Семинарская работа №4 Прием третьего уровня в оптических стеклах, теоретическое обоснование и практический расчет Х

Применение лазеров в науке , технике

• 
  С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования различных нелинейно-оптических эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов [7].
  
• 
  Измерение расстояния до Луны. Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность были доставлены несколько специальных отражателей. С Земли посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света рассчитали рас-стояние до Луны.
  
• 
  Создание искусственных опорных «звёзд». Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света – искусственную «звезду». Свет от неё, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором;
  
• 
  Фотохимия [8]. Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико и фемтосекундами (10−12 – 10−15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией им-пульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков [9].
  
• 
  Лазерное намагничивание [10]. 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.
  
• 
  Лазерное охлаждение [11]. Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел – наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией, чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.
  
• 
  Термоядерный синтез. Один из способов решить проблему удержания нагретой плазмы в ядерном реакторе может заключаться в использовании лазе-ров [12]. При этом небольшой объём топлива облучается мощным лазерным излучением (иногда лазерное излучение предварительно трансформируется в рентгеновское) со всех сторон в течение небольшого (порядка нескольких наносекунд) промежутка времени. В результате облучения поверхность мишени испаряется, оказывая огромное давление на внутренние слои. Это давление сжимает мишень до сверхвысоких плотностей. В сжатой мишени могут протекать термоядерные реакции при достижении определённой температуры. Нагрев возможен как непосредственно силами давления, так и с использование дополнительного сверхмощного и сверхкороткого (порядка нескольких фемто-секунд) лазерного импульса.
  
• 
  Оптический (лазерный) пинцет- прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света [13]. Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков. Лазерные технологии получили широкое применение в науке и в будущем будет только развиваться. Будут создаваться новые приборы с использованием лазерного излучения, например уже существуют лазерные микроскопы, которые дают более высокое разрешение в сравнении с оптическими микроскопами, которые используют белый свет.
  

2. Вооружение.

• 
  Лазерное оружие. С середины 50-х гг. XX в. в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». После распада Советского Союза работы были остановлены. В середине марта 2009 г. американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями. В настоящее время лазерное оружие не получило широкого применения в армии в силу своей непрактичности и массивности. Существуют только единичные опытные образцы. Можно полагать, что в будущем лазерное оружие может получить развитие только как средство непосредственно-го поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны.
  
• 
  Лазерный прицел – это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу, таким образом производится прицеливание на мишень.
  
• 
  Системы обнаружения снайперов. Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.).  Постановка помех снайперам. Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.
  
• 
  Введение противника в заблуждение. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.
  
• 
  Лазерный дальномер – устройство, работа которого основано на измерении времени, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
  
• 
  Лазерное наведение. Ракета автоматически меняет свой полёт, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая таким образом высокую точность попадания. В настоящее время лазерные технологии эффективно применяются только как средство наведения.
  

3. Промышленность.

• 
  Поверхностная лазерная обработка.
  
• 
  Лазерная термообработка (лазерная закалка, лазерный отжиг, лазерный отпуск, лазерная очистка, в том числе лазерная дезактивация, лазерное оплавление, оплавление для улучшения качества поверхности, аморфизация) [14].
  
• 
  Получение поверхностных покрытий (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) [15].
  
• 
  Ударное воздействие (ударное упрочнение, инициирование физико-химических процессов).
  
• 
  Инициирование поверхностных химических реакций.  Лазерная сварка [16].
  
• 
  Лазерное разделение материалов (лазерная резка, газолазерная резка, термораскалывание, скрайбирование).
  
• 
  Лазерная размерная обработка (лазерная маркировка и гравировка, лазерная обработка отверстий).
  
• 
  Фотолитография.
  
• 
  Экологический мониторинг [17]. В промышленности лазерные технологии также получили широкое приме-нение. Сейчас уже не представляется производство таких приборов как дальномер, лидар, нивелир без использования лазерного излучения. Все больше при-меняются инфракрасные лазеры в тяжелой промышленности.
  

4. Медицина [18].

• 
  Косметическая хирургия.
  
• 
  Коррекция зрения.
  
• 
  Стоматология.
  
• 
  Диагностика заболеваний.
  
• 
  Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга.
  
• 
  Дробление «камней» при мочекаменной болезни.
  

В медицине лазерное излучение все больше и больше используется в таких областях как терапия и хирургия. Лазерное излучение имеет неоспоримое преимущество перед полосковыми операциями и с точки зрения экономии времени реабилитации и с точки зрения эстетики.
5. В связи и информационных технологиях.
Основной задачей является хранение, обработка и передача информации. Хранение информации на оптических носителях (компакт-диск, DVD и т. д.); Оптический диск (англ. optical disc) – собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помо-щью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками «питами» (от англ. pit – «ямка», «углубление») на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация.
В настоящее время мы наблюдаем рождение четвертого поколения оптических дисков. К первому поколению можно отнести: Лазерный диск; Компакт-диск; MiniDisc. Ко второму поколению: DVD; Digital Multilayer Disk; DataPlay; Fluorescent Multilayer Disc; GD-ROM; Universal Media Disc.
К третьему поколению:
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray – синий луч и disc – диск) – формат оптиче-ского носителя, используемый для записи с повышенной плотностью хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 г. Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера.
HD DVD (англ. High-Definition/Density DVD – «DVD высокой чётко-сти/ёмкости») – технология записи оптических дисков, разработанная компа-ниями Toshiba, NEC и Sanyo. HD DVD (как и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. 19 февраля 2008 г. компания Toshiba объявила о пре-кращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить ко-нец войне форматов.
– Forward Versatile Disc;
– Ultra Density Optical;
– Professional Disc for DATA;
– Versatile Multilayer Disc.
А к четвертому поколению:
Голографический многоцелевой диск (Holographic Versatile Disc) – перспек-тивная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объём хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию, известную как голография, кото-рая использует два лазера: один – красный, а второй – зелёный, сведённые в один параллельный луч. Зелёный лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обыч-ного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения, наподобие системы CHS в обычном жёстком диске. На CD или DVD эта информация внедрена в данные.
Super Rens Disc;
Optical Disc Archive Advisory Group Волоконнооптическая связь – способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем – волоконнооптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования пропускная способность волоконнооптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконнооптическая связь свободна от электромагнитных помех и трудно-доступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.