Важные изобретения 20 века, Изобретение лазера.

Реферат на тему:

Самые важные изобретения XX века. Открытие лазера.

Подготовил: Батурин Игорь

Проверил: Сарыбаева Клара

Главные изобретения ХХ века

     В первое десятилетие нового века, многие люди были озабочены поисками символов уходящего времени, событий, ставших этапными и оказавших влияние на жизнь человечества за прошедшие сто лет. Называют атомную бомбу, компьютеры и интернет, открытие генетического кода, клонированную овечку. Если посмотреть внимательнее и на прочие более мелкие события века, то всё равно оказывается, что, подводя итоги времени, мы, прежде всего, выделяем достижения науки и техники.

     По данным опроса населения - первое место среди наиболее значимых технологий и изобретений отдаётся генной инженерии.

     Второе место в рейтинге великих достижений занимает интернет.

     Третье место в списке достижений - развитие атомной энергетики.

     Четвёртым пунктом в списке достижений 20 века социологи ставят открытие лазера.

     Ещё в 1916 году Эйнштейн предсказал существование вынужденного излучения - физического базиса действия любого лазера.

     С момента своего открытия лазеры получили "звание" "готовых решений ещё не известных проблем". Они широко применяются почти во всех отраслях науки и техники, а так же в быту: резка металлов, сварка, гравировка, пайка, маркировка, голография, лазерная локация космических объектов, лазерное охлаждение. Никого уже не удивляют лазерные принтеры, штрих - коды, проигрыватели компакт-дисков. Лазерные указки имеются почти у всех детей в качестве простой игрушки. В военных целях лазер применяют для создания средств наведения. Лазером удаляют татуировки, пигментные пятна. В медицине при помощи лазера проводятся сложнейшие бескровные операции.

     Мобильная, телефонная связь, томография, молекулярные микрочипы. Реактивная авиация, телевидение, синтез пластмасс. Пузырьковая камера, роторные автоматизированные линии, определение абсолютного возраста горных пород, нанотехнологии, радиолокация, термоядерный синтез - вот далеко не полный список достижений 20 века.

     У истоков разработки промышленных лазеров стоял прекрасный конструктор, руководитель заводского КБ Михаил Александрович Архипов.

     ЛОМО ('Ленинградское оптико-механическое объединение') сотрудничало не только с ГОИ (Государственного оптического института) им.С.И. Вавилова, где в 1961 г. заработал первый рубиновый лазер. Было заключено более ста договоров о совместной работе с научными центрами страны. Был такой договор и с Физическим институтом им.П.Н. Лебедева АН СССР, где трудились А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, получившие в 1964 г. Нобелевскую премию по физике за "основополагающие работы в области квантовой радиофизики, которые привели к созданию генераторов и усилителей в радио и оптическом диапазоне длин волн (мазеров и лазеров)".

     И всего лишь через год после того, как наши ученые стали Нобелевскими лауреатами, на ЛОМО выпускается первый в Советском Союзе промышленный лазер ГОР-02 (генератор оптический рубиновый). Так стремительно в Ленинграде появилось промышленное производство принципиально новой в оптическом отношении техники.

     Специалистов в этой области в начале 60-х гг. ни в России, ни в мире еще не было. Новое конструкторское бюро на ЛОМО формировалось из молодых специалистов - выпускников Ленинградского университета, Ленинградского политехнического института, ЛЭТИ им.В.И. Ульянова (Ленина), ЛИТМО. Руководство фирмы с особым вниманием относилось к созданию этого коллектива. Сюда подбирались люди, которые не только могли решать практические задачи, но и мыслить теоретически, ведь новые приборы рождались в буквальном смысле слова с чистого листа - не было ни чертежей, ни учебников, ни базовых разработок.

     Лазерная техника была не только новым направлением работы для конструкторов и всего коллектива фирмы. Квантовые генераторы, лазеры - это новая отрасль науки и производства, которая включала в себя большой объем знаний из различных отраслей физики. Для создания новых приборов нужны были новые подходы. Руководители ЛОМО организовали постоянные научные контакты с целым рядом ведущих академических и ведомственных институтов СССР. С первых дней работы по производству лазеров установились очень прочные контакты с ГОИ им.С.И. Вавилова, которые сохраняются и до сих пор. Кроме того, ЛОМО работало совместно с Физическим институтом им.П.Н. Лебедева в Москве, с Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе (ФТИ) в Ленинграде, с Минским институтом физики Белорусской Академии наук, Московским университетом и рядом других ведущих научных центров страны. Их помощь, считают специалисты ЛОМО, была неоценима. Она способствовала стремительному выходу на высокий технический уровень разработок.            

     Свидетельством этому может служить и тот факт, что одна из первых монографий, посвященная лазерной технике, была написана в 1972 г. именно сотрудниками ЛОМО - Юрием Васильевичем Любавским, Владимиром Матвеевичем Овчинниковым и Борисом Григорьевичем Белостоцким. В 1975 г. был издан английский перевод этой монографии. Редакционное предисловие написал лауреат Нобелевской и Ленинской премий академик А.М. Прохоров.

     Лазерная техника на ЛОМО развивалась очень бурно. В 65-м появились первые промышленные образцы лазерных приборов, а через несколько лет уже работали специализированные цехи, освоившие их серийный выпуск. Сначала была разработана и освоена гамма приборов на рубине и на неодимовом стекле - ГОР (генератор оптический рубиновый) и ГОС (генератор оптический стеклянный). Номенклатура начиналась с ГОР-02 (энергия генерации импульса излучения - 0,2 джоуля), а потом появилась целая гамма: ГОР-10, - 30 и - 100. На рубине энергия генерации была доведена до характеристики 300, а на стекле - до 1000 джоулей. Эти характеристики были уникальны. Подобные приборы в нашей стране смогло разработать и освоить в производстве только ЛОМО.

     Позже были созданы более сложные приборы, например, ОГМ-20 и ОГМ-40, в которых достижения нелинейной оптики использовались для получения генерации сразу на нескольких длинах волн. В дальнейшем лазерами с самыми высокими характеристиками оснащались приборы, предназначенные как для военных целей, так и для научных исследований. Была освоена серия приборов ЛИС, ЛИР, ЛИК - лазеров с прецизионными характеристиками (пикосекундные лазеры, лазеры с перестройкой длины волны излучения и другими высокими техническими параметрами). Они обладали целым спектром уникальных функциональных возможностей.

     Кроме непосредственно лазеров конструкторы разрабатывали функционально законченные лазерные установки и приборы с использованием лазеров для различных целей, например, для медицины. Одно из самых известных медицинских изделий фирмы - "Пульсар-1000". Этот прибор был создан для лечения поверхностных онкологических заболеваний. Одновременно с помощью медиков была разработана уникальная методика лазерного лечения, которой до сих пор обладает только Россия. "Пульсар-1000" успешно прошел испытания, и им были оснащены более десяти крупнейших онкологических центров страны. С помощью "Пульсаров" производства ЛОМО сделаны десятки тысяч сложнейших операций. Кроме приборов для онкологии, ЛОМО выпускало лазеры для офтальмологии: "Ладога", "Капсула" и др.

     Помимо серийных лазерных приборов, на ЛОМО разрабатывались другие уникальные системы, сохранившие свои приоритеты и сейчас. Совместно со своими научными руководителями и партнерами ЛОМО в начале 80-х гг. сумело создать по заказу Академии наук СССР лазерную установку УМИ-32 для термоядерного синтеза. Установка управляла огромными энергиями и была оснащена уникальным автоматизированным комплексом контрольно-измерительной и юстировочной аппаратуры. В мире до сих пор существуют всего три-четыре аналогичных установки.

     Достижения ЛОМО в области лазерной техники получили высокую оценку государства. В начале 70-х гг. Ю.В. Любавскому была присуждена Государственная премия.

     Уровню разработок вполне соответствовал и производственный потенциал фирмы. Существовал специализированный цех, который занимался выпуском только лазерных приборов. Другой цех половину своего плана делал на спектральных приборах, а половину - на лазерной технике. Один из самых "закрытых" сборочных цехов оборонной продукции также выпускал сложные лазерные комплексы. Так, уже в 70-х гг. на ЛОМО было создано достаточно крупное производство лазерной техники. Кроме разработчиков и конструкторов в производстве были заняты сотни высококвалифицированных рабочих, технологов, мастеров. Объемы годового выпуска некоторых видов лазеров насчитывали сотни изделий.

     Общеизвестно, что Россия и сегодня является одной из ведущих стран в мире по разработке и производству лазерной техники. Так же как ЛОМО - ведущее в стране. Рассказывает главный конструктор по направлению лазерного приборостроения Лев Львович Шапиро:

     Именно то, что Россия одной из первых начала осваивать эту отрасль и постоянно занималась ею в течение всего времени развития лазерной техники в мире, позволило лазерному направлению существовать до сих пор и сохранить свой уровень в самые тяжелые времена в целом в стране и у нас на ЛОМО. Руководство фирмы не забывало это направление и очень активно его поддерживало. Бывшие генеральные директора фирмы ДБ. Сергеев, ИИ. Клебанов и нынешний директор А.С. Кобицкий, а также руководители технических служб оказывали нам помощь. Особенно велика роль в сохранении на ЛОМО лазерного направления ИИ. Клебанова, который в самый трудный период нашел возможность продолжить финансирование этого направления, несмотря на то, что многие были против.

     Сейчас, когда экономический кризис на ЛОМО преодолевается, начался новый этап и в развитии лазерного направления. Создаются современные конкурентоспособные на мировом рынке новые виды лазерной продукции. Например, "Eye 8аГе" - лазеры на эрбиевых средах, промышленное производство которых в России освоено только на ЛОМО. В начале 90-х гг. в США появился международный стандарт, сразу принятый в большинстве развитых стран мира, резко ограничивающий применение лазеров на неодимовых средах (длина волны излучения 1,06 мкм) из-за их опасности для глаз человека. Это создало огромную незанятую нишу на мировом рынке лазерной техники. Появилась насущная потребность в лазерах безопасного для глаз спектра излучения (длина волны более 1,5 мкм) или, по современной терминологии, "Eye 5аГе"-лазерах. Раньше других это понял первый заместитель генерального директора А.М. Аронов, который стал уделять новому лазерному направлению много внимания.

     Хотя лазеры, генерирующие в безопасном для глаз диапазоне спектра, например, на основе эрбиевых или гольмиевых сред, известны довольно давно, исследованы они очень мало. В мире практически отсутствовал опыт их конструирования и производства. Объясняется это относительно малой их эффективностью, малым коэффициентом полезного действия по сравнению с традиционными неодимовыми. Поэтому перед разработчиками стояла многократно более сложная задача: быстро создать лазер, практически не имеющий прототипов, на основе слабо изученных лазерных сред и элементов управления лазерным излучением и преодолеть при этом проблемы относительно малого кпд. Только тогда по основным эксплуатационным характеристикам эти лазеры пригодны для замены неодимовых. Возглавляемый Л.Л. Шапиро коллектив разработчиков лазерного СКВ ЛОМО смог справиться с задачей.

     Лазерщики ЛОМО традиционно были сильны, прежде всего, как физики-исследователи. Многие специалисты СКВ получили ученые степени, оригинальные авторские свидетельства, ими опубликованы сотни интересных научных работ. Фамилии Ю.В. Любавского, В.М. Овчинникова, Л Л. Шапиро, Ю.Э. Камача, АЛ. Жаркова, ЕД Исяновой, С.И. Малинина, Ю.Н. Батова известны не только в России. Широкая эрудиция позволила, например, АЛ. Жаркову и А.К. Трукшину стать руководителями других СКВ.

     К середине 90-х гг. была разработана первая модель "Eye 5аГе"-лазера на эрбиевом стекле БЛМ-1. Высокий уровень подготовки и анализа физической модели, оригинальные конструкторские решения позволили создать лазер, по своим характеристикам превосходящий зарубежные аналоги. Он сразу же, еще на этапе разработки, вызвал интерес зарубежных заказчиков. Фирма "Пуле Интеко Лтд" (Израиль) приняла участие в финансировании разработки и взяла на себя обязательства по продвижению лазеров этого типа на мировой рынок. Открывшиеся экспортные возможности требовали быстрого освоения новой продукции в серийном производстве, что являлось задачей не менее сложной, чем сама разработка. На одном из производств под руководством А.С. Колодцева была оперативно развернута линия по сборке и испытаниям БЛМ-1, не уступающая аналогичным производственным участкам лучших западных фирм.

     ЛОМО удалось освоить целый ряд современных технологий, особенно в оптическом производстве, возглавляемом М.И. Вагановым. Например, в одном из оптических цехов, руководимом С.В. Пинаевым, было освоено изготовление прецизионной лазерной оптики - уникального затвора эрбиевых лазеров. Подобные изделия промышленно не производит ни одна зарубежная фирма.

     В1999 г. была разработана модель БЛМ-1 Т. Она существенно превосходит БЛМ-1 по эксплуатационным характеристикам и технологичности в серийном производстве. Идут испытания опытных образцов лазеров классов МИ-1 и МИ-10. Последняя модель использует диодную систему оптической накачки, что является новым словом в мировой практике. По уровню эти изделия превосходят лучшие зарубежные аналоги.

     Высокая конкурентоспособность лазеров ЛОМО, интерес к которым проявляют заказчики из США, Израиля, Швеции и других передовых в этой области стран, позволяет расширять и совершенствовать лазерное направление. В ближайшие годы ЛОМО планирует экспорт лазеров на эрбиевой основе в объемах не менее 1 млн долларов США. Важно, что ЛОМО не только успешно производит и продает эти лазеры, но и получает выгодные зарубежные заказы на их разработку.

     Одно из достижений ЛОМО - создание уникальной лазерной системы для диагностики плазмы.

Применение Лазера

Уже самое начало XX века бы­ло отмечено величайшими достижениями человечес­кого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстриро­вал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил италь­янский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который при­шел на смену изобретенному еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И. И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец».

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, на­званный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности — Нобелевская пре­мия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд — Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной спо­собности черного тела; этот вывод опирался на совер­шенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет — опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили оше­ломляющее впечатление и многих повергали в за­мешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее ос­новных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил не­видимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

Лазерный луч

Человек никогда не хотел жить в темноте; он изобрел много разнообразных источников света — от канувших в прошлое стеарино­вых свечей, газовых рожков и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один источник света — лазер.

Этот источник света совершенно необычен. В отли­чие от всех других источников, он вовсе не предназна­чается для освещения. В отли­чие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, ре­зать материалы, передавать информацию, осуществ­лять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реак­ции... Так что это поистине удивительные лучи.

В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин - когерентность.

В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распрост­раняющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элемен­тарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лам­пы накаливания каждый атом-излучатель высвечивает­ся, никак не согласуясь с другими атомами-излучателя­ми, поэтому в целом получается световой поток, кото­рый можно назвать внутренне неупорядоченным, хао­тическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечива­ется согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок отличается, во-первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых, исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при взаимной согласованнос­ти испускают волновые цуги одинаковой (точнее гово­ря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления движения.

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Эту нить можно увидеть, если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный - настолько, что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепи­тельно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полу­мрак и легкую задымленность. Луч почти не расши­ряется и везде имеет практически одинаковую интен­сивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать сложную изломанную траекто­рию в пространстве лаборатории. В результате возник­нет эффектное зрелище-комната, как бы «перечеркну­тая» в разных направлениях яркими красными прямы­ми нитями.

Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч СО2-лазера вообще неви­дим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч - это обязательно непрерывный поток све­товой энергии. В большинстве случаев лазеры генери­руют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

Современная лазерная техника позволяет регулиро­вать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования им­пульсов; это очень важно, так как от частоты следова­ния импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как управляют лазерны­ми импульсами, будет рассказано позднее.

Лазерный луч в использовании

1.Лазерный луч в роли сверла

Сверление отверстий в ча­совых камнях — с этого начиналась трудовая деятель­ность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников сколь­жения. При изготовлении таких подшипников требует­ся высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с ис­пользованием сверл, изготовленных из тонкой рояль­ной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступатель­ных перемещений. Для сверления одного камня требо­валось до 10-15 мин.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механи­ческое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «ла­зерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызы­вая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазер­ной установки в автоматическом режиме —камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер полу­чил следующее задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмаз­ных фильерах. Для полу­чения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольф­рама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протяги­вания проволоки диаметр отверстия должен сохра­няться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую про­волоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так называе­мые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказа­лось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глинозем­ной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изде­лия, искажалось взаимное расположение высверлен­ных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия полу­чить нельзя.

То, что сверление – призвание лазера, ни у кого не вызвало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких и очень твердых материалах.

2.Лазерная резка и сварка

Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся СО2-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно сни­зить, применяя методгазолазерной резки - когда одно­временно с лазерным лучом на разрезаемую поверх­ность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происхо­дящих в этой струе реакций окисления металла) выде­ляется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгора­ния металла.

Первый пример такого рода резки — ла­зерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фоку­сировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устрой­ство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светово­го пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, напри­мер, в течение часа раскроить материал для 50 костю­мов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример — автомати­зированное разрезание листов алюминия, стали, тита­на в авиационной промышленности. Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.

В развитии лазерной сварки выде­ляют два этапа. Вначале развивалась точечная свар­ка — на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непре­рывное излучение или последовательность часто пов­торяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких мед­ных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям га­зовых турбин и кромок из закаленной стали к полот­нам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт.

Лазерная сварка успешно конкурирует с известны­ми способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности за­грязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен ва­куум, лазерная сварка производится в обычных усло­виях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

3.Лазерный луч в роли хирургического скальпеля

Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится СО₂-лазер. Излучение лазера поступает в шарнирный световод — систему полых раздвигающихся трубок, внутри кото­рых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может пере­мещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча — ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скаль­пель.

В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испа­рить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отли­чается виртуозностью: вот он почти неуловимым дви­жением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она состав­ляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может произво­дить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучени­ем (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокуси­руются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусирован­ного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см². Излучение прони­кает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см³. Для биологических тка­ней это очень много. Происходит их быстрое разогре­вание и испарение — налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см², то ткань испа­ряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биоло­гическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках опери­руемого органа и специально выдавливаемой в проме­жуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель — удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый учас­ток. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле. Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в данном слу­чае может не придерживать ткань рукой или инстру­ментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолют­ную стерильность - ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локаль­но; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживля­ется.

До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоя­щий в том, что до больного места добирались с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканя­ми. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на та­кой шаг.

С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г. Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Ме­тод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. Для этого был использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реа­лизации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из ос­нования, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибко­го соединения подвешена излучающая головка с руби­новым лазером. На одной оптической оси с лазером рас­полагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кноп­ки, расположенной на одной из рукояток. Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающе­го персонала прибор снабжен световой и звуковой сиг­нализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02 до 0,1 Дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облу­чение. Вся операция напоминает сварку металла точеч­ным методом.

Лазерное оружие

В середине 80-х годов был получен ряд сообщений о том, что на американских полигонах было испытано несколько образцов лазерного оружия, часть из которого была из­готовлена в виде пистолета, часть—в виде ружья. В со­общениях подчеркивалось, что оно было создано для борьбы с живой силой противника на поле боя. Дейст­вие оружия основано на использовании большой пиковой мощности лазера. Для чего применялся твердотельный (рубиновый или на стекле с неодимом) лазер с модуля­цией добротности. В результате длительность импульса составляла всего 10~⁹ с, что при использовании энергии в 1 Дж приводило к мощности в 10⁹ Вт. В первую оче­редь действие такого оружия, по замыслам создателей, должно состоять в поражении глаз, вызывая в них обра­тимые или необратимые процессы. Предположения ос­нованы на том, что, попадая на хрусталик человеческого глаза, лазерное излучение не должно поражать сам хрус­талик, так как он прозрачен для этого излучения. Но хрусталик, как всякая оптическая система, фокусирует излучение в очень маленькое пятно на сетчатке. В этом пятне плотность энергии возрастает настолько, что при­водит к кровоизлиянию. Человек либо не успевает моргнуть — настолько короткой является вспышка, либо даже не видит излучение — если оно на волне 1,06 мкм. Но зре­ние теряется мгновенно. Образцы такого оружия пред­ставлены на рисунке ниже. В качестве источника излу­чения используется лазер на рубине, помещенный внутри съемного патрона. В этом же патроне находится источ­ник возбуждения, представляющий собой химический элемент, питаемый от батареи. На рисунке показан патрон отдельно от пистолета. Управление таким оружием максимально приближено к обычному оружию. Оно на­водится на объект поражения, нажимается спусковой курок, чем подается импульс от батареи на химический элемент, который дает питание на рубиновый стержень. Излучаемая энергия выбрасывается в сторону цели. Дей­ствие показанного на рисунке ружья аналогично. Разра­ботчики считают, что для поражения органов зрения нет необходимости наведения луча точно в глаз против­ника. Достаточно облучить голову или весь корпус че­ловека. Но если он будет расположен лицом в сторону источника излучения, то поражение органов зрения обеспечено. Механизм воздействия лазерного излучения на сетчатку и хрусталик подробно рассмотрен в преды­дущем материале и здесь нет надобности повторяться. В сообщении отмечается, что даже если объект пора­жения находится к источнику излучения под некоторым углом, все же он может потерять зрение. С появлением лазеров на СО2, работающих в непрерывном режиме, работы по созданию наземного оружия были форсированы. Были созданы лазерные «пушки». Если первые пистолеты и ружья предназначались в основном против человека и только в отдельных случаях — для поджога легко воспламеняющихся материалов, то лазер­ные пушки предполагали, в основном, борьбу с техникой.

В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запус­тили модель беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где размещалась эта пуш­ка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости беспилотного самолета. Самого луча никто не ви­дел, но самолет был сбит. В опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится о мощности излучения пушки, о высоте, на которой про­летел самолет, о материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.

Помимо использования так называемого прямого воз­действия лазерного излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения применя­ется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и тренажеров. Использование лазеров для тре­нировки стрелков и наводчиков танковых пушек обос­новывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка, повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность» стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года. В со­общении делают вывод, что лазерные имитаторы, кото­рыми предполагают оснастить танковые подразделения, позволят разыгрывать танковые бои в условиях, макси­мально приближенных к боевым.

Так как имитаторы стрельбы и тренажеры соответ­ствуют по дальности стрельбы тем видам оружия, кото­рые они имитируют, т. е. в пределах от сотни метров до нескольких километров, то предполагают применить маломощные твердотельные лазеры, газовые и полупро­водниковые лазеры, простые по конструкции, надежные в эксплуатации, безопасные для «противника». И как отмечают, влияние тумана и дымки на прохождение ла­зерного излучения в атмосфере дает положительный эффект для тренировок. Условия стрельбы ухудшаются, но если наводчик видит цель в пределах возможностей своего оружия, то и излучение лазера достигнет цели. Быстродействие лазерных имитаторов дает возможность использовать их для имитации стрельбы любых средств поражения, обладающих любой начальной скоростью. Сообщают, что в такие имитаторы приходится вводить специальные устройства, рассчитанные на задержку «выстрела» в целях приведения его в соответствие с по­летным временем снаряда или пули, а также при стрель­бе по движущимся целям с упреждением. Здесь представлена схема лазер­ного тренажера.

     Она включает в себя два варианта аппаратуры. Первым оборудуется наводчик, вторым — объект поражения: танк, самолет, вертолет и т. п. Аппаратура наводчика содержит оптический прицел, через который наводчик наблю­дает объект поражения и удерживает перекрестье при­цела на цели, лазерный источник излучения и блок управления его работой, пульт регистрации попадании и приемник попаданий. На объекте поражения устанав­ливается блок имитатора попаданий. Он состоит из на­бора фотоприемников, размещенных на объекте в раз­личных его точках (на башне, на защитном щитке водителя, на баке с топливом и т. д.), и командного устройства, включающего в работу световой, звуковой или дымовой имитатор, который указывает экипажу о поражении танка, а также наводчику — о попадании в объект поражения. На основе такой схемы за рубежом был разработан ряд тренажеров. Некоторые из них исполь­зуют штатные средства с небольшими изменениями. Проведенные испытания позволяют сделать вы­вод, что существенно сокращается стоимость учебных стрельб за счет экономии боеприпасов, за счет много­кратного использования мишеней и упрощения трени­ровочного оборудования. Сообщается, что экспертная комиссия дала свою оценку и показала, что качество подготовки стрелков и наводчиков повышается, однако и тренажеры продолжают совершенствовать. Если в пер­вых сериях тренажеров в качестве источника излучения применялся рубиновый лазер, то впоследствии он был заменен лазером полупроводникового типа на арсениде галлия. Затем изменениям подверглась прицельная сис­тема. В ней были установлены дополнительные линзы и зеркала, которые имитируют введение упреждения при стрельбе по движущимся целям, установку требуемого угла возвышения. Установка прицела производится по результатам измерения дальности с помощью дальномерной приставки, которая вводит в логическую схему величину коррекции направления луча с тем, чтобы ус­тановка прицела соответствовала истинному расстоянию до цели и баллистике данного снаряда. Имитация вспыш­ки производится ксеноновым прожектором, который вклю­чается в момент излучения лазерного импульса. Внутри башни танка смонтирован блок управления, с помощью которого подаются команды имитатора стрельбы. Панели управления имеются у командира танка и заряжающего. На панели последнего имеются красная и зеленая кноп­ки, которые включаются в зависимости от того, какой вид боеприпаса используется. Приемники лазерного из­лучения расположены по периметру башни тапка. Их пять штук. Каждый из них по углу ноля зрения пере­крывает 36° по азимуту и ±15° по углу места. При попа­дании луча лазера, имитирующего выстрел орудия, на один из приемных фотодетекторов, включается блок ра­диостанции, который посылает стреляющему танку сиг­нал о поражении цели. Одновременно в танке-цели вклю­чается сигнальное устройство, информирующее экипаж о поражении их танка. Кроме того, баллон, смонтирован­ный на башне танка, начинает дымить в течение 30 с. Иногда вместо одного баллона устанавливают ряд пе­тард, что дает гораздо больший эффект.

Заключение

За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

Нам, молодому поколению, нужно знать об этом интересном приборе, переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.