23 реинкарнации лазера, которые нас окружают в повседневной жизни

Под катом — научно-популярная лекция о современном применении лазеров и принципах работы лазерных устройств, тех самых, которые помогают победить рак и идентифицировать коронавирус, определять строение тканей, передавать данные и строить города, сводить татуировки и делать мышей счастливыми.

Ну и, надеюсь, вы уже видели самую большую в мире лазерную установку длиной 130 метров, установленную в Сарове в ВНИИЭФ. Она предназначена в том числе для изучения термоядерного(!) синтеза.

Эта статья — расшифровка лекции Дмитрия Артемьева, старшего преподавателя кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета и м.н.с. научно-исследовательской лаборатории «Фотоника». Дмитрий прочитал эту лекцию в нашей самарской Точке кипения прямо перед введением режима всеобщей самоизоляции.

Что такое свет

Для полноты картины начнем с азов. Из курса физики известно, что свет — это электромагнитная волна или поток фотонов. Поскольку одна из характеристик электромагнитных волн — длина волны, под светом (излучением) мы будем подразумевать электромагнитную волну длиной от 1 нанометра до нескольких сантиметров. Таким образом, наше определение покрывает диапазон от рентгеновского до инфракрасного излучения.

Видимый для нашего глаза диапазон занимает очень маленький интервал, порядка 300 нанометров.

Если говорить про диковинные диапазоны, такие, как рентгеновские, то, например, в прошлом году создание лазера на свободных электронах, который работает в рентгеновском диапазоне, стало одной из главных тем и было номинировано на Нобелевскую премию по физике. Интересно, что победитель в этой номинации тоже был связан с лазерной техникой: премию присудили за создание сверхкоротких и сверхмощных импульсов. Кстати, часть исследований проводили в России, в Нижегородском институте общей физики.

Чем лазер отличается от обычной лампочки

На картинке — сравнение основных характеристик. Особо отметим, что максимальная мощность лазера многократно выше мощности источников, которые применяются в лампах. Но не каждому лазеру это нужно: часто для применения достаточно долей ватта, милливатта или микроватта, чтобы получить просто какое-то определенное излучение.

Вспомним, что ширина видимого диапазона излучения — порядка 400 нанометров. Примерно такой же по ширине спектр имеет лампа накаливания, поэтому при перемешивании цветов мы видим белый свет. В свою очередь, ширина диапазона лазера может составлять 0,1 нанометра. Это уникальное свойство лазера используется при проведении некоторых спектральных исследований и точных прецизионных измерений.

Если посветить лазерной указкой из одной стороны комнаты в другую, мы увидим на противоположной стене лишь небольшое пятно, демонстрирующее узкую направленность излучения и малую расходимость пучка лазера. А у лампы дневного света или накаливания излучение практически изотропно, т.е. направлено во все стороны.

У естественного света отсутствует определенная направленность вектора электрического поля, это означает, что свет не поляризован. То есть у света обычной лампочки вектор E (напряженность) направлен в различные стороны. В случае лазерного излучения вектор E имеет определенное направление, колебания происходят в одной плоскости. Такая поляризация тоже делает лазерное излучение в какой-то степени уникальным.

Физика процесса

Лазер изобрели в конце 50-х прошлого столетия. В 1964 году за открытие лазерного излучения американец Чарльз Таунс и советские ученые Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов получили Нобелевскую премию. Причем Прохоров и Басов открыли не лазер, не усиление света, а усиление излучения микроволнового диапазона, так называемый мазер.

Лазер — аббревиатура из пяти латинских букв: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation. В переводе с английского это означает «усиление света под действием вынужденного излучения». Ниже представлены три диаграммы. Сначала, чтобы произошло излучение, необходимо, чтобы электрон или частица перешли в возбужденное состояние. Для этого частица должна получить энергию. После этого она перейдет на более высокий энергетический уровень.

Дальше возможны два сценария. Если частица случайным образом перейдет на более низкие энергетические уровни, то мы получим спонтанное излучение. Однако если на частицу, находящуюся на верхнем энергетическом уровне, воздействовать определенным фотоном, то есть направить на нее свет определенной длины волны, то произойдет уже вынужденное излучение. И фотон, рожденный в результате такого внешнего воздействия, будет тождествен тому фотону, с которым он провзаимодействовал. Так получается когерентное излучение, при котором волны равны друг другу.

Как устроен лазер

Перед вами — схема первого лазера. Это классический рубиновый лазер, созданный в 1960 году американским ученым Теодором Мейманом. Для работы прибора нужна активная среда, в данном случае — кристалл рубина, и два зеркала. Одно зеркало — глухое, с коэффициентом отражения, близким к единице. Второе — полупрозрачное, в зависимости от типа лазеров коэффициент отражения у него может отличаться как на доли процента, так и на десятки процентов относительно глухого зеркала.

В качестве оптической накачки для твердотельных лазеров, как правило, используется другое оптическое излучение. В первом лазере на кристалле рубина применялись лампы белого света, которые содержали синий и зеленый спектры — именно их кристалл рубина поглощает лучше всего.

Итак, классическая схема лазера: это активное вещество (рубин), резонатор (два зеркала) и система накачки. В других схемах накачка может происходить не только от оптического излучения, но и, например, при помощи электрического разряда (в газовых лазерах). Но в первую очередь лазеры отличаются по типу активной среды: твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на парах металлов. Выше мы упоминали лазер на свободных электронах, сейчас он активно разрабатывается и модернизируется. Также сейчас популярны диодные (полупроводниковые) лазеры и волоконные, где в качестве активной среды используется оптическое волокно.

Где применяется лазерное излучение

Лазерное излучение можно использовать в медицине, промышленности, связи, военном деле и науке. На картинке ниже — примеры медицинских инструментов. Так, сейчас очень популярны лазерные скальпели для коррекции зрения. Они помогают скорректировать геометрию хрусталика, чтобы избавить от близорукости или дальнозоркости, исправить астигматизм и так далее. Лазер идеален для операций на глазе не только из-за очень маленьких размеров пучка — важно и то, что время воздействия таким скальпелем можно сократить до фемтосекунд. Различные типы излучений используются для косметических операций. А в стоматологии ультрафиолетовое излучение применяют для затвердевания зубного клея, который очень хорошо его поглощает.

В промышленности с помощью лазеров производится точнейшая обработка стали: гравировка, вырезание отверстий с очень тонкой и чистой кромкой. Свойства лазерного излучения используют для закаливания некоторых металлов. Чаще всего в современной промышленности применяется волоконный лазер.

В строительной сфере лазеры применяют, чтобы определять расстояния или выстраивать геометрию. Сейчас лазерные уровни продаются во всех строительных магазинах, причем стоят недорого.

Военные и охотники уже давно используют лазерные прицелы. При этом лазер редко используют для прямого нанесения ущерба: пока такие аппараты слишком громоздки. Например, в американских вооруженных силах проводился эксперимент, в ходе которого лазерная установка устанавливалась на самолете. Для чего понадобился целый самолет? Несмотря на небольшой по размерам излучатель, система накачки потребляла огромное количество электроэнергии, а активная среда сильно нагревалась. Так что почти все пространство самолета занимали системы питания и охлаждения лазера.

Такие лазеры могут занимать большие пространства: для термоядерной реакции нужен серьезный источник излучения, размеры которого могут достигать сотен метров.

Лазерная установка УФЛ-2М в Сарове

Наряду с такими гигантами, сравнимыми по габаритам с футбольными стадионами, в последнее время набирают популярность миниатюрные лазеры на так называемых наноструктурах.
Лазеры активно используются в системах связи, в том числе спутниковых. Одно из самых полезных для связистов свойств — распространение излучения в оптическом волокне: оптоволоконные системы позволяют передавать до сотен гигабайт в секунду на огромные расстояния.

Как устроено оптоволокно

Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Посмотрите на картинку ниже: у нас есть струя воды, и если на вход подать излучение, то при изгибе струи оно не выходит наружу, а распространяется внутри.

Именно так и распространяется излучение по среде с более высоким показателем преломления относительно его оболочки. Этот принцип позволяет передавать данные на десятки, сотни и тысячи километров с минимальными потерями.

В качестве источника оптического излучения используются либо светодиоды, либо лазерные диоды. У лазерного диода более высокие характеристики, но и стоит он дороже.

В телекоммуникационной технике, как правило, применяют полупроводниковые лазеры с длиной волны 1,3 или 1,55 микрометра. Эти длины волн не попадает в полосу поглощения различных гидроксильных групп, которые есть в составе волокна. Таким образом, сигнал не поглощается и не затухает на протяжении многих километров.

В качестве детекторов можно использовать фотодиоды, PIN-диод и лавинный фотодиод. Они отличаются по чувствительности. Если нужно зарегистрировать очень слабый сигнал, берут лавинный фотодиод. Если сигнал на десятки–сотни ватт, то можно применить любые другие типы фотодиодов.

Лазерное излучение и биологические объекты

При падении лазерного пучка на биоткань может произойти поглощение этого излучения, а также пропускание, рассеяние или флуоресценция. Еще один из возможных вариантов — абляция, сгорание верхних слоев ткани. При этом внутренние слои не повреждаются.

При поглощении имеет место коагуляция различных частиц, то есть их слипание. Этот эффект применяется при использовании лазера в хирургии — в качестве лазерного скальпеля. В отличие от механического скальпеля, разрез сосуда или ткани происходит практически бескровно. К тому же лазерный луч может быть значительно тоньше, чем острие металлического скальпеля.

На графике ниже — элементы, которые могут находиться в сосудах, в крови, в тканях кожи. Как мы знаем, человек более чем на 70% состоит из воды. Вода также присутствует в каждой биологической ткани. Есть меланин, который окрашивает нашу ткань. Если мы загорели летом, то меланина в тканях кожи становится существенно больше. А имеющийся у всех нас гемоглобин может быть в двух состояниях — насыщенный кислородом (оксигемоглобин) и без кислорода (дезоксигемоглобин).

График показывает, насколько активно различные элементы поглощают излучение с разными длинами волн. Таким образом, при использовании лазера с определенной длиной волны мы можем добиться селективного поглощения.

Или, к примеру, возьмем два источника излучения с разными длинами волн: один попадает в максимум поглощения, другой — в минимум. При дифференциальном контрасте можно получить концентрацию определенных веществ. Мы видим, что максимумы спектров окси- и дезоксигемоглобина разнесены между собой. Таким образом мы можем определить концентрацию, например, оксигемоглобина.

Это очень важно при проведении хирургических операций. Сейчас в любом хирургическом отделении стоит прибор, который отслеживает насыщенность крови кислородом. Этот датчик позволяет в режиме реального времени определять, что происходит с тканью пациента в нужном месте.

Диагностика, визуализация, лечение рака.

В некоторых диагностических системах используют несколько лазеров с разными длинами волн. Они помогают проводить исследования по различным клеточным структурам: как они себя ведут, какую дают реакцию на препараты.

Выше упоминалось, что лазер может счищать верхние слои кожи. Это используется, в частности, для удаления татуировок. Косметологические салоны сводят «наколки» твердотельным лазером с длиной волны 1064 нанометра.

Еще одно распространенное применение лазеров — фотодинамическая терапия, которая часто применяется при лечении онкологических заболеваний. Вначале в ткань человека вводится фотосенсибилизатор — вещество, которое накапливается в агрессивных раковых клетках. После этого на опухоль — она, как правило, окружена здоровой тканью — воздействует лазер с длиной волны, попадающей в максимум поглощения данного фотосенсибилизатора. В результате излучение поглощается только раковыми клетками. Таким образом, мы выжигаем раковую опухоль, не задевая здоровую ткань.

Лазер применяется в медицине для визуализации. Например, в оптической томографии он служит источником света (см. схему). В качестве источника света также можно использовать суперлюминесцентный диод: он также излучает за счет вынужденного рассеивания, но не имеет такой степени когерентности.

Источник света направлен на светоделитель. Часть излучения отражается на зеркало, а другая направляется на объект, отражаясь от которого обе волны могут взаимодействовать между собой. Если две когерентные длины волны взаимодействуют между собой, происходит интерференция. И на детекторе мы регистрируем набор интерференционных полос, после обработки которых можно получить картинку среза ткани.

Оптический когерентный томограф, принцип действия которого показан на схеме, есть во всех крупных городах. Данная технология позволяет построить трехмерную картину объекта, в данном случае — глаза. И пространственное разрешение, где мы можем отделить один пиксель от другого, может составлять единицы микрон. Аналог данной технологии — ультразвуковое исследование. Только для УЗИ используется не оптическое излучение, а ультразвуковая волна. У ультразвука глубина проникновения выше, чего не скажешь о точности: пространственное разрешение измеряется в миллиметрах, а не в микронах.

Почему нужно комбинировать методы

В Самарском университете данный подход использовали для исследования тканей кожи и легкого с онкологическими образованиями. На фото слева — восстановленное 3D-изображение тканей легкого. А справа — фотография участка, с которого происходила регистрация сигнала.

На картинке слева заметно различие структур между собой. Черное — это воздух, оттуда сигнал не приходил. Пористая структура, похожая на губку, — это здоровая ткань легкого. При переходе вправо можно наблюдать, как возникают слои. Они более плотные и имеют определенную структуру, которая характерна для онкологических новообразований в тканях легкого. Это пример плоскоклеточного рака, удаленного в результате операции в Самарском онкологическом центре.

Такой же подход применялся для исследования тканей кожи. С его помощью легко определить базально-клеточную карциному, однако другие типы рака часто бывают похожи между собой, и диагностировать конкретный тип заболевания становится невозможно. Поэтому оптические методы исследования необходимо дополнять спектральными.

На следующей иллюстрации представлена диаграмма комбинационного (неупругого) рассеяния света, так называемое рамановское рассеяние. Здесь мы снова наблюдаем энергетические уровни, с которыми познакомились при рассмотрении вынужденного рассеяния.

На картинке показано, как лазерное излучение возбуждает колебания в молекуле. При этом 99,999% этого излучения не изменяет длины волны. Но некоторая часть излучения после взаимодействия с молекулой может измениться. Эта доля изменения энергии соответствует колебанию связей, на которые было направлено лазерное излучение.

В результате комбинационного рассеяния света мы получаем набор полос, положение которых привязано к конкретному колебанию нашего объекта. С помощью этих данных мы можем определить, какие колебания у нас есть. В свою очередь, по интенсивности колебаний определяется количественный состав этих компонент.

На фото — момент исследования в Самарском онкологическом центре. Так происходит визуализация образца ткани при помощи дерматоскопа, разработанного там же.

На следующем слайде — характерные графики спектров комбинационного рассеяния для кожи и новообразований. В определенных полосах спектра интенсивность может увеличиваться либо уменьшаться. Так, в полосе №2 интенсивность для злокачественной меланомы увеличивается на 100%. И за увеличение этой интенсивности отвечает изменение компонентного состава в этой области. В частности, если речь идет о биохимических изменениях в ткани, то меняется соотношение ДНК и РНК в клетке. Также может меняться соотношение белков и липидов в ткани.

Подобное исследование проводилось и для тканей легкого. Мы видим, что можно отличить злокачественные образования от доброкачественных. Также для анализа данных могут применяться различные математические подходы — например, регрессионные модели, которые позволяют быстро находить спектральные отличия в большом массиве данных.

Итак, исследование биологического объекта при помощи лазеров и спектральной техники позволяет получить огромный набор данных. Для их обработки приходится прибегать к математическим методам, которые, в свою очередь, надо реализовать на компьютере с использованием специального ПО.

Подведем итоги

Биофотоника дает широкие возможности для диагностики состояния тканей в режиме реального времени, позволяет осуществлять лазерную абляцию — очищение верхних слоев кожи. Лазерный скальпель широко применяется в хирургии. Также при облучении лазером в организме могут ускоряться какие-то процессы, например выработка кислорода в сосудах или каких-то тканях. Либо замедляться, если это необходимо.

Все оптические технологии используются для неинвазивных исследований — без непосредственного контакта инструмента с тканью. Для более точного исследования в различных диапазонах можно использовать сразу несколько лазеров. Но это далеко не все возможности. Мы не упомянули такое интересное направление, как оптогенетика — воздействие лазерного или оптического излучения на когнитивные функции. Исследователи воздействуют на нейроны в определенных областях мозга, пытаясь улучшать настроение, стимулировать выработку гормонов и так далее. Пока такие опыты проводятся на животных. На фото — мышь, в череп которой вживлено оптическое волокно для соответствующих исследований.

В связи с текущей пандемией стоит отметить, что упомянутая выше рамановская спектроскопия — технология, которая может использоваться для исследования вирусов. Здесь снова междисциплинарный подход: вирусы — частицы размером 20–200 нанометров, нужно их как-то уловить. Вирусы содержатся в крови, которая движется по некоему капилляру. Следовательно, в капилляр устанавливаются специальные наноловушки — наноструктуры, способные поймать и захватить частицы определенного размера. После захвата частиц проводим их облучение лазером и регистрацию рамановского рассеяния — вот теперь мы можем точно сказать, что это. Преимущество оптических технологий в данном случае в том, что вирусы обнаруживаются даже при минимальной их концентрации.

На наш взгляд, мы перечислили большинство наиболее интересных областей применения лазеров. Хотя наверняка могли что-то забыть. Так что, если кто-то подкинет интересных фактов в комментариях, с удовольствием поплюсуем.

Источник

Практическое применение лазеров

Изобретение лазера можно по праву считать одним из самых значимых открытий 20 столетия. Еще в самом начале разработки данной технологии ей уже пророчили совершенно разностороннюю применимость, с самого начала была видна перспектива решения самых разных задач, несмотря на то, что некоторые задачи даже не виднелись на горизонте в то время.

Лазерная спектроскопия

Монохроматическое излучение лазера можно получить в принципе с любой длиной волны, причем как в форме непрерывной волны определенной частоты, так и в форме коротких импульсов, длительностью вплоть до долей фемтосекунд. Будучи сфокусирован на исследуемом образце, лазерный луч подвергается нелинейным оптическим влияниям, что позволяет исследователям осуществлять спектроскопию изменяя частоту света, а также проводить когерентный анализ процессов, управляя поляризацией лазерного луча.

Измерение расстояний до объектов

Луч лазера очень удобно направлять на исследуемый объект, даже если этот объект находится очень далеко, ведь расхождение луча лазера очень незначительно. Так, в 2018 году, в рамках эксперимента, из Китайской обсерватории Юньнань лазерный луч был направлен на Луну. Светоотражатели «Апполон-15», которые уже были установлены на поверхности Луны, отразили луч обратно на Землю, где он был принят обсерваторией.

Известно, что свет лазера, как и любая электромагнитная волна, движется с постоянной скоростью — со скоростью света. Измерения времени прохождения луча показали, что расстояние от обсерватории до Луны, в промежутке времени с 21:25 до 22:31 по пекинскому времени 22 января 2018 года, составляло от 385823,433 до 387119,600 километров.

Лазерный дальномер, для не столь больших расстояний как расстояние от Земли до Луны, работает на аналогичном принципе. Импульсный лазер посылает луч на объект, от которого луч отражается. Детектор излучения принимает отраженный луч. Приняв в расчет время между началом излучения и тем моментом когда детектор поймал отраженный луч, а также скорость света, электроника прибора рассчитывает расстояние до объекта.

Адаптивная оптика и компенсация атмосферных искажений

Если наблюдать с земли в телескоп за каким-нибудь далеким астрономическим объектом, то окажется, что атмосфера вносит определенные оптические искажения в получаемое изображение этого объекта. Чтобы данные искажения убрать, применяют методы так называемой адаптивной оптики — искажения измеряются и компенсируются.

Чтобы данной цели достичь, в сторону наблюдаемого объекта направляют мощный луч лазера, который, как и простой свет, испытывает в атмосфере рассеивание, формируя «искусственную звезду», свет от которой, на обратном пути к наблюдателю, испытывает точно такие же оптические искажения в верхних слоях атмосферы, как и изображение наблюдаемого астрономического объекта.

Информация об искажениях обрабатывается, и используется для компенсации оптических искажений путем соответствующей корректировки изображения наблюдаемого астрономического объекта. В результате изображение объекта получается более «чистым».

Био и фотохимия

В биохимических исследованиях на тему образования и работы белков, полезны сверхкороткие лазерные импульсы фемтосекундной длительности. Данные импульсы позволяют инициировать и изучать химические реакции с высоким временным разрешением, чтобы находить и исследовать даже маложивущие химические соединения.

Изменяя поляризацию светового импульса, ученые могут задать необходимое направление химической реакции, выбрав из нескольких возможных сценариев развития событий в ходе реакции строго определенный.

Намагничивание лазерным импульсом

Сегодня ведутся исследования о возможности сверхбыстрого изменения намагниченности сред при помощи сверхкоротких лазерных импульсов длительностью в несколько фемтосекунд. Уже сейчас достигнуто сверхбыстрое размагничивание лазером за 0,2 пикосекунды, а также оптическое управление намагниченностью путем поляризации света.

Охлаждение сред лазером

Ранние эксперименты по охлаждению при помощи лазера проводились с ионами. Ионы удерживались электромагнитным полем в ионной ловушке, где освещались пучком лазерного света. В процессе неупругих соударений с фотонами, ионы теряли энергию, и таким образом были достигнуты сверхнизкие температуры.

Уже после был найден более практичный метод лазерного охлаждения твердых тел — антистоксово охлаждение, который заключается в следующем. Атом среды, находясь в состоянии чуть выше основного состояния (на колебательном уровне), возбуждался до энергии чуть ниже возбужденного состояния (на колебательном уровне), и, поглощая фонон, атом переходил в возбужденное состояние. Затем атом испускал фотон, энергия которого выше, чем энергия накачки, переходя в основное состояние.

Лазеры в установках термоядерного синтеза

Проблема удержания разогретой плазмы внутри термоядерного реактора может быть также решена при помощи лазера. Небольшой объем термоядерного топлива облучают со всех сторон в течение нескольких наносекунд мощным лазером.

Поверхность мишени испаряется, что приводит к огромному давлению на внутренние слои топлива, таким образом мишень испытывает сверхсильное сжатие и уплотнение, и при определенной температуре в такой уплотненной мишени уже могут протекать термоядерные реакции синтеза. Нагрев также возможен при помощи сверхмощных лазерных импульсов фемтосекундной длительности.

Оптический пинцет на основе лазера

Лазерный пинцет позволяет при помощи света от лазерного диода манипулировать микроскопическими диэлектрическими объектами: к объектам прикладываются силы в пределах нескольких наноньютон, также измеряются крошечные расстояния от нескольких нанометров. Данные оптические приборы применяются сегодня в исследовании белков, их структуры и работы.

Боевое и оборонительное лазерное оружие

Лазерный прицел

Небольшой источник лазерного света жестко прикрепляется к стволу винтовки или пистолета так, чтобы его луч был направлен параллельно стволу. При прицеливании стрелок видит на мишени маленькое пятнышко, благодаря малой расходимости лазерного луча.

В основном для таких прицелов используются красные лазерные диоды либо инфракрасные лазерные диоды (чтобы пятнышко можно было разглядеть лишь в прибор ночного видения). Для большей контрастности в условиях дневного света применяются лазерные прицелы с зелеными лазерными светодиодами.

Обман военного противника

Лазерное наведение снаряда

Закалка металла лазером

Участок поверхности металла нагревают лазером до критической температуры, при этом тепло проникает вглубь изделия благодаря его теплопроводности. Как только действие лазера прекращается, происходит быстрое остывание изделия за счет проникновения тепла вовнутрь, где начинают формироваться закалочные структуры, препятствующие быстрому износу при будущей эксплуатации изделия.

Лазерные отжиг и отпуск

Отжиг — это такой вид термической обработки, при котором сначала осуществляют нагрев изделия до определённой температуры, затем выдерживают в течение определенного времени при этой температуре, далее медленно охлаждают до комнатной температуры.

Так снижают твердость металла, облегчая дальнейшую механическую его обработку, при этом улучшается микроструктура и достигается большая однородность металла, снимаются внутренние напряжения. Отжиг лазером позволяет обрабатывать таким образом мелкие детали из металлов.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности в местах соединения деталей. Для этого изделие подвергается нагреву лазером до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным охлаждением (остыванием).

Лазерная очистка и дезактивация поверхностей

Данный способ очистки применяют для удаления поверхностных загрязнений с предметов, памятников, произведений искусства. Для очистки изделий от радиоактивных загрязнений и для очистки микроэлектроники. Такой способ очистки лишен недостатков, свойственных механическому шлифованию, абразивной обработке, виброобработке и т. д.

Лазерное оплавление и аморфизация

Скоростная аморфизация подготовленной поверхности сплава сканирующим лучом или коротким импульсом достигается благодаря быстрому теплоотводу, при котором происходит как-бы замораживание расплава, образуется подобие металлического стекла с высокой твердостью, стойкостью к коррозии, улучшением магнитных характеристик. Материал предварительного покрытия подбирается так, чтобы вместе с основным материалом образовывать состав, склонный к аморфизации под действием лазера.

Лазерное легирование и наплавка

Легирование поверхности металла лазером повышает его микротвердость и износостойкость.

Метод лазерной наплавки позволяет наносить износостойкие поверхностные слои. Применяется в восстановлении высокоточных деталей, используемых в условиях повышенного износа, например таких как клапаны ДВС и другие детали двигателей. Данный метод по качеству превосходит напыление, поскольку здесь формируется монолитный слой связанный с основой.

Вакуумно-лазерное напыление

В вакууме лазером испаряется участок материала, затем данные испарения конденсируются на специальной подложке, где с другими продуктами образуют материал с необходимым новым химическим составом.

Лазерная сварка

Перспективный метод промышленной сварки с использованием мощных лазеров, дающих очень ровный, узкий и глубокий сварной шов. В отличие от обычных методов сварки, мощность лазера регулируется более прецизионно, что позволяет очень точно регулировать глубину и другие параметры сварного шва. Сварочный лазер способен сваривать толстые детали на высокой скорости, достаточно лишь добавить мощности, причем тепловое воздействие на прилегающие зоны минимально. Сварной шов получается более качественным, как и любое соединение, полученное данным способом.

Лазерная резка

Высокая концентрация энергии в сфокусированном лазерном луче дает возможности для разрезания почти любого известного материала, при этом рез получается узким, а зона термического воздействия минимальной. Соответственно отсутствуют и значимые остаточные деформации.

Лазерное скрайбирование

Для последующего разделения на более мелкие элементы, пластины полупроводника скрайбируют — наносят лазером глубокие канавки. Здесь достигается более высокая точность, чем при использовании алмазного резца.

Глубина канавки — от 40 до 125 мкм, ширина от 20 до 40 мкм, при толщине обрабатываемой пластинки от 150 до 300 мкм. Изготовление канавки происходит со скоростью до 250 мм в секунду. Выход готовой продукции больше, брака — меньше.

Лазерная гравировка и маркировка

Лазер в медицине

Невозможно переоценить применимость лазеров в современной медицине. Хирургические лазеры применяются для коагуляции отслоившейся сетчатки глаза, лазерные скальпели позволяют резать плоть, лазерами сваривают кости. Углекислотным лазером сваривают биологические ткани.

Безусловно, что касается медицины, то в данном направлении ученым приходится каждый год улучшать и уточнять, совершенствовать технологии использования тех или иных лазеров, дабы избежать вредных побочных действий на ткани, которые расположены рядом. Бывает так, что одно место лазер лечит, но тут же оказывает разрушительное действие на соседний орган или случайно попавшую под него клетку.

Дополнительные наборы инструментов, специально созданные для работы совместно с хирургическим лазером, позволили медикам добиться успехов в желудочно-кишечной хирургии, хирургии желчных путей, селезенки, легких и печени.

Удаление татуировок, коррекция зрения, гинекология, урология, лапароскопия, стоматология, удаление опухолей головного и спинного мозга — все это возможно сегодня только благодаря современной лазерной технике.

Информационные технологии, дизайн, быт и лазер

CD, DVD, BD, голография, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, системы безопасности (защитные барьеры), световые шоу, мультимедийные презентации, указки и т. д. Только представьте, как бы стал выглядеть наш мир, если бы из него исчез лазер…

Источник