Lasere peste tot

Mulți termeni au trecut în conștiința publică din domeniul științei, așa că putem auzi cuvântul laser pas cu pas. Dar știm câte varietăți există, pentru ce sunt folosite și ce oportunități are viitorul? Există multe domenii din viața noastră de zi cu zi în care întâlnim lasere. La finalizarea magazinelor, un cititor de cod laser identifică bunurile achiziționate, un fascicul laser scanează informațiile digitale înregistrate pe disc în CD player-ul nostru, iar în arzătorul CD al computerului, datele sunt înregistrate în același mod. face-o și mai impresionantă.

La un capăt al distanței care trebuie măsurată se află laserul, la celălalt capăt este așa-numitul există o oglindă de colț (o oglindă care reflectă lumina paralelă cu ea însăși); prin compararea fazei fasciculelor de pornire și de revenire, distanța care trebuie măsurată poate fi determinată de tehnologia radio. Precizia măsurătorii este de câțiva centimetri, distanța măsurată în acest mod este de aprox. 60 km.

Măsurarea distanței acului de păr
Telemetrele laser cu impulsuri funcționează pe un principiu diferit: aici direcționează un impuls laser puternic către obiect pentru a fi măsurat și măsoară timpul scurs între detectarea radiației și detectarea radiației retrodifuzate din obiect. Precizia de măsurare este mai mică (câțiva dm), distanța măsurabilă este de aprox. 10 km. Cu toate acestea, pe același principiu, distanțele cosmice pot fi măsurate cu o precizie ridicată cu lasere mai puternice și reducând în continuare distanța fasciculului laser cu oglinzile.

Posibilitățile sunt bine ilustrate de Expediția Lunară Apollo din 1969. Un sistem de oglindă de colț a fost așezat apoi pe suprafața Lunii și un impuls laser scurt de mare putere a fost „tras” de pe Pământ și s-a măsurat timpul scurs între detectarea fotonilor emiși și returnați. Cea mai mare problemă nu a fost măsurarea în sine, ci găsirea sistemului de oglinzi de colț pe Lună, deoarece diametrul razei laser pe Lună era de numai 200 m! În acest fel, a fost posibil să se determine Terra-Lună aprox. 380.000 km cu o precizie de 15 cm.

Măsurarea exactă a distanțelor mici necesită o metodă diferită. Aici este utilizată ordinea și coerența luminii laser. Asa numitul. într-un interferometru laser, fasciculul laser este împărțit în două sub-fascicule și apoi reasamblat prin reflexie pe oglinzi. Datorită interferenței luminoase, cele două sub-fascicule se amplifică sau se sting reciproc în funcție de diferența lor de parcurs. Dacă o cale de lumină este menținută constantă, în timp ce în cealaltă oglinda reflectantă este deplasată de la un punct final al distanței care trebuie măsurată la celălalt punct final, acesta este amplificat periodic sau dispare.

O perioadă este exact jumătate din lungimea de undă a luminii laser. Măsurând numărul de modificări, dacă cunoaștem lungimea de undă a laserului, se poate determina distanța dintre punctul de început și cel de sfârșit. Aici, precizia măsurătorii este determinată în primul rând de lungimea de undă constantă a laserului. Astăzi, există lasere cu funcționare continuă cu o lungime de undă de funcționare de 10-12 până la 10-13 determinată cu o precizie relativă și constantă. Precizia de măsurare realizabilă pentru instrumentele disponibile în comerț este mai bună de 0,1 m la o distanță de 10 m. Industria modernă are mare nevoie de astfel de instrumente de măsurare precise, de exemplu în fabricarea și funcționarea mașinilor de prelucrare de precizie sau în controlul echipamentelor pentru producerea de dispozitive microelectronice.

Într-un atelier și luncă
O altă gamă foarte largă de aplicații laser dovedite și utilizate pe scară largă este prelucrarea materialelor laser. Aici, avantajul este că fasciculul laser direcționat poate fi focalizat cu o lentilă sau o oglindă concavă la o dimensiune foarte mică (câteva puncte de m) și, dacă puterea laserului este suficient de mare, o netezime a puterii de lumină foarte mare poate fi realizat în acest mic punct laser. Lumina laser absorbantă încălzește materialul la o temperatură atât de ridicată încât se topește sau se evaporă. În plus, fasciculul laser poate fi controlat cu ușurință, iar poziția punctului laser de prelucrare poate fi controlată.

Echipamentele de tăiere, sudare și tratare termică cu laser care funcționează pe baza acestui principiu prezintă numeroase avantaje: suprafața de tăiere rapidă, precisă, netedă, cusătură uniformă etc. și poate fi folosit pe cele mai dure materiale. Singurul lor dezavantaj este că sunt destul de scumpe și, prin urmare, utilizarea lor este în principal în producția de masă cu profit ridicat, de ex. s-a răspândit în industria auto sau în industriile care necesită tehnici de precizie, precum industria aerospațială. Puterea laserelor utilizate (dioxid de carbon cu funcționare continuă sau Nd-YAG) este de 1-10 KW. Merită menționat faptul că laserele cu impulsuri în stare solidă sunt, de asemenea, utilizate pentru a face găuri de precizie și în unele sarcini de sudare.

Merită menționat pe scurt aici o aplicație similară, chirurgia cu laser; bisturiul laser a fost folosit cu succes în practica mitică de câțiva ani. Aici, se exploatează aceleași proprietăți avantajoase ale fasciculului laser ca și la prelucrare: bine controlat, focalizat pe o zonă mică, la temperatura ridicată atinsă în acest loc, țesutul corporal selectat se evaporă local, în timp ce mediul său nu este deteriorat. Raza laser poate fi livrată direct pe suprafețele exterioare ale corpului către părțile interioare ale corpului printr-o fibră de ghidare a luminii (endoscop). & Iacutegy poate fi operat cu precizie ridicată, cu sângerări reduse, pe diferite leziuni ale ochilor, pielii, laringelui, esofagului, urechilor, nasului, stomacului, intestinelor și vezicii urinare. Mituri folosesc lasere mai mici (CO2, Nd-YAG, argon) cu o putere de 5-100 W. Astăzi, putem găsi astfel de echipamente și în multe locuri din spitalele maghiare.

Un alt domeniu de aplicare, dar nu mai puțin important, este numărul de particule laser, care este utilizat în principal în protecția mediului. Aici ne ocupăm în principal de măsurarea contaminării cu praf a aerului, dar dispozitivele de măsurare cu laser utilizate pot fi utilizate și în multe alte zone în care trebuie examinate particule de dimensiuni mici, de ex. în toxicologie, produse farmaceutice, produse chimice, microelectronică.

Particule periculoase de praf
Micile particule de praf invizibile care plutesc în aer afectează întreaga lume vie și astfel și noi, oamenii. În timpul respirației, aspirăm miliarde de particule de praf în corpul nostru în fiecare zi. Unele dintre acestea sunt depuse în plămâni, ca într-un bisturiu viu. Experiența a arătat că o fracțiune mai mică dintr-o gamă largă de particule de praf de diferite dimensiuni nu poate fi golită de plămâni și, stabilindu-se aici, își exercită efectele nocive ani de zile. Acest lucru poate duce la boli ale plămânilor și ale altor organe respiratorii, nu rareori procese maligne. Prin urmare, există o mare nevoie de a aduna cât mai multe informații cu privire la particulele de praf din aer, pentru a putea detecta relația lor cu bolile cât mai exact posibil și pentru a găsi contramăsuri adecvate.

Măsurarea conținutului de praf din aer se bazează pe împrăștierea luminii laser pe aceste particule. Aerul care urmează să fie examinat este trecut printr-o celulă de măsurare și iluminat dintr-o direcție specifică de un fascicul laser concentrat îngust. Lumina laser este împrăștiată în toate direcțiile asupra particulelor care trec prin fascicul. Aceste impulsuri slabe, dispersate de lumină sunt măsurate cu un detector sensibil, iar semnalele rezultate ale detectorului sunt însumate și analizate de un computer. Numărul de impulsuri detectate dă numărul de particule de praf într-un anumit volum de măsurare, iar amplitudinea lor este proporțională cu dimensiunea particulelor de împrăștiere. Cu o calibrare adecvată, distribuția dimensiunilor particulelor de praf în aer poate fi determinată într-un domeniu de dimensiuni foarte larg (până la o limită inferioară de aproximativ 0,1 m) și astfel gravitația particulelor de praf din fiecare interval de dimensiuni poate fi determinată fii cunoscut.

Metode de măsurare sunt, de asemenea, dezvoltate pentru a determina forma și sarcina electrică a particulelor. Poate că nu este neinteresant să menționăm că o astfel de mașină de măsurat - echipată cu instrumente domestice - merge deja pe străzile Budapestei.

Am putea continua cu diferitele aplicații laser. După descoperirea lor, s-au dezvoltat domenii complet noi ale științei. Așa este cazul spectroscopiei cu laser, în care înlocuirea surselor de lumină ale spectroscopiei clasice cu un laser a deschis posibilități complet noi cercetătorilor în structura materialelor fizice, chimice și biologice. Așa este cazul holografiei, a cărui bază teoretică a fost dezvoltată anterior de compatriotul nostru laureat al Premiului Nobel Gábor Dénes, dar în absența unei surse de lumină coerente, cu performanțe adecvate, a fost de interes științific doar până la apariția laserelor. Astăzi, acestea sunt utilizate pe scară largă în multe domenii ale tehnologiei și chiar și pe pereții camerei noastre putem admira frumoase holograme tridimensionale realizate cu lasere, iar falsificatorii pot scutura din cap cu tristețe la hologramele de pe bancnote.

Energie uriașă
Există, de asemenea, o serie de noi tehnici laser care au fost dezvoltate doar la nivel de laborator, a căror aplicare viitoare este foarte promițătoare. Iată doar unul dintre ele: experimente pentru realizarea fuziunii nucleare cu laser.

Se știe că epuizarea surselor convenționale de energie este o problemă serioasă pentru omenire. Energia produsă de reactoarele de fisiune nucleară ar putea întârzia acest lucru sute de ani, dar într-o zi rezervele de uraniu se vor epuiza. Cu toate acestea, știm că atunci când nucleele ușoare fuzionează, se eliberează chiar mai multă energie decât fisiunea nucleară. (Din câte știm, așa se produce energie în interiorul Soarelui). Detonarea bombei H pe pământul nostru a dovedit amploarea acestei energii. În plus, materia primă, hidrogenul, ne este disponibil prin oceane în cantități aproape nelimitate.

Reacția de fuziune necesită combinația de nuclei de hidrogen (deuteriu-tritiu), rezultând un nucleu He și un neutron, acesta din urmă cu o energie cinetică extraordinară de 18 milioane eV. Problema este că nucleele se resping reciproc datorită încărcării lor electrice pozitive, deci trebuie să se ciocnească la o viteză foarte mare (la o temperatură foarte ridicată) pentru ca fuziunea să aibă loc și pentru ca coliziile să apară destul de des, trebuie prevăzută o greutate materială ridicată. În ciuda eforturilor enorme ale cercetătorilor, în ultimele decenii s-au obținut multe rezultate parțiale, dar nu s-a găsit încă nicio soluție reală.

Și aici vin laserele. Deja în materialul evaporat cu primele lasere pulsate, se puteau atinge mai multe temperaturi de 10000oC. A fost o idee evidentă că, prin creșterea puterii laserelor de mai multe ori, valoarea dorită de aprox. Temperatura de 100 de milioane de grade Celsius. Greutatea mare corespunzătoare a materialului este determinată de așa-numitul poate fi asigurat de o presiune ușoară. Conform planurilor actuale, pentru o sferă mică cu un diametru de câteva zecimi de mm, care constă, de preferință, dintr-un amestec de deuteriu și tritiu, deoarece condițiile de fuziune sunt cele mai favorabile aici, impulsurile laser pe termen scurt și lung de la multe direcții pot fi „împușcate” simultan.

Această cristalinitate imensă de lumină (așteptată să fie de aproximativ 1021 wați/cm2) generează o plasmă de 100 milioane K și, în același timp, o plumb de aprox. Strângeți-l de 20 de ori mormântul. Acest lucru îndeplinește condițiile pentru fuziunea hidrogenului, iar energia de fuziune eliberată provoacă o micro-explozie. Viitorul reactor laser de fuziune ar produce această energie cu o serie de astfel de micro-explozii. Experimentele vor avea succes dacă se eliberează mult mai multă energie într-un microblast decât s-a folosit pentru acționarea laserelor. Sistemele laser uriașe sunt deja construite și experimentele sunt în curs de desfășurare în mai multe țări mari. Cercetătorii sunt încrezători că primele rezultate pozitive vor fi obținute în acest deceniu. Cu toate acestea, există cei care se îndoiesc de asta ... Laserii au cucerit lumea în patru decenii. Suntem încrezători că aplicațiile lor vor continua (numai) să beneficieze omenirea.

Cele mai frecvente tipuri de laser sunt: laser cu heliu-neon (roșu), laser cu argon (albastru, verde, ultraviolet), laser Nd-YAG (cristal granat de itriu-aluminiu contaminat cu neodim) (aproape în infraroșu), dioxid de carbon l (departe infraroșu) și, mai recent, o familie populată de lasere semiconductoare cu evoluție rapidă (pe întreaga gamă spectrală vizibilă și infraroșie). Parametrii fasciculului laser pot diferi semnificativ pentru fiecare tip și mod de laser.

Pentru a cita acest lucru, cităm un singur exemplu: puterea laserelor He-Ne cu funcționare continuă utilizate în experimentele școlare este de cca. 1 mW, puterea radiată a celui mai mare laser pulsat în stare solidă din lume - 1015 W în timpul unui impuls de 10-12 sec - deci diferența dintre cele două puteri este de 18 ordine de mărime!, Dar invers: doar lasere și moduri specifice sunt potrivit pentru diferite aplicații.