A aplicação prática de lasers

A invenção do laser pode ser legitimamente considerada uma das descobertas mais significativas do século XX. Mesmo no início do desenvolvimento dessa tecnologia, eles já profetizavam uma aplicabilidade completamente versátil, desde o início que a perspectiva de resolver uma variedade de problemas era visível, apesar do fato de que algumas tarefas nem sequer estavam visíveis no horizonte naquele momento.

Medicina e astronáutica, fusão termonuclear e os mais recentes sistemas de armas - essas são apenas algumas das áreas em que o laser é usado com sucesso hoje. Vamos ver onde o laser encontrou aplicação prática e ver a grandeza desta maravilhosa invenção, que deve sua aparência a vários cientistas.

Espectroscopia a laser

A radiação monocromática a laser pode ser obtida, em princípio, com qualquer comprimento de onda, tanto na forma de uma onda contínua de uma certa frequência quanto na forma de pulsos curtos, com duração de até frações de um femtossegundo. Focalizando a amostra em estudo, o feixe de laser sofre efeitos ópticos não lineares, o que permite aos pesquisadores realizar espectroscopia alterando a frequência da luz, além de realizar análises coerentes dos processos, controlando a polarização do feixe de laser.

Medindo distâncias a objetos

O raio laser é muito conveniente para direcionar para o objeto em estudo, mesmo que este esteja muito distante, porque a divergência do raio laser é muito pequena. Assim, em 2018, como parte de um experimento, um raio laser foi direcionado do Observatório Chinês de Yunnan para a lua. Os refletores da Apollo 15, que já estavam instalados na superfície lunar, refletiam o feixe de volta à Terra, onde foi recebido pelo observatório.

Sabe-se que a luz do laser, como qualquer onda eletromagnética, se move a uma velocidade constante - à velocidade da luz. As medidas do tempo de passagem do feixe mostraram que a distância do observatório à lua, no intervalo das 21:25 às 22:31, horário de Pequim, em 22 de janeiro de 2018, variou de 385823.433 a 387119.600 quilômetros.

O telêmetro a laser, para distâncias não tão grandes quanto a distância da Terra à Lua, trabalha com um princípio semelhante. Um laser pulsado envia um feixe para um objeto do qual o feixe é refletido. O detector de radiação recebe um feixe refletido. Tendo em conta o tempo entre o início da radiação e o momento em que o detector captou o feixe refletido, bem como a velocidade da luz, os componentes eletrônicos do dispositivo calculam a distância do objeto.

Óptica Adaptativa e Compensação de Distorção Atmosférica

Se você observar um objeto astronômico distante da Terra através de um telescópio, acontece que a atmosfera introduz certas distorções ópticas na imagem resultante desse objeto. Para remover essas distorções, são utilizados métodos da chamada óptica adaptativa - as distorções são medidas e compensadas.

Para atingir esse objetivo, um poderoso feixe de laser é direcionado para o objeto observado, que, como a simples luz, sofre dispersão na atmosfera, formando uma “estrela artificial”, a luz da qual, no caminho de volta para o observador, experimenta exatamente as mesmas distorções ópticas na parte superior. camadas atmosféricas, bem como a imagem do objeto astronômico observado.

As informações de distorção são processadas e usadas para compensar a distorção óptica, ajustando adequadamente a imagem do objeto astronômico observado. Como resultado, a imagem do objeto é mais "limpa".

Bioquímica e fotoquímica

Em estudos bioquímicos sobre a formação e funcionamento de proteínas, pulsos de laser ultracurtos com duração de femtossegundos são úteis.Esses pulsos permitem iniciar e estudar reações químicas com alta resolução temporal, a fim de encontrar e estudar compostos químicos de baixa vida.

Ao alterar a polarização do pulso de luz, os cientistas podem definir a direção necessária da reação química, escolhendo entre alguns cenários possíveis para o desenvolvimento de eventos durante a reação estritamente definida.

Magnetização de pulso a laser

Atualmente, estão sendo realizadas pesquisas sobre a possibilidade de alterações ultrarrápidas na magnetização de meios usando pulsos de laser ultracurtos de duração de alguns segundos de femtossegundos. Já alcançamos desmagnetização ultra-rápida por laser em 0,2 picossegundos, além de controle óptico de magnetização por luz polarizada.

Arrefecimento a laser

Experiências iniciais de resfriamento a laser foram realizadas com íons. Os íons eram mantidos por um campo eletromagnético em uma armadilha de íons, onde eram iluminados por um feixe de luz laser. No processo de colisões inelásticas com fótons, os íons perdem energia e, portanto, são atingidas temperaturas muito baixas.

Depois disso, foi encontrado um método mais prático de resfriamento a laser de sólidos - o resfriamento anti-Stokes, que consiste no seguinte. Um átomo do meio, estando em um estado logo acima do estado fundamental (no nível vibracional), foi excitado para energia logo abaixo do estado excitado (no nível vibracional) e, absorvendo o fônon, o átomo passou para o estado excitado. Então o átomo emitiu um fóton cuja energia é maior que a energia da bomba, passando para o estado fundamental.

Lasers em plantas de fusão

O problema de reter o plasma aquecido dentro de um reator termonuclear também pode ser resolvido com um laser. Um pequeno volume de combustível termonuclear é irradiado de todos os lados por vários nanossegundos por um poderoso laser.

A superfície do alvo evapora, o que leva a uma enorme pressão sobre as camadas internas do combustível; portanto, o alvo experimenta compressão e compactação super fortes e, a uma certa temperatura, reações de fusão termonuclear já podem ocorrer em um alvo compactado. O aquecimento também é possível usando pulsos de laser ultra-poderosos de femtossegundos.

Pinças ópticas a laser

As pinças a laser possibilitam manipular objetos dielétricos microscópicos usando a luz de um diodo laser: forças são aplicadas a objetos dentro de alguns nanonewtons e pequenas distâncias de vários nanômetros também são medidas. Esses dispositivos ópticos são usados ​​hoje no estudo de proteínas, sua estrutura e trabalho.

Armas laser de combate e defensivas

No início da segunda metade do século XX, já haviam sido desenvolvidos na União Soviética lasers de alta potência que podiam ser usados ​​como armas capazes de atingir alvos no interesse da defesa antimísseis. Em 2009, os americanos anunciaram a criação de um laser de estado sólido móvel de 100 kW, teoricamente capaz de atingir alvos aéreos e terrestres de um inimigo em potencial.

Mira laser

Uma pequena fonte de luz laser é rigidamente presa ao cano de um rifle ou pistola, de modo que seu feixe seja direcionado paralelamente ao cano. Ao apontar, o atirador vê um pequeno ponto no alvo devido à pequena divergência do raio laser.

Principalmente para essas vistas, são usados ​​diodos laser vermelhos ou diodos laser infravermelhos (para que um ponto possa ser visto apenas no dispositivo de visão noturna). Para maior contraste em condições de luz do dia, são usadas miras a laser com LEDs verdes a laser.

Enganando um adversário militar

Um raio laser de baixa potência é direcionado para o equipamento militar do inimigo. O inimigo descobre esse fato, acredita que algum tipo de arma é apontada para ele e é forçado a tomar urgentemente medidas para se defender, em vez de lançar um ataque.

Projétil guiado a laser

É conveniente usar o ponto refletido de um feixe de laser para mirar um projétil voador, como um foguete lançado de um avião. Um laser do solo ou de um avião ilumina o alvo, e o projétil é guiado por ele. O laser é comumente usado no infravermelho, pois é mais difícil de detectar.

Endurecimento a laser

A área da superfície do metal é aquecida por um laser a uma temperatura crítica, enquanto o calor penetra profundamente no produto devido à sua condutividade térmica. Assim que a ação do laser é interrompida, o produto esfria rapidamente devido à penetração de calor no interior, onde estruturas de endurecimento começam a se formar, o que evita o desgaste rápido durante o uso futuro do produto.

Recozimento e revenido a laser

O recozimento é um tipo de tratamento térmico no qual o produto é primeiro aquecido a uma certa temperatura, depois é mantido nessa temperatura por um certo tempo e depois é resfriado lentamente até a temperatura ambiente.

Isso reduz a dureza do metal, facilitando seu processamento mecânico adicional, melhorando a microestrutura e alcançando maior uniformidade do metal, aliviando as tensões internas. O recozimento a laser permite processar pequenas peças de metal dessa maneira.

As férias são realizadas para obter maior ductilidade e reduzir a fragilidade do material, mantendo um nível aceitável de sua resistência nas juntas das peças. Para isso, o produto é aquecido a laser a uma temperatura de 150–260 ° C a 370–650 ° C, seguido de resfriamento lento (resfriamento).

Limpeza a laser e descontaminação de superfícies

Este método de limpeza é usado para remover contaminantes da superfície de objetos, monumentos, obras de arte. Para limpar produtos de contaminação radioativa e para limpar microeletrônicos. Este método de limpeza está livre das desvantagens inerentes à retificação mecânica, processamento abrasivo, processamento de vibrações, etc.

Fusão a laser e amorfização

A amorfização em alta velocidade da superfície da liga preparada com um feixe de varredura ou pulso curto é alcançada devido à rápida remoção de calor, durante a qual o derretimento congela, forma-se um tipo de vidro metálico com alta dureza, resistência à corrosão e melhoria das características magnéticas. O material de pré-revestimento é selecionado de modo que, juntamente com o material principal, forme uma composição propensa a amorfização sob a ação de um laser.

Ligas e revestimentos a laser

A liga de uma superfície de metal com um laser aumenta sua microdureza e resistência ao desgaste.

O método de revestimento a laser permite aplicar camadas de superfície resistentes ao desgaste. É usado na restauração de peças de alta precisão usadas em condições de maior desgaste, por exemplo, como válvulas ICE e outras peças do motor. Este método é superior em qualidade à pulverização, porque aqui é formada uma camada monolítica associada à base.

Pulverização a laser a vácuo

No vácuo, uma parte do material é vaporizada por um laser e, em seguida, os dados de vaporização são condensados ​​em um substrato especial, onde, com outros produtos, eles formam um material com a nova composição química necessária.

Soldagem a laser

Um método promissor de soldagem industrial usando lasers de alta potência, proporcionando uma soldagem muito suave, estreita e profunda. Ao contrário dos métodos de soldagem convencionais, a potência do laser é controlada com mais precisão, o que permite controlar com muita precisão a profundidade e outros parâmetros da solda. Um laser de solda é capaz de soldar peças grossas em alta velocidade, basta adicionar energia e o efeito térmico em áreas adjacentes é mínimo. A solda é obtida melhor, assim como qualquer conexão obtida por esse método.

Corte a laser

Uma alta concentração de energia no feixe de laser focalizado torna possível cortar quase qualquer material conhecido, enquanto o corte é estreito e a zona afetada pelo calor é mínima. Por conseguinte, não existem estirpes residuais significativas.

Rabisco a laser

Para posterior separação em elementos menores, as bolachas semicondutoras são rabiscadas - ranhuras profundas são aplicadas com laser. Aqui, é alcançada uma precisão mais alta do que quando se usa uma ferramenta de diamante.

A profundidade da ranhura é de 40 a 125 mícrons, a largura é de 20 a 40 mícrons, com a espessura da placa processada de 150 a 300 mícrones. Os sulcos são fabricados em velocidades de até 250 mm por segundo. A produção de produtos acabados é maior, o casamento é menor.

Gravação e marcação a laser

Atualmente, em quase todos os lugares da indústria são usadas gravações e marcações a laser: desenhos, inscrições, códigos de amostras, placas, placas de identificação, decoração artística, lembranças, jóias, inscrições em miniatura nos produtos menores e mais frágeis - só foi possível graças ao laser automatizado tecnologia.

Laser na medicina

É impossível superestimar a aplicabilidade dos lasers na medicina moderna. Os lasers cirúrgicos são usados ​​para coagular a retina esfoliada do olho, os bisturis a laser permitem cortar a carne e soldar os ossos com lasers. Um laser de dióxido de carbono solda tecidos biológicos.

Obviamente, com relação à medicina, nessa direção, os cientistas precisam melhorar e refinar a cada ano, melhorar a tecnologia do uso de certos lasers, a fim de evitar efeitos colaterais prejudiciais aos tecidos próximos. Acontece que um laser cura um lugar, mas imediatamente tem um efeito destrutivo em um órgão vizinho ou em uma célula que cai acidentalmente sob ele.

Kits de ferramentas adicionais, especialmente projetados para trabalhar em conjunto com um laser cirúrgico, permitiram que os médicos fossem bem-sucedidos em cirurgia gastrointestinal, cirurgia do trato biliar, baço, pulmão e fígado.

Remoção de tatuagens, correção da visão, ginecologia, urologia, laparoscopia, odontologia, remoção de tumores cerebrais e da coluna vertebral - tudo isso é possível hoje apenas graças à moderna tecnologia laser.

Tecnologia da informação, design, vida e laser

CD, DVD, BD, holografia, impressoras a laser, leitores de código de barras, sistemas de segurança (barreiras de segurança), espetáculos de luzes, apresentações multimídia, indicadores, etc. Imagine como nosso mundo ficaria se desaparecesse dele o laser ...