Подбор вещества мишени, газа и давления сто позволяет синтезировать соединения, например, такие, как нитриды металлов, карбиды и другие вещества, восстанавливать окислы тугоплавких металлов (в атмосфере водорода или метана) или создавать в локальной зоне контролируемые слои окислов.

Лазерная металлургия. Производство металлов с различными физическими свойствами и различного назначения — одна из фундаментальных задач современной промышленности. Потенциальные возможности применения лазеров в металлургии связаны с высокой мощностью непрерывного излучения, локальностью воздействия и определенной универсальностью их как тепловых источников. Эффективность использования лазеров в металлургии связана, по сути дела, с теми же процессами, с которых начинались первые опыты по применению генераторов низкотемпературной плазмы: получение тугоплавких металлов при восстановлении окислов, синтез порошков и композиционных материалов.

Классическим, если можно так выразиться, возможным применением мощных непрерывных лазеров в металлургии может оказаться использование их как высоколокальных источников нагрева. Приведем некоторые примеры возможного применения.

Аналогично плазменным процессам или процессам при использовании сфокусированного солнечного излучения возможен переплав тугоплавких металлов или высокотемпературных керамик — рафинирование материалов и улучшение их эксплуатационных свойств. Преимуществами переплава с использованием излучения лазера могут быть высокие температуры при относительно небольшой мощности, гибкость в управлении плотностью потока, что в меньшей степени доступно другим методам нагрева, исключая электронный луч, а также возможность проведения процесса в широком интервале давлений окружающей среды. Правда, при высоких давлениях следует считаться с возможностью экранирования зоны воздействия образующимся плазменным облаком. Тогда обработка станет лазерно-плазменной.

Лазерное излучение как источник локального нагрева может использоваться для создания и поддержания ванны при выращивании из расплава полупроводниковых материалов. В этом случае возможны различные технические схемы решения.

В технологии полупроводниковых материалов широко используется зонная очистка, или зонная перекристаллизация, с помощью перемещения расплавленной зоны по длине слитка. Лазерное излучение может быть использовано для создания расплавленной зоны. Ряд работ в этом направлении уже выполнен. Преимуществом перед индукционным нагревом, обычно используемым для создания зоны расплава, является более узкая тепловая зона, а перед электронно-лучевым нагревом - более дешевое оборудование, а также возможность использования газовой атмосферы в процессе, что может быть важным, если необходимо сохранить в веществе легколетучие примеси. Отметим, что электронно-лучевое плавление производится в вакууме 10-5—10-6 мм рт. ст. Оптимальность процесса и его экономическая целесообразность обусловливаются в существенной степени Оптическими характеристиками веществ. В литературе, в частности, описана установка для выращивания кристаллов ниобата бария и стронция, в которой для создания зоны нагрева используется лазер на СО2.

Перспективными процессами, которые практически не рассматривались в технической литературе, могут быть, восстановительные процессы, инициируемые в лазерной плазме. В определенной зоне реактора движущегося газа (например, газа восстановителя) образуется оптический пробой, создается плазменное облако, которое поддерживается непрерывным лазерным излучением; в него вводится дисперсная фаза вещества, которое обрабатывается в лазерной плазме. Такая схема близка к струйно-плазменным процессам и сейчас используется в плазменных технологиях для восстановления окислов и синтез веществ в низкотемпературной дуговой или ВЧ-плазме. Лазерная плазма может иметь более высокую температуру, как мы уже отмечали, что в ряде случаев термодинамически выгоднее. Кроме того, процесс можно проводить при более высоких давлениях, управление им более гибко.

3.3 ЛАЗЕРЫ В АВИАЦИИ

Лазерные системы управления оружием. Использование лазеров в системах наведения ракет и бомб является, по данным зарубежной печати, одной из наиболее широко распространенных областей применения лазерных средств, наряду с лазерными дальномерами.

Одной из побудительных причин интенсивного внедрения лазеров в системы наведения оружия явилась низкая эффективность применения стандартных боеприпасов для поражения рассредоточенных и постоянно маневрирующих наземных объектов.

Со времени окончания второй мировой войны появление оружия с лазерными системами было одним из наиболее важных шагов в области повышения точности поражения наземных целей авиационным оружием.

Точность наведения лазерных бомб проверялась авиацией США в боевых действиях в Лаосе, Вьетнаме, на Ближнем Востоке. За время боевых действий в Юго-Восточной Азии сброшено более 18000 бомб с лазерной системой наведения, 80% из них имели прямое попадание. По заявлениям специалистов министерства обороны США, применение бомб с лазерной системой наведения позволило повысить точность бомбометания на порядок, что обеспечило резкое сокращение наряда сил для поражения наземных объектов. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

Принцип работы лазерной полуактивной системы наведения состоит в следующем: цель облучается лучом лазера, работающего, как правило, в импульсном режиме; отраженная от цели энергия лазерного излучения воспринимается позиционно-чувствительным фотоприемником головки самонаведения боеприпаса, после соответствующего преобразования и обработки на выходе координатора вырабатывается сигнал управления, который подается на исполнительные механизмы.

В зависимости от расположения целеуказателя лазерные полуактивные системы можно разделить на два типа:

- Полуактивные системы наведения, в которых подсвет цели осуществляется с борта ударного самолета.

- Полуактивные системы наведения, у которых подсвет цели осуществляется либо с борта другого специального летательного аппарата, либо с наземного пункта (передового поста наблюдения).

Известно, что основную долю в суммарную ошибку стрельбы вносят ошибки в измерении координат цели, одной из которых является ошибка в измерении дальности. Поэтому увеличение точности измерения дальности до цели позволяет частично решить проблему уменьшения суммарной ошибки стрельбы и, следовательно, увеличивается вероятность поражения цели. Существенное повышение точности измерения дальности до цели с борта самолета позволяют осуществить авиационные лазерные дальномеры, действующие по принципу радиодальномеров, но отличающиеся от них высокой направленностью излучения и точностью.

Лазерные системы воздушной разведки. Принцип действия лазерной системы воздушной разведки заключается в следующем. Разведываемая местность вместе с объектами разведки освещается лазерным излучением. Отраженное от поверхности Земли (подстилающей поверхности и объектов разведки) лазерное излучение собирается приемной оптикой и направляется на фоточувствительный слой приемника. Фотоприемник преобразует отраженное от поверхности Земли излучение в электрический сигнал, промодулированный по амплитуде с учетом распределения яркости. В лазерных системах используется линейное сканирование. По принципу действия такие системы близки к однострочным телевизионным системам.

Узконаправленный луч лазера специальным устройством развертывается перпендикулярно направлению полета самолета. Одновременно с лучом лазера сканирует и диаграмма направленности приемника. Благодаря этому формируется строка изображения. Развертка по кадру осуществляется за счет движения летательного аппарата. Изображение местности в лазерных системах разведки может регистрироваться на фотопленку, информация при этом будет представляться с запаздыванием, но может воспроизводиться и на экране электронно-лучевой трубки в реальном масштабе времени.

Для регистрации изображения разведываемой местности на фотопленку в лазерную систему входят: лазер, работающий в режиме непрерывного излучения, сканирующее устройство, объектив, фотоприемник, усилитель, устройство регистрации информации, состоящее из модулятора, фотографической пленки и лентопротяжного механизма.

Лазер предназначен для облучения разведываемой местности и объектов разведки. Для систем разведки с линейным сканированием необходимы лазеры со средней мощностью не менее 100 Вт. Длина волны излучения лазера должна совпадать с окном прозрачности атмосферы и лежать в области максимальной контрастности объектов разведки и фонов. Поскольку характеристики отражения целей и фонов зависят от длины волны, то ведутся разработки многоспектральных лазерных систем воздушной разведки.

3.4 ЛАЗЕРЫ В ИССЛЕДОВАНИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

Основное средство для исследований или мониторинга – лидары – созданы с использованием лазеров. Они позволяют получать профили тех или иных параметров, скажем, в атмосфере – влажности, концентрации аэрозолей, а также температуры, скорости и направления ветра и др. Дело в том, что, распространяясь в среде, лазерный луч взаимодействует с ее составом, например, его излучение рассеивается аэрозолями во все стороны по известным законам. Часть этого излучения, возвращенную назад, и регистрирует лидар. Зарегистрированный им профиль сигнала после специальной обработки позволяет судить, допустим, о концентрации молекул водяного пара или влажности и иной информации.

Лидары состоят из лазера, приемного зеркала и электронного блока для обработки принятых сигналов. Все это может находиться стационарно на земле, на автомобиле, на борту корабля или самолета, а также на космическом носителе. Разработаны и внедрены в практику уникальные комплексы аппаратуры, в том числе не имеющие аналогов лидары для зондирования атмосферы, лазерные навигационные системы для посадки самолетов, проводки судов при отсутствии видимости стандартных маяков, лазеры на парах металлов, лазерные спектрометры высокого и сверхвысокого разрешения, лазерные газоанализаторы, обеспечивающие конценрационную чувствительность в тысячу и более раз выше, чем стандартные методы спектрального анализа и т.д.

В результате многолетних систематических экспериментальных и теоретических исследований в Институте оптики атмосферы СО РАН создан и применен на практике поляризационный мобильный аэрозольный лидар ЛОЗА-3 для исследования оптико-физического состояния нижних слоев атмосферы (на горизонтальных и наклонных трассах), в частности для определения наклонной дальности видимости в аэропортах, а также дистанционного контроля запыленности воздушного бассейна индустриальных центров. В отличие от традиционных приборов, он позволяет изучать оптические характеристики атмосферы оперативно и в любом направлении полусферы.

На основе обширного класса нелинейных и когерентных оптических эффектов предложены новые, более эффективные методы зондирования. Они реализованы в таких основных аппаратурных разработках, как спектрохимический лидар для дистанционного экспресс-анализа вещества аэрозолей и подстилающей поверхности по эммисионным спектрам лазерной искры. Создан также оптико-аккустический локатор для измерения метеопараметров атмосферы.

С освоением солнечно-слепого ультрафиолетового диапазона спектра появилась возможность создания помехозащищенных устройств лазерного зондирования. Первым таким прибором стал лидар, основанный на комбинированном рассеянии излучения, с лазером на молекулах соединения криптона и фтора. Он определяет газовые микропримеси в атмосфере с концентрацией на уровне 10-5 атм. на дистанциях от 1 км в любое время суток. А для изучения влажности предназначен уникальный автоматизированный лидар «Диалог», с помощью которого впервые в мире осуществлено определение высотного профиля водяного пара ( до 10 км).

3.5 ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ

С первых дней создания оптических квантовых генераторов (1960) они вызвали огромный интерес у биологов и врачей. Получение большой мощности излучения на очень маленькой площади позволяет применять световой луч лазера в офтальмологии, хирургии, нейрохирургии, стоматологии и отоларингологии и других областях медицины.

Офтальмология. Особенно широкое применение излучение оптических квантовых генераторов получило в офтальмологической практике, где оно успешно используется для безоперационного лечения отслойки сетчатой оболочки и некоторых других патологических изменений глаз. Н. Г. Басов (1967), один из создателей оптических квантовых генераторов, отмечает, что в ряде клиник и институтов Академии медицинских наук освоена методика «приваривания» отслоившейся сетчатки к глазному дну строго дозированной вспышкой лазерного излучения. Больной даже не успевает увидеть и почувствовать эту вспышку — настолько она кратковременна. Эти операции постепенно становятся обычными. Лазер дает в руки хирургов совершенно уникальный «бескровный нож», которым можно делать операции на паренхиматозных органах. Дело в том, что, продвигаясь вглубь ткани, луч лазера одновременно как бы «заваривает» все капиллярные кровеносные сосуды.

Ряд отечественных и зарубежных авторов отмечают, что основанием для применения излучения лазером в офтальмологии послужил уже применявшийся в течение многих лет метод фотокоагуляции при лечении некоторых глазных заболеваний.

Известно, что интенсивное воздействие на открытый глаз инфракрасными лучами, сфокусированными на глазное дно и направленными на определенный его участок, вызывает термические повреждения сетчатки, ее ожог с последующим развитием некроза. Нa этом принципе был основан метод лечения фотокоагуляцией отслойки сетчатки. Этот метод в настоящее время широко применяется в офтальмологической практике. Показаниями к лечебному применению фотокоагуляци являются: макулярные разрывы сетчатки, периферические ее разрывы без отслойки сетчатки, ангиомы сетчатки, перифлебит сетчатки, периферические опухоли сетчатки, наружные заболевания коньюктивы, кожи век и др.

Хирургия. Несмотря на значительные достижения современной хирургии, техника хирургических вмешательств продолжает нуждаться в дальнейшем совершенствовании. В частности, хирурги постоянно и настойчиво ищут более щадящие и безопасные способы и новые принципы рассечения тканей, разрабатывают методы «бескровных операций», обеспечивающие минимальное кровотечение и кровопотерю, особенно при операциях, при которых остановка кровотечения до сих пор является далеко не решенной проблемой. Как известно, кровотечение и кровопотеря особенно опасны при операциях у лиц с пониженной свертываемостью крови (гемофилия, лучевая болезнь и др.). В борьбе с кровотечением и кровопотерей большие надежды в последние годы возлагаются на операции с помощью сфокусированного луча лазера или лазерного скальпеля.

По понятным причинам возможность использования лазерного луча в качестве нового и своеобразного режущего инструмента представляет определенный интерес для ряда хирургических специальностей. Не удивительно, что именно этому аспекту применения лазеров в медицине уделяется большое внимание.

Применение лазерного скальпеля для рассечения различных тканей и органов основано главным образом на термическом эффекте воздействия на биологические объекты лазерного излучения непрерывного действия: углекислотного (длина волны 10,6 мкм), аргонового (длина волны 0,4880 и 0,5145 мкм) и др. В технике оперативных вмешательств применяются специальные лазерные хирургические установки.

Нейрохирургия. Весьма эффективным оказалось использование лазерного скальпеля в нейрохирургической практике. Ф. Хепнер и П. Ашер (1978) произвели с помощью лазерной установки «Шарплан 791», работающей на основе СО2, оперативные вмешательства у 127 больных по поводу менингиом, астроцитом, нейрином, метастазов злокачественных опухолей в мозг, кровоточащих кистозных образований, экстрамедуллярных опухолей спинного мозга и др. Достаточно большой объем клинических наблюдений позволил авторам наметить пути использования лазерного излучения в нейрохирургии. Были отмечены очень важные для нейрохирургов положительные качества лазерного скальпеля: высокая топографическая точность разрезов, особенно при сочетании лазера с операционным микроскопом, и коагулирующая способность лазерного луча. Максимальная выходная мощность лазерной установки составляла 50 Вт. Воздействие расфокусированным лучом лазера при оперативных вмешательствах позволяло быстро коагулировать ткань и останавливать кровотечения.

Первые клинические наблюдения по использованию лазерного излучения в нейрохирургии показали перспективность этого метода при оперативных вмешательствах. Весьма необходимо в настоящее время проведение комплекса экспериментальных разработок по созданию специальных лазерных установок для нейрохирургических целей и обучение специалистов-нейрохирургов работе с лазерными установками

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7