Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Институт международных отношений

Факультет: «УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Специальность:030701«Международные отношения»

Реферат на тему:

«Применение лазерных технологий»

Работу выполнила студентка 2 курса

ИМО НИЯУ МИФИ

Киндер Мария

Группа У4-02



Введение

На сегодняшний момент перед человечеством стоит ряд глобальных проблем, которые необходимо решить в ближайшее время, чтобы обеспечить будущим поколениям возможность сохранения цивилизации. Глобальные проблемы взаимосвязаны, охватывают все стороны жизни людей и касаются всех стран мира. Среди них можно отметить:

ь обеспечение человечества ресурсами;

ь глобальное потепление;

ь озоновые дыры;

ь Проблема сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний и СПИДа.

ь терроризм;

ь астероидная опасность.

Наряду с политическими и социально-экономическими усилиями и мерами необходимо исследовать и развивать современные технологии, ведь с высокотехнологичным оборудованием человечество способно найти ответы на вопросы из множества сфер: медицины, экологии, вооружения, навигации, науки и т.д. Лазерные технологии - не исключение. В своей работе я хотела бы рассказать об основных отраслях и областях применения лазера, объяснить устройство и принцип работы устройств и гаджетов, с которыми мы имеем дело каждый день, а также сделать вывод о возможности вклада лазерных технологий в решение глобальных проблем человечества.



1. Медицина

Поначалу, после изобретения лазеров, мало кто мог предположить, что эти световые инструменты способны лечить или как-то иначе улучшать физическое благополучие человека. Но врачи и медицинские исследователи быстро разглядели его возможности, а число медицинских применений лазера увеличивается с каждым годом. Например, резка тканей в хирургических процедурах; изменение формы роговицы глаза для улучшения зрения; очистка закупоренных артерий; прожигание полостей и отбеливание зубов; удаление нежелательных волос, морщин, родинок и веснушек; изменение формы лица в пластической хирургии.

Несколько преимуществ лазерной хирургии быстро стали очевидными. Во-первых, луч света однороден, то есть энергия, передаваемая лазером в единицу времени, постоянна. Так что если луч движется, то разрез, производимый им, имеет постоянную глубину; в то же время, при использовании скальпеля врач может случайно сделать часть разреза слишком глубокой. Во-вторых, горячий луч по мере движения прижигает (или запаивает) открытые кровеносные сосуды. Это хорошо работает в основном для небольших сосудов, например для кожных сосудов. Что касается больших кровеносных сосудов, то врач все еще должен изолировать их традиционными методами. Еще одно преимущество лазерной хирургии состоит в том, что клетки в ткани человека не очень хорошо проводят тепло, поэтому кожа, или любая другая ткань, находящаяся вблизи лазерного разреза, сильно не нагревается и не травмируется лучом. Это преимущество лазерной хирургии очень важно, когда операционное поле ограничено маленькой областью, которая окружена здоровыми тканями или органами.



1.1 Общая хирургия

Лазеры все шире применяются для очистки артерий человека от тромбоцитных бляшек Тромбоцитная бляшка -- это плотная жировая субстанция, которая может скапливаться на внутренних стенках артерий. Со временем сосуды могут настолько закупориться, что кровь с трудом будет передвигаться по сосудам, что может вызвать сердечный приступ или инсульт, а это и может привести к летальному исходу.. Все чаще для лечения подобной проблемы стали использовать лазер. Ключевую роль в обеспечении положительного результата этой работы играет возможность для врача видеть внутри артерии и направлять луч. Оптическое волокно, присоединенное к маленькой телекамере, может быть введено в артерию. Этот миниатюрный датчик позволяет врачу и медсестрам наблюдать за вторым волокном, которое вводится в артерию для выжигания бляшек вспышками света.

Методика состоит в следующем. Волоконно-оптический массив вводится в кровеносный сосуд в руке или ноге и медленно перемещается в область сердца и к закупоренной артерии. Когда массив достигает точки назначения, лазер излучает свет и уничтожает бляшку. Пары, образующиеся в результате, отсасываются через маленькую полую трубку, которая введена вместе с оптическими волокнами. После очистки артерии врач извлекает волокна и трубку -- операция завершена. Эта медицинская процедура известна как лазерная ангиопластика. Она имеет несколько очевидных преимуществ. Во-первых, разрезание тканей не требуется (за исключением маленького надреза в сосуде для введения волокон). Кроме того, кровопотери невелики или вообще отсутствуют, а пациент полностью восстанавливается через 1-2 дня.

Традиционный метод удаления бляшек, включающий вскрытие грудной клетки и выполнение нескольких надрезов, является долгой, а иногда и рискованной операцией. Кроме того, она достаточно дорога и требует несколько недель для восстановления.

Лазерная ангиопластика имеет ряд потенциальных рисков, которые должны быть рассмотрены. Во-первых, когда лазерный луч попадает в бляшку, он должен быть направлен очень точно, потому что даже небольшой промах может прорезать стенку артерии и вызвать серьезное кровотечение. В этом случае придется вскрывать грудную клетку пациента. Вторая проблема связана с небольшими частицами материала, остающимися после выжигания бляшки. К счастью, непрерывный технический прогресс значительно уменьшил эти риски, и число успешных операций постоянно растет.

1.2 Офтальмология

Несколько самых замечательных достижений медицинских лазеров произошли в области офтальмологии, изучающей структуру и заболевания глаз. Одной из причин, почему лазерные лучи так полезны в лечении глаз, является тот факт, что роговица -- покрытие, которое охватывает глазное яблоко и пропускает свет внутрь глаза, -- прозрачна. Благодаря этому роговица пропускает лазерный луч точно так же, как и обычный свет, то есть луч на нее не оказывает воздействия.

Прежде всего, лазер очень полезен при удалении посторонних кровеносных сосудов, которые могут образовываться на сетчатке глаза -- тонкой, светочувствительной мембране на задней стенке глазного яблока. Именно на сетчатке формируются изображения предметов, которые видит глаз. Иногда, повреждение сетчатки может привести к слепоте, что в Соединенных Штатах чаще всего вызывается сахарным диабетом. Сахарный диабет- заболевание, характеризующееся высоким уровнем сахара в крови. В некоторых запущенных случаях, на сетчатке формируются сотни крошечных дополнительных кровеносных сосудов. Это приводит к блокировке света, идущего от поверхности мембраны, что вызывает частичную или полную слепоту.Для лечения таких состояний чаще всего применяется аргоновый лазер. Врач направляет луч через роговицу и выжигает сплетение кровеносных сосудов, покрывающее сетчатку. Процедура занимает всего несколько минут и может быть выполнена в кабинете врача. Лазер может также восстановить отслоение сетчатки -- часть сетчатки, которая отделилась от задней части глазного яблока. До появления лазеров отслоение сетчатки приходилось исправлять вручную, и, так как сетчатка является очень хрупкой, это была очень сложная операция. При помощи аргонового лазера врач может «приварить» оторванную часть сетчатки. Кстати, Гордон Гулд, один из первых изобретателей лазера, позже был подвергнут операции по восстановлению сетчатки при помощи данного инструмента.

Другим заболеванием глаза является глаукома, которая характеризуется накоплением жидкости в глазу. Многие доктора используют лазер, чтобы избежать традиционной хирургии. Лазер пробивает отверстие в заранее определенном месте и жидкость вытекает через него. Опять же, лечение может проводиться в кабинете врача, а не в больнице.

При восстановлении отслоения сетчатки (мембрана, покрывающая внутреннюю часть глаза) лазер работает подобно швейной машинке. Лазерный луч настроен таким образом, что он может безопасно пройти через хрусталик глаза и сфокусироваться на крошечных пятах вокруг поврежденного участка сетчатки. Когда он сфокусирован, луч способен «приварить» или припаять отделившуюся область сетчатки обратно к стенке глазного яблока. В дополнение к лечению отслоения сетчатки, лазеры могут удалять катаракты.

1.3 Пластическая хирургия и косметология

Медицинские лазеры также широко используются для различных видов косметической хирургии, включая устранение некоторых видов родимых пятен, например, винные пятна Винные пятна-- красно-фиолетовые дефекты на коже, которые появляются у троих из тысячи детей. Пятно состоит из тысяч крошечных деформированных кровеносных сосудов, которые имеют определенный красно-фиолетовый цвет.. Для удаления пятна врач перемещает по нему широкий маломощный луч зеленого света. Масса кровеносных сосудов в пятне поглощает энергию лазерного излучения и нагревается настолько сильно, что в итоге сгорает. Окружающая кожа имеет цвет, отличающийся от цвета пятна, поэтому она поглощает лишь небольшое количество света и не повреждается (Конечно, выжженные области должны зажить, и в ходе этого процесса иногда происходит незначительное рубцевание).

Подобный метод часто успешно применяется для удаления татуировок. Татуировки создаются путем введения очень сильных красителей в кожу человека посредством иглы. Человек, сделавший татуировку, в какой-то момент жизни может решить, что ему или ей она больше не нужна; ранее единственным способом удаления татуировок была хирургическая операция или выжигание при помощи кислоты. К счастью, лазер представляет собой альтернативу таким крайним мерам. Луч отбеливает красители в татуировке, не сжигая кожу вокруг нее (Как и в случае с винными пятнами, возможно незначительное рубцевание).

Еще один пример косметической процедуры, выполняемой при помощи лазера, -- удаление нежелательных волос. Лазер излучает слабый луч света, который поглощается только волосяными фолликулами (кожа при этом не повреждается). Лазер передает энергию, которая поглощается волосами и преобразуется в тепло. Тепло уничтожает волосяную фолликулу за долю секунды.

1.4 Лазерная стоматология

При использовании лазера в челюстно-лицевой хирургии послеоперационный отек проявляется в меньшей степени, чем обычно. Меньший отек обеспечивает увеличение безопасности при выполнении операции на дыхательных путях (рот) и увеличивает диапазон хирургических операций, которые хирург может выполнить безопасно, без риска для дыхательных путей. Этот свойство позволяет хирургу выполнять в офисе или амбулаторно многие процедуры, которые ранее потребовали бы госпитализации. Заживление тканей и рубцов также улучшается при использовании лазера. Еще одно преимущество состоит в том, что раны, полученные в результате воздействия лазера, обычно заживают без образования крупных шрамов и зачастую не требуют наложения швов.

Многие стоматологи в настоящее время используют разновидность твердотельного лазера (который использует кристалл в качестве рабочей среды генерации излучения) вместо бора в большинстве случаев. Лазерная терапия использует тот простой факт, что материал, который образуется в полости, гораздо мягче эмали (твердая часть зуба). Мощность лазера устанавливается таким образом, чтобы она была достаточной для удаления пораженных тканей, но не достаточно сильной, чтобы повредить эмаль. При создании очень глубоких полостей иногда возникает кровотечение. Лазерный луч обычно изолирует кровеносные сосуды и останавливает кровотечение.

Нельзя не сказать, что такая процедура совершенно безболезненна. Каждая вспышка света стоматологического лазера длится всего тридцать триллионных секунды, что гораздо меньше, чем количество времени, необходимое нерву для вызова боли. Иными словами, излучение должно длиться в 100 миллионов раз дольше, чтобы вызывать дискомфорт. Таким образом, этот вид лечения не требует анестезии.

1.5 Онкология

На настоящий момент для лечения рака широко используется три типа лазеров:

ь лазер на диоксиде углерода (CO2);

ь аргоновый лазер;

ь неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате (Nd:YAG).

Лазер на диоксиде углерода используется в качестве хирургического инструмента. С его помощью делают точные разрезы, а также вапоризируют ткани с минимальным кровотечением. Этот тип лазеров применим для работы с тонкими слоями кожи.

Аргоновый лазер используют в тех случаях, когда необходимо проникновение на небольшую глубину. Его нередко используют для устранения офтальмогических и дерматических проблем. Подходит данный инструмент и для лечения рака. Его применяют совместно со светочувствительными препаратами при выполнении ФДТ (фотодинамическая терапия) для уничтожения раковых клеток.

Неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате является наиболее мощным. Он способен проникать в ткани глубже, чем другие типы лазеров. Использование эндоскопа позволяет лучу добраться даже до труднодоступных зон в организме, -- например, пищевода или толстой кишки. Также излучение проводят через оптические волокна, которые могут быть согнуты и помещены в опухоль.

Лечение рака лазером основано на физическом уничтожении опухоли. Действие лазерного излучения направлено в первую очередь на клетки, содержащие много пигмента. Действие лазерного луча довольно сложно, и состоит из многих компонентов: термического, электрохимического, электромагнитного, фотоэлектрического и других.

Лечение рака лазером сначала прошло испытания на животных, при этом было доказано, что лазер может эффективно уничтожать опухоли. Суть процессов, происходящих во время уничтожения опухоли лазером, до конца не изучена. Изменения в злокачественной опухоли очень похожи на изменения нормальных тканей, случающиеся при ожогах и других поражениях от высокой температуры.

Поскольку действию лазера более подвержены клетки, содержащие много пигмента, то перед проведением облучения целевые клетки специально подкрашивают. Лечение рака лазером- довольно болезненная процедура, поэтому перед ней проводят местное обезболивание области, которая будет подвергаться воздействию облучения. Через несколько дней после первого сеанса лазерного облучения, на облученном месте образуется струп, который самостоятельно отпадает через три-четыре недели после облучения.

Таким образом, можно подвергать лазерного облучению довольно большие по площади опухоли, проводя курс лечения в несколько этапов. Все опухоль делится на зоны, которые последовательно облучаются, после образования и отпадания струпа на одной зоне опухоли, приступают к облучению следующей зоны - так происходит лечение опухоли.

Благодаря такому подходу удается получить удовлетворительный косметический результат в виде малозаметного рубца. Иногда при глубоком лазерном облучении область струпа захватывает глубокие слои (подкожную жировую клетчатку). В таких случаях струп держится дольше и рубец получается более грубым.

Лечение рака лазером не одинаково эффективно при разных видах опухолей. Например, самым чувствительным к лазерному облучению видом рака есть меланобластома, менее чувствительным - рак кожи. Малоэффективным есть лазерное лечение опухолей, расположенных под кожей или имеющих диаметр более 2 см.

На сегодняшний день накоплен уже достаточно большой опыт лечения рака лазером. Первой опухолью, которую попробовали лечить лазерным облучением, оказалась меланома. Это произошло в 60-70 годах прошлого века. К сожалению, данных об отдаленных результатах этого лечения не было получено, но ранние результаты лечения были довольно хороши.

Кроме лечения лазером рака кожи и меланомы, предпринимались также попытки лечить с его помощью злокачественные опухоли прямой кишки, пищевода. Полученный опыт говорит о том, что лазерное лечение рака можно применять при поверхностно расположенных, небольших опухолях этих органов. Облучение опухоли сквозь кожу малоэффективно. Предпринимались попытки облучить опухоль после рассечения кожи, расположенной над ней, но они также не принесли хороших результатов, так как трудно контролировать полноту облучения глубоко расположенного опухолевого очага.

Накопленный опыт лечения рака лазером свидетельствует о том, что оно может быть эффективно и при распространенных опухолях, обширных и распадающихся опухолях, множественных опухолевых узлах.

Лечение рака лазером имеет определенные плюсы: стерильность, очень малую кровопотерю, образование биологического барьера вокруг облученной опухоли.

1.6 Вывод о применении лазера в медицине

Существуют сотни других медицинских применений лазера. Тем не менее, есть огромное множество заболеваний, в лечении которых лазерное излучение не может помочь. И даже в тех случаях, когда применение лазера возможно, врач в каждом конкретном случае может иметь веские причины для выбора другого метода. Факт в том, что, хотя лазер и считается чудесным медицинским инструментом, он не может вылечить каждого больного. Тем не менее, в настоящее время, вероятно, раскрыта лишь небольшая часть потенциальных возможностей лазера. В конце концов, лазер существует только с 1960 года, и, учитывая успехи в медицине, которых он уже достиг, будущее представляется действительно перспективным.



2. Наука

2.1 Спектроскопия

Спектроскопия -- разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии -- для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики in situ, то есть непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

2.2 Измерение расстояний

Лазеры могут быть использованы при различных бесконтактных способах измерения расстояний или смещений. С помощью лазеров осуществляются наиболее точные измерения длин и расстояний. Лазерные системы имеют очень большую скорость получения данных (с пропускной способностью до нескольких мегагерц), используются для больших диапазонов измерений, хотя эти качества, как правило, не объединены одним способом измерения. В зависимости от конкретных требований используются разные технические подходы. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшествий, в военных целях и т.д.



2.3 Методы измерения расстояний

Некоторые из наиболее важных технологий, используемых для лазерных измерений расстояний:

Триангуляция - геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.

Времяпролётный метод (или импульсный метод) - основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно. Такие методы обычно используются для больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. Используя передовые технологии, можно измерить расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Типичная точность простых устройств измерения коротких расстояний равна нескольким миллиметрам или сантиметрам.

Метод фазового сдвига использует модулированный по интенсивности лазерный луч. По сравнению с интерферометрическим методом, его точность ниже, но он позволяет однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, описанного выше, где измеряется время пролета светового импульса.

Методы частотной модуляции используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка.

Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света.

На малых расстояниях, иногда используются ультразвуковые дальномеры, регистрирующие время пролета звука до объекта. При этом устройство может содержать лазерный указатель только для задания правильного направления, а не для измерения самого расстояния.

2.4 Лазерный радар

Лазерный радар - устройство, которое использует один из методов измерения расстояния, описанных выше, и сканирует заданное направление в двух измерениях. Это позволяет получить изображение, или, точнее, профиль данного объекта, как требуется, например, в робототехнике. Для получения таких профилей с более высокой скоростью существуют сенсорные чипы, похожие на ПЗС (приборы с зарядовой связью) со встроенной аппаратурой для измерения фазовых сдвигов, так что расстояния для каждого пикселя могут быть измерены одновременно. Это позволяет быстро получать трехмерные изображения с помощью компактных устройств.

По сравнению с ультразвуковыми или радио- и микроволновыми устройствами (радарами), основное преимущество лазерных методов измерения расстояния в том, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Еще одно преимущество в том, что оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.

2.5 Различные проблемы, возникающие при использовании лазеров для измерений расстояний

Как и практически при всех других методах измерения с использованием лазеров, при лазерном измерении расстояния присутствует лазерный шум. Другие, связанные с шумом проблемы могут возникнуть в результате шума детектирования, рассеивания света, и спектр-эффектов.

Цели могут обладать различными свойствами отражения и рассеяния. Проблемы могут возникнуть из-за очень низкого отражения или из-за зеркального отражения.

Следует обратить внимание, что использование лазеров поднимает серьезные вопросы безопасности, особенно при использовании коротких интенсивных импульсов с модуляции добротности. Связанные с этим опасности могут быть сильно уменьшены за счет использования безопасных для глаз длин волн лазеров.

2.6 Лазерная локация и зондаж атмосферы

Лидар (сокращение от слов Light Detection And Ranging) работает на тех же принципах, что и радар. Это инструмент, который направляет лазерное излучение на мишень, с которой оно взаимодействует. Часть излучения отражается и рассеивается назад, улавливается и анализируется. Изменение свойств излучения позволяет определять некоторые свойства мишени. Время, затраченное светом на путь до мишени и обратно, позволяет определить расстояние до мишени.

Существует три основных типа лидаров:

ь Дальномеры

ь DIAL (измерители дифференциального поглощения)

ь Допплеровские лидары

Дальномеры позволяют определять расстояние до обьекта.

Differential Absorption LIDAR (DIAL) используются для определения концентраций химических веществ (например, озона, водяного пара, различных загрязнений) в атмосфере. Измеритель дифференциального поглощения использует две длины волны, выбранные таким образом, что одна из них сильно поглощается исследуемой молекулой, а другая нет. Разница в интенсивности отраженных сигналов позволяет определить концентрацию молекул в воздухе.

Допплеровский лидар измеряет скорость мишени путем определения допплеровского сдвига длины волны излучения. Мишенью в этом случае может служить как твердый предмет, так и атмосферная пыль и аэрозоль, что позволяет производить дистанционные измерения скорости ветра в разных слоях атмосферы.

2.7 Лазерное намагничивание

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.

2.8 Лазерное охлаждение

Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались в пространстве 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 безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходи 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.

2.9 Оптический (лазерный) пинцет

Оптический пинцет, иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» -- оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

2.10 Гироскоп. Навигация

Лазерный гироскоп -- оптический прибор для измерения угловой скорости, обычно применяется в системах инерциальной навигации. Лазерные гироскопы используют эффект Саньяка -- появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях.

В лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. Таким образом, положение узлов и пучностей не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.



3. Промышленность

3.1 Поверхностная лазерная обработка

Интенсификация технологических процессов термообработки, наплавки, легирования, напыления и других методов поверхностной обработки в значительной степени определяется расширением применения мощных концентрированных потоков энергии в виде плазменного и ионного воздействия, электронного луча, а в последние годы - и лазерного излучения.

Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенного превосходящего другие энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам, а также и свои перечисленные ниже особенности и преимущества.

1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объёма и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. В результате очевидны экономические и технологические преимущества. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объёма материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.

2. Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной лазерной обработки, причём в каждом методе можно легко регулировать структуру поверхностного слоя, его свойства такие как твёрдость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков и др.

3. Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал даёт возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.

4. Возможность обработки на воздухе, лёгкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д. Определяют высокую технологичность лазерного луча.

5. Возможность транспортировки излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе и с помощью высококонцентрированных источников нагрева, применить невозможно.

3.2 Лазерная сварка

Качество и надежность сварных соединений, выполняемых лазерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки достигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).

Как же происходит лазерная сварка? Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от окалины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Указанные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом.

Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из нержавеющей стали на участке не менее 10-15 мм как выше, так и ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые поверхности, прилегающие к свариваемым участкам. После зачистки место сварки рекомендуется обезжирить.

Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тщательной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором и перекосом кромок. При толщине свариваемого материала >1,0 мм зазор не должен превышать 5-7% толщины (не более 0,2-0,3 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20-25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм).

При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В случае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.

Защищать поверхности шва от окисления следует гелием или смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также аргона с углекислым газом при соотношении 3:1, подаваемыми через специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекомендуется защищать аргоном. В некоторых случаях при лазерной сварке низкоуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.

Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некоторых сталей обеспечивают сочетание формирования качественного шва, высокой технологической прочности и высоких механических свойств соединения.

3.2.1 Лазерная сварка титановых сплавов

Основными трудностями сварки титановых сплавов являются высокая химическая активность металла при повышенных температурах и особенно в расплавленном состоянии, склонность к росту зерна при нагреве до 330-350 °С и выше, а также повышенная склонность к образованию холодных трещин при повышении содержания в шве и околошовной зоне примесей газов, в особенности водорода.

Перечисленные трудности устраняются при сварке с минимальными значениями погонной энергии, обеспечиваемыми такими высококонцентрированными источниками энергии, как лазерный и электронный лучи.

3.3 Лазерное разделение материалов

Качество работы и степень производительности оборудования, применяемого при лазерной резке, зависят от ряда параметров:

ь Мощности лазера: влияет на глубину проплавления поверхности;

ь Скорости резки: от выбора оптимальной скорости зависит качество конечного продукта;

ь Толщины разрезаемого листа металла и его состав;

ь Расстояния между лучом лазера и разрезаемой поверхностью;

ь Давления и состава газа, который обдувает обрабатываемую поверхность.

Плотность мощности, с которой лазер воздействует на обрабатываемую поверхность, зависит от мощности самого лазерного потока, поляризации, распределения интенсивности излучения в пятне (так называемого модового состава) и условий фокусирования (расстояние между линзами, направление фокусировки).

Благодаря применению глубокой лазерной резки, стало возможным получение деталей исключительной точности исполнения в отношении её размеров и формы. Точность размеров детали, достигаемая при автоматизированном процессе лазерной резки, заключается в соотношении линейной и размерной точностей, определяемых при установке размера разрезаемого объекта.

Различают отдельно уровень точности вырезаемой детали и точность работы устройства. Точность работы оборудования зависит от качества работы её деталей, от электропривода, настройки оптической системы и погрешности механических конструкций.



3.4 Лазерная маркировка и гравировка

В последнее время на многих заводах активно стали применять лазерную маркировку в целях надежной идентификации металлической и пластиковой продукции: узлы, детали, переключатели, кнопки, панели приборов, агрегаты, подшипники, болты, прокладки и т.п.

С помощью лазерной маркировки на изделие возможно нанести любую информацию: логотипы, штрих коды, ГОСТы, нумерацию, технические данные и наименования, текущую дату и время.

Физические процессы, возникающие на поверхности твердых тел при лазерном нагреве:

Эмиссионные процессы:

ь десорбция газа,

ь термоэлектронная эмиссия,

ь термоионная эмиссия,

ь эмиссия нейтральных атомов,

ь тепловое излучение (пироэлектрические измерения).

Структурные процессы

ь рекристаллизация,

ь структурные изменения в Fe-C сплавах (закалка сталей),

ь размягчение стекла и, соответственно, структурные изменения,

ь аморфизация и кристаллизация стеклокерамик,

ь аморфизация тонких металлических пленок,

ь взаимная диффузия нагретых слоев (микрометаллургия),

ь отжиг дефектов (в полупроводниках).

Поверхностные химические реакции:

ь локальное окисление металлов и полупроводников,

ь восстановление окислов,

ь термическое разложение металлоорганических соединений

ь полимеризация (деструкция) полимеров.

Термомеханические эффекты

ь тепловое расширение (включая импульсное),

ь появление термонапряжений,

ь генерация ударных волн в твердом теле и в воздухе,

ь генерация ультразвука (дефектоскопия),

ь оптический пробой в прозрачных диэлектриках

Физические переходы:

ь плавление,

ь испарение,

ь воспламенение и горение,

ь детонация активных и взрыв пассивных сред.



4. Вооружение

4.1 Лазерное оружие

лазер оружие радар медицина

Лазерное оружие -- это оружие, прототипы которого уже существуют на данный момент, но они слишком громоздки и их образцы невозможно использовать в мобильных войсках. (В настоящее время только довольно крупные мобильные боевые единицы -- например, морские крейсеры и тяжелые самолеты -- способны нести такое оружие.) В данное время ведутся разработки новых технологий изготовления лазерного оружия для применения его в научных экспериментах, а также для боевого применения. Ручное лазерное оружие создать пока проблематично, в основном из-за больших размеров необходимых элементов питания, если их создавать на основе ныне существующих технологий.

Средства ПРО и ПВО России

С середины 50-х годов XX века 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». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

Нелегальное лазерное оружие

Одним из видов нелегального оружия, которое может способствовать пресечению преступных действий, направленных против сотрудников МВД и специальных подразделений, выполняющих свои обязанности по защите правопорядка и при захвате правонарушителей, является лазерное оружие. Его применение при самообороне обеспечивает малую степень риска для здоровья и жизни обороняющегося. Действие этих устройств достигается за счет направленного на нарушителя луча лазера красного или зеленого цвета, вызывающего временное ослепление и психологическое воздействие, приводящих к неспособности человека выполнять координированные (осознанные) действия, тем самым, снижая боеспособность нарушителя и препятствуя его продвижению вперед. Яркий свет лазера, развернутый в линию и сканирующий по местности, создает эффект световой завесы не позволяя снайперам противника вести прицельную стрельбу, а в ряде случаев и визуальное наблюдение через оптические приборы. В соответствии с «Дополнительным протоколом к конвенции о запрещении или ограничении использования конкретных видов обычного оружия, которые могут приводить к многочисленным травмам или тотальному эффекту» (Вена октября 1995), запрещено использование лазерного оружия, одной из функций которого является приведение к полному, невосстанавливаемому ослеплению, при использовании его на невооруженный или оснащенный средствами коррекции зрения глаз. В соответствии с нормами по безопасности МЭК мощность лазерного источника должна находиться между двумя пределами где: верхний предел ограничивает максимальную мощность воздействия не приводящую к ожогам и необратимым последствиям глаз (2,5 мВт/см2), нижний предел (менее1 мВт/см2), определяет мощность достаточную для достижения временного ослепляющего воздействия. Для защиты сетчатки глаза от поражения, маломощными лазерами на малом расстоянии, можно снабжать лазерные излучатели измерителями расстояния, автоматически снижающими мощность излучения или отключающими излучатель. Дополнительно, портативные лазеры могут использоваться для подачи сигналов предупреждения, бедствия, как средство обмена информацией, при ведении разведывательных операций, за счет узконаправленного излучения на больших расстояниях.

Французская кораблестроительная компания «DCNS» разрабатывает программу «Advansea», в ходе которой планируется создать к 2025 году полностью электрифицированный боевой надводный корабль с лазерным и электромагнитным вооружением.

4.2 Лазерный прицел

В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания с помощью какого-нибудь оружия. Например, лазерный прицел -- это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу.

Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол.

Большинство лазеров используют красный лазерный диод. Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое невооруженным глазом, но различимое приборами ночного видения. В 2007 году компания Lasermax, специализирующаяся на выпуске лазеров для военных целей, объявила о начале первого массового производства зелёных лазеров, доступных для стрелкового оружия.

Предполагается, что зеленый лазер будет лучше, чем красный, видим в условиях яркого света по причине более высокой чувствительности сетчатки человеческого глаза к зеленой области спектра.

4.3 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.).

Как преимущество -- подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями.

Такие системы выпускаются как в России, так и в других странах.

4.3.1 Постановка помех снайперам

Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.

Также существует тактика введения противника в заблуждение. В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого -- предотвратить нападение со стороны противника.

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.

4.4 Лазерное наведение

Другое военное применение лазеров -- оружейные системы наведения. Такие системы представляют собой лазер небольшой мощности, «подсвечивающий» цель для боеприпасов с лазерным наведением -- «умных» бомб или ракет, запускаемых с самолёта.

Ракета автоматически меняет свой полет, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая, таким образом, высокую точность попадания. Лазерный излучатель может находиться как на самом самолёте, так и на земле. В устройствах лазерного наведения обычно используются инфракрасные лазеры, так как их работу проще скрыть от противника.

Лазерная сигнализация

Принцип работы такой сигнализации не слишком сложен. Есть специальный источник, который испускает невидимый человеку луч, который непрерывно попадает на расположенный противоположно датчик. Как только мимо этого луча пройдет грабитель, луч сразу же прервется и не поступит на датчик, поэтому датчик сразу подаст сигнал на микросхему, а та заставит сирену сработать и подаст сигнал на пульт в охрану. Но угадать с тем, куда расположить луч, очень сложно, ведь кто знает, как именно преступник попадет в дом, и как будет двигаться, поэтому один луч использует редко, а стараются провести целую систему лучей, сообщающуюся с одной микросхемой.

Устанавливать такую систему должен профессионал, так он может определить высоту, направление и протяженность луча, чтобы сигнализация срабатывала стопроцентно.

Сомневаться в надежности такой сигнализации не приходится, так как при правильной установке она не подведет. Но совсем другое дело, когда в доме есть домашнее животное (кошка, собака), которые в ваше отсутствие могут прервать луч и вызвать наряд, поэтому приходится или отказаться от животных или просчитывать лучи так, чтобы в них попал грабитель, но не попало животное.



5. Лазеры в связи и информационных технологиях

5.1 Оптическая связь

Волоконно-оптическая связь -- вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем -- волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических 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. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования -- незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов -- сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях -- от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа -- Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home,FTTH) - термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

ь высокоскоростной доступ в Интернет;

ь услуги телефонной связи;

ь услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

5.2 Оптические компьютеры

Оптический компьютер -- компьютер, основанный на использовании оптических процессоров. В отличие от обычных компьютеров, основанных на электронных технологиях, в оптических компьютерах операции выполняются путём манипуляции потоками оптического излучения, что позволяет достичь большей производительности вычислений.

Преимущества оптических технологий:

ь Принципиальное повышение производительности

ь Возможное уменьшение размеров элементов схем

ь Снижается потребляемая мощность



5.2.1 Первые оптические компьютеры

Оптический компьютер компании «Bell Labs»

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году компанией Аланом Хуаном (Bell Labs)[2][3]. Процессор второго поколения носил название «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer -- цифровой оптический компьютер) и был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду при выполнении команды поиска слова.

Оптический компьютер компании «Lenslet»

Компанией «Lenslet» был выпущен единственный на данный момент коммерческий оптический процессор EnLight25. Особенностью его архитектуры является то, что в то время, как ядро основано на оптических технологиях, все входы и выходы -- электронные. Этот процессор способен выполнять до 8Ч1012 операций в секунду. Компьютер на базе EnLight256 способен обрабатывать 15 видеоканалов стандарта HDTV в режиме реального времени и позволяет создать новое направление в голографическом 3D TV.

5.2.2 Разработка технологии и компонентов

2008 год -- исследователи из компании IBM представили оптический коммутатор, который обеспечивает пакетную передачу данных со скоростью более 1 Тбит/сек.

2009 год -- профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом было предложено использовать для создания оптоэлектронных устройств, в том числе и оптических процессоров, обычный технологический процесс изготовления полупроводниковых процессоров, основанный на 32-нм технологии. По их расчётам это позволит достигнуть большего прогресса.



5.3 Голография

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография, представляющая собой фотографический процесс в широком смысле этого слова, принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.

Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.

Голограммы незаменимы при изготовлении высококачественных репродукций произведений скульптуры, музейных экспонатов и т.д. В то же время, возможность создания объемных изображений открывает новые направления в искусстве - изобразительную голографию и оптический дизайн. Голограммы широко используются в сувенирной продукции и в качестве украшений, а также в рекламе.



5.4 Лазерные дисплеи

Лазерный телевизор - разновидность технологии по производству телевизионных панелей на основе лазерного излучения. Данная технология является самой перспективной, возможно именно она займёт основную нишу по производству телевизоров и мониторов в будущем, заменив LCD технологию.