Лазерные технологии и их применение в России и мире

1. 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.

2. 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.

3. Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал даёт возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.

4. Возможность обработки на воздухе,  лёгкость автоматизации процессов,  отсутствие вредных отходов при  обработке и т.д. Определяют  высокую технологичность лазерного луча.

5. 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.

3) Лазерное разделение материалов

Качество работы и  степень производительности оборудования, применяемого при лазерной резке, зависят  от ряда параметров:

• Мощности лазера: влияет на глубину проплавления поверхности;
• Скорости резки: от выбора оптимальной скорости зависит качество конечного продукта;
• Толщины разрезаемого листа металла и его состав;
• Расстояния между лучом лазера и разрезаемой поверхностью;
• Давления 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.

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
• Структурные процессы
• Поверхностные химические реакции
• Термомеханические эффекты
• Физические переходы

 

4. Применение лазеров в военном деле

1) Лазерное оружие

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» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

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», в ходе которой планируется  создать к 2025 году полностью электрифицированный  боевой надводный корабль с лазерным и электромагнитным вооружением.

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.

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.

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.

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. Применение лазеров в связи и ИТ

1) Оптическая связь

Волоконно-оптическая связь - вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем - волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических 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. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования - незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного  внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов - сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.