Ứng dụng thực tế của laser

Việc phát minh ra laser có thể được coi là một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỷ 20. Khi bắt đầu phát triển công nghệ này, nó đã được tiên đoán là hoàn toàn linh hoạt, ngay từ đầu, triển vọng giải quyết nhiều vấn đề khác nhau đã được nhìn thấy, mặc dù thực tế là một số nhiệm vụ thậm chí không thể nhìn thấy vào thời điểm đó.

Y học và du hành vũ trụ, nhiệt hạch hạt nhân và các hệ thống vũ khí mới nhất chỉ là một số lĩnh vực mà laser được sử dụng thành công ngày nay. Chúng ta hãy xem nơi mà laser tìm thấy ứng dụng thực tế và thấy sự vĩ đại của phát minh tuyệt vời này, có một số nhà khoa học.

Quang phổ laser

Về nguyên tắc, bức xạ laser đơn sắc có thể thu được theo bất kỳ bước sóng nào, cả dưới dạng sóng liên tục có tần số nhất định và dưới dạng các xung ngắn, kéo dài đến phân số của một giây. Tập trung vào mẫu nghiên cứu, chùm tia laser trải qua các hiệu ứng quang học phi tuyến, cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện quang phổ bằng cách thay đổi tần số ánh sáng, cũng như tiến hành phân tích mạch lạc các quá trình bằng cách kiểm soát sự phân cực của chùm tia laser.

Đo khoảng cách đến các đối tượng

Tia laser rất thuận tiện để chiếu trực tiếp vào vật thể đang nghiên cứu, ngay cả khi vật thể này ở rất xa, vì độ phân kỳ của chùm tia laser rất nhỏ. Vì vậy, vào năm 2018, như một phần của một thí nghiệm, một chùm tia laser đã được hướng từ Đài thiên văn Trung Quốc Vân Nam đến mặt trăng. Các gương phản xạ Apollo 15, đã được lắp đặt trên bề mặt mặt trăng, phản xạ chùm tia trở lại Trái đất, nơi nó được đài quan sát tiếp nhận.

Người ta biết rằng ánh sáng laser, giống như bất kỳ sóng điện từ nào, di chuyển với tốc độ không đổi - với tốc độ ánh sáng. Các phép đo thời gian đi qua chùm tia cho thấy khoảng cách từ đài thiên văn đến mặt trăng, trong khoảng thời gian từ 21h25 đến 22h31 giờ Bắc Kinh ngày 22 tháng 1 năm 2018, dao động từ 385823.433 đến 387119.600 km.

Công cụ tìm phạm vi laser, với khoảng cách không quá lớn như khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng, hoạt động theo nguyên tắc tương tự. Một laser xung gửi một chùm tia tới một vật mà từ đó chùm tia bị phản xạ. Các máy dò bức xạ nhận được một chùm phản xạ. Đã tính đến thời gian giữa lúc bắt đầu bức xạ và thời điểm máy dò bắt được chùm tia phản xạ, cũng như tốc độ ánh sáng, các thiết bị điện tử của thiết bị sẽ tính toán khoảng cách đến vật thể.

Quang học thích ứng và bù méo khí quyển

Nếu bạn quan sát một vật thể thiên văn ở xa từ trái đất qua kính viễn vọng, hóa ra bầu khí quyển đưa các biến dạng quang học nhất định vào hình ảnh thu được của vật thể này. Để loại bỏ những biến dạng này, các phương pháp của cái gọi là quang học thích nghi được sử dụng - độ méo được đo và bù.

Để đạt được mục tiêu này, một chùm tia laser mạnh mẽ hướng vào vật thể quan sát, giống như ánh sáng đơn giản, trải qua sự tán xạ trong khí quyển, tạo thành một ngôi sao nhân tạo, một ánh sáng, trên đường quay trở lại quan sát viên, trải nghiệm chính xác các biến dạng quang học ở phía trên các lớp khí quyển, cũng như hình ảnh của vật thể thiên văn quan sát được.

Thông tin biến dạng được xử lý và sử dụng để bù cho biến dạng quang học bằng cách điều chỉnh thích hợp hình ảnh của vật thể thiên văn quan sát được. Do đó, hình ảnh của đối tượng "sạch" hơn.

Sinh học và quang hóa

Trong các nghiên cứu sinh hóa về sự hình thành và hoạt động của protein, các xung laser ultrashort có thời lượng femtosecond rất hữu ích.Các xung này làm cho nó có thể bắt đầu và nghiên cứu các phản ứng hóa học với độ phân giải thời gian cao để tìm và nghiên cứu ngay cả các hợp chất hóa học có sinh hoạt thấp.

Bằng cách thay đổi sự phân cực của xung ánh sáng, các nhà khoa học có thể thiết lập hướng cần thiết của phản ứng hóa học, chọn từ một vài tình huống có thể xảy ra để phát triển các sự kiện trong phản ứng được xác định nghiêm ngặt.

Từ hóa xung laser

Ngày nay, nghiên cứu đang được tiến hành về khả năng thay đổi cực nhanh trong từ hóa của phương tiện truyền thông bằng cách sử dụng các xung laser ultrashort trong thời gian vài giây. Hiện đã đạt được quá trình khử từ cực nhanh bằng laser trong 0,2 picos giây, cũng như điều khiển quang từ hóa bằng cách phân cực ánh sáng.

Làm mát bằng laser

Các thí nghiệm làm mát bằng laser sớm đã được thực hiện với các ion. Các ion được giữ bởi một trường điện từ trong một bẫy ion, nơi chúng được chiếu sáng bởi một chùm ánh sáng laser. Trong quá trình va chạm không đàn hồi với các photon, các ion bị mất năng lượng và do đó nhiệt độ cực nhanh đã đạt được.

Sau đó, một phương pháp làm mát bằng laser thực tế hơn của chất rắn đã được tìm thấy - làm mát chống Stokes, bao gồm những điều sau đây. Một nguyên tử của môi trường, ở trạng thái ngay trên trạng thái cơ bản (ở mức rung động), bị kích thích thành năng lượng ngay dưới trạng thái kích thích (ở cấp độ rung), và, hấp thụ phonon, nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích. Sau đó, nguyên tử phát ra một photon có năng lượng cao hơn năng lượng bơm, chuyển sang trạng thái cơ bản.

Laser trong các nhà máy nhiệt hạch

Vấn đề giữ plasma nóng trong lò phản ứng nhiệt hạch cũng có thể được giải quyết bằng laser. Một lượng nhỏ nhiên liệu nhiệt hạch được chiếu xạ từ mọi phía trong vài nano giây bằng một tia laser mạnh mẽ.

Bề mặt mục tiêu bay hơi, dẫn đến áp lực cực lớn lên các lớp bên trong của nhiên liệu, do đó mục tiêu trải qua quá trình nén và nén cực mạnh, và ở một phản ứng nhiệt hạch hạt nhân nhiệt độ nhất định có thể xảy ra trong một mục tiêu được nén như vậy. Việc sưởi ấm cũng có thể sử dụng các xung laser femtosecond cực mạnh.

Nhíp quang học dựa trên laser

Nhíp laser cho phép điều khiển các vật thể điện môi cực nhỏ bằng ánh sáng từ một đi-ốt laser: các lực được tác dụng lên các vật thể trong một vài nanonewton và khoảng cách nhỏ từ vài nanomet cũng được đo. Những thiết bị quang học này được sử dụng ngày nay trong nghiên cứu về protein, cấu trúc và công việc của chúng.

Vũ khí laser chiến đấu và phòng thủ

Vào đầu nửa sau của thế kỷ 20, các tia laser năng lượng cao đã được phát triển ở Liên Xô, có thể được sử dụng làm vũ khí có khả năng tấn công các mục tiêu vì lợi ích phòng thủ tên lửa. Năm 2009, người Mỹ tuyên bố tạo ra một loại laser trạng thái rắn di động 100 kW, về mặt lý thuyết có khả năng đánh trúng các mục tiêu trên không và trên mặt đất của một kẻ thù tiềm năng.

Tầm nhìn laser

Một nguồn sáng laser nhỏ được gắn chặt vào nòng súng trường hoặc súng lục để chùm tia của nó được hướng song song với nòng súng. Khi nhắm, người bắn thấy một đốm nhỏ trên mục tiêu do sự phân kỳ nhỏ của tia laser.

Chủ yếu là cho các điểm tham quan như vậy, điốt laser đỏ hoặc điốt laser hồng ngoại được sử dụng (để chỉ có thể nhìn thấy một điểm trong thiết bị nhìn đêm). Để có độ tương phản cao hơn trong điều kiện ánh sáng ban ngày, các điểm ngắm laser với đèn LED laser màu xanh lá cây được sử dụng.

Lừa dối một kẻ thù quân sự

Một chùm tia laser năng lượng thấp được hướng vào thiết bị quân sự của quân địch. Kẻ thù phát hiện ra sự thật này, tin rằng một loại vũ khí nào đó nhắm vào anh ta, và buộc phải khẩn trương thực hiện các biện pháp phòng thủ thay vì tiến hành một cuộc tấn công.

Đạn dẫn đường bằng laser

Thật thuận tiện khi sử dụng một điểm phản xạ của tia laser để nhắm vào một viên đạn đang bay, như tên lửa được phóng từ máy bay. Một tia laser từ mặt đất hoặc từ máy bay chiếu sáng mục tiêu, và đạn được dẫn hướng bởi nó. Laser thường được sử dụng hồng ngoại, vì khó phát hiện hơn.

Laser cứng

Diện tích bề mặt của kim loại được đốt nóng bằng laser đến nhiệt độ tới hạn, trong khi nhiệt xâm nhập sâu vào sản phẩm do tính dẫn nhiệt của nó. Ngay khi tác động của tia laser dừng lại, sản phẩm nguội đi nhanh chóng do sự xâm nhập của nhiệt bên trong, nơi các cấu trúc cứng bắt đầu hình thành, ngăn chặn sự hao mòn nhanh chóng trong quá trình sử dụng sản phẩm trong tương lai.

Laser ủ và ủ

Ủ là một loại xử lý nhiệt trong đó sản phẩm đầu tiên được làm nóng đến nhiệt độ nhất định, sau đó nó được giữ ở nhiệt độ này trong một thời gian nhất định, sau đó nó được làm lạnh từ từ đến nhiệt độ phòng.

Điều này làm giảm độ cứng của kim loại, tạo điều kiện cho quá trình xử lý cơ học tiếp theo của nó, đồng thời cải thiện cấu trúc vi mô và đạt được tính đồng nhất cao hơn của kim loại, làm giảm các ứng suất bên trong. Laser ủ cho phép bạn xử lý các bộ phận kim loại nhỏ theo cách này.

Kỳ nghỉ được thực hiện để có được độ dẻo cao hơn và giảm độ giòn của vật liệu trong khi vẫn duy trì mức độ chấp nhận được về sức mạnh của nó tại các khớp của các bộ phận. Đối với điều này, sản phẩm được làm nóng bằng laser đến nhiệt độ từ 150 chuyến260 ° C đến 370 chuyến650 ° C, sau đó làm lạnh chậm (làm mát).

Làm sạch bằng laser và khử nhiễm bề mặt

Phương pháp làm sạch này được sử dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt khỏi các vật thể, tượng đài, tác phẩm nghệ thuật. Để làm sạch các sản phẩm từ ô nhiễm phóng xạ và để làm sạch vi điện tử. Phương pháp làm sạch này không có nhược điểm cố hữu trong mài cơ học, xử lý mài mòn, xử lý rung, v.v.

Laser hợp nhất và vô định hình

Sự biến dạng tốc độ cao của bề mặt hợp kim đã chuẩn bị với chùm quét hoặc xung ngắn đạt được do loại bỏ nhiệt nhanh, trong đó làm tan chảy, một loại thủy tinh kim loại có độ cứng cao, chống ăn mòn và cải thiện các đặc tính từ tính được hình thành. Vật liệu kết tủa được chọn sao cho cùng với vật liệu chính tạo thành chế phẩm dễ bị biến dạng dưới tác động của tia laser.

Hợp kim laser và bề mặt

Hợp kim một bề mặt kim loại bằng laser làm tăng độ siêu vi và chống mài mòn của nó.

Phương pháp bề mặt laser cho phép bạn áp dụng các lớp bề mặt chống mài mòn. Nó được sử dụng trong việc phục hồi các bộ phận có độ chính xác cao được sử dụng trong điều kiện tăng độ mòn, ví dụ như van ICE và các bộ phận động cơ khác. Phương pháp này có chất lượng vượt trội so với phún xạ vì một lớp nguyên khối được hình thành ở đây liên kết với cơ sở.

Phun laser chân không

Trong chân không, một phần vật liệu được hóa hơi bằng laser, sau đó dữ liệu hóa hơi được ngưng tụ trên một chất nền đặc biệt, trong đó với các sản phẩm khác, chúng tạo thành một vật liệu có thành phần hóa học mới cần thiết.

Hàn laser

Một phương pháp hàn công nghiệp đầy hứa hẹn sử dụng laser công suất cao, mang lại mối hàn rất mịn, hẹp và sâu. Không giống như các phương pháp hàn thông thường, công suất laser được điều khiển chính xác hơn, cho phép bạn kiểm soát rất chính xác độ sâu và các thông số khác của mối hàn. Một tia laser hàn có thể hàn các phần dày ở tốc độ cao, bạn chỉ cần thêm năng lượng, và hiệu ứng nhiệt trên các khu vực lân cận là tối thiểu. Các mối hàn được thu được tốt hơn, cũng như bất kỳ kết nối nào có được bằng phương pháp này.

Cắt laser

Nồng độ năng lượng cao trong chùm tia laser tập trung giúp có thể cắt hầu hết mọi vật liệu đã biết, trong khi vết cắt hẹp và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt là tối thiểu. Theo đó, không có chủng dư đáng kể.

Viết nguệch ngoạc

Để phân tách tiếp theo thành các phần tử nhỏ hơn, các tấm bán dẫn được viết nguệch ngoạc - các rãnh sâu được áp dụng bằng laser. Ở đây, độ chính xác cao hơn đạt được so với khi sử dụng công cụ kim cương.

Độ sâu rãnh là từ 40 đến 125 micron, chiều rộng từ 20 đến 40 micron, với độ dày của tấm được xử lý từ 150 đến 300 micron. Rãnh được sản xuất với tốc độ lên tới 250 mm mỗi giây. Sản lượng thành phẩm lớn hơn, hôn nhân ít hơn.

Khắc laser và đánh dấu

Hầu như mọi nơi trong ngành công nghiệp ngày nay đều khắc và khắc laser công nghệ.

Laser trong y học

Không thể đánh giá quá cao khả năng ứng dụng của laser trong y học hiện đại. Laser phẫu thuật được sử dụng để làm đông lại võng mạc bị bong tróc của mắt, dao mổ laser cho phép bạn cắt thịt và hàn xương bằng laser. Một laser carbon dioxide hàn các mô sinh học.

Tất nhiên, liên quan đến y học, theo hướng này, các nhà khoa học phải cải tiến và cải tiến mỗi năm, cải tiến công nghệ sử dụng một số laser để tránh tác dụng phụ có hại cho các mô gần đó. Nó xảy ra rằng một tia laser chữa lành một nơi, nhưng nó ngay lập tức có tác dụng phá hủy đối với một cơ quan lân cận hoặc một tế bào vô tình rơi xuống dưới nó.

Bộ dụng cụ bổ sung, được thiết kế đặc biệt để làm việc cùng với laser phẫu thuật, cho phép các bác sĩ thành công trong phẫu thuật đường tiêu hóa, phẫu thuật đường mật, lách, phổi và gan.

Xóa hình xăm, điều chỉnh thị lực, phụ khoa, tiết niệu, nội soi, nha khoa, cắt bỏ khối u não và cột sống - tất cả những điều này có thể ngày nay chỉ nhờ vào công nghệ laser hiện đại.

Công nghệ thông tin, thiết kế, cuộc sống và laser

CD, DVD, BD, hình ba chiều, máy in laser, đầu đọc mã vạch, hệ thống bảo mật (rào cản bảo mật), chương trình ánh sáng, thuyết trình đa phương tiện, con trỏ, v.v. Hãy tưởng tượng thế giới của chúng ta sẽ như thế nào nếu nó biến mất khỏi nó tia laser ...