNIOI: ssa. P. A. Herzen (johtajana professori S. D. Pletnev) yhdessä ydinvoimalaitos Istokin kanssa (johtaja Neuvostoliiton tiedeakatemian akateemikko N. D. Devyatkov ja V. P. Belyaev). Käytettiin suurienergisiä CO 2 -lasereita, joiden aallonpituus oli 10,6 μm. Näiden töiden tulosten perusteella NPP Istok loi useita laserkirurgisten yksiköiden modifikaatioita, jotka siirrettiin klinikoille ja käytettiin kirurgisissa leikkauksissa [6] .
Teollisten lasereiden myötä kirurgian uusi aikakausi on alkanut. Samalla lasermetallinkäsittelyn asiantuntijoiden kokemus auttoi. Silmän hilseilevän verkkokalvon laserhitsaus on pistehitsausta; laserveikkaus - autogeeninen leikkaus; luun hitsaus - fuusiopussihitsaus; lihaskudoksen liittäminen on myös kontaktihitsausta.
Jotta lasersäteilyllä olisi mitään vaikutusta, kudoksen on absorboitava se. Leikkauksen suosituin laser on hiilidioksidi. Muut laserit ovat monokromaattisia , eli ne kuumentavat, tuhoavat tai hitsaavat vain tiettyjä biologisia kudoksia , joilla on hyvin määritelty väri. Esimerkiksi argon-lasersäde kulkee vapaasti himmeän lasiaisen läpi ja luovuttaa energiansa verkkokalvolle, jonka väri on lähellä punaista.
Hiilidioksidilaser sopii useimpiin sovelluksiin, kuten esimerkiksi silloin, kun erivärisiä kankaita on leikattava tai hitsattava toisiinsa. Tämä herättää kuitenkin toisen ongelman. Kudokset kyllästyvät verellä ja imusolmukkeella , sisältävät paljon vettä, ja vedessä oleva lasersäteily menettää energiaa. Lasersäteen energiaa on mahdollista lisätä, mutta tämä voi johtaa kudosten palamiseen. Kirurgisten lasereiden luojat joutuvat turvautumaan kaikenlaisiin temppuihin, mikä nostaa huomattavasti laitteiden kustannuksia.
Metallihitsaajat ovat jo pitkään tienneet, että ohuita metallilevyjä pinoa leikattaessa on välttämätöntä, että ne sopivat tiukasti yhteen, ja pistehitsauksessa tarvitaan lisäpainetta, jotta hitsattavat osat saadaan tiiviisti kosketukseen.
Tätä menetelmää käytettiin myös leikkauksessa: Professori O. K. Skobelkin ja hänen kirjoittajansa ehdottivat, että hitsattaessa kudoksia puristetaan niitä hieman veren pakottamiseksi. Uuden menetelmän toteuttamiseksi luotiin joukko työkaluja, joita käytetään nykyään maha- suolikanavan leikkauksissa, sappitie- , perna- , maksa- ja keuhkojen leikkauksissa .
Laser show