Лазерные технологии и их применение в России и мире

5) Онкология

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

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

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

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

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

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

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

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

 

2. Применение лазеров в Науке

1) Спектроскопия

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

2) Измерение расстояний

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

3) Методы измерения расстояний

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

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

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

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

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

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

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

4) Лазерный радар

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

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

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

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

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

5) Лазерная локация и зондаж атмосферы

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

Существует три основных типа лидаров:

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

Дальномеры позволяют определять расстояние до объекта.

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

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

6) Лазерное намагничивание

Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого  управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2*10-13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

7) Лазерное охлаждение

Первые опыты по лазерному  охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы фиксировались  в пространстве с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур. В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксовое охлаждение твёрдых тел - наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией, чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безизлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией, чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется. Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

8) Оптический (лазерный) пинцет

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

9) Гироскоп. Навигация

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

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

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

 

3. Применение лазеров в промышленности

1) Поверхностная лазерная обработка

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

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