Лазерные технологии и их применение в России и мире

Волоконно-оптическая связь  находит всё более широкое  применение во всех областях - от компьютеров  и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа - Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home,FTTH) - термин, используемый телекоммуникационными  провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

• высокоскоростной доступ в Интернет;
• услуги телефонной связи;
• услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования  волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной  по сравнению с традиционными  услугами.

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:

• Принципиальное повышение производительности
• Возможное уменьшение размеров элементов схем
• Снижается потребляемая мощность

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.

4) Лазерные дисплеи

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.

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».

6. Применение лазеров в культуре и в сфере 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

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.

LaserTag 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. Применение лазеров в повседневной жизни

1) Лазерный принтер

Лазерный принтер способен распечатать документ за считанные  секунды. Порошок, который создает изображение, содержится в тонере Тонер - обладающий особыми свойствами чёрный или цветной порошок, который переносится с помощью электрографического принципа на заранее специальным образом заряженный фотобарабан и формирует на нём видимое изображение, которое затем переносится на бумагу и прилипает к ней 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  роллер 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 тонер 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 200^oС.

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.