L'applicazione pratica dei laser

L'invenzione del laser può essere giustamente considerata una delle scoperte più significative del 20 ° secolo. Già all'inizio dello sviluppo di questa tecnologia, avevano già profetizzato un'applicabilità completamente versatile, sin dall'inizio era visibile la prospettiva di risolvere una varietà di problemi, nonostante in quel momento alcuni compiti non fossero nemmeno visibili all'orizzonte.

Medicina e astronautica, fusione termonucleare e gli ultimi sistemi di armi: queste sono solo alcune delle aree in cui il laser viene oggi utilizzato con successo. Vediamo dove il laser ha trovato un'applicazione pratica e vediamo la grandezza di questa meravigliosa invenzione, che deve il suo aspetto a numerosi scienziati.

Spettroscopia laser

Le radiazioni laser monocromatiche possono essere ottenute in linea di principio con qualsiasi lunghezza d'onda, sia sotto forma di un'onda continua di una certa frequenza sia sotto forma di impulsi brevi, che durano fino alle frazioni di un femtosecondo. Concentrandosi sul campione in studio, il raggio laser subisce effetti ottici non lineari, che consentono ai ricercatori di eseguire la spettroscopia modificando la frequenza della luce, nonché di condurre un'analisi coerente dei processi controllando la polarizzazione del raggio laser.

Misurare le distanze dagli oggetti

Il raggio laser è molto comodo da dirigere verso l'oggetto in studio, anche se questo oggetto è molto lontano, perché la divergenza del raggio laser è molto piccola. Quindi, nel 2018, nell'ambito di un esperimento, un raggio laser è stato diretto dall'Osservatorio cinese dello Yunnan alla luna. I riflettori dell'Apollo 15, che erano già installati sulla superficie lunare, riflettevano il raggio sulla Terra, dove fu ricevuto dall'osservatorio.

È noto che la luce laser, come qualsiasi onda elettromagnetica, si muove a velocità costante, alla velocità della luce. Le misurazioni del tempo di passaggio del raggio hanno mostrato che la distanza dall'osservatorio alla luna, nell'intervallo dalle 21:25 alle 22:31, ora di Pechino del 22 gennaio 2018, variava da 385823,433 a 387119,600 chilometri.

Il telemetro laser, per distanze non così grandi come la distanza dalla Terra alla Luna, funziona secondo un principio simile. Un laser pulsato invia un raggio a un oggetto da cui viene riflesso il raggio. Il rilevatore di radiazioni riceve un raggio riflesso. Tenendo conto del tempo che intercorre tra l'inizio della radiazione e il momento in cui il rilevatore ha catturato il raggio riflesso, nonché la velocità della luce, l'elettronica del dispositivo calcola la distanza dall'oggetto.

Ottica adattiva e compensazione della distorsione atmosferica

Se osservi un oggetto astronomico distante dalla terra attraverso un telescopio, si scopre che l'atmosfera introduce alcune distorsioni ottiche nell'immagine risultante di questo oggetto. Al fine di rimuovere queste distorsioni, vengono utilizzati i metodi della cosiddetta ottica adattiva: le distorsioni vengono misurate e compensate.

Per raggiungere questo obiettivo, un potente raggio laser è diretto verso l'oggetto osservato, che, come la luce semplice, subisce la dispersione nell'atmosfera, formando una "stella artificiale", la luce dalla quale, sulla via del ritorno verso l'osservatore, subisce esattamente le stesse distorsioni ottiche nella parte superiore strati atmosferici, nonché l'immagine dell'oggetto astronomico osservato.

Le informazioni sulla distorsione vengono elaborate e utilizzate per compensare la distorsione ottica regolando opportunamente l'immagine dell'oggetto astronomico osservato. Di conseguenza, l'immagine dell'oggetto è più "pulita".

Biochimica e fotochimica

Negli studi biochimici sulla formazione e il funzionamento delle proteine, sono utili impulsi laser ultracorti della durata del femtosecondo.Questi impulsi consentono di avviare e studiare reazioni chimiche con un'alta risoluzione temporale al fine di trovare e studiare anche composti chimici a bassa vita.

Modificando la polarizzazione dell'impulso di luce, gli scienziati possono impostare la direzione necessaria della reazione chimica, scegliendo tra alcuni possibili scenari per lo sviluppo di eventi durante la reazione rigorosamente definita.

Magnetizzazione dell'impulso laser

Oggi sono in corso ricerche sulla possibilità di cambiamenti ultraveloci nella magnetizzazione dei media utilizzando impulsi laser ultra-corti di pochi secondi di femtosecondi. Già ottenuto smagnetizzazione ultraveloce da parte di un laser in 0,2 picosecondi, nonché controllo ottico della magnetizzazione mediante polarizzazione della luce.

Raffreddamento laser

I primi esperimenti di raffreddamento laser sono stati condotti con ioni. Gli ioni erano tenuti da un campo elettromagnetico in una trappola ionica, dove erano illuminati da un raggio di luce laser. Nel processo di collisioni anelastiche con i fotoni, gli ioni hanno perso energia e quindi sono state raggiunte temperature ultra basse.

Successivamente, è stato trovato un metodo più pratico di raffreddamento laser dei solidi: il raffreddamento anti-Stokes, che consiste nel seguente. Un atomo del mezzo, essendo in uno stato appena sopra lo stato fondamentale (a livello vibrazionale), era eccitato all'energia appena sotto lo stato eccitato (a livello vibrazionale) e, assorbendo il fonone, l'atomo passava nello stato eccitato. Quindi l'atomo ha emesso un fotone la cui energia è superiore all'energia della pompa, passando allo stato fondamentale.

Laser negli impianti di fusione

Il problema di trattenere il plasma riscaldato all'interno di un reattore termonucleare può anche essere risolto con un laser. Un piccolo volume di combustibile termonucleare viene irradiato da tutti i lati per diversi nanosecondi da un potente laser.

La superficie del bersaglio evapora, il che porta a un'enorme pressione sugli strati interni del combustibile, quindi il bersaglio subisce una compressione e una compattazione supreme, e ad una certa temperatura possono già verificarsi reazioni di fusione termonucleare in un bersaglio così compatto. Il riscaldamento è possibile anche con impulsi laser a femtosecondi ultra potenti.

Pinzette ottiche basate su laser

Le pinzette laser consentono di manipolare microscopici oggetti dielettrici utilizzando la luce di un diodo laser: le forze vengono applicate agli oggetti entro pochi nanonewton e vengono misurate anche le distanze minime da diversi nanometri. Questi dispositivi ottici sono oggi utilizzati nello studio delle proteine, nella loro struttura e lavoro.

Armi laser da combattimento e difensive

All'inizio della seconda metà del XX secolo, nell'Unione Sovietica erano già stati sviluppati laser ad alta potenza che potevano essere usati come armi in grado di colpire obiettivi nell'interesse della difesa missilistica. Nel 2009, gli americani hanno annunciato la creazione di un laser mobile a stato solido da 100 kW, teoricamente in grado di colpire obiettivi aerei e terrestri di un potenziale avversario.

Mirino laser

Una piccola sorgente di luce laser è fissata rigidamente alla canna di un fucile o di una pistola in modo che il suo raggio sia diretto parallelamente alla canna. Quando mira, il tiratore vede un piccolo granello sul bersaglio a causa della piccola divergenza del raggio laser.

Principalmente per tali mirini, vengono utilizzati diodi laser rossi o diodi laser a infrarossi (in modo che un punto possa essere visto solo nel dispositivo di visione notturna). Per un maggiore contrasto in condizioni di luce diurna, vengono utilizzati mirini laser con LED laser verdi.

Ingannare un avversario militare

Un raggio laser a bassa potenza è diretto verso l'equipaggiamento militare del nemico. Il nemico scopre questo fatto, crede che qualche tipo di arma sia puntata su di lui ed è costretto a prendere urgentemente misure per difendersi invece di lanciare un attacco.

Proiettile a guida laser

È conveniente usare un punto riflesso di un raggio laser per puntare un proiettile volante, come un razzo lanciato da un aereo. Un laser da terra o da un aereo illumina il bersaglio e il proiettile è guidato da esso. Il laser è comunemente usato a infrarossi, poiché è più difficile da rilevare.

Tempra laser

La superficie del metallo viene riscaldata da un laser a una temperatura critica, mentre il calore penetra in profondità nel prodotto a causa della sua conduttività termica. Non appena termina l'azione del laser, il prodotto si raffredda rapidamente a causa della penetrazione del calore all'interno, dove iniziano a formarsi strutture di indurimento, che impediscono una rapida usura durante l'uso futuro del prodotto.

Ricottura e tempra laser

La ricottura è un tipo di trattamento termico in cui il prodotto viene prima riscaldato a una certa temperatura, quindi mantenuto per un certo tempo a questa temperatura, quindi viene lentamente raffreddato a temperatura ambiente.

Ciò riduce la durezza del metallo, facilitando la sua ulteriore lavorazione meccanica, migliorando al contempo la microstruttura e raggiungendo una maggiore uniformità del metallo, allevia le sollecitazioni interne. La ricottura laser consente di elaborare piccole parti metalliche in questo modo.

La vacanza viene effettuata al fine di ottenere una maggiore duttilità e ridurre la fragilità del materiale mantenendo un livello accettabile della sua resistenza alle articolazioni delle parti. Per questo, il prodotto viene riscaldato al laser a una temperatura compresa tra 150-260 ° C e 370-650 ° C, seguito da un lento raffreddamento (raffreddamento).

Pulizia laser e decontaminazione delle superfici

Questo metodo di pulizia viene utilizzato per rimuovere i contaminanti superficiali da oggetti, monumenti, opere d'arte. Per la pulizia di prodotti dalla contaminazione radioattiva e per la pulizia della microelettronica. Questo metodo di pulizia è privo degli svantaggi insiti nella rettifica meccanica, nella lavorazione abrasiva, nella lavorazione a vibrazione, ecc.

Fusione laser e amorphization

L'amorfizzazione ad alta velocità della superficie della lega preparata con un raggio di scansione o un breve impulso è ottenuta a causa della rapida rimozione del calore, durante la quale la fusione si congela, si forma una sorta di vetro metallico con elevata durezza, resistenza alla corrosione e miglioramento delle caratteristiche magnetiche. Il materiale preverniciante viene selezionato in modo tale che insieme al materiale principale formi una composizione soggetta ad amorfi sotto l'azione di un laser.

Legatura laser e rivestimento

Allocare una superficie metallica con un laser aumenta la sua microdurezza e resistenza all'usura.

Il metodo di rivestimento laser consente di applicare strati superficiali resistenti all'usura. Viene utilizzato nel restauro di parti di alta precisione utilizzate in condizioni di maggiore usura, ad esempio, come valvole ICE e altre parti del motore. Questo metodo è di qualità superiore allo sputtering perché qui si forma uno strato monolitico associato alla base.

Spruzzo laser sotto vuoto

Nel vuoto, una parte del materiale viene vaporizzata da un laser, quindi i dati di vaporizzazione vengono condensati su un substrato speciale, dove con altri prodotti formano un materiale con la nuova composizione chimica necessaria.

Saldatura laser

Un metodo promettente di saldatura industriale che utilizza laser ad alta potenza, offrendo una saldatura molto liscia, stretta e profonda. A differenza dei metodi di saldatura convenzionali, la potenza del laser è controllata in modo più preciso, il che consente di controllare in modo molto preciso la profondità e altri parametri della saldatura. Un laser per saldatura è in grado di saldare parti spesse ad alta velocità, è sufficiente aggiungere potenza e l'effetto termico sulle aree adiacenti è minimo. La saldatura si ottiene meglio, così come qualsiasi connessione ottenuta con questo metodo.

Taglio laser

Un'alta concentrazione di energia nel raggio laser focalizzato consente di tagliare quasi qualsiasi materiale noto, mentre il taglio è stretto e la zona interessata dal calore è minima. Di conseguenza, non ci sono sforzi residui significativi.

Scribing laser

Per la successiva separazione in elementi più piccoli, i wafer a semiconduttore vengono incisi - le scanalature profonde vengono applicate con un laser. Qui, si ottiene una maggiore precisione rispetto all'uso di uno strumento diamantato.

La profondità della scanalatura è compresa tra 40 e 125 micron, la larghezza è compresa tra 20 e 40 micron, con lo spessore della lastra lavorata tra 150 e 300 micron. Le scanalature sono prodotte a velocità fino a 250 mm al secondo. La produzione di prodotti finiti è maggiore, il matrimonio è inferiore.

Incisione e marcatura laser

Quasi ovunque nel settore oggi vengono utilizzate l'incisione e la marcatura laser: disegni, iscrizioni, codifica di campioni, targhe, targhette, decorazioni artistiche, souvenir, gioielli, iscrizioni in miniatura sui prodotti più piccoli e fragili - è diventato possibile solo grazie al laser automatizzato tecnologia.

Laser in medicina

È impossibile sopravvalutare l'applicabilità dei laser nella medicina moderna. I laser chirurgici vengono utilizzati per coagulare la retina esfoliata dell'occhio, i bisturi laser consentono di tagliare la carne e saldare le ossa con i laser. Un laser ad anidride carbonica salda i tessuti biologici.

Naturalmente, per quanto riguarda la medicina, in questa direzione, gli scienziati devono migliorare e perfezionare ogni anno, migliorare la tecnologia di utilizzo di determinati laser per evitare effetti collaterali dannosi sui tessuti vicini. Succede che un laser guarisca un posto, ma ha immediatamente un effetto distruttivo su un organo vicino o su una cellula che cade accidentalmente sotto di esso.

Kit di strumenti aggiuntivi, appositamente progettati per collaborare con un laser chirurgico, hanno permesso ai medici di avere successo nella chirurgia gastrointestinale, nella chirurgia del tratto biliare, della milza, dei polmoni e del fegato.

Rimozione di tatuaggi, correzione della vista, ginecologia, urologia, laparoscopia, odontoiatria, rimozione di tumori cerebrali e spinali: tutto ciò è possibile oggi solo grazie alla moderna tecnologia laser.

Informatica, design, vita e laser

CD, DVD, BD, olografia, stampanti laser, lettori di codici a barre, sistemi di sicurezza (barriere di sicurezza), spettacoli di luci, presentazioni multimediali, puntatori, ecc. Immagina come sarebbe il nostro mondo se scomparisse da esso il laser ...