La aplicación práctica de los láseres.

La invención del láser puede considerarse legítimamente uno de los descubrimientos más significativos del siglo XX. Incluso al comienzo del desarrollo de esta tecnología, ya estaba profetizada de una aplicabilidad completamente versátil, desde el principio la perspectiva de resolver una variedad de problemas era visible, a pesar del hecho de que algunas tareas ni siquiera eran visibles en el horizonte en ese momento.

La medicina y la astronáutica, la fusión termonuclear y los últimos sistemas de armas son solo algunas de las áreas en las que el láser se usa con éxito en la actualidad. Veamos dónde encontró una aplicación práctica el láser, y veamos la grandeza de este maravilloso invento, que debe su apariencia a varios científicos.

Espectroscopía láser

La radiación láser monocromática se puede obtener en principio con cualquier longitud de onda, tanto en forma de onda continua de cierta frecuencia como en forma de pulsos cortos, que duran hasta fracciones de un femtosegundo. Centrándose en la muestra en estudio, el rayo láser sufre efectos ópticos no lineales, lo que permite a los investigadores llevar a cabo una espectroscopia cambiando la frecuencia de la luz, así como realizar análisis coherentes de los procesos al controlar la polarización del rayo láser.

Medir distancias a objetos

Es muy conveniente dirigir el rayo láser hacia el objeto en estudio, incluso si este objeto está muy lejos, porque la divergencia del rayo láser es muy pequeña. Entonces, en 2018, como parte de un experimento, se dirigió un rayo láser desde el Observatorio Chino de Yunnan a la luna. Los reflectores del Apolo 15, que ya estaban instalados en la superficie lunar, reflejaron el haz de regreso a la Tierra, donde fue recibido por el observatorio.

Se sabe que la luz láser, como cualquier onda electromagnética, se mueve a una velocidad constante, a la velocidad de la luz. Las mediciones del tiempo de paso del haz mostraron que la distancia desde el observatorio a la luna, en el intervalo de 21:25 a 22:31 hora de Beijing el 22 de enero de 2018, oscilaba entre 385823,433 y 387119,600 kilómetros.

El telémetro láser, para distancias no tan grandes como la distancia de la Tierra a la Luna, funciona según un principio similar. Un láser pulsado envía un rayo a un objeto desde el cual se refleja el rayo. El detector de radiación recibe un haz reflejado. Teniendo en cuenta el tiempo entre el inicio de la radiación y el momento en que el detector atrapó el haz reflejado, así como la velocidad de la luz, la electrónica del dispositivo calcula la distancia al objeto.

Óptica adaptativa y compensación de distorsión atmosférica

Si observa un objeto astronómico distante de la tierra a través de un telescopio, resulta que la atmósfera introduce ciertas distorsiones ópticas en la imagen resultante de este objeto. Para eliminar estas distorsiones, se utilizan métodos de la llamada óptica adaptativa: las distorsiones se miden y compensan.

Para lograr este objetivo, un potente rayo láser se dirige hacia el objeto observado, que, como la luz simple, se dispersa en la atmósfera, formando una "estrella artificial", la luz de la cual, en el camino de regreso al observador, experimenta exactamente las mismas distorsiones ópticas en la parte superior capas atmosféricas, así como la imagen del objeto astronómico observado.

La información de distorsión se procesa y se utiliza para compensar la distorsión óptica ajustando adecuadamente la imagen del objeto astronómico observado. Como resultado, la imagen del objeto es más "limpia".

Bio y fotoquímica

En estudios bioquímicos sobre la formación y el funcionamiento de proteínas, son útiles los pulsos láser ultracortos de duración de femtosegundos.Estos pulsos hacen posible iniciar y estudiar reacciones químicas con una alta resolución temporal para encontrar y estudiar incluso compuestos químicos de baja vida.

Al cambiar la polarización del pulso de luz, los científicos pueden establecer la dirección necesaria de la reacción química, eligiendo entre algunos escenarios posibles para el desarrollo de eventos durante la reacción estrictamente definidos.

Magnetización por pulso láser

Hoy en día, se están realizando investigaciones sobre la posibilidad de cambios ultrarrápidos en la magnetización de los medios utilizando pulsos láser ultracortos de unos pocos femtosegundos de duración. Ya se logró la desmagnetización ultrarrápida por láser en 0.2 picosegundos, así como el control óptico de la magnetización mediante luz polarizada.

Enfriamiento por láser

Los primeros experimentos de enfriamiento con láser se llevaron a cabo con iones. Los iones fueron retenidos por un campo electromagnético en una trampa de iones, donde fueron iluminados por un haz de luz láser. En el proceso de colisiones inelásticas con fotones, los iones perdieron energía y, por lo tanto, se alcanzaron temperaturas ultrabajas.

Después de eso, se encontró un método más práctico de enfriamiento por láser de sólidos: enfriamiento anti-Stokes, que consiste en lo siguiente. Un átomo del medio, estando en un estado justo por encima del estado fundamental (en el nivel vibratorio), fue excitado a una energía ligeramente inferior al estado excitado (en el nivel vibratorio) y, absorbiendo el fonón, el átomo pasó al estado excitado. Luego, el átomo emitió un fotón cuya energía es más alta que la energía de la bomba, pasando al estado fundamental.

Láseres en plantas de fusión

El problema de mantener plasma calentado dentro de un reactor termonuclear también se puede resolver con un láser. Un potente láser irradia un pequeño volumen de combustible termonuclear desde todos los lados durante varios nanosegundos.

La superficie objetivo se evapora, lo que conduce a una enorme presión sobre las capas internas del combustible, por lo que el objetivo experimenta una compresión y compactación súper fuertes, y a cierta temperatura las reacciones de fusión termonuclear ya pueden ocurrir en un objetivo tan compacto. El calentamiento también es posible utilizando pulsos láser de femtosegundo ultrapotentes.

Pinzas ópticas basadas en láser

Las pinzas láser permiten manipular objetos dieléctricos microscópicos utilizando la luz de un diodo láser: se aplican fuerzas a los objetos dentro de unos pocos nanonewtons, y también se miden pequeñas distancias de varios nanómetros. Estos dispositivos ópticos se usan hoy en el estudio de las proteínas, su estructura y trabajo.

Combate y armas láser defensivas

A principios de la segunda mitad del siglo XX, en la Unión Soviética ya se desarrollaron láseres de alta potencia que podrían usarse como armas capaces de alcanzar objetivos en aras de la defensa antimisiles. En 2009, los estadounidenses anunciaron la creación de un láser de estado sólido móvil de 100 kW, teóricamente capaz de golpear objetivos aéreos y terrestres de un enemigo potencial.

Mira láser

Una pequeña fuente de luz láser está unida rígidamente al cañón de un rifle o pistola para que su haz se dirija paralelo al cañón. Al apuntar, el tirador ve una pequeña mancha en el objetivo debido a la pequeña divergencia del rayo láser.

Principalmente para tales miras, se usan diodos láser rojos o diodos láser infrarrojos (para que el punto solo se pueda ver en el dispositivo de visión nocturna). Para un mayor contraste en condiciones de luz diurna, se utilizan miras láser con LED láser verdes.

Engañando a un adversario militar

Un rayo láser de baja potencia se dirige hacia el equipo militar del enemigo. El enemigo descubre este hecho, cree que algún tipo de arma está dirigida a él y se ve obligado a tomar medidas urgentes para defenderse en lugar de lanzar un ataque.

Proyectil guiado por láser

Es conveniente utilizar un punto reflejado de un rayo láser para apuntar un proyectil volador, como un cohete lanzado desde un avión. Un láser desde el suelo o desde un avión ilumina el objetivo, y el proyectil es guiado por él. El láser se usa comúnmente por infrarrojos, ya que es más difícil de detectar.

Endurecimiento por láser

La superficie del metal se calienta con un láser a una temperatura crítica, mientras que el calor penetra profundamente en el producto debido a su conductividad térmica. Tan pronto como se detiene la acción del láser, el producto se enfría rápidamente debido a la penetración de calor en el interior, donde comienzan a formarse estructuras de endurecimiento, que evitan el desgaste rápido durante el uso futuro del producto.

Recocido y templado con láser

El recocido es un tipo de tratamiento térmico en el que el producto primero se calienta a una cierta temperatura, luego se mantiene durante un cierto tiempo a esta temperatura, luego se enfría lentamente a temperatura ambiente.

Esto reduce la dureza del metal, facilita su posterior procesamiento mecánico, al tiempo que mejora la microestructura y logra una mayor uniformidad del metal, alivia las tensiones internas. El recocido por láser le permite procesar pequeñas piezas de metal de esta manera.

Las vacaciones se llevan a cabo para obtener una mayor ductilidad y reducir la fragilidad del material, manteniendo un nivel aceptable de resistencia en las juntas de las piezas. Para esto, el producto se calienta con láser a una temperatura de 150–260 ° C a 370–650 ° C, seguido de un enfriamiento lento (enfriamiento).

Limpieza láser y descontaminación de superficies.

Este método de limpieza se utiliza para eliminar contaminantes de la superficie de objetos, monumentos, obras de arte. Para productos de limpieza de la contaminación radiactiva y para la limpieza de microelectrónica. Este método de limpieza no tiene las desventajas inherentes a la molienda mecánica, el procesamiento abrasivo, el procesamiento de vibraciones, etc.

Fusión láser y amorfización

La amorfización a alta velocidad de la superficie de aleación preparada con un haz de escaneo o un pulso corto se logra debido a la rápida eliminación de calor, durante la cual la fusión se congela, se forma un tipo de vidrio metálico con alta dureza, resistencia a la corrosión y mejora de las características magnéticas. El material de recubrimiento previo se selecciona de modo que junto con el material principal forme una composición propensa a la amorfización bajo la acción de un láser.

Aleación láser y superficie

La aleación de una superficie metálica con un láser aumenta su microdureza y resistencia al desgaste.

El método de superficie con láser le permite aplicar capas de superficie resistentes al desgaste. Se utiliza en la restauración de piezas de alta precisión utilizadas en condiciones de mayor desgaste, por ejemplo, como válvulas ICE y otras piezas del motor. Este método es superior en calidad a la pulverización catódica porque aquí se forma una capa monolítica asociada con la base.

Pulverización con láser de vacío

En el vacío, una porción del material se vaporiza con un láser, luego los datos de vaporización se condensan en un sustrato especial, donde con otros productos forman un material con la nueva composición química necesaria.

Soldadura por láser

Un método prometedor de soldadura industrial utilizando láseres de alta potencia, que proporciona una soldadura muy suave, estrecha y profunda. A diferencia de los métodos de soldadura convencionales, la potencia del láser se controla con mayor precisión, lo que le permite controlar con mucha precisión la profundidad y otros parámetros de la soldadura. Un láser de soldadura puede soldar piezas gruesas a alta velocidad, solo necesita agregar potencia y el efecto térmico en las áreas adyacentes es mínimo. La soldadura se obtiene mejor, así como cualquier conexión obtenida por este método.

Corte por láser

Una alta concentración de energía en el rayo láser enfocado permite cortar casi cualquier material conocido, mientras que el corte es estrecho y la zona afectada por el calor es mínima. En consecuencia, no hay cepas residuales significativas.

Trazado láser

Para la separación posterior en elementos más pequeños, se graban las obleas de semiconductores: se aplican ranuras profundas con un láser. Aquí, se logra una mayor precisión que cuando se usa una herramienta de diamante.

La profundidad de la ranura es de 40 a 125 micras, el ancho es de 20 a 40 micras, con un espesor de la placa procesada de 150 a 300 micras. Las ranuras se fabrican a velocidades de hasta 250 mm por segundo. La producción de productos terminados es mayor, el matrimonio es menor.

Grabado láser y marcado

En la actualidad, en casi todas partes de la industria se utilizan grabado y marcado láser: la aplicación de dibujos, inscripciones, codificación de muestras, placas, placas de identificación, decoración artística, recuerdos, joyas, inscripciones en miniatura en los productos más pequeños y frágiles, solo fue posible gracias al láser automatizado. tecnología

Láser en medicina

Es imposible sobreestimar la aplicabilidad de los láseres en la medicina moderna. Los láseres quirúrgicos se utilizan para coagular la retina exfoliada del ojo, los escalpelos con láser le permiten cortar carne y soldar huesos con láser. Un láser de dióxido de carbono suelda tejidos biológicos.

Por supuesto, con respecto a la medicina, en esta dirección, los científicos tienen que mejorar y refinar cada año, mejorar la tecnología del uso de ciertos láseres para evitar efectos secundarios dañinos en los tejidos que están cerca. A veces sucede que un láser cura un lugar, pero inmediatamente tiene un efecto destructivo en un órgano vecino o una célula que cae accidentalmente debajo de él.

Los kits de herramientas adicionales, especialmente diseñados para trabajar conjuntamente con un láser quirúrgico, permitieron a los médicos tener éxito en cirugía gastrointestinal, cirugía del tracto biliar, bazo, pulmones e hígado.

Eliminación de tatuajes, corrección de la visión, ginecología, urología, laparoscopia, odontología, extirpación de tumores cerebrales y espinales: todo esto es posible hoy en día solo gracias a la moderna tecnología láser.

Tecnología de la información, diseño, vida y láser.

CD, DVD, BD, holografía, impresoras láser, lectores de códigos de barras, sistemas de seguridad (barreras de seguridad), espectáculos de luces, presentaciones multimedia, punteros, etc. Imagine cómo se vería nuestro mundo si desapareciera de él. el láser ...