Лазерные технологии и их применение в России и мире

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение 
высшего профессионального образования 
«Санкт - Петербургский государственный экономический университет»

Реферат курса «Технологии и экономика инновационной деятельности»:

Лазерные технологии и их применение в России и мире.

Выполнила:

студентка группы Р-321

Д.В. Гусева

Руководитель:

Тульверт В.Ф.

Санкт-Петербург

2013 г.

Оглавление

Введение

История изобретения  лазера началась с предположения... А именно: в 1916 году Альберт Эйнштейн создал теорию взаимодействия излучения  с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн, да и Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина"(Рисунок 1), писал примерно об этом же. Но главная ошибка А.Н.Толстого, что Методами геометрической оптики получить такой луч НЕЛЬЗЯ!

Рисунок 1. Гиперболоид инженера Гарина

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров не разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего  аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник  исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в  лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии.

Существует множество  видов лазеров (Таблица 1) с твердым телом, например из ниодимового стекла, флюоритита кальция с примесью атомов таких редкоземельных элементов, как диспрозий, самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий – неоновый.

Таблица 1. Виды лазеров

1. Применение лазеров в медицине

Поначалу, после изобретения  лазеров, мало кто мог предположить, что эти световые инструменты  способны лечить или как-то иначе  улучшать физическое благополучие человека. Но врачи и медицинские исследователи  быстро разглядели его возможности, а число медицинских применений лазера увеличивается с каждым годом. Например, резка тканей в хирургических процедурах; изменение формы роговицы глаза для улучшения зрения; очистка закупоренных артерий; прожигание полостей и отбеливание зубов; удаление нежелательных волос, морщин, родинок и веснушек; изменение формы лица в пластической хирургии.

Несколько преимуществ лазерной хирургии быстро стали очевидными. Во-первых, луч света однороден, то есть энергия, передаваемая лазером в единицу  времени, постоянна. Так что если луч движется, то разрез, производимый им, имеет постоянную глубину; в то же время, при использовании скальпеля врач может случайно сделать часть разреза слишком глубокой. Во-вторых, горячий луч по мере движения прижигает (или запаивает) открытые кровеносные сосуды. Это хорошо работает в основном для небольших сосудов, например для кожных сосудов. Что касается больших кровеносных сосудов, то врач все еще должен изолировать их традиционными методами. Еще одно преимущество лазерной хирургии состоит в том, что клетки в ткани человека не очень хорошо проводят тепло, поэтому кожа, или любая другая ткань, находящаяся вблизи лазерного разреза, сильно не нагревается и не травмируется лучом. Это преимущество лазерной хирургии очень важно, когда операционное поле ограничено маленькой областью, которая окружена здоровыми тканями или органами.

1) Общая хирургия

Лазеры все шире применяются  для очистки артерий человека от тромбоцитных бляшек. Тромбоцитная бляшка - это плотная жировая субстанция, которая может скапливаться на внутренних стенках артерий. Со временем сосуды могут настолько закупориться, что кровь с трудом будет передвигаться по сосудам, что может вызвать сердечный приступ или инсульт, а это и может привести к летальному исходу. Все чаще для лечения подобной проблемы стали использовать лазер. Ключевую роль в обеспечении положительного результата этой работы играет возможность для врача видеть внутри артерии и направлять луч. Оптическое волокно, присоединенное к маленькой телекамере, может быть введено в артерию. Этот миниатюрный датчик позволяет врачу и медсестрам наблюдать за вторым волокном, которое вводится в артерию для выжигания бляшек вспышками света.

Методика состоит в следующем. Волоконно-оптический массив вводится в кровеносный сосуд в руке или ноге и медленно перемещается в область сердца и к закупоренной артерии. Когда массив достигает точки назначения, лазер излучает свет и уничтожает бляшку. Пары, образующиеся в результате, отсасываются через маленькую полую трубку, которая введена вместе с оптическими волокнами. После очистки артерии врач извлекает волокна и трубку - операция завершена. Эта медицинская процедура известна как лазерная ангиопластика. Она имеет несколько очевидных преимуществ. Во-первых, разрезание тканей не требуется (за исключением маленького надреза в сосуде для введения волокон). Кроме того, кровопотери невелики или вообще отсутствуют, а пациент полностью восстанавливается через 1-2 дня.

Традиционный метод удаления бляшек, включающий вскрытие грудной клетки и выполнение нескольких надрезов, является долгой, а иногда и рискованной операцией. Кроме того, она достаточно дорога и требует несколько недель для восстановления.

Лазерная ангиопластика имеет  ряд потенциальных рисков, которые  должны быть рассмотрены. Во-первых, когда  лазерный луч попадает в бляшку, он должен быть направлен очень точно, потому что даже небольшой промах может прорезать стенку артерии и вызвать серьезное кровотечение. В этом случае придется вскрывать грудную клетку пациента. Вторая проблема связана с небольшими частицами материала, остающимися после выжигания бляшки. К счастью, непрерывный технический прогресс значительно уменьшил эти риски, и число успешных операций постоянно растет.

2) Офтальмология

Несколько самых замечательных  достижений медицинских лазеров произошли в области офтальмологии, изучающей структуру и заболевания глаз. Одной из причин, почему лазерные лучи так полезны в лечении глаз, является тот факт, что роговица - покрытие, которое охватывает глазное яблоко и пропускает свет внутрь глаза, - прозрачна. Благодаря этому роговица пропускает лазерный луч точно так же, как и обычный свет, то есть луч на нее не оказывает воздействия.

Прежде всего, лазер  очень полезен при удалении посторонних  кровеносных сосудов, которые могут  образовываться на сетчатке глаза -- тонкой, светочувствительной мембране на задней стенке глазного яблока. Именно на сетчатке формируются изображения предметов, которые видит глаз. Иногда, повреждение сетчатки может привести к слепоте, что в Соединенных Штатах чаще всего вызывается сахарным диабетом. Сахарный диабет - заболевание, характеризующееся высоким уровнем сахара в крови. В некоторых запущенных случаях, на сетчатке формируются сотни крошечных дополнительных кровеносных сосудов. Это приводит к блокировке света, идущего от поверхности мембраны, что вызывает частичную или полную слепоту. Для лечения таких состояний чаще всего применяется аргоновый лазер. Врач направляет луч через роговицу и выжигает сплетение кровеносных сосудов, покрывающее сетчатку. Процедура занимает всего несколько минут и может быть выполнена в кабинете врача. Лазер может также восстановить отслоение сетчатки - часть сетчатки, которая отделилась от задней части глазного яблока. До появления лазеров отслоение сетчатки приходилось исправлять вручную, и, так как сетчатка является очень хрупкой, это была очень сложная операция. При помощи аргонового лазера врач может «приварить» оторванную часть сетчатки. Кстати, Гордон Гулд, один из первых изобретателей лазера, позже был подвергнут операции по восстановлению сетчатки при помощи данного инструмента.

Другим заболеванием глаза является глаукома, которая  характеризуется накоплением жидкости в глазу. Многие доктора используют лазер, чтобы избежать традиционной хирургии. Лазер пробивает отверстие  в заранее определенном месте, и жидкость вытекает через него. Опять же, лечение может проводиться в кабинете врача, а не в больнице.

При восстановлении отслоения  сетчатки (мембрана, покрывающая внутреннюю часть глаза) лазер работает подобно  швейной машинке. Лазерный луч настроен таким образом, что он может безопасно пройти через хрусталик глаза и сфокусироваться на крошечных пятах вокруг поврежденного участка сетчатки. Когда он сфокусирован, луч способен «приварить» или припаять отделившуюся область сетчатки обратно к стенке глазного яблока. В дополнение к лечению отслоения сетчатки, лазеры могут удалять катаракты.

3) Пластическая хирургия и косметология

Медицинские лазеры также  широко используются для различных  видов косметической хирургии, включая  устранение некоторых видов родимых пятен, например, винные пятна Винные пятна - красно-фиолетовые дефекты на коже, которые появляются у троих из тысячи детей. Пятно состоит из тысяч крошечных деформированных кровеносных сосудов, которые имеют определенный красно-фиолетовый цвет. Для удаления пятна врач перемещает по нему широкий маломощный луч зеленого света. Масса кровеносных сосудов в пятне поглощает энергию лазерного излучения и нагревается настолько сильно, что в итоге сгорает. Окружающая кожа имеет цвет, отличающийся от цвета пятна, поэтому она поглощает лишь небольшое количество света и не повреждается (Конечно, выжженные области должны зажить, и в ходе этого процесса иногда происходит незначительное рубцевание).

Подобный метод часто  успешно применяется для удаления татуировок. Татуировки создаются путем введения очень сильных красителей в кожу человека посредством иглы. Человек, сделавший татуировку, в какой-то момент жизни может решить, что ему или ей она больше не нужна; ранее единственным способом удаления татуировок была хирургическая операция или выжигание при помощи кислоты. К счастью, лазер представляет собой альтернативу таким крайним мерам. Луч отбеливает красители в татуировке, не сжигая кожу вокруг нее (Как и в случае с винными пятнами, возможно незначительное рубцевание).

Еще один пример косметической  процедуры, выполняемой при помощи лазера, - удаление нежелательных волос. Лазер излучает слабый луч света, который поглощается только волосяными фолликулами (кожа при этом не повреждается). Лазер передает энергию, которая поглощается волосами и преобразуется в тепло. Тепло уничтожает волосяную фолликулу за долю секунды.

4) Лазерная стоматология

При использовании лазера в челюстно-лицевой хирургии послеоперационный  отек проявляется в меньшей степени, чем обычно. Меньший отек обеспечивает увеличение безопасности при выполнении операции на дыхательных путях (рот) и увеличивает диапазон хирургических операций, которые хирург может выполнить безопасно, без риска для дыхательных путей. Этот свойство позволяет хирургу выполнять в офисе или амбулаторно многие процедуры, которые ранее потребовали бы госпитализации. Заживление тканей и рубцов также улучшается при использовании лазера. Еще одно преимущество состоит в том, что раны, полученные в результате воздействия лазера, обычно заживают без образования крупных шрамов и зачастую не требуют наложения швов.

Многие стоматологи  в настоящее время используют разновидность твердотельного лазера (который использует кристалл в качестве рабочей среды генерации излучения) вместо бора в большинстве случаев. Лазерная терапия использует тот простой факт, что материал, который образуется в полости, гораздо мягче эмали (твердая часть зуба). Мощность лазера устанавливается таким образом, чтобы она была достаточной для удаления пораженных тканей, но не достаточно сильной, чтобы повредить эмаль. При создании очень глубоких полостей иногда возникает кровотечение. Лазерный луч обычно изолирует кровеносные сосуды и останавливает кровотечение.

Нельзя не сказать, что  такая процедура совершенно безболезненна. Каждая вспышка света стоматологического лазера длится всего тридцать триллионных секунды, что гораздо меньше, чем количество времени, необходимое нерву для вызова боли. Иными словами, излучение должно длиться в 100 миллионов раз дольше, чтобы вызывать дискомфорт. Таким образом, этот вид лечения не требует анестезии.

5) Онкология

На настоящий момент для лечения рака широко используется три типа лазеров:

• лазер на диоксиде углерода (CO2);
• аргоновый лазер;
• неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате.

Лазер на диоксиде углерода используется в качестве хирургического инструмента. С его помощью делают точные разрезы, а также вапоризируют ткани с минимальным кровотечением. Этот тип лазеров применим для работы с тонкими слоями кожи.

Аргоновый лазер используют в тех случаях, когда необходимо проникновение на небольшую глубину. Его нередко используют для устранения офтальмогических и дерматических проблем. Подходит данный инструмент и для лечения рака. Его применяют совместно со светочувствительными препаратами при выполнении ФДТ (фотодинамическая терапия) для уничтожения раковых клеток.

Неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате является наиболее мощным. Он способен проникать в  ткани глубже, чем другие типы лазеров. Использование эндоскопа позволяет  лучу добраться даже до труднодоступных зон в организме, - например, пищевода или толстой кишки. Также излучение проводят через оптические волокна, которые могут быть согнуты и помещены в опухоль.

Лечение рака лазером  основано на физическом уничтожении  опухоли. Действие лазерного излучения направлено в первую очередь на клетки, содержащие много пигмента. Действие лазерного луча довольно сложно, и состоит из многих компонентов: термического, электрохимического, электромагнитного, фотоэлектрического и других.

Лечение рака лазером сначала прошло испытания на животных, при этом было доказано, что лазер может эффективно уничтожать опухоли. Суть процессов, происходящих во время уничтожения опухоли лазером, до конца не изучена. Изменения в злокачественной опухоли очень похожи на изменения нормальных тканей, случающиеся при ожогах и других поражениях от высокой температуры.

Существуют сотни других медицинских применений лазера. Тем  не менее, есть огромное множество заболеваний, в лечении которых лазерное излучение  не может помочь. И даже в тех случаях, когда применение лазера возможно, врач в каждом конкретном случае может иметь веские причины для выбора другого метода. Факт в том, что, хотя лазер и считается чудесным медицинским инструментом, он не может вылечить каждого больного. Тем не менее, в настоящее время, вероятно, раскрыта лишь небольшая часть потенциальных возможностей лазера. В конце концов, лазер существует только с 1960 года, и, учитывая успехи в медицине, которых он уже достиг, будущее представляется действительно перспективным.

2. Применение лазеров в Науке

1) Спектроскопия

Спектроскопия - разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии - для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики in situ, то есть непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

2) Измерение расстояний

Лазеры могут быть использованы при различных бесконтактных  способах измерения расстояний или  смещений. С помощью лазеров осуществляются наиболее точные измерения длин и  расстояний. Лазерные системы имеют  очень большую скорость получения данных (с пропускной способностью до нескольких мегагерц), используются для больших диапазонов измерений, хотя эти качества, как правило, не объединены одним способом измерения. В зависимости от конкретных требований используются разные технические подходы. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшествий, в военных целях и т.д.

3) Методы измерения расстояний

Некоторые из наиболее важных технологий, используемых для лазерных измерений расстояний:

Триангуляция - геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.

Времяпролётный метод (или импульсный метод) - основан на измерении времени  прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно. Такие методы обычно используются для больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. Используя передовые технологии, можно измерить расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Типичная точность простых устройств измерения коротких расстояний равна нескольким миллиметрам или сантиметрам.

Метод фазового сдвига использует модулированный по интенсивности лазерный луч. По сравнению  с интерферометрическим методом, его  точность ниже, но он позволяет однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, описанного выше, где измеряется время пролета светового импульса.

Методы частотной модуляции  используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся  линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка.

Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей  длину волны используемого света.

На малых расстояниях, иногда используются ультразвуковые дальномеры, регистрирующие время пролета звука до объекта. При этом устройство может содержать лазерный указатель только для задания правильного направления, а не для измерения самого расстояния.

4) Лазерный радар

Лазерный радар - устройство, которое использует один из методов измерения расстояния, описанных выше, и сканирует заданное направление в двух измерениях. Это позволяет получить изображение, или, точнее, профиль данного объекта, как требуется, например, в робототехнике. Для получения таких профилей с более высокой скоростью существуют сенсорные чипы, похожие на ПЗС (приборы с зарядовой связью) со встроенной аппаратурой для измерения фазовых сдвигов, так что расстояния для каждого пикселя могут быть измерены одновременно. Это позволяет быстро получать трехмерные изображения с помощью компактных устройств.

По сравнению с ультразвуковыми  или радио- и микроволновыми устройствами (радарами), основное преимущество лазерных методов измерения расстояния в  том, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Еще одно преимущество в том, что оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.

Как и практически при всех других методах измерения с использованием лазеров, при лазерном измерении  расстояния присутствует лазерный шум. Другие, связанные с шумом проблемы могут возникнуть в результате шума детектирования, рассеивания света, и спектр-эффектов.

Цели могут обладать различными свойствами отражения и рассеяния. Проблемы могут возникнуть из-за очень  низкого отражения или из-за зеркального  отражения.

Следует обратить внимание, что использование лазеров поднимает серьезные вопросы безопасности, особенно при использовании коротких интенсивных импульсов с модуляции добротности. Связанные с этим опасности могут быть сильно уменьшены за счет использования безопасных для глаз длин волн лазеров.

5) Лазерная локация и зондаж атмосферы

Лидар (сокращение от слов Light Detection And Ranging) работает на тех же принципах, что и радар. Это инструмент, который направляет лазерное излучение  на мишень, с которой оно взаимодействует. Часть излучения отражается и рассеивается назад, улавливается и анализируется. Изменение свойств излучения позволяет определять некоторые свойства мишени. Время, затраченное светом на путь до мишени и обратно, позволяет определить расстояние до мишени.

Существует три основных типа лидаров:

• Дальномеры;
• DIAL (измерители дифференциального поглощения);
• Допплеровские лидары.

Дальномеры позволяют определять расстояние до объекта.

Differential Absorption LIDAR (DIAL) используются  для определения концентраций  химических веществ (например, озона, водяного пара, различных загрязнений) в атмосфере. Измеритель дифференциального поглощения использует две длины волны, выбранные таким образом, что одна из них сильно поглощается исследуемой молекулой, а другая нет. Разница в интенсивности отраженных сигналов позволяет определить концентрацию молекул в воздухе.

Допплеровский лидар  измеряет скорость мишени путем определения  допплеровского сдвига длины волны  излучения. Мишенью в этом случае может служить как твердый  предмет, так и атмосферная пыль и аэрозоль, что позволяет производить дистанционные измерения скорости ветра в разных слоях атмосферы.

6) 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.

7) Лазерное охлаждение

Первые опыты по лазерному  охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались  в пространстве 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 антистоксовое 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 безизлучательным 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.

8) Оптический (лазерный) пинцет

Оптический пинцет, иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» - оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов. В последние годы оптические пинцеты начали использовать в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

9) Гироскоп. Навигация

Лазерный гироскоп - оптический прибор для измерения угловой скорости, обычно применяется в системах инерциальной навигации. Лазерные гироскопы используют эффект Саньяка - появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с  тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях.

В лазерном гироскопе  создаётся и поддерживается стоячая  волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. Таким образом, положение узлов и пучностей не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа), фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.

3. Применение лазеров в промышленности

1) Поверхностная лазерная обработка

Интенсификация технологических  процессов термообработки, наплавки, легирования, напыления и других методов поверхностной обработки в значительной степени определяется расширением применения мощных концентрированных потоков энергии в виде плазменного и ионного воздействия, электронного луча, а в последние годы - и лазерного излучения.

Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенного превосходящего другие энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам, а также и свои перечисленные ниже особенности и преимущества.