Применение лазерных технологий
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Институт международных отношений
Факультет: «УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»
Специальность:030701«Международные отношения»
Реферат на тему:
«Применение лазерных технологий»
Работу выполнила студентка 2 курса
ИМО НИЯУ МИФИ
Киндер Мария
Группа У4-02
Введение
На сегодняшний момент перед человечеством стоит ряд глобальных проблем, которые необходимо решить в ближайшее время, чтобы обеспечить будущим поколениям возможность сохранения цивилизации. Глобальные проблемы взаимосвязаны, охватывают все стороны жизни людей и касаются всех стран мира. Среди них можно отметить:
üобеспечение человечества ресурсами <#"justify">Наряду с политическими и социально-экономическими усилиями и мерами необходимо исследовать и развивать современные технологии, ведь с высокотехнологичным оборудованием человечество способно найти ответы на вопросы из множества сфер: медицины, экологии, вооружения, навигации, науки и т.д. Лазерные технологии - не исключение. В своей работе я хотела бы рассказать об основных отраслях и областях применения лазера, объяснить устройство и принцип работы устройств и гаджетов, с которыми мы имеем дело каждый день, а также сделать вывод о возможности вклада лазерных технологий в решение глобальных проблем человечества.
1. Медицина
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.
1.1 Общая хирургия
Лазеры все шире применяются для очистки артерий человека от тромбоцитных бляшек. 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. 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. 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:
üлазер на диоксиде углерода (CO2);
üаргоновый лазер;
üнеодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате (Nd:YAG).
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.
Поскольку действию лазера более подвержены клетки, содержащие много пигмента, то перед проведением облучения целевые клетки специально подкрашивают. Лечение рака лазером- довольно болезненная процедура, поэтому перед ней проводят местное обезболивание области, которая будет подвергаться воздействию облучения. Через несколько дней после первого сеанса лазерного облучения, на облученном месте образуется струп, который самостоятельно отпадает через три-четыре недели после облучения.
Таким образом, можно подвергать лазерного облучению довольно большие по площади опухоли, проводя курс лечения в несколько этапов. Все опухоль делится на зоны, которые последовательно облучаются, после образования и отпадания струпа на одной зоне опухоли, приступают к облучению следующей зоны - так происходит лечение опухоли.
Благодаря такому подходу удается получить удовлетворительный косметический результат в виде малозаметного рубца. Иногда при глубоком лазерном облучении область струпа захватывает глубокие слои (подкожную жировую клетчатку). В таких случаях струп держится дольше и рубец получается более грубым.
Лечение рака лазером не одинаково эффективно при разных видах опухолей. Например, самым чувствительным к лазерному облучению видом рака есть меланобластома, менее чувствительным - рак кожи. Малоэффективным есть лазерное лечение опухолей, расположенных под кожей или имеющих диаметр более 2 см.
На сегодняшний день накоплен уже достаточно большой опыт лечения рака лазером. Первой опухолью, которую попробовали лечить лазерным облучением, оказалась меланома. Это произошло в 60-70 годах прошлого века. К сожалению, данных об отдаленных результатах этого лечения не было получено, но ранние результаты лечения были довольно хороши.
Кроме лечения лазером рака кожи и меланомы, предпринимались также попытки лечить с его помощью злокачественные опухоли прямой кишки, пищевода. Полученный опыт говорит о том, что лазерное лечение рака можно применять при поверхностно расположенных, небольших опухолях этих органов. Облучение опухоли сквозь кожу малоэффективно. Предпринимались попытки облучить опухоль после рассечения кожи, расположенной над ней, но они также не принесли хороших результатов, так как трудно контролировать полноту облучения глубоко расположенного опухолевого очага.
Накопленный опыт лечения рака лазером свидетельствует о том, что оно может быть эффективно и при распространенных опухолях, обширных и распадающихся опухолях, множественных опухолевых узлах.
Лечение рака лазером имеет определенные плюсы: стерильность, очень малую кровопотерю, образование биологического барьера вокруг облученной опухоли.
.6 Вывод о применении лазера в медицине
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. Наука
2.1 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.
2.3 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.
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.
.5 Различные проблемы, возникающие при использовании лазеров для измерений расстояний
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.
.6 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:
üДальномеры
üDIAL (измерители дифференциального поглощения)
üДопплеровские лидары
Дальномеры позволяют определять расстояние до обьекта.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.
.7 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.
.8 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 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 безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходи 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.
.9 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.
.10 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. Промышленность
3.1 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.
. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объёма и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. В результате очевидны экономические и технологические преимущества. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объёма материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.
. Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной лазерной обработки, причём в каждом методе можно легко регулировать структуру поверхностного слоя, его свойства такие как твёрдость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков и др.
. Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал даёт возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.
. Возможность обработки на воздухе, лёгкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д. Определяют высокую технологичность лазерного луча.
. Возможность транспортировки излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы, в том числе и с помощью высококонцентрированных источников нагрева, применить невозможно.
.2 Лазерная сварка
Качество и надежность сварных соединений, выполняемых лазерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки достигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).
Как же происходит лазерная сварка? Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от окалины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Указанные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом.
Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из нержавеющей стали на участке не менее 10-15 мм как выше, так и ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые поверхности, прилегающие к свариваемым участкам. После зачистки место сварки рекомендуется обезжирить.
Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тщательной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором и перекосом кромок. При толщине свариваемого материала >1,0 мм зазор не должен превышать 5-7% толщины (не более 0,2-0,3 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20-25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм).
При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В случае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.
Защищать поверхности шва от окисления следует гелием или смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также аргона с углекислым газом при соотношении 3:1, подаваемыми через специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекомендуется защищать аргоном. В некоторых случаях при лазерной сварке низкоуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.
Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некоторых сталей обеспечивают сочетание формирования качественного шва, высокой технологической прочности и высоких механических свойств соединения.
.2.1 Лазерная сварка титановых сплавов
Основными трудностями сварки титановых сплавов являются высокая химическая активность металла при повышенных температурах и особенно в расплавленном состоянии, склонность к росту зерна при нагреве до 330-350 °С и выше, а также повышенная склонность к образованию холодных трещин при повышении содержания в шве и околошовной зоне примесей газов, в особенности водорода.
Перечисленные трудности устраняются при сварке с минимальными значениями погонной энергии, обеспечиваемыми такими высококонцентрированными источниками энергии, как лазерный и электронный лучи.
.3 Лазерное разделение материалов
Качество работы и степень производительности оборудования, применяемого при лазерной резке, зависят от ряда параметров:
üМощности лазера: влияет на глубину проплавления поверхности;
üСкорости резки: от выбора оптимальной скорости зависит качество конечного продукта;
üТолщины разрезаемого листа металла и его состав;
üРасстояния между лучом лазера и разрезаемой поверхностью;
üДавления и состава газа, который обдувает обрабатываемую поверхность.
Плотность мощности, с которой лазер воздействует на обрабатываемую поверхность, зависит от мощности самого лазерного потока, поляризации, распределения интенсивности излучения в пятне (так называемого модового состава) и условий фокусирования (расстояние между линзами, направление фокусировки).
Благодаря применению глубокой лазерной резки, стало возможным получение деталей исключительной точности исполнения в отношении её размеров и формы. Точность размеров детали, достигаемая при автоматизированном процессе лазерной резки, заключается в соотношении линейной и размерной точностей, определяемых при установке размера разрезаемого объекта.
Различают отдельно уровень точности вырезаемой детали и точность работы устройства. Точность работы оборудования зависит от качества работы её деталей, от электропривода, настройки оптической системы и погрешности механических конструкций.
3.4 Лазерная маркировка и гравировка
В последнее время на многих заводах активно стали применять лазерную маркировку в целях надежной идентификации металлической и пластиковой продукции: узлы, детали, переключатели, кнопки, панели приборов, агрегаты, подшипники, болты, прокладки и т.п.
С помощью лазерной маркировки на изделие возможно нанести любую информацию: логотипы, штрих коды, ГОСТы, нумерацию, технические данные и наименования, текущую дату и время.
Физические процессы, возникающие на поверхности твердых тел при лазерном нагреве:
Эмиссионные процессы:
üдесорбция газа,
üтермоэлектронная эмиссия,
üтермоионная эмиссия,
üэмиссия нейтральных атомов,
üтепловое излучение (пироэлектрические измерения).
Структурные процессы
üрекристаллизация,
üструктурные изменения в Fe-C сплавах (закалка сталей),
üразмягчение стекла и, соответственно, структурные изменения,
üаморфизация и кристаллизация стеклокерамик,
üаморфизация тонких металлических пленок,
üотжиг дефектов (в полупроводниках).
Поверхностные химические реакции:
üлокальное окисление металлов и полупроводников,
üвосстановление окислов,
üтермическое разложение металлоорганических соединений
üполимеризация (деструкция) полимеров.
Термомеханические эффекты
üтепловое расширение (включая импульсное),
üпоявление термонапряжений,
üгенерация ударных волн в твердом теле и в воздухе,
üгенерация ультразвука (дефектоскопия),
üоптический пробой в прозрачных диэлектриках
Физические переходы:
üплавление,
üиспарение,
üвоспламенение и горение,
üдетонация активных и взрыв пассивных сред.
4. Вооружение
.1 Лазерное оружие
лазер оружие радар медицина
Лазерное оружие - это оружие, прототипы которого уже существуют на данный момент, но они слишком громоздки и их образцы невозможно использовать в мобильных войсках. (В настоящее время только довольно крупные мобильные боевые единицы - например, морские крейсеры и тяжелые самолеты - способны нести такое оружие.) В данное время ведутся разработки новых технологий изготовления лазерного оружия для применения его в научных экспериментах, а также для боевого применения. Ручное лазерное оружие создать пока проблематично, в основном из-за больших размеров необходимых элементов питания, если их создавать на основе ныне существующих технологий.
Средства ПРО и ПВО России
С середины 50-х годов XX века 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 <#"justify">Нелегальное лазерное оружие
Одним из видов нелегального оружия, которое может способствовать пресечению преступных действий, направленных против сотрудников МВД и специальных подразделений, выполняющих свои обязанности по защите правопорядка и при захвате правонарушителей, является лазерное оружие. Его применение при самообороне обеспечивает малую степень риска для здоровья и жизни обороняющегося. Действие этих устройств достигается за счет направленного на нарушителя луча лазера красного или зеленого цвета, вызывающего временное ослепление и психологическое воздействие, приводящих к неспособности человека выполнять координированные (осознанные) действия, тем самым, снижая боеспособность нарушителя и препятствуя его продвижению вперед. Яркий свет лазера, развернутый в линию и сканирующий по местности, создает эффект световой завесы не позволяя снайперам противника вести прицельную стрельбу, а в ряде случаев и визуальное наблюдение через оптические приборы. В соответствии с «Дополнительным протоколом к конвенции о запрещении или ограничении использования конкретных видов обычного оружия, которые могут приводить к многочисленным травмам или тотальному эффекту» (Вена октября 1995), запрещено использование лазерного оружия, одной из функций которого является приведение к полному, невосстанавливаемому ослеплению, при использовании его на невооруженный или оснащенный средствами коррекции зрения глаз. В соответствии с нормами по безопасности МЭК мощность лазерного источника должна находиться между двумя пределами где: верхний предел ограничивает максимальную мощность воздействия не приводящую к ожогам и необратимым последствиям глаз (2,5 мВт/см2), нижний предел (менее1 мВт/см2), определяет мощность достаточную для достижения временного ослепляющего воздействия. Для защиты сетчатки глаза от поражения, маломощными лазерами на малом расстоянии, можно снабжать лазерные излучатели измерителями расстояния, автоматически снижающими мощность излучения или отключающими излучатель. Дополнительно, портативные лазеры могут использоваться для подачи сигналов предупреждения, бедствия, как средство обмена информацией, при ведении разведывательных операций, за счет узконаправленного излучения на больших расстояниях.
Французская кораблестроительная компания «DCNS» разрабатывает программу «Advansea <#"justify">.2 Лазерный прицел
В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания с помощью какого-нибудь оружия. Например, лазерный прицел - это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу.
Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол.
Большинство лазеров используют красный лазерный диод. Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое невооруженным глазом, но различимое приборами ночного видения. В 2007 году компания Lasermax, специализирующаяся на выпуске лазеров для военных целей, объявила о начале первого массового производства зелёных лазеров, доступных для стрелкового оружия.
Предполагается, что зеленый лазер будет лучше, чем красный, видим в условиях яркого света по причине более высокой чувствительности сетчатки человеческого глаза к зеленой области спектра.
4.3 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.).
Как преимущество - подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями.
Такие системы выпускаются как в России, так и в других странах.
.3.1 Постановка помех снайперам
Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.
Также существует тактика введения противника в заблуждение. В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого - предотвратить нападение со стороны противника.
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.
.4 Лазерное наведение
Другое военное применение лазеров - оружейные системы наведения. Такие системы представляют собой лазер небольшой мощности, «подсвечивающий» цель для боеприпасов с лазерным наведением - «умных» бомб или ракет, запускаемых с самолёта.
Ракета автоматически меняет свой полет, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая, таким образом, высокую точность попадания. Лазерный излучатель может находиться как на самом самолёте, так и на земле. В устройствах лазерного наведения обычно используются инфракрасные лазеры, так как их работу проще скрыть от противника.
Лазерная сигнализация
Принцип работы такой сигнализации не слишком сложен. Есть специальный источник, который испускает невидимый человеку луч, который непрерывно попадает на расположенный противоположно датчик. Как только мимо этого луча пройдет грабитель, луч сразу же прервется и не поступит на датчик, поэтому датчик сразу подаст сигнал на микросхему, а та заставит сирену сработать и подаст сигнал на пульт в охрану. Но угадать с тем, куда расположить луч, очень сложно, ведь кто знает, как именно преступник попадет в дом, и как будет двигаться, поэтому один луч использует редко, а стараются провести целую систему лучей, сообщающуюся с одной микросхемой.
Устанавливать такую систему должен профессионал, так он может определить высоту, направление и протяженность луча, чтобы сигнализация срабатывала стопроцентно.
Сомневаться в надежности такой сигнализации не приходится, так как при правильной установке она не подведет. Но совсем другое дело, когда в доме есть домашнее животное (кошка, собака), которые в ваше отсутствие могут прервать луч и вызвать наряд, поэтому приходится или отказаться от животных или просчитывать лучи так, чтобы в них попал грабитель, но не попало животное.
5. Лазеры в связи и информационных технологиях
.1 Оптическая связь
Волоконно-оптическая связь - вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного <#"justify">üвысокоскоростной доступ в Интернет;
üуслуги телефонной связи;
üуслуги телевизионного приёма.
Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.
5.2 Оптические компьютеры
Оптический компьютер - компьютер, основанный на использовании оптических процессоров. В отличие от обычных компьютеров, основанных на электронных технологиях, в оптических компьютерах операции выполняются путём манипуляции потоками оптического излучения, что позволяет достичь большей производительности вычислений.
Преимущества оптических технологий:
üПринципиальное повышение производительности
üВозможное уменьшение размеров элементов схем
üСнижается потребляемая мощность
5.2.1 Первые оптические компьютеры
Оптический компьютер компании «Bell Labs»
Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году компанией Аланом Хуаном (Bell Labs)[2][3]. Процессор второго поколения носил название «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer - цифровой оптический компьютер) и был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду при выполнении команды поиска слова.
Оптический компьютер компании «Lenslet»
Компанией «Lenslet» был выпущен единственный на данный момент коммерческий оптический процессор EnLight25. Особенностью его архитектуры является то, что в то время, как ядро основано на оптических технологиях, все входы и выходы - электронные. Этот процессор способен выполнять до 8×1012 операций в секунду. Компьютер на базе EnLight256 способен обрабатывать 15 видеоканалов стандарта HDTV в режиме реального времени и позволяет создать новое направление в голографическом 3D TV.
.2.2 Разработка технологии и компонентов
2008 год - исследователи из компании IBM представили оптический коммутатор, который обеспечивает пакетную передачу данных со скоростью более 1 Тбит/сек.
год - профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом было предложено использовать для создания оптоэлектронных устройств, в том числе и оптических процессоров, обычный технологический процесс изготовления полупроводниковых процессоров, основанный на 32-нм технологии. По их расчётам это позволит достигнуть большего прогресса.
5.3 Голография
Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.
Голография, представляющая собой фотографический процесс в широком смысле этого слова, принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.
Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.
Голограммы незаменимы при изготовлении высококачественных репродукций произведений скульптуры, музейных экспонатов и т.д. В то же время, возможность создания объемных изображений открывает новые направления в искусстве - изобразительную голографию и оптический дизайн. Голограммы широко используются в сувенирной продукции и в качестве украшений, а также в рекламе.
Лазерный телевизор - разновидность технологии по производству телевизионных панелей на основе лазерного излучения. Данная технология является самой перспективной, возможно именно она займёт основную нишу по производству телевизоров и мониторов в будущем, заменив LCD технологию.
Принцип технологии заключается в том, что лазерный RGB пучок, подаётся на специальную микросхему, которая отражает как зеркало в определённых участках только нужные цвета, в заданном разрешении. Этот пучок проходит через фильтр удвоения кадров и линзы для распределения пучка по проецируемой поверхности (экрану). Зритель видит обратную сторону проекции. То есть принцип заключается в знакомой всем проекции, только лазерным светом и с обратной стороны.
Технология впервые была представлена австралийской компанией Arasor на CES 2006, в виде прототипа. По договорённости с Mitsubishi Electric, в этом же году был выпущен ещё один прототип. Идею подхватили Seiko Epson, Samsung Electronics и Sony. Последняя компания, позже выпустила прототип на аналогичной технологии собственного производства. Правда на этом всё и закончилось, пока.
Идею продолжает развивать Mitsubishi Electric, выпустив первый серийный FullHD 65, лазерный телевизор Mitsubishi LaserVue TV. Цена данного телевизора была равна ~ $7 тыс., что дороже, чем аналогичный плазменный телевизор. Нельзя не отметить, что лазерные телевизоры отображают картинку намного реалистичней, чем плазменные.
Таблица 1 Достоинства и недостатки лазерной технологии в сравнении с другими
ПлюсыМинусыБеспрецедентная цветопередача, которая может достигать > 90% от видимого человеком диапазона, что создаёт очень реалистичную картинку.Высокая цена Картинка лучше чем на любом плазменном телевизоре.Технология "не обкатана" и неизвестны все её изъяны, но эта проблема решится в скором будущем.Относительно низкое энергопотреблениеТолщина экрана может достигать 20 смНизкий нагрев при работеБольшая масса, сопоставимая с плазменными телевизорами.Долговечность. Срок службы источников света (минимум 20000 часов, что ~ равно 2,5 года беспрерывной эксплуатации).Отличная контрастность и насыщенность оттенковВысокие углы обзораВозможность создания 3D картинки из 2D
Существуют телевизоры с совмещёнными лазерной и диодной RGB подсветкой цветов. Данные телевизоры, как это не парадоксально, тоже выпускает компания Mitsubishi Electric. Это позволяет телевизорам показывать контрастность одну из лучших на рынке.
.5 Считыватели штрих-кодов
Сканер штрих-кода - это устройство, с помощью которого выполняется чтение штрих-кода и передача его данных в персональный компьютер, кассовый аппарат или POS -систему.
Главная функция сканера - чтение изображения штрих-кода, представленного в виде совокупности белых и черных полос (линейный штрих-код) или композиции тёмных и светлых пятен (двумерный штрих-код) и преобразование его в цифровой сигнал. Функцию преобразования выполняет специальный декодер, как правило, встроенный в сканер или выполненный в виде отдельного устройства, которое подключается между сканером и компьютером, кассовым аппаратом или POS-системой.
На результат считывания сильно влияет сочетание цвета штрих-кода и цвета поверхности, на которой нанесен штрих-код. Сканеры не различают цвета, только распознают контрастные зоны. Таким образом, чем выше контрастное отношение, тем лучше сканер считывает код. Оптимальным является черный штрих-код на белом фоне. Именно такая комбинация обеспечивает наилучшие результаты считывания. Как известно, белый фон отражает свет, а черные штрихи - поглощают. Если используется цветной фон или штрихи нанесены цветом, отличным от черного, сканеру придется изрядно потрудиться, читая такой код. Наихудший выбор - красный цвет, поскольку сканеры используют его для подсветки. Оптические системы некоторых сканеров имеют красные фильтры и вообще не видят красный цвет. Также следует полностью исключить тона с высокой отражательной способностью, типа «серебристый металлик».
Классификация сканеров штрих-кода
Сканеры можно классифицировать по типу источника света, интерфейсу подключения, технологическому исполнению корпуса и технологии считывания.
По типу источника света сканеры делятся на светодиодные и лазерные сканеры. Лазерные сканеры - это сканеры, в которых в качестве источника излучения используются маломощные лазеры. Данный вид сканеров имеет высокую скорость и качество сканирования, а также разные характеристики и размеры. Это могут быть и сканеры величиной с карандаш, и большие стационарные многоплоскостные сканеры, расстояние считывания которых достигает нескольких десятков сантиметров при любом наклоне этикетки.
Лазерные сканеры просты и удобны, интуитивно понятны в использовании. Узкая полоса лазерного излучения хорошо видна, что помогает легко позиционировать устройство. Такие сканеры эффективно работают как в POS-приложениях, так и в системах управления товарными потоками и складами. Развитие и удешевление лазерных технологий в последние годы привело к тому, что цены на ручные лазерные сканеры стали гораздо доступнее.
6. Культура и сфера развлечений
.1 ЭМИ «лазерная арфа»
Существует две основные разновидности этого инструмента: фреймовая арфа (или закрытая арфа, арфа в рамке) и открытая арфа (безрамочная арфа).
Фреймовая лазерная арфа представляет собой замкнутую конструкцию, у которой снизу вверх идут лучи лазера, и они «упираются» в верхний край этой рамки, на котором смонтированы фотоприемники (как в системах лазерной сигнализации или в турникетах метро). При прерывании луча рукой фото-приемник выдает сигнал о потере света, и система издает определенный звук. Иногда фреймовые арфы выполняются в виде реальных арф.
Открытая лазерная арфа (иногда ее называют еще системой с бесконечными лучами) - это обычно ничем не огороженный лазерный «веер», исходящий из лазерного проектора той или иной конструкции. Она потому и называется «открытой», что ни с боков, ни тем более сверху, она ничем не закрыта. При использовании в помещении лучи просто достигают потолка, на открытых же площадках лучи вообще могут свободно уходить в небо. И, соответственно, ни о каких примитивных фотоприемниках тут речь не идет.
Принцип работы таких лазерных арф гораздо сложнее и основную роль тут играют специальные сенсоры, расположенные снизу, у ног исполнителя. Эти сенсоры регистрируют световые вспышки от рук исполнителя: когда музыкант накрывает своей ладонью тот или иной луч, его ладонь вспыхивает ярким светом. По принципу работы этих сенсоров открытая лазерная арфа подразделяется на чисто аппаратную и на программно-аппаратную. В первых сигналы от фоточувствительных элементов обрабатываются приборами на основе микроконтроллеров, во вторых сенсорами обычно выступают скоростные видеокамеры (от 60 кадров в секунду и выше), изображение от которых обрабатывается специальными программами на компьютерах в реальном времени. В дальнейшем и те и другие открытые лазерные арфы могут выдавать сигнал на программный или «железный» синтезатор, который в конечном счете и воспроизводит звучание того или иного инструмента.
Первые лазерные арфы были одноцветными - обычно с зелеными лучами. Связано это с особенностью человеческого зрения: при одной и той же мощности лазерного проектора зеленый свет лазера гораздо лучше виден нам, чем, скажем, красный. Но потом стали появляться двухцветные и многоцветные лазерные арфы.
Двухцветная лазерная арфа была изобретена и изготовлена в 2008 году Маурицио Карелли. Итальянский инженер по программному обеспечению и электронной аппаратуре создал портативную двухцветную лазерную арфу под названием KromaLASER KL-250. Она базировалась на слабых (всего 80-100 mW) лазерных лучах, ведь это был всего лишь прототип существующей в настоящее время Лазерной Арфы. После этого Карелли разработал окончательную и более мощную версию Лазерной Арфы под названием KromaLASER KL-450. Характерная черта инструмента - сконфигурированная полная октава с зелёными лучами (для любых диатонических нот) и красными лучами (для любых хроматических нот). Во второй половине 2010 года Маурицио Карелли также разработал полную цветовую версию лазерного устройства, полностью «plug&play», не зависящую от дневного света автономную модель (с 1W лазером) под названием KromaLASER KL-PRO, а также другую версию Лазерной Арфы, способную управлять лазерными сканерами ILDA, используя синий/голубой цвет для реализации первого многоцветного лазерного регулятора.
.2 Лазерное шоу (представление) на концертах и дискотеках
Проект «Prolight Laser Harp Controller»- это дополнительные приставки к обычному RGB (многоцветному) лазерному проектору. Эти проекторы повсеместно распространены в качестве инструментов для создания лазерного шоу на концертах, в клубах, на дискотеках. А при помощи двух отдельных приборов (специального ILDA-контроллера, управляющего лазерными лучами, и особого датчика, реагирующего на прерывание этих лучей руками) эти проекторы могут быть превращены в лазерную арфу открытого типа. Конечно, эту конструкцию уже из целых трех отдельных блоков нельзя назвать портативной, как «КромаЛАЗЕР», зато она позволяет рисовать в воздухе лучи самых разных цветов.
.3 LaserTag
это высокотехногенная игра, происходящая в реальном времени и пространстве. Суть игры состоит в поражении игроков-противников (часто еще и специальных интерактивных мишеней, или АУЛов, - баз) безопасными лазерными выстрелами из бластера-автомата. Собственно поражение игрока происходит путем регистрации луча бластера-автомата оппонента специальными датчиками (сенсорами), закрепленными на одежде игрока или на специальном жилете.можно, так или иначе, сравнить с пейнтболом, но главное отличие это то, что вместо шариков с краской используется лазерный луч для поражения датчика на голове игрока. А это в свою очередь революция в технологическом плане, совершеннейший реализм и самые экстремальные ощущения реального боя.
7. Лазеры в повседневной жизни
.1 Лазерный принтер
Лазерный принтер способен распечатать документ за считанные секунды. Порошок, который создает изображение, содержится в тонере и прилипает к бумаге под действием статического электричества.
Когда цифровой документ отправляется на печать, печатная плата обрабатывает его, а лазер посылает световые импульсы на картридж. Именно здесь лазерное излучение и статическое электричество превращают цифровое изображение в реальное.
Картридж лазерного принтера состоит из двух частей: барабан и тонер. С началом печати барабан начинает вращаться. Наэлектризованный ролер заряжает поверхность барабана отрицательными зарядами. Заряды «прилипают» к поверхности под действием статического электричества. Когда лазерный луч попадает на светочувствительную поверхность барабана, он «убивает» заряд. Таким образом, на поверхности барабана создаются незаряженные зоны. Лазер имеет линейную развертку и сканирует барабан с очень высокой частотой, вследствие чего на барабане появляется нужная нам картинка. Но, чтобы перенести изображение на бумагу, нейтрально заряженные зоны нужно заполнить тонером. Это происходит следующим образом. Из-за трения барабана на тонере тоже возникает статическое электричество, таким образом, на каждую частичку тонера «садится» отрицательный заряд.
Далее тоннер попадает на роллер, около которого и крутится барабан. Отрицательно заряженные частицы тонера попадают на нейтрально заряженные зоны на барабане. Следуя законам физики, порошок сам прилипает на свободные от заряда места каждый раз, когда барабан и роллер соприкасаются. В то же время отрицательный заряд на барабане отталкивает все ненужное количество тонера, то есть заполняются зоны, не отмеченные лазером. Тонер формирует зеркально отраженную картину изображения на барабане. После этого принтер положительно заряжает лист бумаги. Барабан прокручивает лист бумаги и оставляет на нем отпечаток тонера. Здесь в силу вновь вступает закон физики. Положительно заряженная бумага притягивает отрицательно заряженные частицы тонера сильнее, чем нейтрально заряженный барабан. Так изображение переносится на лист. Нагревающийся роллер вплавляет тонер в бумагу при температуре около 200oС.
Таблица 2 Сравнение струйного и лазерного принтеров
Сравнительные характеристикиСтруйный принтерЛазерный принтерЦена картриджа/тонера(руб.)400-1201000-5000Долговечность картриджа(листов)~400~2500-3000Кол-во страниц/мин927
.2 Лазерная мышь
Лазерная мышь делает тысячи снимков с места, где она находится. Лазерная мышь - это высокоточная система, работающая с феноменальной скоростью. Как же она отслеживает движения и передает их компьютеру? Каждую секунду она делает несколько тысяч снимков поверхности, по которой она двигается.
Лазерная мышь состоит из двух частей. Первая часть - это сама мышь, эта часть делает снимки и анализирует их для того, чтобы отследить движение. Вторая часть - USB-порт. Благодаря ему компьютер может воспринимать сигналы, отправляемые мышью, и двигает курсор по экрану согласно этим сигналам. У мыши пластмассовые корпус, перезаряжаемая батарея, колесо прокрутки и кнопки, печатне цепи и камера лазерной мыши(лазерный диод, фокусная линза, объектив, сенсор изображения).
Процесс начинается с лазерного диода. Он излучает невидимый человеческому глазу лазерный луч. Линза фокусирует этот свет в точку, равную по толщине человеческому волосу. Лазерный луч отталкивается от поверхности, на которой находится мышь. Сенсор изображения ловит свет. Лазер настолько точен, что он может замечать мельчайшие неровности поверхности. Именно неровности позволяют мыши замечать передвижение мыши. Для сравнительного анализа требуется множество снимков. Микропроцессор сравнивает каждый последующий снимок с предыдущим. Если мышь сдвинулась с места, между двумя снимками будет отмечена разница. Тщательно анализируя эти различия, мышь определяет направления и скорость любого движения. Если разница между снимками значительна, курсор перескакивает с одного места на другое, если же нет- курсор движется медленно. Если различия не фиксируются, мышь не замирает на месте, а продолжает делать снимки поверхности и анализировать их. Результаты анализа, а именно скорость и направление движения, отправляются на компьютер посредством радиоволн. Эти волны принимает USB-порт, подключенный к компьютеру.
.3 Лазерная указка
Лазерная указка - портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. В большинстве случаев изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм.
Из-за того, что диод излучает не направленно, значительная часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Для организации излучения в узконаправленный луч, как правило, используется двояковыпуклая линза-коллиматор.
Мощность наиболее распространенных лазерных указок 0,1-50 мВт, в продаже имеются и более мощные до 2000 мВт. В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно.
Со временем открытый лазерный диод «выгорает», из-за чего его мощность падает. Со временем подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки. Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры
.4 Blue-ray диск
Ray Disk - в переводе означает голубой луч и диск. В сокращенном варианте принимается аббревиатура BD. В слове Blu специально была убрана буква «е», потому что словосочетание Blu Ray запрещено регистрировать в качестве торговой марки как широко распространенное выражение.
Изначально, в 2002 году, формат Blu-Ray разрабатывали знакомые нам еще по созданию CD-дисков компании Philips и Sony. Затем в созданную в 2004 году ассоциацию по поддержке Blu-Ray, BDA (Blu-ray Disc Association), вошли Apple Computer, Samsung, Sharp, Pioneer, Thomson и другие компании. Ими было решено взять за основу технологию считывания информации синим лазером (вот откуда взято название формата), хотя сам физический процесс предполагался проводиться по принципу работы с CD- и DVD-накопителями. Но естественно, многое в Blu-Ray поменялось по сравнению с предыдущими форматами.
В новой технологии появились кардинальные изменения в логической структуре диска, стоимости и других параметрах. Длина волны синего лазера укоротилась до 405 нм, что позволило позиционировать луч намного точнее, а следовательно, и размещать данные на диске с большей плотностью. Для примера, длина волны луча, применяемого для CD, равна 780 нм, для DVD - 650 и 635 нм. Применение синего (на самом деле сине-фиолетового) лазера позволило уменьшить расстояние между дорожками почти в два раза, до 0.32 мкм, а также минимальную длину «пита» до 0.138 мкм. К тому же разработчикам Blu-Ray удалось применить линзы с апертурой 0.85 и максимально приблизить информационный слой к лазеру. По сравнению с DVD, у которого толщина защитного слоя равнялась 0.6 мкм, в Blu-Ray она уменьшилась до 0.1 мкм. Все эти новшества очень даже прилично увеличили плотность размещения данных. Емкость слоя при определенных условиях стала достигать величины 27 Гб (принято пользоваться средним значением, равным 25 Гб). При двухслойном диске получается 50 Гб. При четырехслойном - 100 Гб.
По размерам формат Blu-Ray представляется в двух модификациях: с диаметрами 120 мм и 80 мм. Меньший экземпляр имеет емкость слоя 7.8 Гб. Соответственно, двухслойный мини-диск может вместить 15.6 Гб данных.
Спецификация Blu-Ray имеет высокую скорость считывания. Скорость IX соответствует 36 Мбит в секунду, что соответствует 27Х DVD и 243Х CD. Предусмотрена также и двукратная скорость (2Х 72 Мбит/с).
Данный формат выпускается в трех модификациях: BD-ROM - штампованные диски «только для чтения», BD-R - записываемые диски и BD-RE-перезаписываемые диски. Спецификацией Blu-Ray для производителей BD-устройств рекомендована возможность чтения обычных CD/DVD-дисков. Это говорит о том, что дальнейшая совместимость современных BD-приводов с дисками предыдущих поколений остается на совести каждого производителя в отдельности. Но компания JVC пошла по другому пути и создала HD DVD-диск, который можно читать как на Blu-Ray, так и на DVD-проигрывателях. Такая возможность стала доступна благодаря трехслойной технологии. С помощью неё на одной стороне диска создаются физические области как для BD, так и для HD DVD, а на другой стороне- для DVD. В итоге получается комбинированный HD DVD/BD/DVD-диск.
При создании первых BD-дисков возникла проблема, связанная с сверхтонким защитным слоем (0.1 мкм). Информационная поверхность постоянно находилась в зоне риска. Любое внешнее воздействие могло уничтожить все находящиеся на диске данные. У DVD и HD DVD эта проблема стоит не так остро. Там защитный слой в шесть раз больше и составляет 0.6 мкм. Поэтому было принято решение помещать диски в специальные защитные картриджи. Такое «новшество» не очень понравилось пользователям. И тут на помощь пришла компания TDK, разработавшая в своих лабораториях особый полимер (DURABIS2), который стали применять для создания защитного покрытия.
Теперь диск Blu-Ray мог быть очищен простыми бумажными салфетками, не получив при этом никаких повреждений. Предыдущие форматы оптических носителей не могли себе позволить такого «простого» способа очистки. Однако даже в этом случае пользователи не испытают особого восторга. На этот раз от цены. К данному случаю как раз подходит известная всем фраза - качественное не может быть дешевым, иначе это всего лишь рекламный трюк.
Перейдем к вопросу безопасности формата Blu-Ray. Пресловутое «зонирование», впервые появившееся в спецификации DVD, в новом формате немного изменилось с географической точки зрения. Дело в том, что разработчики решили изменить региональную разбивку стран. В первую зону поместили Северную и Южную Америку, а также Восточную Азию (кроме Китая). Вторая зона досталась Европе и Африке. А Россию вместо пятой зоны перекинули в зону номер три. Сюда же попал быстроразвивающийся Китай, Индия и остальные страны, не попавшие в первые две зоны.
Чтобы защитить данные от нелегального копирования, в Blu-Ray реализован новый стандарт AACS (Advanced Access Content System). Дословно он переводится как «Расширенная система доступа к содержимому».
Данные шифруются 128-битными ключами по стандарту AES (Advanced Encryption Standard), при котором ключ меняется через каждые 6 кбайт данных. Далее зашифрованное содержимое диска после взаимодействия с проигрывателем расшифровывается имеющимся в нем набором ключей. В предыдущем стандарте защиты от копирования CSS уникальный набор ключей предназначался для каждой модели устройств.
В случае с AACS ключи будут «выдаваться» каждому отдельному аппарату. Далее самое интересное. Подразумевается, что если какой-либо проигрыватель будет замечен в хакерстве, то представители группы AACS могут заблокировать его, лишив возможности читать другие диски. Хотя технически это возможно только в одном случае - аппарат для чтения должен быть подключен к всемирной сети. Но, судя по последним данным, воспроизведение дисков возможно и без подключения к Интернету. Поэтому возможности для обхода этой защиты не равны нулю.
Иногда при копировании того же фильма пользуются аналоговым выходом (например, видеовыходом на телевизоре, с разъемом «тюльпан» или scart). Как же в этом случае защитить данные? Стандарт AACS предусмотрел и эту ситуацию. Производителям, выпускающим музыкальные и видеодиски, дано право устанавливать цифровой флаг Image Constraint Token (ICT) отдельно на каждый фильм или звуковой альбом, вышедший на BD- либо HD DVD-диске. При установленном флаге на все видеовыходы, кроме HDMI и DVI, будет урезано разрешение до 960x540. Это означает, что большинство первых HDTV-телевизоров, которые продавались без интерфейсов с поддержкой HDCP (HDMI или DVI с поддержкой HDCP), не смогут воспроизводить видео высокой чёткости с Blu-ray-дисков.
В формате Blu-ray внедрен элемент защиты под названием BD+, позволяющий динамически изменять схему шифрования. Суть данной защиты состоит в следующем: как только кто-нибудь сломает шифр фильма, схема шифрования сразу же обновляется. Новые копии этого фильма выйдут уже с новой схемой защиты.
Еще одна технология, которая будет использована в Blu-Ray, - Mandatory Managed Copy. Технология разработана компанией HP Она позволяет пользователям делать легальные копии защищенных фильмов. Именно HP потребовала включить эту технологию в формат BD.
Еще один способ защиты от нелегального копирования данных - технология цифровых водяных знаков ROM-Mark. Эта технология будет жёстко прошита в ПЗУ приводов при производстве. Не увидев специальную скрытую метку на диске, проигрыватель не будет воспроизводить его содержимое. Представители ассоциации утверждают, что знак невозможно будет подделать. Отбираться производители дисков будут путём жёсткого регулирования и лицензирования. Прошедшим все этапы отбора будет поставлено специальное оборудование.
Трудно сказать, насколько эффективными будут принятые меры по недопущению нелегального копирования HD-содержания. Мне кажется, что невозможно бороться с пиратством одними только техническими способами и жесткими ограничениями. Ведь в любом случае любая система делается руками. А что делается одними руками, всегда можно сломать другими. Это изречение еще никто никогда не опроверг. Куда как эффективнее можно воздействовать на пиратов грамотной ценовой политикой и системой поощрений пользователей легальной продукции.
Несколько слов о считывающих устройствах. Сообщено, что в спецификации BD прописана обязательная поддержка Java BD-приводами. Технология будет иметь аббревиатуру BD-J. Такое нововведение привнесет немало дополнительных возможностей и сервисов для пользователей. Например, с помощью BD-J можно реализовать мульти универсальное интерактивное меню, появится возможность подключения бытовых плееров к Интернету, что расширит поле деятельности мультимедийным разработчикам до безграничных просторов.
Теперь видео фанаты смогут к любимому фильму закачать из всемирной сети необходимый язык озвучивания, то же самое относится к субтитрам (особенно это пригодится изучающим различные языки), а также всевозможные материалы к фильму. Но, конечно же, не бывает так, чтобы все было хорошо. Данная технология становится ещё одним полигоном для вирусописателей. Еще неизвестно, как будет реализована защита данного направления. Но это уже дело тех, кто все это затеял. Потребителю в любом случае добавится радости в жизни.
Список основных компаний, поддерживающих формат Blu-Ray:
üApple
üDell
üHP
üHitachi
üLG Electronics
üPanasonic
üPioneer
üPhilips
üSamsung
üSharp
üSony
üTDT
üThompson
üTwentieth Century Fox
üWalt Disney
üVivendi Universal
üWarner Brothers.
В заключение о технологии Blu-Ray можно сказать, что у неё имеются отличные перспективы для своего развития. Почитателей BD-спецификации больше всего привлекают объем дисков и поддержка компаний с большими именами. Однако необходимо подумать над ценообразованием носителей информации, являющимся, может быть, самым негативным фактором этого мощного и прогрессивного формата.
А теперь посмотрим на не менее сильного его конкурента под названием HD DVD. При рассмотрении данного формата для получения объективного представления о нем как о сопернике Blu-Ray все возможные характеристики будут сравниваться не только со старыми спецификациями (CD/DVD), но и с BD.
Сравнительная характеристика.ПараметрыBlu-RayDVDЁмкость25/50 Гб4,7/8,5 ГбДлина волны лазера405 нм (голубой лазер)650 нм (красный лазер)Диаметр диска120 мм120 ммТолщина диска1,2 мм1,2 ммЗащитный слой0,1 мм0,6 ммЗащитное покрытиеестьнетШаг дорожек0,32 мкм0,74 мкмСкорость передачи данных36 (1x) Мбит/с11,08 (1x) Мбит/с
Заключение
В данной работе я проанализировала основные сферы применения лазерных технологий. Конечно, это лишь малая часть всех отраслей, где используются лазеры. На основе проделанной работы я сделала ряд выводов. Во-первых, лазеры внедрены в разнообразные области, от медицины до сферы развлечений, что не может не радовать, так как столь молодое изобретение уже нашло применение в стольких сферах деятельности человека. Лазеры - мало изученная, но очень перспективная технология, которая может помочь будущим поколениям в освоении разных отраслей деятельности человека и решении многих глобальных проблем.
Список Интернет-ресурсов
<http://photonics-biotech.com/blog> (статья от 23.04.2012)
<http://www.youtube.com/watch?v=smU5aa-MG9Y> (фрагмент из телепередачи канала Discovery How its made от 31.07.2011)://www.bar-code.ru/state_scaner.html (обновление <http://www.bar-code.ru/state_scaner.html%20(обновление> от 5.07.2011)://informer4.info/kompyuternaya-tehnika/blu-ray-protiv-dvd.html (статья <http://informer4.info/kompyuternaya-tehnika/blu-ray-protiv-dvd.html%20(статья> от 9.10.2010)://www.lasercomp.ru/povpaserobrab/ (статья <http://www.lasercomp.ru/povpaserobrab/%20(статья> от 3.11.2011)
<http://www.rp-photonics.com/optical_fiber_communications.html> (статья от 13.03.2013)
<http://www.holography.ru/maineng.htm>
<http://ru.wikipedia.org/(обновление> от 7.03.2012)
Введение в лазерные технологии: Опорный конспект лекций по курсу "Лазерные технологии". Автор/создатель: Вейко В.П., Петров А.А. Год: 2009
<http://www.ravnoepravo.ru/pacientam/vse-o-rake/lechenie-raka-lazerom/> (статья от 25.09.2010)://alloncology.com/articles/3/86/ (статья <http://alloncology.com/articles/3/86/%20(статья> от 28.08.2012)