Laser byl od svého vývoje nazýván zařízením, které samo hledá úkoly k řešení. Lasery našly uplatnění v celé řadě oborů. Laser se stal jedním z nejvýznamnějších vynálezů 20. století .
Moderní zdroje laserového záření poskytují experimentátorům monochromatické světlo s prakticky jakoukoli požadovanou vlnovou délkou . V závislosti na aktuální úloze se může jednat buď o kontinuální záření s extrémně úzkým spektrem , nebo o ultrakrátké pulzy s délkou trvání až stovek attosekund (1 as = 10 −18 sekund). Vysoká energie uložená v těchto pulzech může být zaměřena na zkoumaný vzorek do bodu srovnatelného velikostí s vlnovou délkou, což umožňuje zkoumat různé nelineární optické efekty . Pomocí frekvenčního ladění se provádějí spektroskopické studie těchto efektů a řízení polarizace laserového záření umožňuje provádět koherentní řízení studovaných procesů.
Během letů na Měsíc pilotovanými i bezpilotními prostředky bylo na jeho povrch dodáno několik speciálních rohových reflektorů . Ze Země byl pomocí dalekohledu vyslán speciálně zaměřený laserový paprsek a změřil čas, který trvá cesta na měsíční povrch a zpět. Na základě hodnoty rychlosti světla bylo možné vypočítat vzdálenost k Měsíci. Dnes jsou parametry oběžné dráhy Měsíce známy s přesností na několik centimetrů.
Použití metod adaptivní optiky v pozemních dalekohledech může výrazně zlepšit kvalitu obrazu astronomických objektů měřením a kompenzací atmosférických optických zkreslení . K tomu je k pozorování nasměrován silný laserový paprsek. Laserové záření je rozptýleno v horních vrstvách atmosféry a vytváří tak referenční zdroj světla viditelný ze zemského povrchu – umělou „hvězdu“. Světlo z něj, které prošlo vrstvami atmosféry na cestě zpět k zemi, obsahuje informace o optických zkresleních, ke kterým v daném čase dochází. Takto naměřená atmosférická zkreslení jsou kompenzována speciálním korektorem. Například deformovatelné zrcadlo .
Některé typy laserů mohou produkovat ultrakrátké světelné pulzy měřené v piko- a femtosekundách (10 −12 - 10 −15 s). Takové impulsy lze použít ke spuštění a analýze chemických reakcí. Ultrakrátké pulzy lze použít ke studiu chemických reakcí s vysokým časovým rozlišením, což umožňuje spolehlivou izolaci sloučenin s krátkou životností. Manipulace s pulzní polarizací umožňuje selektivně volit směr chemické reakce z několika možných ( koherentní řízení ). Tyto metody nacházejí uplatnění v biochemii , kde se používají ke studiu tvorby a fungování proteinů .
Ultrakrátké laserové pulsy slouží k ultrarychlé kontrole magnetického stavu média, což je v současnosti předmětem intenzivního výzkumu. Již bylo objeveno mnoho opticko-magnetických jevů, jako je ultrarychlá demagnetizace za 200 femtosekund (2⋅10 −13 s), tepelná remagnetizace světlem a netepelná optická kontrola magnetizace polarizací světla.
První experimenty s chlazením laseru byly prováděny s ionty v iontových pastech , ionty byly udržovány v prostoru pasti pomocí elektrického a/nebo magnetického pole . Tyto ionty byly osvětleny laserovým paprskem a díky nepružné interakci s fotony ztrácely energii po každé srážce. Tento efekt se využívá k dosažení ultra nízkých teplot.
Později, v procesu zdokonalování laserů, byly nalezeny další metody, jako je anti-Stokesovo chlazení pevných látek – dnes nejpraktičtější metoda chlazení laseru. Tato metoda je založena na skutečnosti, že atom není excitován ze základního elektronického stavu, ale z vibračních úrovní tohoto stavu (s mírně vyšší energií než energie základního stavu) do vibračních úrovní excitovaného stavu ( s energií o něco menší, než je energie tohoto excitovaného stavu). Dále atom neradiativně přechází na excitovanou hladinu (pohlcující fonony ) a při přechodu z excitované elektronické hladiny na zemskou emituje foton (tento foton má více energie než foton pumpy ). Atom pohltí fonon a cyklus se opakuje.
Již existují systémy schopné ochladit krystal z teploty dusíku na teplotu hélia . Tento způsob chlazení je ideální pro kosmické lodě, kde není k dispozici konvenční chladicí systém.
Jedním ze způsobů, jak provést termonukleární reakci, je zadržet termojaderné palivo po dobu reakce jeho vlastními setrvačnými silami. Obvykle je v tomto případě malý objem paliva ozařován silným laserovým zářením (někdy se laserové záření předběžně transformuje na rentgenové záření) ze všech stran v krátkých (řádově několika nanosekundách) časových intervalech. V důsledku ozáření se cílový povrch odpařuje a vyvíjí obrovský tlak na vnitřní vrstvy. Tento tlak stlačuje terč na ultravysoké hustoty, takže v něm probíhají termonukleární reakce. Zahřívání je možné jak přímo tlakovými silami, tak pomocí přídavného supervýkonného a ultrakrátkého (řádově několika femtosekund) laserového pulzu.
Optická pinzeta je zařízení, které umožňuje manipulovat s mikroskopickými předměty pomocí laserového světla (obvykle emitovaného laserovou diodou). Umožňuje vám aplikovat síly od femtonewtonů po nanonewtony na dielektrické objekty a měřit vzdálenosti od několika nanometrů. V posledních letech se ke studiu struktury a fungování proteinů používají optické pinzety.
Od poloviny 50. let probíhaly v SSSR rozsáhlé práce na vývoji a testování vysoce výkonných laserových zbraní jako prostředku přímého ničení cílů v zájmu strategické protivesmírné a protiraketové obrany. Mimo jiné byly realizovány programy Terra a Omega . Testy laserů byly provedeny na zkušebním polygonu Sary-Shagan ( protivzdušná obrana , protiraketová obrana , PKO , SKKP , systém včasného varování ) v Kazachstánu . Po rozpadu Sovětského svazu byly práce na zkušebním místě Sary-Shagan zastaveny.
V polovině března 2009 oznámila americká korporace Northrop Grumman vytvoření pevnolátkového elektrického laseru o výkonu asi 100 kW . Vývoj tohoto zařízení probíhal v rámci programu vytvoření efektivního mobilního laserového komplexu určeného pro boj s pozemními a vzdušnými cíli [1] .
Ve většině vojenských aplikací se laser používá k usnadnění míření zbraní nějakého druhu. Například laserový zaměřovač je malý laser, obvykle ve viditelném rozsahu, připevněný k hlavni pistole nebo pušky tak, že jeho paprsek je rovnoběžný s hlavní. Kvůli slabé divergenci laserového paprsku i na velké vzdálenosti vytváří zaměřovač malou skvrnu. Člověk jednoduše namíří toto místo na cíl a tak přesně vidí, kam směřuje jeho kmen.
Většina laserů používá červenou laserovou diodu. Někteří používají infračervenou diodu k vytvoření bodu, který je neviditelný pouhým okem, ale viditelný brýlemi pro noční vidění. V roce 2007 oznámila společnost Lasermax, specializující se na výrobu laserů pro vojenské účely, zahájení první hromadné výroby zelených laserů dostupných pro ruční palné zbraně [2] . Předpokládalo se, že zelený laser bude lepší než červený, viditelný za jasných světelných podmínek díky vyšší citlivosti lidské sítnice na zelenou oblast spektra. Po 8 letech se však používání zeleného laseru neuchytilo tak, jak se v roce 2007 myslelo. Zelené diody, zařízení, která vyzařují zelený paprsek, se ukázaly jako mnohem dražší na výrobu (několikrát kvůli většímu počtu vad oproti červené diodě). A životnost zelené diody se ukázala být mnohem nižší. Celkově výše uvedené důvody ovlivnily konečnou cenu zařízení využívající zelený laser [3] .
Princip těchto systémů je založen na tom, že paprsek procházející čočkami se bude odrážet od nějakého světlocitlivého předmětu (optické konvertory, sítnice atd.).
Výhodou je, že takové systémy jsou aktivní, to znamená, že detekují odstřelovače před výstřelem a ne po něm. Na druhou stranu se tyto systémy demaskují, protože jsou emitory.
Takové systémy se vyrábějí jak v Rusku [4] , tak v jiných zemích.
Rušení je možné „skenováním“ terénu laserovým paprskem, zabráněním nepřátelským odstřelovačům vést cílenou palbu nebo dokonce pozorovat pomocí optických zařízení.
V tomto případě jsou míněny „nesmrtící“ zbraně, jejichž hlavním účelem je zabránit útoku nepřítele. Zařízení vytváří laserový paprsek nízkého výkonu nasměrovaný na nepřítele (tato technologie se používá hlavně proti letadlům a tankům). Nepřítel věří, že na něj míří přesná zbraň, je nucen se schovat nebo ustoupit, místo aby zasadil vlastní ránu.
Laserový dálkoměr je zařízení skládající se z pulzního laseru a detektoru záření . Změřením doby, kterou paprsek potřebuje k cestě k reflektoru a zpět, a znalosti hodnoty rychlosti světla můžete vypočítat vzdálenost mezi laserem a odrážejícím objektem. Laserový dálkoměr je nejjednodušší verzí lidaru . Hodnotu vzdálenosti cíle lze použít k namíření zbraně, jako je tanková zbraň.
Další vojenskou aplikací laserů jsou zbraňové naváděcí systémy. Takovými systémy jsou laser s nízkým výkonem, který „osvětluje“ cíl pro laserem naváděnou munici – „chytré“ bomby nebo střely vypouštěné z letadla . Střela automaticky změní svůj let, zaměří se na odražený bod laserového paprsku na cíl, čímž zajistí vysokou přesnost zásahu. Laserový zářič může být umístěn jak na samotném letadle, tak na zemi. Infračervené lasery se obvykle používají v laserových naváděcích zařízeních , protože jejich práce je snazší skrýt před nepřítelem.
První vojenská aplikace laserů, která přichází na mysl, je obvykle jejich použití při konstrukci laserových ručních zbraní schopných ničit pěchotu , tanky a dokonce i letadla . V praxi takové nápady okamžitě narážejí na vážnou překážku – při současné úrovni technologie bude laser schopný způsobit poškození člověka (s přihlédnutím ke zdroji energie) příliš těžký na to, aby jej bylo možné unést sám, a zařízení s dostatečným výkonem vyřadit z provozu tank bude extrémně těžkopádné a na vibrace citlivé zařízení, které znemožní jeho použití v terénu. Za prvé je to způsobeno extrémně nízkou účinností laseru: pro získání dostatečného (k poškození cíle) množství vyzařované energie je nutné vynaložit desítky (někdy i stovky)krát více energie na přečerpání pracovní tělo laseru. Zejména pro způsobení poškození podobného dopadu střely ráže .30 (z hlediska energie) je zapotřebí laserový puls o síle asi 5 kilojoulů; 1,6 kilojoulů by odpovídalo kulce ráže 9 mm, resp. Paprskový pulz trvající za sekundu by tedy měl mít výkon 1600 wattů. V tomto případě je třeba vzít v úvahu výše uvedený faktor nízké účinnosti laseru, respektive zdroj energie musí poskytovat nejméně desetkrát větší výkon (v nejlepším případě). Je to množství energetických zdrojů pro čerpání, které do značné míry určí závažnost takové zbraně. V současné době přenosné zdroje energie s takovou hustotou energie neexistují. Je třeba také poznamenat, že zbytek energie, která není emitována v laserovém pulsu, bude uvolněna jako teplo ve struktuře zbraně, což bude vyžadovat velmi účinný a těžký chladicí systém pro uvolnění tepla. A požadovaná doba chlazení zase výrazně sníží rychlost střelby zbraně. Udělejme si výhradu, že problém odvodu tepla je částečně vyřešen u chemicky čerpaných laserů (zejména u vysoce výkonných kyslíko-jodových a deuterium-fluorových laserů, které produkují megawatty za sekundový puls), kde jsou ze systému vyhazovány použité chemické složky. po pulzu odvádějící teplo. Zářič zároveň vyžaduje velkou zásobu těchto často agresivních činidel a vhodné skladovací nádoby.
Zbývá pouze možnost použít k oslepení nepřítele laser, protože k tomuto účelu jsou potřeba lasery velmi nízkého výkonu, které lze udělat přenosné. V současné době je použití takových zařízení zakázáno mezinárodními pravidly válčení. Nízkovýkonné lasery, včetně laserových ukazovátek , se však v omezené míře používají k oslepení nepřátelských odstřelovačů a odhalení skrytých postavení zbraní.
V 60. letech 20. století byly provedeny první studie týkající se použití laserů v medicíně. Konaly se na klinikách MMA . I. M. Sechenov , CITO , Ústřední výzkumný ústav balneologie a fyzioterapie , vývojářem prvních laserových lékařských přístrojů v SSSR byl Výzkumný a výrobní podnik Istok ( Fryazino , Moskevská oblast ). Byly studovány možnosti využití heliem-neonových laserů s vlnovou délkou 0,63 μm v klinické praxi. Prokázala se účelnost použití hélium-neonových laserů pro lékařské účely a v roce 1972 bylo získáno povolení od Ministerstva zdravotnictví SSSR pro použití nízkovýkonového helium-neonového laserového záření v terapii [6] .
Práce na využití laserů v chirurgii v SSSR začaly v roce 1965 na MNIOI. P. A. Herzen (vedoucí profesor S. D. Pletnev) spolu s JE Istok (vedoucí akademik Akademie věd SSSR N. D. Děvjatkov a V. P. Beljajev). Byly použity vysokoenergetické CO 2 lasery s vlnovou délkou 10,6 μm. Na základě výsledků těchto prací vytvořila JE Istok několik modifikací laserových chirurgických jednotek, které byly převedeny na kliniky a použity při chirurgických operacích [6] .
S příchodem průmyslových laserů začala nová éra v chirurgii. Zároveň přišly vhod zkušenosti specialistů na laserové zpracování kovů. Laserové svařování exfoliované sítnice oka je bodové svařování; laserový skalpel - autogenní řezání; svařování kostí - tavné svařování na tupo; spojením svalové tkáně je také kontaktní svařování.
Aby mělo laserové záření nějaký účinek, musí být absorbováno tkání. Nejoblíbenějším laserem v chirurgii je oxid uhličitý. Jiné lasery jsou monochromatické , to znamená, že zahřívají, ničí nebo svařují pouze určité biologické tkáně s dobře definovanou barvou. Například paprsek argonového laseru volně prochází matným sklivcem a odevzdává svou energii sítnici, jejíž barva se blíží červené.
Laser s oxidem uhličitým je vhodný pro většinu aplikací, například když potřebujete řezat nebo svařovat tkaniny různých barev k sobě. To však vyvolává další problém. Tkáně jsou nasycené krví a lymfou , obsahují hodně vody a laserové záření ve vodě ztrácí energii. Je možné zvýšit energii laserového paprsku, ale to může vést ke spálení tkáně. Tvůrci chirurgických laserů se musí uchýlit k nejrůznějším trikům, což značně prodražuje zařízení.
Svářeči kovů již dlouho vědí, že při řezání stohu tenkých plechů je nutné, aby k sobě těsně přiléhaly, a při bodovém svařování je zapotřebí dalšího tlaku, aby se svařované díly těsně dotýkaly.
Tato metoda se používala i v chirurgii: Profesor O. K. Skobelkin a jeho spoluautoři navrhli, že při svařování tkání je mírně zmáčkněte, abyste vytlačili krev. Pro implementaci nové metody byla vytvořena celá sada nástrojů, která se dnes používá v gastrointestinální chirurgii, při operacích žlučových cest , sleziny , jater a plic .
Laserová show