Från själva ögonblicket av dess utveckling kallades lasern en enhet som själv letar efter uppgifter som ska lösas. Lasrar har funnits inom en mängd olika områden. Lasern har blivit en av 1900-talets viktigaste uppfinningar .
Moderna källor för laserstrålning förser experimenterande med monokromatiskt ljus med praktiskt taget vilken våglängd som helst . Beroende på uppgiften kan detta vara antingen kontinuerlig strålning med ett extremt smalt spektrum eller ultrakorta pulser med en varaktighet på upp till hundratals attosekunder (1 som = 10 −18 sekunder). Den höga energin som lagras i dessa pulser kan fokuseras på provet som studeras till en fläck som är jämförbar i storlek med våglängden, vilket gör det möjligt att undersöka olika olinjära optiska effekter . Med hjälp av frekvensinställning genomförs spektroskopiska studier av dessa effekter och styrning av laserstrålningens polarisering gör det möjligt att genomföra en sammanhängande styrning av de processer som studeras.
Under flygningar till månen med bemannade och obemannade fordon levererades flera speciella hörnreflektorer till dess yta . En speciellt fokuserad laserstråle skickades från jorden med hjälp av ett teleskop och mätte den tid det tar att resa till månens yta och tillbaka. Utifrån värdet på ljusets hastighet blev det möjligt att beräkna avståndet till månen. Idag är parametrarna för månens bana kända inom några få centimeter.
Användningen av adaptiva optikmetoder i markbaserade teleskop kan avsevärt förbättra bildkvaliteten för astronomiska objekt genom att mäta och kompensera för atmosfäriska optiska distorsioner . För att göra detta riktas en kraftfull laserstråle mot observationen. Laserstrålningen sprids i de övre lagren av atmosfären och skapar en referensljuskälla som är synlig från jordens yta - en konstgjord "stjärna". Ljuset från den, som passerade genom atmosfärens lager på väg tillbaka till jorden, innehåller information om de optiska förvrängningar som sker vid en given tidpunkt. De atmosfäriska distorsionerna som mäts på detta sätt kompenseras av en speciell korrigerare. Till exempel en deformerbar spegel .
Vissa typer av lasrar kan producera ultrakorta ljuspulser mätt i piko- och femtosekunder (10 −12 - 10 −15 s). Sådana pulser kan användas för att utlösa och analysera kemiska reaktioner. Ultrakorta pulser kan användas för att studera kemiska reaktioner med hög tidsupplösning, vilket möjliggör tillförlitlig isolering av kortlivade föreningar. Manipulering av pulspolarisationen gör det möjligt att selektivt välja riktningen för en kemisk reaktion bland flera möjliga ( koherent kontroll ). Sådana metoder finner sin tillämpning inom biokemi , där de används för att studera bildning och funktion av proteiner .
Ultrakorta laserpulser används för ultrasnabb kontroll av det magnetiska tillståndet hos ett medium, vilket för närvarande är föremål för intensiv forskning. Många optiskt-magnetiska fenomen har redan upptäckts, såsom ultrasnabb avmagnetisering på 200 femtosekunder (2⋅10 −13 s), termisk ommagnetisering av ljus och icke-termisk optisk styrning av magnetisering genom ljuspolarisering.
De första experimenten med laserkylning utfördes med joner i jonfällor , joner hölls i fällans utrymme med hjälp av ett elektriskt och/eller magnetiskt fält . Dessa joner belystes av en laserstråle, och på grund av oelastisk interaktion med fotoner förlorade de energi efter varje kollision. Denna effekt används för att uppnå ultralåga temperaturer.
Senare, i processen att förbättra lasrar, hittades andra metoder, såsom anti-Stokes kylning av fasta ämnen - den mest praktiska metoden för laserkylning idag. Denna metod är baserad på det faktum att atomen exciteras inte från det elektroniska marktillståndet, utan från vibrationsnivåerna i detta tillstånd (med en något högre energi än energin i marktillståndet) till vibrationsnivåerna i det exciterade tillståndet ( med en energi som är något mindre än energin i detta exciterade tillstånd). Vidare passerar atomen nonradiatively till den exciterade nivån (absorberar fononer ) och emitterar en foton vid övergången från den exciterade elektroniska nivån till den markerade (denna foton har mer energi än pumpfotonen ). Atomen absorberar en fonon och cykeln upprepas.
Det finns redan system som kan kyla kristallen från kväve- till heliumtemperaturer . Denna kylningsmetod är idealisk för rymdfarkoster där ett konventionellt kylsystem inte är tillgängligt.
Ett sätt att utföra en termonukleär reaktion är att hålla det termonukleära bränslet under reaktionens varaktighet av dess egna tröghetskrafter. Vanligtvis, i detta fall, bestrålas en liten volym bränsle med kraftfull laserstrålning (ibland omvandlas laserstrålning preliminärt till röntgenstrålning) från alla sidor under korta (i storleksordningen flera nanosekunder) tidsintervall. Som ett resultat av bestrålning avdunstar målytan, vilket utövar ett enormt tryck på de inre lagren. Detta tryck komprimerar målet till ultrahöga densiteter så att termonukleära reaktioner äger rum i det. Uppvärmning är möjlig både direkt av tryckkrafter och med en extra superkraftig och ultrakort (i storleksordningen flera femtosekunder) laserpuls.
En optisk pincett är en enhet som låter dig manipulera mikroskopiska föremål med hjälp av laserljus (vanligtvis utsänds av en laserdiod). Den låter dig applicera krafter från femtonewton till nanonewton på dielektriska föremål och mäta avstånd från några få nanometer. De senaste åren har optisk pincett använts för att studera strukturen och hur proteiner fungerar.
Sedan mitten av 1950-talet har storskaligt arbete utförts i Sovjetunionen för att utveckla och testa laservapen med hög effekt som ett medel för direkt förstörelse av mål i det strategiska rymd- och antimissilförsvarets intresse. Bland annat implementerades Terra- och Omega- programmen . Tester av lasrar utfördes på Sary-Shagan-testplatsen ( luftförsvar , missilförsvar , PKO , SKKP , system för tidig varning ) i Kazakstan . Efter Sovjetunionens kollaps stoppades arbetet på Sary-Shagan-testplatsen .
I mitten av mars 2009 tillkännagav det amerikanska företaget Northrop Grumman skapandet av en elektrisk halvledarlaser med en effekt på cirka 100 kW . Utvecklingen av denna enhet genomfördes som en del av ett program för att skapa ett effektivt mobilt laserkomplex utformat för att bekämpa mark- och luftmål [1] .
I de flesta militära tillämpningar används en laser för att underlätta siktning med ett vapen av något slag. Till exempel är ett lasersikte en liten laser, vanligtvis inom det synliga området, fäst vid pipan på en pistol eller ett gevär så att dess stråle är parallell med pipan. På grund av laserstrålens svaga divergens, även på långa avstånd, ger siktet en liten fläck. En person pekar helt enkelt denna plats mot målet och ser på så sätt exakt vart hans bål är riktad.
De flesta lasrar använder en röd laserdiod. Vissa använder en infraröd diod för att skapa en plats som är osynlig för blotta ögat men synlig för mörkerseende. 2007 tillkännagav Lasermax, ett företag som specialiserat sig på produktion av lasrar för militära ändamål, starten på den första massproduktionen av gröna lasrar tillgängliga för handeldvapen [2] . Det antogs att den gröna lasern skulle vara bättre än den röda, synlig i starkt ljus på grund av den högre känsligheten hos den mänskliga näthinnan för det gröna området i spektrumet. Men efter 8 år har användningen av den gröna lasern inte slagit igenom så mycket som man trodde 2007. Gröna dioder, enheter som avger en grön stråle, visade sig vara mycket dyrare att tillverka (flera gånger på grund av ett större antal defekter jämfört med en röd diod). Och livslängden för den gröna dioden visade sig vara mycket lägre. Sammantaget påverkade ovanstående skäl den slutliga kostnaden för utrustning som använder en grön laser [3] .
Principen för dessa system är baserad på det faktum att strålen, som passerar genom linserna, kommer att reflekteras från något ljuskänsligt föremål (optiska omvandlare, näthinnan, etc.).
Som en fördel är sådana system aktiva, det vill säga de upptäcker krypskyttar före skottet och inte efter. Å andra sidan avslöjar dessa system sig själva, eftersom de är sändare.
Sådana system tillverkas både i Ryssland [4] och i andra länder.
Jamming är möjligt genom att "skanna" terrängen med en laserstråle, förhindra fiendens krypskyttar från att utföra riktad eld eller till och med observera genom optiska enheter.
I det här fallet menas "icke-dödliga" vapen, vars huvudsakliga syfte är att förhindra en attack från fienden. Enheten skapar en laserstråle med låg effekt riktad mot fienden (denna teknik används främst mot flygplan och stridsvagnar). Fienden tror att ett precisionsvapen är riktat mot honom, han tvingas gömma sig eller dra sig tillbaka istället för att ge sitt eget slag.
En laseravståndsmätare är en anordning som består av en pulsad laser och en strålningsdetektor . Genom att mäta den tid det tar för strålen att färdas till reflektorn och tillbaka, och känna till värdet på ljusets hastighet , kan du beräkna avståndet mellan lasern och det reflekterande föremålet. En laseravståndsmätare är den enklaste versionen av en lidar . Målavståndsvärdet kan användas för att rikta ett vapen, till exempel en stridsvagnspistol .
En annan militär tillämpning av lasrar är vapenledningssystem. Sådana system är en lågeffektlaser som "belyser" målet för laserstyrd ammunition - "smarta" bomber eller missiler som avfyras från ett flygplan . Missilen ändrar automatiskt sin flygning och fokuserar på den reflekterade platsen av laserstrålen på målet, vilket säkerställer hög träffnoggrannhet. Lasersändaren kan placeras både på själva flygplanet och på marken. Infraröda lasrar används vanligtvis i laserstyrningsanordningar , eftersom deras arbete är lättare att dölja för fienden.
Den första militära tillämpningen av lasrar som kommer att tänka på är vanligtvis användningen av dem vid utformningen av laserhandvapen som kan förstöra infanteri , stridsvagnar och till och med flygplan . I praktiken stöter sådana idéer omedelbart på ett allvarligt hinder - med den nuvarande tekniknivån kommer en laser som kan orsaka skada på en person (med hänsyn till strömkällan) att vara för tung att bära ensam och en enhet med tillräckligt med kraft att inaktivera en tank kommer att vara extremt besvärlig och vibrationskänslig enhet, vilket kommer att göra det omöjligt att använda den i fält. Först och främst beror detta på laserns extremt låga effektivitet: för att erhålla en tillräcklig (för att skada målet) mängd utstrålad energi, är det nödvändigt att spendera tiotals (ibland hundratals) gånger mer energi för att pumpa arbetet laserkroppen. I synnerhet, för att orsaka skada som liknar nedslaget av en 0,30-kaliber kula (i termer av energi), krävs en laserpuls med en effekt på cirka 5 kilojoule; 1,6 kilojoule skulle motsvara en 9 mm kula. En strålpuls som varar per sekund bör därför ha en effekt på 1600 watt. I det här fallet bör ovanstående faktor för låg lasereffektivitet beaktas, respektive strömkällan måste ge minst tio gånger mer kraft (i bästa fall). Det är massan av energikällor för pumpning som i stor utsträckning kommer att avgöra hur allvarligt ett sådant vapen är. För närvarande finns inte bärbara kraftkällor med en sådan energitäthet. Det bör också noteras att resten av energin som inte avges i laserpulsen kommer att frigöras som värme i vapenstrukturen, vilket kommer att kräva ett mycket effektivt och tungt kylsystem för att frigöra värme. Och den erforderliga kylningstiden kommer i sin tur att kraftigt minska vapnets eldhastighet. Låt oss reservera att problemet med värmeavlägsnande delvis är löst i kemiskt pumpade lasrar (särskilt högeffekts syre-jod- och deuterium-fluorlasrar som producerar megawatt per sekund-puls), där förbrukade kemiska komponenter skjuts ut från systemet efter pulsen, bär bort värme. Samtidigt kräver emittern ett stort utbud av dessa ofta aggressiva reagens och lämpliga förvaringsbehållare.
Det enda som återstår är möjligheten att använda en laser för att blinda fienden, för för detta ändamål behövs lasrar med mycket låg effekt, som kan göras bärbara. För närvarande är användningen av sådana anordningar förbjuden enligt de internationella reglerna för krigföring. Men lågeffektlasrar, inklusive laserpekare , används i begränsad utsträckning för att förblinda fiendens krypskyttar och avslöja dolda vapenplaceringar.
På 1960-talet gjordes de första studierna angående användningen av laser inom medicinen. De ägde rum på MMA -klinikerna . I. M. Sechenov , CITO , Central Research Institute of Balneology and Physiotherapy , utvecklaren av de första medicinska laserapparaterna i Sovjetunionen var Istok Research and Production Enterprise ( Fryazino , Moskva-regionen ). Möjligheterna att använda helium-neonlasrar med en våglängd på 0,63 μm i klinisk praxis studerades. Lämpligheten av att använda helium-neonlasrar för medicinska ändamål bevisades, och 1972 erhölls tillstånd från USSR:s hälsoministerium för användning av helium-neonlaserstrålning med låg effekt i terapi [6] .
Arbetet med användningen av laser i kirurgi i Sovjetunionen började 1965 vid MNIOI. P. A. Herzen (ledd av professor S. D. Pletnev) tillsammans med NPP Istok (ledd av akademiker vid Sovjetunionens vetenskapsakademi N. D. Devyatkov och V. P. Belyaev). Högenergi-CO 2 -lasrar med en våglängd på 10,6 μm användes. Baserat på resultaten av dessa arbeten skapade NPP Istok flera modifieringar av laserkirurgiska enheter, som överfördes till kliniker och användes i kirurgiska operationer [6] .
Med tillkomsten av industriella lasrar har en ny era inom kirurgin börjat. Samtidigt kom erfarenheten från specialister inom lasermetallbearbetning väl till pass. Lasersvetsning av den exfolierade näthinnan i ögat är punktsvetsning; laserskalpell - autogen skärning; bensvetsning - fusionsstumsvetsning; anslutningen av muskelvävnad är också kontaktsvetsning.
För att laserstrålning ska ha någon effekt måste den absorberas av vävnaden. Den mest populära lasern inom kirurgi är koldioxid. Andra lasrar är monokromatiska , det vill säga de värmer, förstör eller svetsar endast vissa biologiska vävnader med en väldefinierad färg. Till exempel passerar en argonlaserstråle fritt genom den frostade glaskroppen och avger sin energi till näthinnan, vars färg är nära röd.
En koldioxidlaser passar för de flesta applikationer, som när du ska skära eller svetsa tyger i olika färger till varandra. Detta väcker dock ett annat problem. Vävnader är mättade med blod och lymfa , innehåller mycket vatten och laserstrålning i vatten förlorar energi. Det är möjligt att öka laserstrålens energi, men det kan leda till vävnadsbränning. Skaparna av kirurgiska lasrar måste tillgripa alla möjliga knep, vilket kraftigt ökar kostnaderna för utrustningen.
Metallsvetsare har länge vetat att när man skär en stapel av tunna metallplåtar är det nödvändigt att de passar tätt ihop, och vid punktsvetsning krävs ytterligare tryck för att nära kontakt med delarna som ska svetsas.
Denna metod användes också inom kirurgi: Professor O. K. Skobelkin och hans medförfattare föreslog att när man svetsar vävnader, klämde man dem lätt för att tvinga ut blodet. För att implementera den nya metoden skapades en hel uppsättning verktyg, som idag används vid mag- tarmkirurgi, under operationer på gallvägar , mjälte , lever och lungor .
Lasershow