С момента изобретения лазера в 1958 году было разработано множество научных, военных, медицинских и коммерческих лазерных приложений. Когерентность , высокая монохроматичность и способность достигать чрезвычайно высоких мощностей — все это свойства, которые позволяют использовать эти специализированные приложения.
В науке лазеры используются во многих областях, в том числе:
Лазеры также могут косвенно использоваться в спектроскопии в качестве системы микроотбора проб, эта технология называется лазерной абляцией (ЛА), которая обычно применяется в аппаратах ИСП-МС, что приводит к созданию мощного ЛА-ИСП-МС.
Принципы лазерной спектроскопии обсуждаются Демтрёдером. [3]
Большинство типов лазеров являются изначально чистым источником света; они излучают почти монохроматический свет с очень хорошо определенным диапазоном длин волн . Благодаря тщательному проектированию компонентов лазера чистота лазерного света (измеряемая как « ширина линии ») может быть улучшена больше, чем чистота любого другого источника света. Это делает лазер очень полезным источником для спектроскопии . Высокая интенсивность света, которая может быть достигнута в небольшом, хорошо коллимированном луче, также может быть использована для индуцирования нелинейного оптического эффекта в образце, что делает возможными такие методы, как спектроскопия Рамана . Другие спектроскопические методы, основанные на лазерах, могут быть использованы для создания чрезвычайно чувствительных детекторов различных молекул, способных измерять молекулярные концентрации на уровне частей на 10 12 (ppt). Благодаря высокой плотности мощности, достигаемой лазерами, возможна атомная эмиссия, индуцированная пучком: этот метод называется спектроскопией лазерно-индуцированного пробоя (LIBS).
Термическая обработка лазерами позволяет проводить селективную поверхностную закалку против износа с небольшим или нулевым искажением компонента. Поскольку это исключает большую часть доработки деталей, которая выполняется в настоящее время, капитальные затраты на лазерную систему окупаются в короткие сроки. Также было разработано инертное, абсорбирующее покрытие для лазерной термической обработки, которое устраняет испарения, образующиеся при нанесении обычных лакокрасочных покрытий в процессе термической обработки с помощью лазерных лучей CO2 .
Одним из важных факторов, влияющих на успешность операции термообработки, является контроль облучения лазерным лучом поверхности детали. Оптимальное распределение облучения обусловлено термодинамикой взаимодействия лазера с материалом и геометрией детали.
Обычно интенсивность излучения от 500 до 5000 Вт/см^2 удовлетворяет термодинамическим ограничениям и обеспечивает быстрый нагрев поверхности и минимальное общее требуемое тепловложение. Для общей термообработки равномерный квадратный или прямоугольный луч является одним из лучших вариантов. Для некоторых специальных применений или применений, где термообработка выполняется на краю или углу детали, может быть лучше уменьшить интенсивность излучения вблизи края, чтобы предотвратить плавление.
Исследования показывают, что ученые однажды смогут вызывать дожди и грозы (а также микроманипулировать некоторыми другими погодными явлениями) с помощью лазеров высокой энергии . Такой прорыв может потенциально искоренить засухи , помочь смягчить катастрофы , связанные с погодой , и распределить погодные ресурсы в нуждающихся районах. [4] [5]
Когда астронавты Аполлона посетили Луну, они установили решетки ретрорефлекторов , чтобы сделать возможным эксперимент по лазерной локации Луны . Лазерные лучи фокусируются через большие телескопы на Земле, направленные на решетки, и время, необходимое лучу для отражения обратно на Землю, измеряется для определения расстояния между Землей и Луной с высокой точностью.
Некоторые лазерные системы, посредством процесса синхронизации мод , могут производить чрезвычайно короткие импульсы света - всего лишь пикосекунды или фемтосекунды (10 −12 - 10 −15 секунд). Такие импульсы могут использоваться для инициирования и анализа химических реакций, метод, известный как фотохимия . Короткие импульсы могут использоваться для исследования процесса реакции с очень высоким временным разрешением, что позволяет обнаруживать короткоживущие промежуточные молекулы. Этот метод особенно полезен в биохимии , где он используется для анализа деталей сворачивания и функционирования белков.
Лазерные сканеры штрихкодов идеально подходят для приложений, требующих высокоскоростного считывания линейных кодов или многоуровневых символов.
Метод, который недавно стал успешным, — это лазерное охлаждение . Он включает в себя захват атомов , метод, при котором ряд атомов удерживается в специально сформированном расположении электрических и магнитных полей . Освещение определенных длин волн света на ионы или атомы замедляет их, тем самым охлаждая . По мере продолжения этого процесса все они замедляются и имеют одинаковый уровень энергии, образуя необычное расположение материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна .
Некоторые из самых мощных и сложных в мире установок из нескольких лазеров и оптических усилителей используются для получения чрезвычайно интенсивных импульсов света чрезвычайно короткой длительности, например, лаборатория лазерной энергетики , National Ignition Facility , GEKKO XII , Nike laser , Laser Mégajoule , HiPER . Эти импульсы организованы таким образом, что они ударяют по гранулам трития - дейтерия одновременно со всех направлений, надеясь, что сжимающий эффект ударов вызовет атомный синтез в гранулах. Эта технология, известная как « синтез с инерционным удержанием », до сих пор не смогла достичь «безубыточности», то есть до сих пор реакция синтеза генерирует меньше энергии, чем используется для питания лазеров; однако эксперименты на National Ignition Facility смогли продемонстрировать реакции синтеза, которые генерируют больше энергии, чем содержалось в лазерах, управляющих реакцией. [6]
Мощные лазеры, производящие ультракороткие (десятки фемтосекунд) и ультраинтенсивные ( до 10 23 Вт/см 2 ) лазерные импульсы, обеспечивают гораздо большие градиенты ускорения, чем обычные ускорители . Этот факт используется в нескольких методах плазменного ускорения, используемых для ускорения как электронов , так и заряженных ионов до высоких энергий.
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия и микроскопия с двухфотонным возбуждением используют лазеры для получения изображений толстых образцов на различной глубине без размытия. Лазерная захватная микродиссекция использует лазеры для получения определенных популяций клеток из среза ткани под микроскопической визуализацией.
Дополнительные методы лазерной микроскопии включают гармоническую микроскопию, микроскопию четырехволнового смешения [7] и интерферометрическую микроскопию. [8]
Лазерное оружие — это оружие направленной энергии, основанное на лазерах .
Оборонительные контрмеры могут применяться в диапазоне от компактных маломощных инфракрасных контрмер до мощных бортовых лазерных систем. Инфракрасные контрмеры используют лазеры для введения в заблуждение головок самонаведения на инфракрасных самонаводящихся ракетах.
Некоторые виды оружия просто используют лазер для дезориентации человека. Одним из таких видов оружия является Thales Green Laser Optical Warner. [9]
Лазерное наведение — это метод наведения ракеты или другого снаряда или транспортного средства на цель с помощью лазерного луча.
Другое военное применение лазеров — лазерный целеуказатель . Это маломощный лазерный указатель, используемый для указания цели для высокоточного боеприпаса , обычно запускаемого с самолета. Управляемый боеприпас корректирует траекторию полета, чтобы навестись на лазерный свет, отраженный целью, что обеспечивает большую точность прицеливания. Луч лазерного целеуказателя настроен на частоту импульсов, которая соответствует настройке на управляемом боеприпасе, чтобы гарантировать, что боеприпасы поразят назначенные цели и не будут следовать за другими лазерными лучами, которые могут использоваться в этом районе. Лазерный целеуказатель может быть направлен на цель самолетом или близлежащей пехотой. Лазеры, используемые для этой цели, обычно являются инфракрасными лазерами, поэтому противник не может легко обнаружить направляющий лазерный свет.
.jpg/1280px-Flickr_-_Israel_Defense_Forces_-_Nachal_Brigade_Reconnaissance_Battalion_in_%22Commando%22_Training_(2).jpg)
Лазер в большинстве случаев применения огнестрельного оружия использовался в качестве инструмента для улучшения наведения других систем оружия. Например, лазерный прицел — это небольшой, обычно видимый лазер, размещаемый на пистолете или винтовке и выровненный так, чтобы испускать луч параллельно стволу. Поскольку лазерный луч имеет низкую расходимость, лазерный свет выглядит как небольшое пятно даже на больших расстояниях; пользователь помещает пятно на желаемую цель, и ствол оружия выровнен (но не обязательно с учетом падения пули , горизонтальных поправок , расстояния между направлением луча и осью ствола и подвижности цели во время движения пули).
Большинство лазерных прицелов используют красный лазерный диод. Другие используют инфракрасный диод для создания точки, невидимой для невооруженного глаза, но обнаруживаемой приборами ночного видения. Модуль адаптивного целеуказания LLM01 для огнестрельного оружия объединяет видимые и инфракрасные лазерные диоды. В конце 1990-х годов появились лазерные прицелы с твердотельным лазером с накачкой зеленым диодом (DPSS) (532 нм).
Нелетальное лазерное оружие было разработано ВВС США для временного ограничения способности противника стрелять из оружия или иным образом угрожать силам противника. Это устройство освещает противника безвредным маломощным лазерным светом и может иметь эффект ослепления или дезориентации объекта или заставить его бежать. В настоящее время доступно несколько типов ослепителей , и некоторые из них использовались в бою.
Остается возможность использования лазеров для ослепления, поскольку это требует относительно низких уровней мощности и легко достижимо в переносном устройстве. Однако большинство стран считают преднамеренное постоянное ослепление противника запрещенным правилами войны (см. Протокол об ослепляющем лазерном оружии ). Хотя несколько стран разработали ослепляющее лазерное оружие, например, китайское ZM-87 , ни одно из них, как полагают, не прошло стадию прототипа.
Помимо областей применения, пересекающихся с военными, правоохранительные органы широко используют лазеры в качестве лидаров для измерения скорости транспортных средств.
Голографический прицел оружия использует лазерный диод для освещения голограммы сетки, встроенной в плоское стеклянное оптическое окно прицела. Пользователь смотрит через оптическое окно и видит изображение перекрестия сетки, наложенное на расстоянии на поле зрения . [10]
Промышленные применения лазеров можно разделить на две категории в зависимости от мощности лазера: обработка материалов и обработка микроматериалов.
В обработке материалов лазеры со средней оптической мощностью более 1 киловатта используются в основном для промышленных приложений обработки материалов. За пределами этого порога мощности возникают тепловые проблемы, связанные с оптикой, которые отделяют эти лазеры от их менее мощных аналогов. [11] Лазерные системы в диапазоне 50-300 Вт используются в основном для накачки , сварки пластика и пайки . Лазеры выше 300 Вт используются для пайки , сварки тонкого металла и резки листового металла . Требуемая яркость (измеренная по произведению параметров луча) выше для приложений резки, чем для пайки и сварки тонкого металла. [12] Высокомощные приложения, такие как закалка , наплавка и глубокая сварка, требуют нескольких кВт оптической мощности и используются в широком диапазоне промышленных процессов.
Микрообработка материалов — это категория, которая включает в себя все приложения лазерной обработки материалов мощностью менее 1 киловатта. [13] Использование лазеров в микрообработке материалов нашло широкое применение в разработке и производстве экранов для смартфонов, планшетных компьютеров и светодиодных телевизоров. [14]
Подробный список промышленных и коммерческих применений лазеров включает в себя:
