Що таке лазер?

Лазер - це пристрій, що управляє перетворенням енергії накачування (світлової, електричної, теплової, хімічної) в енергію випромінювання. Лазер - це абревіатура, що означає посилення світла шляхом стимульованого випромінювання.

У лазері випромінююче середовище "накачується", щоб привести атоми у збуджений стан. Дуже інтенсивні спалахи світла або електричні розряди накачують випромінююче середовище та створюють велику кількість атомів у збудженому стані (атоми з електронами вищої енергії). Атоми збуджуються до рівня, який на два або три рівні вищий за основний стан. Це збільшує ступінь інверсії населеності. Інверсія населеності - це відношення числа атомів у збудженому стані до атомів в основному стані.

Після накачування люмінесцентного середовища утворюється набір атомів з електронами, що знаходяться на збуджених рівнях. Збуджені електрони мають більшу енергію, ніж спокійні електрони. Так як електрон поглинає деяку кількість енергії, щоб досягти цього збудженого рівня, він також вивільняє цю енергію. Електрон може просто розслабитися і позбавитися деякої кількості енергії. Ця випромінювана енергія надходить у вигляді фотонів (світлова енергія). Фотон, що випускається, має дуже специфічну довжину хвилі (колір), яка залежить від стану енергії електрона в момент випромінювання фотона. Два однакові атоми з електронами в однакових станах випускатимуть фотони з однаковою довжиною хвилі.

Спонтанне випромінювання - це випромінювання, що випускається при мимовільному переході атома зі збудженого стану до основного.

Лазерне світло сильно відрізняється від звичайного і має наступні властивості:

Світло, що випускається монохроматичним . Він містить одну конкретну довжину хвилі світла (один конкретний колір). Довжина хвилі світла визначається кількістю енергії, що вивільняється при переході електрона на нижчу орбіту.

Світло, що випускається когерентен . Він "організований" - кожен фотон рухається одночасно з іншими. Це означає, що усі фотони мають хвильові фронти, які запускаються разом.

Лазерне світло має дуже вузький та концентрований промінь. Щоб ці три властивості проявилися, потрібно так зване стимульоване випромінювання. Цього не відбувається у звичайному ліхтарі, у ньому всі атоми випускають свої фотони випадковим чином. У стимульованому випромінюванні випромінювання фотонів організовано.

Мал. 2. Фокусування лазерного променя в одній точці

Фотон, який випускає будь-який атом, має певну довжину хвилі, яка залежить від різниці енергій між збудженим та основним станами. Якщо цей фотон (що має певну енергію і фазу) зіткнеться з іншим атомом, у якого електрон знаходиться в такому ж збудженому стані, може відбутися стимульоване випромінювання. Перший фотон може стимулювати або викликати емісію атома таким чином, що наступний фотон (від другого атома) буде коливатися з тією ж частотою і в тому ж напрямку, що і вхідний фотон.

Мал. 3. Зображення фазових лазерних світлових хвиль

Компоненти лазера

Кожен лазерний пристрій складається із трьох основних компонентів. До них відносяться:

• Лазерний матеріал чи активне середовище;
• Зовнішнє джерело енергії;
• Оптичний резонатор;

Активне середовище збуджується зовнішнім джерелом енергії (джерелом накачування) до створення інверсії населеності. У середовищі посилення відбувається спонтанне та стимульоване випромінювання фотонів, що призводить до появи оптичного посилення або ампліфікації. Напівпровідники, органічні барвники, гази (He, Ne, CO2 і т.д.), тверді матеріали (YAG, рубін) зазвичай використовуються як матеріали посилення.

Мал. 4. Компоненти лазера

Джерело накачування забезпечує енергію, необхідну для інверсії населеності та стимульованого випромінювання у системі. Накачування може здійснюватися двома способами - методом електричного розряду та оптичним методом. Прикладами джерел накачування є електричні розряди, лампи-спалахи, дугові лампи, світло іншого лазера, хімічні реакції тощо.

Оптичний резонатор забезпечує наведення імітованого процесу випромінювання. Він індукується високошвидкісними фотонами та генерує лазерний промінь. Фотони повинні поширюватися перпендикулярно середу, що відображає. У більшості систем він складається із двох дзеркал. Одне дзеркало є повністю відбиває, а інше - частково відбиває. Обидва дзеркала встановлені на оптичній осі, паралельно одна одній. Активне середовище використовується в оптичній порожнині між обома дзеркалами. Таке розташування фільтрує ті фотони, які прийшли вздовж осі, інші відбиваються дзеркалами назад у середу, де можуть бути посилені стимульованим випромінюванням.

Типи лазерів

Існує безліч різних типів лазерів. Лазерне середовище може бути твердим, газовим, рідким або напівпровідниковим. Лазери зазвичай позначаються на кшталт використовуваного випромінюючого матеріалу.

Твердотільний лазер

У твердотільних лазерах випромінюючий матеріал розподілений у твердій матриці (наприклад, лазери на рубіні або неодим:ітрій-алюмінієвому гранаті "Yag"). Неодимовий Yag-лазер випромінює інфрачервоне світло із довжиною хвилі 1064 нанометра (нм). Нанометр – це 1х10-9 метра.

Мал. 5. Хвиля зі строго гармонійною (синусоїдальною) залежністю від часу

Газові лазери

Газові лазери (гелієві та гелій-неонові, He-Ne, найбільш поширені газові лазери) випромінюють в основному видиме червоне світло. CO2-лазери випромінюють енергію в далекому інфрачервоному діапазоні та використовуються для різання твердих матеріалів.

Ексимерні лазери

Ексимерні лазери (назва походить від термінів "збуджений" та "димер") використовують реактивні гази, такі як хлор і фтор, змішані з інертними газами, такими як аргон, криптон або ксенон. При електричній стимуляції утворюється псевдомолекула (димер). При освітленні димер випромінює світло в ультрафіолетовому діапазоні.

Лазери на барвниках

Лазери на барвниках використовують складні органічні барвники, такі як родамін 6G, рідкому розчині або суспензії в якості випромінюючого середовища. Вони перебудовуються у широкому діапазоні довжин хвиль.

Напівпровідникові лазери

Напівпровідникові лазери не є твердотілими лазерами. Дані пристрої зазвичай мають невеликий розмір і споживають мало енергії. Вони можуть бути вбудовані у великі масиви, такі як джерело запису деяких лазерних принтерах або програвачах компакт-дисків.

Волоконний лазер

Волоконний лазер — це тип твердотільного лазера, в якому посилювальним середовищем є оптичне волокно.Це активний модуль (як активний електронний компонент в електроніці), який необхідно живити та використовує властивості оптичного посилення рідкісноземельних іонів. При повністю волоконній реалізації такий лазер називається цільноволоконним, при комбінованому використанні волоконних та інших елементів конструкції лазера він називається волоконно-дискретним або гібридним.

Що таке довжина хвилі лазера?

Довжина хвилі лазера це відстань, на яку поширюється хвиля за період, що дорівнює відстані між двома найближчими точками середовища, що коливаються в одній фазі. Хвиля – зміна стану середовища чи поля, що поширюється у просторі з кінцевою швидкістю. Конкретна довжина хвилі світла визначається кількістю енергії, що вивільняється при переході збудженого електрона на нижчу орбіту. Рівні енергії, що вводиться, можуть бути підібрані в залежності від матеріалу середовища посилення для отримання бажаного кольору променя.

Рубіновий лазер є твердотільний лазер і випромінює на довжині хвилі 694 нм. Деякі лазери дуже потужні, наприклад, CO2 лазер, який може розрізати сталь. Причина, через яку CO2-лазер такий небезпечний, полягає в тому, що він випромінює лазерне випромінювання в інфрачервоній та мікрохвильовій області спектру. Інфрачервоне випромінювання - це тепло, при якому лазер розплавляє практично все, на що він спрямований.

Переміщаючись вздовж електромагнітного спектра, лазерне випромінювання проходить від далекого інфрачервоного до видимого та рентгенівського спектру.

У лазерах усі хвилі мають однакову поляризацію. Здебільшого це лінійна поляризація, але залежно від сфери використання застосовують різні види.

Діодні лазери дуже слабкі і використовуються в сучасних кишенькових лазерних указках. Ці лазери генерують червоний промінь світла із довжиною хвилі від 630 нм до 680 нм.

Різні типи лазерів та довжини хвиль їх випромінювання (у нанометрах):

• Фторид аргону (УФ): 193;
• Фторид криптону (УФ): 248;
• Хлорид ксенону (УФ): 308;
• Азот (УФ): 337;
• Аргон (синій): 488;
• Аргон (зелений): 514;
• Гелій неоновий (зелений): 543;
• Гелій неоновий (червоний): 633;
• Барвник родамін 6G (перебудовується): 570-650;
• Рубін (CrAIO3) (червоний): 694;
• Nd:Yag (NIR): 1064;
• Діоксид вуглецю (інфрачервоний): 10600.

Класифікації небезпеки лазерів

Лазери класифікуються по чотирьох широких областях залежно від можливості заподіяння біологічної шкоди. Лазер має бути промаркований одним із цих чотирьох класів:

Клас I – ці лазери не можуть випромінювати лазерне випромінювання з відомими рівнями небезпеки.

Клас I.A. - це спеціальне позначення, яке застосовується тільки до лазерів, "не призначених для перегляду", таких як лазерний сканер у супермаркеті. Верхня межа потужності класу I.A. складає 4,0 мВт.

Мал. 7. Пристрій лазера

Клас II - це малопотужні видимі лазери, які випромінюють вище за рівень класу I, але потужність випромінювання не перевищує 1 мВт. Концепція полягає в тому, що реакція відрази людини до яскравого світла захистить її.

Клас IIIA – це лазери середньої потужності (cw: 1-5 мВт), які небезпечні лише для внутрішньопроменевого спостереження. До цього класу належить більшість пероподібних лазерів для наведення.

Клас IIIB – це лазери помірної потужності.

Клас IV - це потужні лазери (cw: 500 мВт, імпульсні: 10 Дж/см2 або межа дифузного відображення), які небезпечні для спостереження за будь-яких умов (пряме або дифузне розсіювання), а також становлять потенційну небезпеку пожежі та небезпеку для шкіри. Для лазерних установок класу IV потрібні значні заходи контролю.

Для отримання додаткової інформації про лазери та пов'язані з ними теми перейдіть за наступними посиланнями.

Застосування лазерів

Лазери бувають різних розмірів, форм, кольорів та рівнів потужності та використовуються для різних цілей - від хірургічних втручань у лікарнях до сканерів штрих-кодів у продуктовому магазині і навіть для відтворення музики, фільмів та відеоігор вдома.

Мал. 8. Лазерна спектроскопія

Існує безліч областей застосування лазерної технології, включаючи таке:

• Лазерна вимірювальна техніка;
• Обробка інформації дисків (пристрої DVD та Blu-Ray);
• Лазерна спектроскопія;
• Сканери штрих-кодів;
• Лазерне маркування;
• Лазерне різання;
• створення голограм;
• Лазерна корекція зору;
• Лазерне очищення;
• Медицина та хірургія;
• Голографічне формування зображень;
• Лазерна спектроскопія;
• Лазерне зварювання.

Застосування лазерів: властивості, види та сфери використання

Лазери - дивовижні джерела світла, які за короткий час знайшли найширше застосування у багатьох галузях науки та техніки. Їхні унікальні властивості дозволяють вирішувати завдання, недоступні звичайним джерелам світла. У цій статті ми розберемо основні види лазерів, розглянемо принцип їх роботи та сфери застосування. Дізнаємося, як лазери змінюють наше життя на краще.

Історія створення лазерів

Історія лазерів почалася з теоретичних праць Альберта Ейнштейна на початку ХХ століття. Ейнштейн сформулював принцип індукованого випромінювання, який започаткував квантову теорію лазерів. Проте практичне втілення ідеї лазера зайняло майже півстоліття.

Перший лазер, що діє, був створений в 1960 році американським фізиком Теодором Мейманом. То справді був лазер на рубіні, випромінював в імпульсному режимі у червоній області спектра. За це відкриття Мейман отримав Нобелівську премію з фізики у 1964 році.

Після цього був бурхливий прогрес у галузі лазерної фізики та техніки. У 1961 році було створено перший газовий гелій-неоновий лазер, у 1962 – лазер на твердому тілі, у 1964 – перший напівпровідниковий лазер. До кінця 1960-х років було розроблено вже безліч типів лазерів, що випромінюють у різних діапазонах довжин хвиль.

Принцип роботи лазерів

Лазер є оптичним квантовим генератором, заснованим на принципі вимушеного випромінювання. Щоб зрозуміти, як працює лазер, потрібно розібратися у кількох ключових моментах.

По-перше, у лазері створюється так звана інверсна населеність рівнів – коли верхній робочий рівень виявляється більш заселеним, ніж нижній. Це протилежно до нормальної теплової рівноваги, коли нижній рівень завжди більш заселений.

Для створення інверсної населеності використовується накачування - підведення додаткової енергії до активної речовини лазера від зовнішнього джерела. Це джерело "перекачує" частинки з нижнього рівня на верхній.

По-друге, в лазері є оптичний резонатор – система дзеркал, яка повертає випромінювання в активне середовище, створюючи зворотний зв'язок. Завдяки багаторазовим проходам через посилююче середовище, випромінювання наростає лавиноподібно.

В результаті на виході лазера виходить електромагнітне випромінювання з унікальними властивостями - високою спрямованістю, монохроматичності та когерентністю.

Основні властивості лазерного випромінювання

Розглянемо докладніше унікальні властивості лазерного випромінювання, які визначають широкий спектр його застосування у різних галузях:

• Висока спрямованість - лазерний промінь поширюється майже без розбіжності, що дозволяє фокусувати їх у маленьку точку.
• Мінімальна розбіжність - типові значення розбіжності лазерного пучка становлять від 0,5 до 1,5 мілірадіан.
• Висока яскравість - лазер може давати густину випромінювання в мільйони і мільярди разів вище, ніж у лампи розжарювання.
• Монохроматичність - лазер випромінює світло строго однієї довжини хвилі та частоти.
• Когерентність - хвилі в лазерному пучку мають постійну різницю фаз.

Ці властивості дозволяють ефективно використовувати лазерне випромінювання для різних цілей - від хірургічних операцій до передачі інформації по оптоволокну. Лазерний промінь можна сфокусувати в пляму діаметром менше мікрона, досягти щільності потужності трильйони ватів на квадратний сантиметр і імпульсів тривалістю у фемтосекунди.

Такі екстремальні параметри відкривають фантастичні можливості для досліджень та технологій.

Основні галузі застосування лазерів

Сьогодні лазери активно застосовуються практично у всіх галузях людської діяльності. Розглянемо основні напрями використання лазерів.

Лазери в науці та техніці

У фізичних дослідженнях лазери широко використовуються як прецизійний інструмент вимірювання відстаней, швидкостей, прискорень. Наприклад, лазерні далекоміри дозволяють з точністю до міліметрів вимірювати відстань до Місяця.А метод лазерної інтерферометрії дає можливість реєструвати усунення порядку довжини хвилі світла.

У техніці лазери застосовуються для обробки матеріалів (різання, зварювання, напилення покриттів), в оптоволоконному зв'язку, для запису та зчитування інформації в CD/DVD приводах, лазерних принтерах і сканерах.

Лазери в медицині

Лазерний скальпель забезпечує високу точність розрізів і мінімальну крововтрату.

Лазери застосовуються також у офтальмології для корекції зору, у косметології для омолодження шкіри та видалення дефектів, у фізіотерапії для безболісного лікування різних захворювань.

Лазери у промисловості

У промисловому виробництві лазери використовуються для:

• Різання металів та неметалічних матеріалів
• Маркування та гравіювання виробів
• Зварювання та паяння деталей
• Напилення захисних покриттів

Лазерне різання відрізняється високою швидкістю, точністю та якістю обробки. Лазером можна різати практично будь-які матеріали товщиною від часток міліметра до декількох сантиметрів.

Лазери у військовій справі

У військовій справі лазери використовуються для:

• Прицілювання зброї (лазерні приціли)
• Визначення дальності до мети (лазерні далекоміри)
• Наведення ракет та снарядів (системи лазерного наведення)

Лазерні далекоміри дозволяють миттєво визначати відстань до мети на місцевості або в повітрі з точністю до декількох метрів.

Також ведуться роботи зі створення лазерної зброї, здатної вражати цілі сфокусованим лазерним випромінюванням дуже великої потужності. Однак поки що такі системи залишаються малоефективними через великі витрати енергії.

Типи лазерів

Існує кілька основних типів лазерів, які відрізняються використовуваним активним середовищем та методом накачування:

Твердотільні лазери

У таких лазерах активним середовищем служить твердий кристал (рубін, алюмо-ітрієвий гранат) або скло, активовані іонами neodymium, erbium, ytterbium. Накачування здійснюється лампами-спалахами або іншими лазерами.

До твердотільних належать також волоконні лазери, в яких активним середовищем є оптичне волокно, леговане іонами рідкісноземельних металів.

Газові лазери

У газовому лазері активним середовищем є суміш газів (CO2, He-Ne, Ar, Excimer). Накачування здійснюється електричним розрядом чи іншими лазерами.

Газові лазери відрізняються високою потужністю випромінювання та ККД. Найбільш поширені CO2 та Excimer лазери.

Напівпровідникові лазери

Це компактні твердотільні лазери на основі напівпровідникових кристалів (GaAs, GaN, InP). Накачування здійснюється пропусканням електричного струму через p-n перехід.

Напівпровідникові лазери відрізняються малими розмірами та високим ККД (до 50%). Найбільш широко використовуються лазерні діоди.

Крім того, існують також рідинні лазери на барвниках, хімічні лазери, вільно-електронні лазери та лазери на вільних атомах.

Безпека під час роботи з лазерами

Незважаючи на величезну користь, лазерне випромінювання може становити серйозну небезпеку при неправильному поводженні. Навіть невелика потужність лазера здатна викликати опіки сітківки та втрату зору.

Тому при роботі з лазерами обов'язково повинні дотримуватися запобіжних заходів:

• Використання захисних окулярів, що заплющують очі з усіх боків
• Установка захисних екранів навколо лазера
• Застосування блокуючих затворів, що переривають лазерний промінь
• Розміщення попереджувальних знаків біля лазера

Залежно від потужності лазери класифікуються на чотири класи небезпеки. Лазери 3 та 4 класів становлять безпосередню загрозу здоров'ю та вимагають суворого дотримання правил техніки безпеки.

Перспективи розвитку лазерної техніки

Лазерна фізика не стоїть на місці та продовжує активно розвиватися. Ось деякі перспективні напрямки:

• Створення лазерів екстремального ультрафіолету та рентгенівського діапазону
• Розробка лазерів надвисокої потужності для термоядерного синтезу
• Зменшення розмірів та підвищення ефективності напівпровідникових лазерів
• Генерація лазерних пучків з особливими властивостями (орбітальний кутовий момент та ін.)

Впровадження нових лазерних технологій дозволить значно розширити сфери застосування лазерів у промисловості, медицині, наукових дослідженнях.

Лазери у повсякденному житті

Лазери та лазерні технології міцно увійшли до нашого повсякденного життя. Ось лише кілька прикладів використання лазерів у побуті:

• CD/DVD-приводи
• Лазерні принтери
• Сканери та копіри
• Лазерні рівні
• Вказівки для презентацій
• Косметологічні процедури
• Лазерні шоу

Дискові приводи використовують лазери як для зчитування інформації, але й записи - з допомогою виробляється локальний нагрівання матеріалу диска на формування поглиблень.

У лазерних принтерах світловий промінь використовується для сканування поверхнею фоточутливого барабана, на якому формується статичне електричне зображення для подальшого перенесення фарби на папір.

Застосування лазерів у зв'язку

Одне з найважливіших застосувань лазерів – у волоконно-оптичних лініях зв'язку. Порівняно з традиційними мідними кабелями, оптоволокно має ряд переваг:

• Набагато більша швидкість передачі даних (до 100 Гбіт/с)
• Найменше згасання сигналу на великих відстанях
• Висока схибленість
• Компактність та легка вага

Як джерело оптичного випромінювання у волоконно-оптичних лініях використовуються напівпровідникові лазери, найчастіше на основі арсеніду галію. Довжина хвилі таких лазерів зазвичай становить 1,3 чи 1,55 мікрон.

Лазерне охолодження

Лазерне випромінювання можна використовувати не тільки для нагрівання, а й для охолодження речовини. Це видається парадоксальним, але є наслідком квантових законів.

Принцип лазерного охолодження ґрунтується на тому, що при поглинанні резонансного фотона атом втрачає частину своєї теплової енергії. За рахунок багаторазового циклічного збудження атомів лазерним випромінюванням можна досягти зниження їх температури аж до абсолютного нуля.

Лазерне охолодження дозволяє отримувати так звані квантові дегенеративні гази, які демонструють унікальні фізичні явища при наднизьких температурах.

Лазери в астрономії

Лазери широко застосовуються в астрономії для:

• Корекція спотворень земної атмосфери (адаптивна оптика)
• Високоточних вимірів кутових відстаней між об'єктами
• Виявлення гравітаційних хвиль
• Вимірювання відстаней до Місяця та планет за допомогою лазерної локації

Наприклад, лазерний інтерферометр LIGO дозволив у 2015 році вперше прямо зареєструвати гравітаційні хвилі від злиття чорних дірок.

Перспективи лазерної енергетики

Ведуться роботи зі створення лазерів надвеликої потужності для вирішення енергетичних завдань. Одне з напрямів - інерційний термоядерний синтез, у якому мета опромінюється сильним лазерним імпульсом з усіх боків.

Інший перспективний напрямок – лазерний термоядерний реактор, у якому плазма утримується магнітним полем, а розігрівається потужним лазерним випромінюванням. Такі системи можуть стати джерелом дешевої та чистої енергії у майбутньому.

Незвичайні застосування лазерів

Окрім добре відомих областей, лазери знаходять застосування і в деяких несподіваних сферах:

• Археологія – лазерне сканування для створення 3D-моделей об'єктів
• Сільське господарство – лазерна стимуляція росту рослин
• Розваги - лазерні шоу, голограми, проектори
• Музика - лазерні арфи, що реагують на звук

Наприклад, лазерне сканування дозволяє швидко отримати точну тривимірну модель археологічного об'єкта, що досліджується. А лазерні проектори створюють фантастичні видовища на концертах та шоу.

У міру розвитку технологій все більше галузей науки, техніки та мистецтва освоюватимуть лазери для вирішення найрізноманітніших завдань.

Застосування лазерів у мистецтві

Лазери відкривають нові можливості для творчості в різних галузях мистецтва:

• Лазерне шоу – яскраві динамічні візерунки, проекції, голограми.
• Лазерний живопис та гравіювання - надточний контроль ліній
• Лазерне різання та обробка матеріалів для скульптур
• Лазерні інсталяції - світлові об'єкти та простори

Завдяки керованості, монохроматичності та когерентності лазерного випромінювання, художники отримують принципово нові інструменти для втілення найсміливіших ідей.

Лазери у криміналістиці

Лазери застосовуються в криміналістиці для:

• Судової балістики - визначення траєкторії польоту кулі
• Виявлення відбитків пальців та інших доказів на місці злочину
• Відновлення серійних номерів стертої зброї
• Виявлення мікрослідів крові, наркотиків, вибухових речовин

Наприклад, метод лазерної спекторскопії дозволяє виявляти сліди речовин щодо їх спектрів поглинання та люмінесценції при опроміненні лазером.

Перспективи лазерного зв'язку

Швидкість та пропускна здатність волоконно-оптичних ліній зв'язку продовжує стрімко зростати. У перспективі:

• Збільшення швидкості передачі до 1 Тбіт/с на канал
• Розробка нових типів оптичних волокон
• Створення оптичних процесорів для обробки даних
• Розвиток квантової криптографії на основі лазерів

Волоконно-оптичні лінії повністю витіснять мідні кабелі та стануть основою телекомунікаційних мереж майбутнього.

Нанотехнології та лазери

Лазери відіграють ключову роль розвитку нанотехнологій. Їх використовують для:

• Надточної лазерної нанолітографії
• Маніпулювання нанооб'єктами в оптичних пінцетах
• Аналіз наноструктур методами лазерної спектроскопії
• Синтеза наночастинок з унікальними оптичними властивостями

Управління речовиною на нанорівні відкриває шлях до створення нових матеріалів, приладів і технологій, заснованих на квантових ефектах.

Екзотичні лазери

Крім традиційних конструкцій, розробляються лазери з незвичайними властивостями та принципами роботи:

• Атомні конденсати як активне середовище
• Випускання пари зчеплених фотонів
• Генерація надкоротких імпульсів аттосекундної тривалості
• Випромінювання в екстремальному ультрафіолетовому діапазоні

Подібні екзотичні лазери необхідні дослідження фундаментальних законів квантової оптики і атомної фізики. У майбутньому вони можуть знайти практичне застосування.

Лазерна зброя: міфи та реальність

Лазерна зброя часто фігурує у фантастичних фільмах та книгах. Але що із цього реально?

Спроби створення бойових лазерів ведуться давно, але стикаються із серйозними технічними труднощами. Головна проблема – низький ККД лазерів, що потребує громіздких джерел живлення.

Тим не менш, компактні лазери малої потужності вже використовуються для засліплення оптики та датчиків. А в перспективі з'являться лазерні гармати для збивання безпілотників та ракет.

Лазери та штучний інтелект

Лазерні технології застосовуються в розробках штучного інтелекту для:

• Оптичних нейронних мереж на основі лазерів
• Лазерна голографія для створення 3D-інтерфейсів
• Лідарів на лазерних діодах для навігації роботів
• Оптоволоконної передачі великих обсягів даних у ЦОДах ІІ

Лазерні технології допоможуть зробити ІІ більш компактним, швидким та енергоефективним.

Космічні лазери

Лазери знаходять застосування у космічних дослідженнях для:

• Дальньої лазерної локації Місяця та планет
• Визначення складу атмосфер планет за спектрами
• Передачі енергії від орбітальних СЕС до наземних станцій
• Прямого оптичного сканування поверхні планет

У майбутньому лазерні двигуни малої тяги дозволять здійснювати міжзоряні перельоти за прийнятний час.

Ризики застосування лазерів

Поряд із користю, неконтрольоване застосування лазерів несе ризики:

• Осліплення оптичних систем військового призначення
• Порушення роботи супутників через підсвічування із землі
• Витік лазерних технологій подвійного призначення
• Шкода навколишньому середовищу під час використання потужних лазерів

Для мінімізації ризиків необхідний контроль за використанням високоенергетичних лазерних систем та експортом лазерних технологій.

Лазери в ядерній фізиці

У ядерній фізиці лазери застосовуються для:

• Прискорення заряджених частинок у плазмі
• Ініціювання термоядерних реакцій
• Спектроскопії радіоактивних ізотопів
• Поділ ізотопів методом лазерної фотоіонізації

Зокрема, лазери можуть використовуватися як компактні прискорювачі заряджених частинок для проведення ядерних реакцій.