Лазерное излучение и его применение

     Нагретая  до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO₂ и N₂ при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     6. Применение лазеров.

     6.1 Лазеры в медицине.

     Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они решили использовать его в качестве скальпеля. По сравнению с обычным такой скальпель обладает целым рядом достоинств:

     во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств, надежностью в работе;

     во-вторых, лазерный луч рассекает ткань  на расстоянии, не оказывая на нее какого-либо механического давления;

     в-третьих, лазерный скальпель имеет абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует только излучение, причем в области рассечения возникает высокая температура;

     в-четвертых, лазерный луч производит почти бескровный разрез, поскольку с рассечением тканей коагулируют края раны, как бы «заваривая» мелкие сосуды;

     в-пятых, лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпель загораживает рабочее поле.

     Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как  показали клинические наблюдения) почти не болит и относительно скоро заживляется. Все это привело к тому, что лазерный скальпель был применен на внутренних органах грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, пищеводе, кишечнике, почках, печени, селезенке, сердце, делают кожно-пластические операции. Широко используют в офтальмологии при лечении глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первые обратили внимание на возможность использования лазера и внедрили его в клиническую практику.

     Также лазеры применяются для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, для сращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего к трофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.

     Трудно  переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных  неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

     Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний  различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

     Есть  пример лечения ишемической болезни  сердца с помощью лазера. Несмотря на значительные успехи современной медицины, ишемическая болезнь сердца остается одной из основных причин смертности взрослого населения ведущих стран мира. Ишемическая болезнь сердца — ухудшение кровоснабжения мышцы левого желудочка сердца (миокарда) — является одной из основных причин смертности населения индустриально развитых стран. По данным ВОЗ, надолго этого заболевания приходится до 60% смертельных исходов от всех видов сердечнососудистых заболеваний. До последнего времени единственным радикальным средством лечения ишемической болезни сердца являлась операция аорто-коронарного шунтирования (АКШ) — введение обходных путей для коронарной артерии (байпасная хирургия), а также транслюминальная баллонная ангиопластика.

     С середины 90-х годов в клинической  практике получает распространение принципиально новый метод лечения ишемической болезни сердца — так называемая лазерная реваскуляризация миокарда (ТМЛР). В процессе такой операции в толще сердечной мышцы левого желудочка с помощью мощного лазерного излучения создаются каналы, открывающиеся в полость сердца. Эти каналы способствуют восстановлению кровообращения в ишемизированных зонах миокарда и предотвращают развитие инфаркта миокарда.

     Процедура TMЛР предусматривает формирование в миокарде (типичная толщина около 20 мм) до нескольких десятков каналов диаметром от 0,3 до 1,0 мм. Канал формируется в мышце работающего сердца за один мощный лазерный импульс. В этом случае импульс синхронизируется с R-зубцом электрокардиограммы пациента и может продол-жаться до T-зубца, что составляет около 150 мс, т.е. время воздействия излучения ограничено.

     Во-первых, в этот момент времени левый желудочек  сердца полностью наполнен кровью, которой поглощается часть прошедшего через канал излучения, что предохраняет от повреждения внутренние структуры сердца. Во-вторых, сводится к минимуму риск возникновения наведенной аритмии вследствие ударного воздействия лазерного импульса. Вероятность этого, по данным исследователей Texas Heart Institute, составляет для эксимерного лазера 67%, Ho:YAG - 55% и С0₂ лазера - 3%.

     По  сравнению с традиционной техникой аорто-коронарного шунтирования метод ТМЛР более прост в исполнении и существенно дешевле. Операция происходит на работающем сердце без использования аппарата искусственного кровообращения, относительно малотравматична, а время непосредственно "Лазерной “ части не превышает, как правило, 30 мин.

     6.2 Лазеры в информационных технологиях.

     Поскольку лазерное излучение является электромагнитной волной, логично было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так  же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит от атмосферных помех: тумана, наличия пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков.

     Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон.

     С появлением полупроводниковых лазеров  появилась возможность использования  их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

     6.3 Применение лазеров в военном  деле.

     Лазерной  локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического  диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.

     Лазерная  дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной  технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике(артиллерийские, таковые) , и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели) , и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят на вооружение во многих армиях мира.

     Задача  определения расстояния между дальномером  и целью сводится к измерению  соответствующего интервала времени  между зондирующим сигналом и  сигналом, отражения от цели.

     Лазерные  системы наведения управляемых  ракет позволили перейти на сверхзвуковые  скорости. Составной частью бортового  оборудования ПТУР стала оптическая полуактивная головка самонаведения (ГСН). Подсвет танка лазерным целеуказателем формировал на цели световое пятно-мишень. На него наводилась ракета.

     Для наведения бомбы на цель используется устройство, излучающее лазерный луч. Отражённый от цели луч принимается  головкой наведения бомбы, которая  отправляет сигнал системе управления бомбой, корректируя траекторию падения. Как правило, бомбы с лазерным наведением не имеют двигателей и оснащены только оперением для улучшения планирующих свойств. Существуют ракеты с лазерным наведением (AS.30, модификации AGM-65), которые благодаря наличию двигателя имеют бо́льшую дальность полёта и лучшую манёвренность. Однако некоторые бомбы с лазерным наведением оснащаются ракетным двигателем (например, американская AGM-123).

     В настоящее время производятся комплекты, включающие головку наведения и оперение. Эти комплекты могут быть установлены на обычные бомбы, делая возможным их наведение по лазерному лучу. Превращение таким образом обычных бомб в высокоточные обходится дешевле, чем изготовление бомб с лазерным наведением.

     Многие  страны мира разрабатывают оружие, в котором основным действующим  элементом будет лазерный луч. В  США в 2007 г. была испытана так называемая "лазерной пушки" воздушного базирования, которую предполагается использовать для противоракетной обороны страны. "Лазерная пушка" создает луч излучения, который может быть сфокусирован на пространстве размером с баскетбольный мяч. Этот луч имеет очень высокую температуру и может прошить насквозь ракету, которая находится на расстоянии в сотни километров от лазерной пушки.

     Датчики «лазерной пушки» сумели обнаружить, захватить и осуществить сопровождение высокоскоростной цели, вертикально набирающей высоту. Датчики, в частности, реагировали на тепловое излучение раскаленного выхлопа реактивного двигателя истребителя F-16.