Г. Дубоссары
Скачать 0.67 Mb.
|
4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВС самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века. 4.1. Наука 4.1.1. Спектроскопия Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов. 4.1.2. Измерение расстояния до Луны Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров. 4.1.3. Создание искусственных опорных звезд Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света – искусственную звезду. Свет от нее, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором. Например, деформируемым зеркалом. 4.1.4. Фотохимия Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10-12 – 10-15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков. 4.1.5. Лазерное намагничивание Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2·10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света. 4.1.6. Лазерное охлаждение Лазеры приспособили для непосредственного охлаждения молекул. Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел – наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией, чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения. 4.1.7. Термоядерный синтез Один из способов решить проблему удержания нагретой плазмы в ядерном реакторе может заключаться в использовании лазеров. При этом небольшой объём топлива облучается мощным лазерным излучением (иногда лазерное излучение предварительно трансформируется в рентгеновское) со всех сторон в течение небольшого (порядка нескольких наносекунд) промежутка времени. В результате облучения поверхность мишени испаряется, оказывая огромное давление на внутренние слои. Это давление сжимает мишень до сверхвысоких плотностей. В сжатой мишени могут протекать термоядерные реакции при достижении определённой температуры. Нагрев возможен как непосредственно силами давления, так и с использование дополнительного сверхмощного и сверхкороткого (порядка нескольких фемтосекунд) лазерного импульса. 4.1.8. Оптический (лазерный) пинцет Оптический пинцет – прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до нано ньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков. 4.2. Вооружение 4.2.1. Лазерное оружие С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены. В середине марта 2009 года американская корпорация NorthropGrumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями. 4.2.2. Лазерный целеуказатель Р  евольвер, оснащённый лазерным целеуказателем.Лазерный целеуказатель (ЛЦУ) — портативное устройство, генерирующее лазерное излучение в видимом или инфракрасном диапазоне спектра. Используется для ускорения и облегчения прицеливания на коротких и средних дистанциях стрельбы. Лазерный луч формирует на цели яркую точку, соответствующую месту попадания пули, как если бы та двигалась прямолинейно, а не по баллистической траектории. Как правило, на дистанциях стрельбы от 50 до 300 метров (в зависимости от типа оружия) пуля движется практически прямолинейно, что позволяет с достаточно малой погрешностью (с учётом параллакса) приравнять место нахождения создаваемой ЛЦУ светящейся точки к месту попадания пули. Лазерный целеуказатель зачастую неправильно называют «лазерным прицелом». Кроме стрелкового оружия, лазерный целеуказатель может также устанавливаться на арбалеты. В большинстве случаев лазерный целеуказатель изготавливается на основе лазерного диода, который излучает в диапазоне 405 нм (фиолетовый, очень редко) или 635—670 нм (красный). Из-за технических особенностей данного типа излучателя наиболее часто используется лазерный луч красного цвета. Инфракрасные целеуказатели используют лазерные диоды длины волн 780, 808 и 850 нм (такие лазерные целеуказатели используют совместно со специальными прицелами, зачастую на основе приборов ночного видения). Излучение лазерного диода фокусируется в узкий луч за счёт двояковыпуклой линзы. Для производства лучей зелёного цвета используют несколько отличающуюся систему DPSS (твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны 532 нм), увеличивающую массу и стоимость лазерного целеуказателя (но при этом обладающим серьёзным преимуществом: чувствительность глаза человека к зеленому цвету гораздо лучше, и при одинаковой мощности излучателя зеленое пятно видно лучше и дальше). Кроме собственно лазера и источника питания в состав лазерного целеуказателя входит специальное крепление, иногда позволяющее снимать и ставить ЛЦУ без потери точности установки. Оно должно также сохранять точную позицию лазерного целеуказателя при изменении температуры и влажности. Обычно также имеется механизм точной корректировки луча (характерные «трещотки», как на оптических прицелах). Ещё одно важное требование — лазерный целеуказатель должен выдерживать импульс отдачи оружия, для которого он предназначен. Термин также может обозначать часть системы лазерного наведения, облучающую цель. При этом, как правило, используется инфракрасный лазер с модулированным излучением. Его точку видит оператор оружия посредством специального электронно-оптического преобразователя. Кроме того, на эту точку наводится датчик в головной части ракеты или бомбы. Справедливости ради следует сказать, что такое устройство редко называют «ЛЦУ», поскольку это уже составная часть системы управления огнем. 4.2.3. Системы обнаружения снайперов Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.). Как преимущество – подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями. Такие системы выпускаются как в России, так и в других странах. 4.2.4. Постановка помех снайперам Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы. 4.2.5. Введение противника в заблуждение В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого – предотвратить нападение со стороны противника. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара. 4.2.6. Дальномеры Лазерный дальномер – устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измерив время, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Лазерный дальномер – простейший вариант лидара. Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging) – технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы. Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокая плотность и мгновенная мощность излучения — не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако, в основных сферах применения технологии (исследование атмосферы, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров, применение лазеров неизбежно. Принцип действия  Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды – достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами. |
