A lézert fejlesztésének pillanatától fogva olyan készüléknek hívták, amely maga is keresi a megoldandó feladatokat. A lézereket a legkülönfélébb területeken alkalmazzák. A lézer a 20. század egyik legjelentősebb találmányává vált .
A modern lézersugárforrások gyakorlatilag bármilyen hullámhosszú monokromatikus fényt biztosítanak a kísérletezőknek . Az adott feladattól függően ez lehet rendkívül szűk spektrumú folyamatos sugárzás, vagy akár több száz attoszekundum időtartamú ultrarövid impulzusok (1 as = 10–18 másodperc ). Az ezekben az impulzusokban tárolt nagy energia a vizsgált mintán a hullámhosszal összemérhető méretű foltba fókuszálható, ami lehetővé teszi különböző nemlineáris optikai hatások vizsgálatát . Frekvenciahangolás segítségével ezen hatások spektroszkópiai vizsgálata történik, a lézersugárzás polarizációjának szabályozása pedig lehetővé teszi a vizsgált folyamatok koherens szabályozását .
Az emberes és pilóta nélküli járművekkel a Holdra történő repülések során számos speciális sarokreflektor került a felszínére . Speciálisan fókuszált lézersugarat küldtek a Földről egy távcső segítségével, és megmérték a Hold felszínére való utazáshoz és visszautazáshoz szükséges időt. A fénysebesség értéke alapján lehetővé vált a Hold távolságának kiszámítása. Ma a Hold keringésének paraméterei néhány centiméteren belül ismertek.
Az adaptív optikai módszerek földi teleszkópokban való alkalmazása jelentősen javíthatja a csillagászati objektumok képminőségét a légköri optikai torzítások mérésével és kompenzálásával . Ehhez egy erős lézersugarat irányítanak a megfigyelés felé. A lézersugárzás szétszóródik a légkör felső rétegeiben, így a földfelszínről látható referencia fényforrás - egy mesterséges "csillag" - jön létre. A belőle kiáramló fény, amely a légkör rétegein áthaladva a földre visszatérve, információkat tartalmaz az adott időpontban végbemenő optikai torzulásokról. Az így mért légköri torzulásokat speciális korrektor kompenzálja. Például egy deformálható tükör .
Egyes lézertípusok ultrarövid, piko- és femtoszekundumban ( 10–12–10–15 s) mért fényimpulzusokat képesek előállítani . Az ilyen impulzusok kémiai reakciók kiváltására és elemzésére használhatók. Az ultrarövid impulzusok nagy időbeli felbontású kémiai reakciók vizsgálatára használhatók, lehetővé téve a rövid élettartamú vegyületek megbízható izolálását. Az impulzuspolarizáció manipulálása lehetővé teszi a kémiai reakció irányának szelektív kiválasztását több lehetséges irány közül ( koherens vezérlés ). Ezeket a módszereket a biokémiában alkalmazzák , ahol a fehérjék képződésének és működésének tanulmányozására használják őket .
Az ultrarövid lézerimpulzusokat egy közeg mágneses állapotának ultragyors szabályozására használják, ami jelenleg intenzív kutatás tárgya. Számos optikai-mágneses jelenséget fedeztek fel már, mint például az ultragyors lemágnesezést 200 femtoszekundum alatt (2⋅10 -13 s), a fénnyel történő termikus újramágnesezést és a mágnesezés nem termikus optikai szabályozását fénypolarizációval.
Az első lézeres hűtési kísérleteket ioncsapdákban lévő ionokkal végeztük, az ionokat elektromos és/vagy mágneses tér segítségével tartottuk a csapda terében . Ezeket az ionokat lézersugár világította meg, és a fotonokkal való rugalmatlan kölcsönhatás miatt minden ütközés után energiát veszítettek. Ezt a hatást ultraalacsony hőmérséklet elérésére használják.
Később, a lézerek fejlesztése során más módszereket is találtak, mint például a szilárd anyagok Stokes elleni hűtését - ez a lézeres hűtés manapság legpraktikusabb módja. Ez a módszer azon alapul, hogy az atomot nem az alapelektronikus állapotból, hanem ennek az állapotnak a rezgésszintjeiről (az alapállapot energiájánál valamivel nagyobb energiával) gerjesztjük a gerjesztett állapot rezgésszintjeire ( amelynek energiája valamivel kisebb, mint ennek a gerjesztett állapotnak az energiája). Továbbá az atom nem sugárzó módon átjut a gerjesztett szintre ( fononok elnyelése), és a gerjesztett elektronikus szintről a talajra való átmenet során fotont bocsát ki (ennek a fotonnak több energiája van, mint a pumpás fotonnak ). Az atom elnyel egy fonont, és a ciklus megismétlődik.
Már léteznek olyan rendszerek, amelyek képesek a kristályt nitrogénről héliumra hűteni . Ez a hűtési módszer ideális olyan űrhajókhoz, ahol nem áll rendelkezésre hagyományos hűtőrendszer.
A termonukleáris reakció egyik módja az, hogy a termonukleáris tüzelőanyagot a reakció időtartama alatt a saját tehetetlenségi ereje tartja vissza. Általában ebben az esetben egy kis mennyiségű tüzelőanyagot erős lézersugárzással (néha a lézersugárzást előzetesen röntgensugárzássá alakítják) minden oldalról rövid (több nanoszekundumos nagyságrendű) időintervallumban besugározzák. A besugárzás hatására a célfelület elpárolog, hatalmas nyomást gyakorolva a belső rétegekre. Ez a nyomás ultranagy sűrűségűre tömöríti a célpontot, így termonukleáris reakciók mennek végbe benne. A felfűtés mind közvetlenül nyomáserővel, mind egy további szupererős és ultrarövid (több femtoszekundumos nagyságrendű) lézerimpulzus segítségével lehetséges.
Az optikai csipesz olyan eszköz, amely lehetővé teszi mikroszkopikus objektumok manipulálását lézerfénnyel (ezt általában lézerdióda bocsátja ki). Lehetővé teszi a femtonewtonoktól a nanonewtonokig terjedő erők kifejtését dielektromos tárgyakra, és néhány nanométeres távolság mérését. Az utóbbi években optikai csipeszeket használtak a fehérjék szerkezetének és működésének tanulmányozására.
Az 1950-es évek közepe óta nagyszabású munkát végeztek a Szovjetunióban a nagy teljesítményű lézerfegyverek kifejlesztésére és tesztelésére, mint a célpontok közvetlen megsemmisítésének eszközére a stratégiai űr- és rakétaellenes védelem érdekében. Többek között megvalósult a Terra és az Omega program . A lézerek tesztjeit a kazahsztáni Sary-Shagan teszttelepen végezték ( légvédelem , rakétavédelem , PKO , SKKP , korai figyelmeztető rendszer ) . A Szovjetunió összeomlása után a Sary-Shagan tesztterületen leállították a munkát .
2009. március közepén az amerikai Northrop Grumman vállalat bejelentette egy körülbelül 100 kW teljesítményű szilárdtest-elektromos lézer megalkotását . Ennek az eszköznek a fejlesztését egy hatékony, földi és légi célpontok elleni küzdelemre tervezett mobil lézerkomplexum létrehozására irányuló program részeként végezték [1] .
A legtöbb katonai alkalmazásban lézert használnak valamilyen fegyverrel való célzás megkönnyítésére. Például a lézeres irányzék egy kis lézer, általában a látható tartományban, amelyet egy pisztoly vagy puska csövéhez rögzítenek úgy, hogy a sugara párhuzamos a csövével. A lézersugár gyenge divergenciája miatt még nagy távolságok esetén is kis foltot ad a látvány. Az ember egyszerűen rámutat erre a pontra a célpontra, és így pontosan látja, merre van a törzse.
A legtöbb lézer vörös lézerdiódát használ. Egyesek infravörös diódát használnak egy szabad szemmel láthatatlan, de az éjjellátó szemüveg számára látható folt létrehozására. 2007-ben a Lasermax, a katonai célú lézerek gyártására szakosodott vállalat bejelentette a kézi lőfegyverekhez elérhető zöld lézerek első tömeggyártásának megkezdését [2] . Feltételezték, hogy a zöld lézer jobb lenne, mint a vörös, amely erős fényviszonyok között is látható, mivel az emberi retina nagyobb érzékenységet mutat a spektrum zöld területére. Azonban 8 év után a zöld lézer használata nem fogott meg annyira, mint azt 2007-ben gondolták. A zöld diódák, azaz a zöld sugarat kibocsátó készülékek gyártása sokkal drágábbnak bizonyult (többször a piros diódához képest nagyobb számú hiba miatt). És a zöld dióda élettartama sokkal alacsonyabbnak bizonyult. Összességében a fenti okok befolyásolták a zöld lézert használó berendezések végső költségét [3] .
Ezeknek a rendszereknek az elve azon a tényen alapul, hogy a lencséken áthaladó sugár visszaverődik valamilyen fényérzékeny tárgyról (optikai átalakítók, retina stb.).
Előny, hogy az ilyen rendszerek aktívak, vagyis a lövés előtt észlelik a mesterlövészek, és nem utána. Másrészt ezek a rendszerek leleplezik magukat, mivel sugárzók.
Az ilyen rendszereket Oroszországban [4] és más országokban is gyártják.
Az elakadás úgy lehetséges, hogy lézersugárral "pásztázza" a terepet, megakadályozva az ellenséges mesterlövészek célzott tüzet, vagy akár optikai eszközökön keresztül történő megfigyelését.
Ebben az esetben a „nem halálos” fegyvereket kell érteni, amelyek fő célja az ellenség támadásának megakadályozása. Az eszköz kis teljesítményű lézersugarat hoz létre, amely az ellenség felé irányul (ezt a technológiát főleg repülőgépek és tankok ellen alkalmazzák). Az ellenség úgy véli, hogy egy precíziós fegyver irányul rá, kénytelen elbújni vagy visszavonulni, ahelyett, hogy saját ütést adna le.
A lézeres távolságmérő egy impulzuslézerből és egy sugárzásérzékelőből álló eszköz . Ha megméri azt az időt, amely alatt a sugár eljut a reflektorig és vissza, és ismeri a fénysebesség értékét, kiszámíthatja a lézer és a visszaverő tárgy közötti távolságot. A lézeres távolságmérő a lidar legegyszerűbb változata . A céltávolság értéke egy fegyver, például egy tankfegyver célzására használható .
A lézerek másik katonai alkalmazása a fegyverirányító rendszerek. Az ilyen rendszerek kis teljesítményű lézerek, amelyek "megvilágítják" a célpontot a lézervezérelt lőszerek - "okos" bombák vagy repülőgépről indított rakéták számára . A rakéta automatikusan változtatja repülését, a célponton a lézersugár visszaverődő pontjára fókuszál, így biztosítva a nagy ütési pontosságot. A lézersugárzó mind a repülőgépen, mind a földön elhelyezhető. Az infravörös lézereket általában lézeres vezérlőberendezésekben használják , mivel munkájukat könnyebb elrejteni az ellenség elől.
A lézerek első katonai alkalmazása, amely eszünkbe jut, általában az, hogy lézeres kézi lőfegyvereket terveznek, amelyek képesek megsemmisíteni gyalogságot , harckocsit , sőt repülőgépet is . A gyakorlatban az ilyen ötletek azonnal komoly akadályba ütköznek - a technológia jelenlegi szintjével egy személyben kárt okozni képes lézer (az áramforrást figyelembe véve) túl nehéz lesz egyedül hordozni, és egy elegendő teljesítményű eszköz egy tartály letiltása rendkívül körülményes és rezgésérzékeny eszköz lesz, ami lehetetlenné teszi a terepen való használatát. Ez mindenekelőtt a lézer rendkívül alacsony hatásfokának köszönhető: ahhoz, hogy elegendő (a célpontot károsító) mennyiségű kisugárzott energia eléréséhez több tízszer (néha százszor) több energiát kell fordítani a működő szivattyúzásra. a lézer teste. Különösen egy 0,30-as kaliberű lövedék becsapódásához hasonló sérülés okozásához (energia tekintetében) körülbelül 5 kilojoule teljesítményű lézerimpulzus szükséges; 1,6 kilojoule egy 9 mm-es golyónak felelne meg. A másodpercenkénti sugárimpulzusnak ezért 1600 watt teljesítményűnek kell lennie. Ebben az esetben a fenti alacsony lézerhatékonysági tényezőt kell figyelembe venni, illetve az áramforrásnak legalább tízszer nagyobb teljesítményt kell biztosítania (legfeljebb). A szivattyúzáshoz szükséges energiaforrások tömege nagymértékben meghatározza egy ilyen fegyver súlyosságát. Jelenleg nem léteznek ilyen energiasűrűségű hordozható áramforrások. Azt is meg kell jegyezni, hogy a lézerimpulzusban ki nem bocsátott energia többi része hőként szabadul fel a fegyverszerkezetben, amihez nagyon hatékony és nehéz hűtőrendszerre lesz szükség a hő leadásához. A szükséges hűtési idő pedig nagymértékben csökkenti a fegyver tűzsebességét. Tegyünk egy fenntartást azzal kapcsolatban, hogy a hőelvonás problémáját részben megoldják a kémiailag szivattyúzott lézerek (különösen a megawatt/másodperc impulzust produkáló nagy teljesítményű oxigén-jód és deutérium-fluor lézerek), ahol a kiégett vegyi komponenseket kidobják a rendszerből. a pulzus után, hőt visz el. Ugyanakkor az emitternek nagy mennyiségű ilyen, gyakran agresszív reagensre és megfelelő tárolóedényekre van szüksége.
Már csak a lehetőség maradt, hogy lézerrel elvakítsák az ellenséget, mert ehhez nagyon kis teljesítményű lézerekre van szükség, amelyek hordozhatóvá tehetők. Jelenleg az ilyen eszközök használatát tiltják a nemzetközi hadviselés szabályai. Azonban az alacsony teljesítményű lézereket, beleértve a lézermutatókat is, korlátozott mértékben használják az ellenséges mesterlövészek elvakításához és a rejtett fegyverállások felfedésére.
Az 1960-as években végezték el az első tanulmányokat a lézerek orvosi felhasználásával kapcsolatban. Az MMA klinikákon zajlottak . I. M. Sechenov , a CITO Központi Balneológiai és Fizioterápiás Kutatóintézete , a Szovjetunió első lézeres orvostechnikai eszközeinek kifejlesztője az Istok Kutató- és Gyártó Vállalat volt ( Fryazino , Moszkvai régió ). Vizsgálták a 0,63 μm hullámhosszú hélium-neon lézerek klinikai gyakorlati alkalmazási lehetőségeit. A hélium-neon lézerek gyógyászati célú alkalmazásának célszerűsége bebizonyosodott, és 1972 -ben engedélyt kaptak a Szovjetunió Egészségügyi Minisztériumától a kis teljesítményű hélium-neon lézersugárzás terápiás alkalmazására [6] .
A Szovjetunióban a lézerek sebészeti felhasználásával kapcsolatos munka 1965 -ben kezdődött az MNIOI-ban. P. A. Herzen (vezetője S. D. Pletnyev professzor ) és az atomerőmű Isztok (vezetője a Szovjetunió Tudományos Akadémia akadémikusa N. D. Devyatkov és V. P. Belyaev). Nagy energiájú , 10,6 μm hullámhosszú CO 2 lézereket használtak. E munkák eredményei alapján az Atomerőmű Istok a lézeres sebészeti egységek számos módosítását készítette el, amelyeket klinikákra szállítottak és sebészeti műtéteknél alkalmaztak [6] .
Az ipari lézerek megjelenésével új korszak kezdődött a sebészetben. Ugyanakkor jól jött a lézeres fémfeldolgozásban dolgozó szakemberek tapasztalata. A szem hámló retinájának lézeres hegesztése ponthegesztés; lézeres szike - autogén vágás; csonthegesztés - fúziós tompahegesztés; az izomszövet összekapcsolása is kontakthegesztés.
Ahhoz, hogy a lézersugárzásnak bármilyen hatása is legyen, a szövetnek el kell nyelnie. A sebészetben a legnépszerűbb lézer a szén-dioxid. Más lézerek monokromatikusak , azaz csak bizonyos biológiai szöveteket melegítenek, roncsolnak vagy hegesztenek jól meghatározott színnel. Például egy argon lézersugár szabadon halad át a fagyos üvegtesten, és energiáját adja le a retinának, amelynek színe közel áll a vöröshez.
A szén-dioxid lézer a legtöbb alkalmazáshoz alkalmas, például amikor különböző színű anyagokat kell egymáshoz vágnia vagy hegesztenie. Ez azonban egy másik problémát is felvet. A szövetek vérrel és nyirokkal telítettek, sok vizet tartalmaznak, és a vízben lévő lézersugárzás energiát veszít. Lehetséges a lézersugár energiájának növelése, de ez szöveti égéshez vezethet. A sebészeti lézerek készítőinek mindenféle trükkhöz kell folyamodniuk, ami nagymértékben megnöveli a berendezés költségeit.
A fémhegesztők régóta tudják, hogy vékony fémlemezek kötegének vágásakor szorosan illeszkedniük kell egymáshoz, ponthegesztésnél pedig további nyomásra van szükség, hogy szorosan érintkezzenek a hegesztendő alkatrészekkel.
Ezt a módszert a sebészetben is alkalmazták: O. K. Skobelkin professzor és szerzőtársai azt javasolták, hogy a szövetek hegesztésekor enyhén nyomja össze őket, hogy a vért kinyomja. Az új módszer megvalósításához egy egész eszköztárat hoztak létre, amelyet ma a gyomor- bélrendszeri sebészetben, az epe- , lép- , máj- és tüdőműtétek során alkalmaznak .
Lézer show