Введение
С момента изобретения лазера в 1958 году было разработано множество научных, военных, медицинских и коммерческих применений. Когерентность, высокая монохроматичность и способность достигать чрезвычайно высоких мощностей – все это свойства, благодаря которым возможны эти специализированные применения.
Many scientific, military, medical and commercial laser applications have been developed since the invention of the laser in 1958. The coherency, high monochromaticity, and ability to reach extremely high powers are all properties which allow for these specialized applications.
Спектроскопия
Большинство типов лазеров изначально являются чистым источником света; они излучают почти монохроматический свет с очень чётко определённым диапазоном длин волн. Тщательно спроектированные компоненты лазера позволяют улучшить чистоту лазерного света (измеряемую как "ширина линии") по сравнению с чистотой любого другого источника света. Это делает лазер очень полезным источником для спектроскопии. Высокая интенсивность света, которую можно получить в узком, хорошо сфокусированном пучке, также может быть использована для индуцирования нелинейных оптических эффектов в образце, что делает возможными такие методы, как спектроскопия Рамана. Другие спектроскопические методы, основанные на лазерах, позволяют создавать чрезвычайно чувствительные детекторы различных молекул, способные измерять концентрации молекул на уровне частей на 10¹² (ппт). Благодаря высокой мощности лазеров, достигаемой плотности энергии, возможно получение атомной эмиссии, вызванной пучком: эта техника называется лазерно-индуцированной спектроскопией пробоя (LIBS).
Тепловая обработка
Тепловая обработка лазерами обеспечивает селективное упрочнение поверхности для защиты от износа с минимальной или отсутствующей деформацией детали. Поскольку это значительно сокращает объем необходимой последующей обработки, капитальные затраты на лазерную систему окупаются в короткие сроки. Также было разработано инертное поглощающее покрытие для лазерной термической обработки, которое устраняет выделение вредных паров, образующихся при использовании традиционных лакокрасочных покрытий в процессе обработки лазерным лучом. Контроль энергетической плотности лазерного луча на поверхности детали – важнейший фактор, определяющий успех термической обработки. Оптимальное распределение энергетической плотности зависит от термодинамики взаимодействия лазера с материалом и геометрии детали. Обычно энергетические плотности в диапазоне от 500 до 5000 Вт/см² удовлетворяют термодинамическим требованиям и обеспечивают быстрый нагрев поверхности при минимальном общем тепловом воздействии. Для общей термической обработки наиболее оптимальным вариантом является равномерный квадратный или прямоугольный луч. В некоторых специальных применениях или при обработке кромок и углов детали может быть предпочтительнее снижение энергетической плотности вблизи края для предотвращения плавления.
Погода
Исследования показывают, что ученые однажды смогут вызывать дождь и грозы (а также микроманипулировать некоторыми другими погодными явлениями) с помощью высокоэнергетических лазеров. Такой прорыв потенциально может ликвидировать засухи, помочь облегчить последствия, связанные с погодными катаклизмами, и направлять погодные ресурсы в нуждающиеся регионы.
Лассовый лунный дальнозор
Когда астронавты "Аполлона" посетили Луну, они установили ретрорефлекторные массивы, чтобы обеспечить возможность проведения эксперимента по лазерной локации Луны. Лазерные лучи, сфокусированные через крупные телескопы на Земле, направляются на эти массивы, а время, за которое луч отражается обратно на Землю, измеряется для точного определения расстояния между Землей и Луной.
Фотохимия
Некоторые лазерные системы, посредством процесса модульной блокировки, способны генерировать чрезвычайно короткие световые импульсы длительностью до пикосекунд или фемтосекунд (10⁻¹² – 10⁻¹⁵ секунды). Эти импульсы могут использоваться для инициирования и анализа химических реакций, что является областью фотохимии. Короткие импульсы позволяют исследовать ход реакции с очень высоким временным разрешением, обнаруживая короткоживущие промежуточные соединения. Этот метод особенно полезен в биохимии для изучения деталей сворачивания и функционирования белков.
Лазерный сканер
Лазерные сканеры штрих-кодов идеально подходят для задач, требующих высокоскоростного считывания линейных штрих-кодов или стековых символов.
Лазерное охлаждение
Недавно успешной оказалась техника лазерного охлаждения. Она включает в себя удержание атомов в ловушке – метод, при котором некоторое количество атомов удерживается в специально сконфигурированной системе электрических и магнитных полей. Направленное освещение ионов или атомов светом определенных длин волн замедляет их движение, тем самым охлаждая их. По мере продолжения этого процесса, все атомы замедляются и приходят к одному и тому же энергетическому уровню, образуя необычное состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Ядерный синтез
Некоторые из самых мощных и сложных в мире комплексов, состоящих из множества лазеров и оптических усилителей, используются для генерации импульсов света чрезвычайно высокой интенсивности и сверхкороткой длительности, например, лаборатория лазерной энергетики, Национальная установка для инициирования термоядерных реакций, GEKKO XII, лазер Nike, Laser Mégajoule, HiPER. Эти импульсы направляются таким образом, чтобы одновременно воздействовать на гранулы трития и дейтерия со всех сторон, в надежде, что эффект сжатия, вызванный этим воздействием, спровоцирует термоядерный синтез в гранулах. Эта технология, известная как "инерциальный термоядерный синтез", пока не позволила достичь "энергетического выхода", то есть, до сих пор реакция термоядерного синтеза генерирует меньше энергии, чем потребляется для работы лазеров. Однако, эксперименты, проведенные на Национальной установке для инициирования термоядерных реакций, продемонстрировали реакции синтеза, в которых было выработано больше энергии, чем содержалось в лазерах, инициирующих реакцию.
Ускорение частиц
Мощные лазеры, генерирующие ультракороткие (в диапазоне десятков фемтосекунд) и ультраинтенсивные (до 1023 Вт/см²) лазерные импульсы, обеспечивают значительно более высокие градиенты ускорения, чем традиционные ускорители. Этот факт находит применение в ряде методов плазменного ускорения, используемых для разгона электронов и заряженных ионов до высоких энергий.
Микроскопия
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия и микроскопия с двуфотонным возбуждением используют лазеры для получения четких изображений толстых образцов на различных глубинах. Лазерная микродиссекция с захватом использует лазеры для выделения специфических популяций клеток из среза ткани под микроскопическим контролем. Дополнительные методы лазерной микроскопии включают гармоническую микроскопию, микроскопию на основе четырехволнового смешения и интерференционную микроскопию.
Прямо как энергетическое оружие
Лазерное оружие — это оружие направленной энергии, использующее лазеры.
Защитные контрмеры
Приложения средств противодействия могут варьироваться от компактных инфракрасных средств малой мощности до мощных бортовых лазерных систем. Системы инфракрасного противодействия используют лазеры для дезориентации головок самонаведения инфракрасных ракет.
Дезориентация
Некоторые виды оружия просто используют лазер для дезориентации человека. Одним из таких видов оружия является оптический предупредитель Thales Green Laser.
Руководство
Лазерное наведение — это техника наведения ракеты, другого снаряда или транспортного средства на цель с использованием лазерного луча.
Определяющий объект
Еще одно военное применение лазеров — это лазерный целеуказатель. Это маломощный лазерный указатель, используемый для обозначения цели для высокоточного управляемого боеприпаса, обычно запускаемого с самолета. Управляемый боеприпас корректирует свою траекторию полета, наводясь на лазерное излучение, отраженное от цели, что обеспечивает высокую точность наведения. Луч лазерного целеуказателя устанавливается с частотой импульсов, соответствующей частоте наведения боеприпаса, чтобы гарантировать поражение боеприпасом заданной цели и исключить следование другим лазерным лучам, которые могут использоваться в этом районе. Целеуказатель может быть направлен на цель с самолета или близлежащими пехотинцами. Лазеры, используемые для этой цели, обычно являются инфракрасными, чтобы противник не мог легко обнаружить направляющий лазерный луч.
Лазерная прицель
Лазер в большинстве применений в огнестрельном оружии используется как инструмент для повышения точности наведения других систем вооружения. Например, лазерный целеуказатель – это небольшой лазер, обычно излучающий видимый свет, который устанавливается на пистолет или винтовку и выравнивается таким образом, чтобы луч шёл параллельно стволу. Поскольку лазерный луч имеет небольшое расхождение, лазерное пятно остаётся маленьким даже на больших расстояниях; пользователь наводит пятно на желаемую цель, а ствол оружия выравнивается по этому пятну (однако это не обязательно учитывает падение пули, боковой ветер, расстояние между направлением луча и осью ствола, а также подвижность цели во время полёта пули). Большинство лазерных целеуказателей используют красный лазерный диод. Другие используют инфракрасный диод для создания точки, невидимой невооружённым глазом, но обнаруживаемой с помощью приборов ночного видения. Модуль адаптивного захвата цели LLM01 объединяет в себе видимые и инфракрасные лазерные диоды. В конце 1990-х годов появились лазерные целеуказатели на основе диодно-накачанных твердотельных лазеров (DPSS) с зелёным излучением (532 нм).
Лазеры для глаз
Нелетальное лазерное оружие было разработано ВВС США для временного нарушения способности противника вести огонь или иным образом представлять угрозу для сил противника. Это устройство освещает противника безопасным лазерным светом низкой мощности, что может вызвать ослепление, дезориентацию или заставить его отступить. В настоящее время существует несколько типов ослепляющих устройств, и некоторые из них применялись в боевых условиях. Сохраняется возможность использования лазеров для ослепления, поскольку это требует относительно небольшой мощности и легко реализуемо в переносном устройстве. Однако большинство стран считают преднамеренное постоянное ослепление противника запрещенным правилами ведения войны (см. Протокол об ослепляющем лазерном оружии). Несмотря на то, что ряд стран разработали ослепляющее лазерное оружие, например, китайское ЗМ 87, считается, что ни одно из них не вышло за рамки стадии прототипа. Помимо областей применения, пересекающихся с военными, широко известным применением лазеров в правоохранительных органах является использование лидара для измерения скорости транспортных средств.
Голографическая прицель оружия
Голографический прицел использует лазерный диод для освещения голограммы перекрестия, встроенной в плоское стеклянное оптическое окно прицела. Пользователь смотрит через оптическое окно и видит изображение перекрестия, наложенное на поле зрения на расстоянии.