Lige fra dets udvikling blev laseren kaldt en enhed, der selv leder efter opgaver, der skal løses. Lasere har fundet anvendelse inden for en lang række områder. Laseren er blevet en af de mest betydningsfulde opfindelser i det 20. århundrede .
Moderne kilder til laserstråling giver forsøgsledere monokromatisk lys med praktisk talt enhver ønsket bølgelængde . Afhængigt af opgaven kan dette enten være kontinuerlig stråling med et ekstremt smalt spektrum eller ultrakorte pulser med en varighed på op til hundredvis af attosekunder (1 som = 10 −18 sekunder). Den høje energi, der er lagret i disse impulser, kan fokuseres på prøven, der undersøges, til en plet, der i størrelse kan sammenlignes med bølgelængden, hvilket gør det muligt at undersøge forskellige ikke-lineære optiske effekter . Ved hjælp af frekvenstuning udføres spektroskopiske undersøgelser af disse effekter, og styring af polarisering af laserstråling gør det muligt at udføre sammenhængende styring af de undersøgte processer.
Under flyvninger til Månen med bemandede og ubemandede køretøjer blev flere specielle hjørnereflektorer leveret til dens overflade . En specielt fokuseret laserstråle blev sendt fra Jorden ved hjælp af et teleskop og målte den tid, det tager at rejse til månens overflade og tilbage. Ud fra værdien af lysets hastighed blev det muligt at beregne afstanden til månen. I dag er parametrene for Månens kredsløb kendt inden for få centimeter.
Brugen af adaptive optikmetoder i jordbaserede teleskoper kan forbedre billedkvaliteten af astronomiske objekter væsentligt ved at måle og kompensere for atmosfæriske optiske forvrængninger . For at gøre dette rettes en kraftig laserstråle mod observationen. Laserstrålingen er spredt i de øverste lag af atmosfæren og skaber en referencelyskilde, der er synlig fra jordens overflade - en kunstig "stjerne". Lyset fra den, som passerede gennem atmosfærens lag på vej tilbage til jorden, indeholder information om de optiske forvrængninger, der finder sted på et givet tidspunkt. De atmosfæriske forvrængninger målt på denne måde kompenseres af en speciel korrektor. For eksempel et deformerbart spejl .
Nogle typer lasere kan producere ultrakorte lysimpulser målt i pico- og femtosekunder (10 -12 - 10 -15 s). Sådanne impulser kan bruges til at udløse og analysere kemiske reaktioner. Ultrakorte pulser kan bruges til at studere kemiske reaktioner med høj tidsopløsning, hvilket muliggør pålidelig isolering af kortlivede forbindelser. Manipulation af pulspolarisationen gør det muligt selektivt at vælge retningen af en kemisk reaktion blandt flere mulige ( kohærent kontrol ). Sådanne metoder finder deres anvendelse i biokemi , hvor de bruges til at studere dannelse og funktion af proteiner .
Ultrakorte laserimpulser bruges til ultrahurtig kontrol af den magnetiske tilstand af et medium, som i øjeblikket er genstand for intens forskning. Mange optisk-magnetiske fænomener er allerede blevet opdaget, såsom ultrahurtig afmagnetisering på 200 femtosekunder (2⋅10 −13 s), termisk remagnetisering med lys og ikke-termisk optisk styring af magnetisering ved lyspolarisering.
De første eksperimenter med laserkøling blev udført med ioner i ionfælder , ioner blev holdt i fældens rum ved hjælp af et elektrisk og/eller magnetisk felt . Disse ioner blev belyst af en laserstråle, og på grund af uelastisk interaktion med fotoner mistede de energi efter hver kollision. Denne effekt bruges til at opnå ultralave temperaturer.
Senere, i processen med at forbedre lasere, blev der fundet andre metoder, såsom anti-Stokes køling af faste stoffer - den mest praktiske metode til laserkøling i dag. Denne metode er baseret på det faktum, at atomet ikke exciteres fra jordens elektroniske tilstand, men fra vibrationsniveauerne i denne tilstand (med en lidt højere energi end energien i grundtilstanden) til vibrationsniveauerne i den exciterede tilstand ( med en energi lidt mindre end energien i denne exciterede tilstand). Yderligere passerer atomet ikke- strålingsmæssigt til det exciterede niveau (absorberer fononer ) og udsender en foton ved overgang fra det exciterede elektroniske niveau til det jordiske (denne foton har mere energi end pumpefotonen ). Atomet absorberer et fonon, og cyklussen gentages.
Der findes allerede systemer, der er i stand til at køle krystallen fra nitrogen- til heliumtemperaturer . Denne kølemetode er ideel til rumfartøjer, hvor et konventionelt kølesystem ikke er tilgængeligt.
En måde at udføre en termonukleær reaktion på er at holde det termonukleare brændsel under reaktionens varighed ved dets egne inertikræfter. Normalt i dette tilfælde bestråles en lille mængde brændstof med kraftig laserstråling (nogle gange omdannes laserstråling foreløbigt til røntgenstråling) fra alle sider i korte (i størrelsesordenen flere nanosekunder) tidsintervaller. Som et resultat af bestråling fordamper måloverfladen, hvilket udøver et enormt pres på de indre lag. Dette tryk komprimerer målet til ultrahøj tæthed, således at termonukleære reaktioner finder sted i det. Opvarmning er mulig både direkte ved trykkræfter og ved at bruge en ekstra superkraftig og ultrakort (af størrelsesordenen flere femtosekunder) laserpuls.
En optisk pincet er en enhed, der giver dig mulighed for at manipulere mikroskopiske genstande ved hjælp af laserlys (normalt udsendt af en laserdiode). Det giver dig mulighed for at påføre kræfter fra femtonewton til nanonewton til dielektriske objekter og måle afstande fra nogle få nanometer. I de senere år er optisk pincet blevet brugt til at studere strukturen og hvordan proteiner virker.
Siden midten af 1950'erne er der blevet udført storstilet arbejde i USSR for at udvikle og teste højeffekt laservåben som et middel til direkte ødelæggelse af mål af hensyn til strategisk anti-rum- og anti-missilforsvar. Blandt andet blev Terra- og Omega- programmerne implementeret . Test af lasere blev udført på Sary-Shagan teststedet ( luftforsvar , missilforsvar , PKO , SKKP , tidlig varslingssystem ) i Kasakhstan . Efter Sovjetunionens sammenbrud blev arbejdet på Sary-Shagan-teststedet indstillet.
I midten af marts 2009 annoncerede det amerikanske selskab Northrop Grumman oprettelsen af en solid-state elektrisk laser med en effekt på omkring 100 kW . Udviklingen af denne enhed blev udført som en del af et program til at skabe et effektivt mobilt laserkompleks designet til at bekæmpe jord- og luftmål [1] .
I de fleste militære applikationer bruges en laser til at lette sigtning med et våben af en eller anden art. For eksempel er et lasersigte en lille laser, normalt i det synlige område, fastgjort til løbet af en pistol eller riffel, så dens stråle er parallel med løbet. På grund af laserstrålens svage divergens, selv på lange afstande, giver sigtet en lille plet. En person peger blot dette sted mod målet og ser således præcis, hvor hans kuffert er rettet.
De fleste lasere bruger en rød laserdiode. Nogle bruger en infrarød diode til at skabe et sted, der er usynligt for det blotte øje, men synligt for nattebriller. I 2007 annoncerede Lasermax, et firma med speciale i produktion af lasere til militære formål, starten på den første masseproduktion af grønne lasere til rådighed til håndvåben [2] . Det blev antaget, at den grønne laser ville være bedre end den røde, synlig i skarpe lysforhold på grund af den menneskelige nethindes højere følsomhed over for det grønne område af spektret. Efter 8 år har brugen af den grønne laser dog ikke fanget så meget, som man troede i 2007. Grønne dioder, enheder, der udsender en grøn stråle, viste sig at være meget dyrere at fremstille (flere gange på grund af et større antal defekter sammenlignet med en rød diode). Og arbejdstiden for den grønne diode viste sig at være meget lavere. I alt påvirkede ovenstående årsager de endelige omkostninger ved udstyr, der anvender en grøn laser [3] .
Princippet i disse systemer er baseret på det faktum, at strålen, der passerer gennem linserne, vil blive reflekteret fra et lysfølsomt objekt (optiske omformere, nethinden osv.).
Som en fordel er sådanne systemer aktive, det vil sige, at de opdager snigskytter før skuddet og ikke efter. På den anden side afslører disse systemer sig selv, da de er emittere.
Sådanne systemer produceres både i Rusland [4] og i andre lande.
Jamming er muligt ved at "scanne" terrænet med en laserstråle, hvilket forhindrer fjendens snigskytter i at udføre målrettet ild eller endda observere gennem optiske enheder.
I dette tilfælde menes "ikke-dødelige" våben, hvis hovedformål er at forhindre et angreb fra fjenden. Enheden skaber en laserstråle med lav effekt rettet mod fjenden (denne teknologi bruges hovedsageligt mod fly og kampvogne). Fjenden mener, at et præcisionsvåben er rettet mod ham, han er tvunget til at gemme sig eller trække sig tilbage i stedet for at give sit eget slag.
En laserafstandsmåler er en enhed bestående af en pulserende laser og en strålingsdetektor . Ved at måle den tid, det tager strålen at rejse til reflektoren og tilbage, og kende værdien af lysets hastighed , kan du beregne afstanden mellem laseren og det reflekterende objekt. En laserafstandsmåler er den enkleste version af en lidar . Målafstandsværdien kan bruges til at sigte et våben, såsom en tankpistol .
En anden militær anvendelse af lasere er våbenstyringssystemer. Sådanne systemer er en laveffektlaser, der "belyser" målet for laserstyret ammunition - "smarte" bomber eller missiler affyret fra et fly . Missilet ændrer automatisk sin flyvning og fokuserer på det reflekterede punkt af laserstrålen på målet, hvilket sikrer høj hitnøjagtighed. Laseremitteren kan placeres både på selve flyet og på jorden. Infrarøde lasere bruges normalt i laserstyringsenheder , da deres arbejde er lettere at skjule for fjenden.
Den første militære anvendelse af lasere, der kommer til at tænke på, er normalt brugen af dem i design af laserhåndvåben, der er i stand til at ødelægge infanteri , kampvogne og endda fly . I praksis løber sådanne ideer straks ind i en alvorlig hindring - med det nuværende teknologiniveau vil en laser, der er i stand til at påføre en person skade (under hensyntagen til strømkilden) være for tung til at bære alene, og en enhed med tilstrækkelig strøm at deaktivere en tank vil være ekstremt besværligt og vibrationsfølsomt apparat, hvilket vil gøre det umuligt at bruge den i marken. Først og fremmest skyldes dette laserens ekstremt lave effektivitet: for at opnå en tilstrækkelig (for at beskadige målet) mængde udstrålet energi, er det nødvendigt at bruge ti (nogle gange hundreder) gange mere energi på at pumpe arbejdet laserens krop. Især for at påføre skader svarende til nedslaget af en 0,30-kaliber kugle (med hensyn til energi), kræves en laserpuls med en effekt på omkring 5 kilojoule; 1,6 kilojoule ville svare til henholdsvis en 9 mm kugle. En strålepuls, der varer pr. sekund, bør derfor have en effekt på 1600 watt. I dette tilfælde skal ovenstående faktor med lav lasereffektivitet tages i betragtning, henholdsvis strømkilden skal give mindst ti gange mere strøm (i bedste fald). Det er massen af energikilder til pumpning, der i vid udstrækning vil bestemme sværhedsgraden af et sådant våben. I øjeblikket eksisterer der ikke bærbare strømkilder med en sådan energitæthed. Det skal også bemærkes, at resten af den energi, der ikke udsendes i laserimpulsen, vil blive frigivet som varme i våbenstrukturen, hvilket vil kræve et meget effektivt og tungt kølesystem for at frigive varme. Og den krævede afkølingstid vil til gengæld i høj grad reducere våbnets skudhastighed. Lad os tage forbehold for, at problemet med varmefjernelse delvist er løst i kemisk pumpede lasere (især højeffekt oxygen-jod og deuterium-fluor lasere, der producerer megawatt pr. sekund puls), hvor brugte kemiske komponenter udstødes fra systemet efter pulsen, bortfører varme. Samtidig kræver emitteren en stor forsyning af disse ofte aggressive reagenser og passende opbevaringsbeholdere.
Det eneste, der er tilbage, er muligheden for at bruge en laser til at blinde fjenden, for til dette formål er der brug for lasere med meget lav effekt, som kan gøres bærbare. I øjeblikket er brugen af sådanne enheder forbudt i henhold til de internationale regler for krigsførelse. Imidlertid bruges laveffektlasere, inklusive laserpointere , i begrænset omfang til at blinde fjendtlige snigskytter og afsløre skjulte våbenopstillinger.
I 1960'erne blev de første undersøgelser udført vedrørende brugen af lasere i medicin. De fandt sted i MMA- klinikkerne . I. M. Sechenov , CITO , Central Research Institute of Balneology and Physiotherapy , udvikleren af det første lasermedicinske udstyr i USSR var Istok Research and Production Enterprise ( Fryazino , Moskva-regionen ). Mulighederne for at bruge helium-neon lasere med en bølgelængde på 0,63 μm i klinisk praksis blev undersøgt. Hensigtsmæssigheden af at bruge helium-neon-lasere til medicinske formål blev bevist, og i 1972 blev der opnået tilladelse fra USSR's sundhedsministerium til brug af laveffekt helium-neon-laserstråling i terapi [6] .
Arbejdet med brugen af lasere i kirurgi i USSR begyndte i 1965 på MNIOI. P. A. Herzen (ledet af professor S. D. Pletnev) sammen med NPP Istok (ledet af akademiker fra USSR's Videnskabsakademi N. D. Devyatkov og V. P. Belyaev). Der blev brugt højenergi-CO 2 -lasere med en bølgelængde på 10,6 μm. Baseret på resultaterne af disse værker skabte NPP Istok flere modifikationer af laserkirurgiske enheder, som blev overført til klinikker og brugt i kirurgiske operationer [6] .
Med fremkomsten af industrielle lasere er en ny æra inden for kirurgi begyndt. Samtidig kom erfaringerne fra specialister i lasermetalbearbejdning til nytte. Lasersvejsning af øjets eksfolierede nethinde er punktsvejsning; laser skalpel - autogen skæring; knoglesvejsning - fusionsstødsvejsning; forbindelsen af muskelvæv er også kontaktsvejsning.
For at laserstråling skal have nogen effekt, skal den absorberes af vævet. Den mest populære laser i kirurgi er kuldioxid. Andre lasere er monokromatiske , det vil sige, de opvarmer, ødelægger eller svejser kun visse biologiske væv med en veldefineret farve. For eksempel passerer en argonlaserstråle frit gennem det frostede glaslegeme og afgiver sin energi til nethinden, hvis farve er tæt på rød.
En kuldioxidlaser er velegnet til de fleste applikationer, som når du skal skære eller svejse stoffer i forskellige farver til hinanden. Dette rejser dog et andet problem. Væv er mættet med blod og lymfe , indeholder meget vand, og laserstråling i vand mister energi. Det er muligt at øge laserstrålens energi, men det kan føre til vævsforbrænding. Skaberne af kirurgiske lasere er nødt til at ty til alle mulige tricks, hvilket i høj grad øger udgifterne til udstyret.
Metalsvejsere har længe vidst, at når man skærer en stak tynde metalplader, er det nødvendigt, at de passer tæt sammen, og ved punktsvejsning er der behov for yderligere tryk for at komme i tæt kontakt med de dele, der skal svejses.
Denne metode blev også brugt i kirurgi: Professor O. K. Skobelkin og hans medforfattere foreslog, at når man svejser væv, skal man klemme dem lidt for at tvinge blodet ud. For at implementere den nye metode blev der skabt et helt sæt værktøjer, som i dag bruges i mave - tarmkirurgi, under operationer på galdeveje , milt , lever og lunger .
Laser show