Мощность лазерной указки формула. Все о лазерах. Условно безопасные устройства

Площадь боковой поверхности призмы. Здравствуйте! В этой публикации мы с вами разберём группу задач по стереометрии. Рассмотрим комбинацию тел – призмы и цилиндра. На данный момент эта статья завершает всю серию статей связанных с рассмотрением типов заданий по стереометрии.

Если в банке заданий будут появляться новые, то, конечно же, будут и дополнения на блоге в будущем. Но и того что уже есть вполне достаточно, чтобы вы могли научиться решать все задачи с кратким ответом в составе экзамена. Материала хватит на годы вперёд (программа по математике статична).

Представленные задания связаны с вычислением площади призмы. Отмечу, что ниже рассматривается прямая призма (и соответственно прямой цилиндр).

Без знания всяких формул, мы понимаем, что боковая поверхность призмы это все её боковые грани. У прямой призмы боковые грани это прямоугольники.

Площадь боковой поверхности такой призмы равна сумме площадей всех её боковых граней (то есть прямоугольников). Если речь идёт о правильной призме, в которую вписан цилиндр, то понятно, что все грани этой призмы являются РАВНЫМИ прямоугольниками.

Формально площадь боковой поверхности правильной призмы можно отразить так:

27064. Правильная четырехугольная призма описана около цилиндра, радиус основания и высота которого равны 1. Найдите площадь боковой поверхности призмы.

Боковая поверхность данной призмы состоит из четырёх равных по площади прямоугольников. Высота грани равна 1, ребро основания призмы равно 2 (это два радиуса цилиндра), следовательно площадь боковой грани равна:

Площадь боковой поверхности:

73023. Найдите площадь боковой поверхности правильной треугольной призмы, описанной около цилиндра, радиус основания которого равен √0,12, а высота равна 3.

Площадь боковой поверхности данной призмы равна сумме площадей трёх боковых граней (прямоугольников). Для нахождения площади боковой грани необходимо знать её высоту и длину ребра основания. Высота равна трём. Найдём длину ребра основания. Рассмотрим проекцию (вид сверху):

Имеем правильный треугольник в который вписана окружность с радиусом √0,12. Из прямоугольного треугольника АОС можем найти АС. А затем и AD (AD=2АС). По определению тангенса:

Значит AD=2АС=1,2.Таким образом, площадь боковой поверхности равна:

27066. Найдите площадь боковой поверхности правильной шестиугольной призмы, описанной около цилиндра, радиус основания которого равен √75, а высота равна 1.

Искомая площадь равна сумме площадей всех боковых граней. У правильной шестиугольной призмы боковые грани это равные прямоугольники.

Для нахождения площади грани необходимо знать её высоту и длину ребра основания. Высота известна, она равна 1.

Найдём длину ребра основания. Рассмотрим проекцию (вид сверху):

Имеем правильный шестиугольник, в который вписана окружность радиуса √75.

Рассмотрим прямоугольный треугольник АВО. Нам известен катет ОВ (это радиус цилиндра). ещё можем определить угол АОВ, он равен 300 (треугольник АОС равносторонний, ОВ –биссектриса).

Воспользуемся определением тангенса в прямоугольном треугольнике:

АС=2АВ, так как ОВ является медианой, то есть делит АС пополам, значит АС=10.

Таким образом, площадь боковой грани равна 1∙10=10 и площадь боковой поверхности:

76485. Найдите площадь боковой поверхности правильной треугольной призмы, вписанной в цилиндр, радиус основания которого равен 8√3, а высота равна 6.

Площадь боковой поверхности указанной призмы из трёх равных по площади граней (прямоугольников). Чтобы найти площадь требуется знать длину ребра основания призмы (высота нам известна). Если рассматривать проекцию (вид сверху), то имеем правильный треугольник вписанный в окружность. Сторона этого треугольника выражается через радиус как:

Подробности этой взаимосвязи . Значит она будет равна

Тогда площадь боковой грани равна: 24∙6=144. А искомая площадь:

245354. Правильная четырехугольная призма описана около цилиндра, радиус основания которого равен 2. Площадь боковой поверхности призмы равна 48. Найдите высоту цилиндра.

Миф 3. "Энергетика" лазерного оружия ничтожна о сравнению с огнестрельным. "Для сравнения: мощность 76-мм дивизионной пушки Ф-22 образца 1936 года- порядка 150 мегаватт. В 150 раз больше (чем у ABL)!.. Это еще мы не учитываем энергию ВВ в самом снаряде. Там еще столько же. Вдумайтесь в этот простейший факт: маленькая древняя пушка времен ВОВ по цене металлолома в сотни раз мощнее ультрасовременного "боевого" лазера весом десятки тонн и стоимостью свыше $5 млрд. Один только выстрел из ABL стоит миллионы долларов. И этот выстрел по энергетике сравним с очередью крупнокалиберного пулемета".

Сравнение мощности, развиваемой в течение 0,01 сек, с мощностью постоянного излучения, и с помощью этого сравнения - "доказывание" неполноценности более "долгоиграющего" оружия противоречит даже курсу школьной физики. Попробуем провести сравнение корректным способом - подсчитав энергию, отправляющуюся к цели.

Вот как? А подсчет количества энергии без учета того, за какое время эта энергия передается цели, значит, не противоречит школьному курсу физики? Интересно, где Пожидаев физику учил.
Я вроде уж куда проще разъяснил, почему лучше сравнивать именно через мощность, то есть энергию деленную на время. Придется еще раз.

Через энергию конечно тоже можно посчитать, но если делать это действительно корректным способом, то это будет на порядок сложнее, требует учета разных факторов и оговорок - ведь тогда нужно считать эффективную энергию луча , ту ее часть которая непосредственно потратится на разрушение цели.

Нельзя тупо брать всю энергию лазера оптом, что отправили в направлении цели, это сугубо некорректно.
Ведь луч лазера принципиально отличается от кинетического оружия тем, что, будучи маломощным средством поражения, может значительно отражаться от нее и ему требуется на порядки больше времени воздействовать на цель, чем снаряду. По сути, лазер десятки секунд греет некое пятно на цели. При этом тепло (энергия) из этого пятна:
безвредно тратится на нагрев окружающего воздуха,
безвредно уходит в окружающую среду в виде инфракрасного излучения,
безвредно распространяется за счет теплопроводности по телу мишени (если стенки металлические и особенно если мишень движется).

И только очень маленькая доля энергии луча, (хорошо если 1-2%) действительно разрушает (размягчает, плавит, испаряет, сжигает) материал цели. В случае же снаряда обычно бОльшая часть его энергии (с учетом энергии взрывчатки) тратится именно на поражение цели.

Вот что об этом можно прочитать в материалах инженерного симпозиума 2012 года по морским боевым системам, доклад Dr. Phillip Sprangle по боевым морским лазерам):

Laser Lethality

Thermally ablating 1/4 pound of target material requires ~ 1.3 MJ of laser energy

1 MJ is equivalent to ~ 1/2 pound of explosive

For an engagement time of 5 sec the required laser power is > 250kW

100 kW of absorbed laser power for 2 sec ablates ~ 20 grams (~ 8 pennies)

Итак, данный инженер докладывает что 100 квт поглощенной мощности за 2 секунды испарит на цели 20 грамм вещества. Что эквивалентно около 40 граммам взрывчатки. Особо подчеркивается что речь идет не о выходной мощности луча, а той что полностью поглотится материалом. А вот какая излучаемая мощность нужна, чтоб столько энергии поглотилось на цели, он скромно умолчал. Очевидно потому что циферки совсем недостижимые выйдут.

Если же кто-то полагает что снаряд там или пуля тоже растрачивает много энергии впустую на преодоление сопротивления воздуха, то у лазера с этим все гораздо хуже (см. ниже).

Есть еще большая проблема, если считать по энергии, а не мощности: когда мы считаем отправляемую энергию пушкой - какую скорострельность брать? Там ведь разница в несколько порядков бывает.
Но наш разоблачитель не только великий физик, он еще и спец по огнестрельному оружию!
Он-то знает какую скорострельность взять:

Дульная энергия 12,7 мм крупнокалиберного пулемета НСВ 15-17,5 кдж, при боевой скорострельности 80-100 выстрелов в минуту . Иными словами, даже 100 квт лазер - это "три с половиной" крупнокалиберных пулемета (6000 кдж/мин против 1750)

Вот это просто прекрасно - он взял боевую скорострельность "Утеса". Т.е. скорострельность с учетом перерывов на прицеливание/перезарядку/охлаждение.
А для лазера-то он эти перерывы не учел, взял мгновенную мощность, в импульсе.
Очередное сравнение пальца с жопой.
Если брать 100 кВт (т.е пиковую мощность) для лазера, то для пулемета нужно брать техническую (пиковую) скорострельность в моменте. Которая для "Утеса" составляет 700-800 выстр/мин.
И тогда получим 13000 кДж/мин у пулемета против 6000 кДж/мин у 100 квт лазера. И это еще скромненько.

Можно ведь взять какой-нить скорострел с вращающимся блоком стволов и темпом 6000 выстр/мин.
И получить отправляемую им энергию более 100 тыс кДж/мин. На два порядка больше чем у лазера!
Так что в данном случае лазер курит в стороне, как ни считай - хоть по мощности, хоть по выходной энергии.
При несопоставимо бОльших размерах. Помним, что представляет из себя твердотельный лазер на 100 кВт?

Вернемся, однако, к пушке. Дульная энергия Ф-22 - 1,35 МДж, в то время как мощность ABL - 1,1 МВт, т.е. 1,1 МДж ЕЖЕСЕКУНДНО. Таким образом, в минуту лазер выбрасывает 48 "снарядов". Переведя мегаватт в тротил, мы получим 240 г взрывчатки в секунду и 14,4 кг в минуту, что эквивалентно содержимому 18 осколочно-фугасных снарядов от все той же пушки.

Однако еще лучше вернуться к пониманию того, что вот эти все расчеты с энергетикой были изначально затеяны, чтобы сравнить поражающую способность лазера данной мощности со ствольной артиллерией (или стрелковкой).
Я об этом несколько раз написал, но у Пожидаева не отложилось. Вместо этого он подменил мои прикидки своими, совершенно не понимая их физического смысла. Взял формулы какие ему взбрелись, подставил тупо циферки и получил сущий бред - будто бы минутный "выстрел" лазера ABL эквивалентен по эффекту обстрелу цели 50-тью снарядами 76-мм пушкой.
В то время как он не мог не видеть ролик, который я привел, где наглядно показано воздействие этого мегаваттного ABL на ракету:

Тут лазер светит секунд 20? То есть по "энергетическим" расчетам Пожидаева выходит, что лазер "выбросил 16 снарядов Ф-22", и ракета-мишень выдержала аж 15 попаданий из 76-мм ПУШКИ и на 16-ом чего-то там от нее отлетело.
Это чудо имеет два объяснения:
то ли ракета-мишень была бронирована как немецкий танк "Тигр",
то ли энергетические расчеты нашего "физика" являются бреднями, вызванными глобальным непониманием того, что эти расчеты служат для оценки эффекта воздействия на цель, а не тупого жонглирования цифрами из желания поспорить, а также непониманием того, что нельзя выходную энергию лазера путать с поглощаемой энергией на цели.

Вывод очевиден, кмк..

Замечу, что я еще скромненько так посчитал мощность пушки, взяв за основу мощность самого выстрела, в то время как время воздействия снаряда на цель зачастую бывает намного меньше, чем время разгона в стволе, а значит мощность поражения цели будет еще больше. Никакой лазер даже близко не сравнится.

Может быть еще такое возражение что пушка на той дистанции, что поражает лазер - либо не попадет, либо не долетит.
Да какие проблемы? Возьмите авиационную управляемую ракету, или зенитную. Они тоже входят в понятие обычного оружия и тоже превосходят лазеры по всем статьям.

Однако фактическая "ценность" лазера выше. Дело в том, что даже при прицельной стрельбе из огнестрельного оружия основная часть "энергии" достается не врагу, а окрестному ландшафту. Виной тому - добрый десяток факторов (ветер, колебания влажности, давления и температуры воздуха, сила Кориолиса и т.д.), обеспечивающих пуле/снаряду неизбежное рассеивание. А поток фотонов летит ровно туда, куда его направили - исключая массу непроизводительных потерь

Во-первых, здесь как видно Пожидаев забыл об управляемом оружии, которому вовсе не приходится поражать окрестный ландшафт.

Во-вторых, совсем плохая новость для него - и ветер, и влажность, и пыль и даже просто воздух влияют на энергию лазерного луча гораздо фатальнее, чем на пули/снаряды.

Что характерно, эту тяжелейшую проблему лазерного оружия он полностью проигнорировал в своем мифоборчестве. Такой вот дотошный опровергатель: тут читаем, тут не читаем, а тут мы рыбу заворачивали.
Я правда тоже ранее лишь обозначил ее, в общих словах.

Теперь видимо пора раскрыть этот вопрос подробнее и с цифрами, учитывая что он лишь один, сам по себе, делает невозможным создать эффективное лазерное оружие в условиях атмосферы и реального боя.

Для этого я воспользуюсь соответствующим научным исследованием от Naval Research Laboratory, о распространении высокоэнергетических лазерных лучей в различных условиях (Propagation of High Energy Laser

Beams in Various Environments). (спасибо за наводку френду sergeyvz )
Рассмотрим несколько интересных графиков оттуда:








На этих графиках показано как зависит мощность луча, дошедшая до цели на расстоянии 5 километров, от излучаемой мощности, для разных длин волн и разных условий в атмосфере (город, море, пустыня и "село").
Нас интересует тут длина волны 1.045 мкм (темно-синяя кривая), это очень близко к излучению перспективных твердотельных лазеров (1.06 у JHPSSL).
Во-первых, оказывается что в городском воздухе (при видимости 10 км) есть порог в 30 квт, то есть больше мощности до цели просто не дойдет, какую бы мощность мы не излучали, хоть несколько мегаватт.
Все остальное поглотит/рассеет городская пыль.
То есть в городе, в его "чистом" воздухе боевые лазеры практически неприменимы.
За городом, в сельской местности - порог около 400 квт, тоже немного.
При этом излучаемая мощность должна быть около 1.3 Мвт - остальное рассеется по пути.

Откуда берется этот порог? Дело в том что содержащийся в воздухе аэрозоль из твердых частиц приводит к крайне неприятному для лазерщиков явлению - тепловому размытию луча (thermal blooming).
Механизм такой - начиная с определенной мощности лазер так нагревает твердые частицы, что они разлагаются/испаряются и интенсивнее греют воздух, воздух расширяется и начинает работать для луча как расфокусирующая, рассеивающая линза.
Дальнейшее повышение мощности луча лишь приводит к увеличению доли "размытой энергии".

В пустыне и море дело обстоит получше, порога там нет для лазера с длиной волны 1.06, но потери все равно очень велики - на 5 километрах теряется от 70 до 50% энергии луча, соответсвенно. Отсюда понятно, почему американцы так любят демонстрировать свои лазеры на полигоне в пустыне (White Sands) и на море.

Для сравнения, снаряд пушки хоть и потеряет на дистанции в 5 км 70% своей кинетической энергии из-за торможения, но энергия взрывчатки в нем по пути никак не уменьшится. С лазером же такое невозможно.

Надо также понимать, что здесь не рассмотрены осадки, туман или какие-то загрязнения воздуха. В этих ситуациях луч уже ослабляется в несколько раз, и вплоть до полного непрохождения, что сводит применение лазерного оружия лишь к случаям хорошей погоды и в отсутствии дымовой завесы или пыли и дыма от взрывов.

Так что это как раз снаряд летит куда его направили, и честно доносит свой тротил до цели, а "фотоны лазерного луча" по пути греют воздух, воду, пыль, летят большей частью куда угодно, но не к цели.

Миф 4 . КПД лазеров — единицы процентов .

Фактически он у боевых лазеров до 20,6%, и это не предел. В рамках программы RELI КПД намечено поднять до 25%. Волоконные лазеры, которые приспособила к военному делу Raytheon, уже сейчас имеют КПД около 30%. У огнестрельного оружия — 20-40%.

Конкретно наша древняя 76-мм пушка имеет КПД около 35%.
Современные танковые гладкостволки - более 40%.
Волоконные лазеры действительно могут иметь КПД до 30%, но они крайне маломощные, даже 100 квтный лазер приходится набирать из многих модулей. Но самая главная проблема не просто в малом КПД, а в том, что сама форма образования побочной энергии в лазерном оружии в виде тепла крайне неблагоприятна для его применения.
Я уже приводил выше пример с пистолетом.

Миф 5 . Лазерный луч имеет огромную дифракционную расходимость .

"Здесь вступает в силу непреодолимый физически закон дифракции, который гласит - излучение лазера всегда расходится с углом = длина волны/диаметр пучка. Если мы возьмем конкретно боевой инфракрасный лазер с длиной волны 2 мкм (на такой длине работают боевые лазеры THEL и т.п.) и диаметр пучка 1 см, то мы получим угол расхождения 0.2 миллирадиана (это очень маленькое расхождение - например, обычные лазерные указки/дальномеры расходятся на 5 миллирадиан и больше). Расхождение 0.2 мрад. на дистанции 100 метров увеличит диаметр пятна с 1 см до примерно 3 см (если кто еще помнит школьную геометрию). То есть плотность воздействия упадет пропорционально площади в 7 раз всего лишь на 100 метрах. А на километре плотность луча упадет уже в 300 раз".

На самом деле боевой лазер, излучающий пучок исходным диаметром 1 см - это примерно то же, что и маленькие зелёные человечки… т.е. плод нездоровой фантазии, не отягощённой хотя бы минимальными знаниями.

Вот это мне больше всего нравится.
Дело в том, что если какие лазеры и использовались реально в качестве средства поражения на поле боя, то вот именно с таким (или даже меньшим) пучком. Просто товарищ Пожидаев сам не отягощен даже минимальными знаниями об этом. Речь о так называемых даззлерах (ослепляющих лазерах). Естественно, их быстро расходящийся пучок не был препятствием, поскольку для ослепления хватало и этого.

В действительности, при использовании фокусирующей оптики дифракционная расходимость равна примерно λ/D, где лямбда - длина волны, а D - диаметр зеркала (он же - исходный диаметр пучка, постепенно сужающегося к цели из-за фокусировки; большая стартовая "толщина" обеспечивает низкую дифракционную расходимость).

В случае с ABL длина волны равна 1,315 мкм, а диаметр зеркала — 1,5 м, поделив одно на другое, получаем расходимость около 10 в минус 6-й степени радиан. Иными словами, луч лазерного "Боинга" "расплывется" на километровом расстоянии всего на… 1 миллиметр. На расстоянии 200 км, дифракционная расходимость составит 20 см. Фактическая расходимость луча ABL превышает дифракционный предел всего в 1,2 раза.

В случае с реальным применением оружия на поле боя никаких зеркал диаметром ни 1.5 метра, ни 50 см и сложнейших систем фокусирующей оптики использовать нельзя. Иначе получаются не боевые лазеры, а полигонные дурилки, исключительно для демонстрации их в идеальных условиях. Если мы хотим иметь что-то вроде лазерного пулемета - то оно по размерам должно быть примерно как пулемет и не бояться ударов, вибрации, грязи и и т.п. Поэтому все идеи с попыткой обойти дифракционную расходимость за счет оптических ухищрений сразу прогорают - пучок должен быть изначально тонким.

Впрочем, в тех узких нишах применения, когда все же можно использовать прецизионное большое зеркало, как в случае с противоракетным лазерным Боингом (ABL), уход от проблемы с дифракцией привел к другому комическому эффекту - этот лазер получился с фиксированным фокусным расстоянием, потому что фокусирующее зеркало его не может менять кривизну в принципе. Это керамический монолит толщиной 30 см, его целый год шлифуют/полируют!
Соответственно, ABL мог поражать цели только в определенном узком диапазоне, в котором сфокусирован луч до размера баскетбольного мяча. Взлети ракета в нескольких километрах от самолета - на этой дистанции он бы имел слишком толстый, 1.5 метровый в диаметре луч, и был бы скорей всего бессилен. Во всяком случае, испытаний на близких дистанциях не демонстрировали почему-то. А было б забавно.

Миф 6 . От лазерного оружия можно легко защититься - например, алюминиевым зеркалом.

Действительно, металлы могут иметь феерические коэффициенты отражения. Однако, во-первых, эти коэффициенты - в значительной мере "бумажные". Реальная ракета после старта будет иметь повреждения и загрязнения.

О как? Оказывается реальные боевые ракеты в мире пожидаевских фантазий от кончика до хвоста сплошь покрыты грязью и царапинами. Ведь лазер не будет выискивать чистые места, попадет куда придется. И надо чтоб там непременно были грязь и повреждения, а то лазерщики опростоволосятся.

Во-вторых, коэффициенты отражения металлов в ближнем инфракрасном диапазоне, как правило, весьма средние - а именно там и работают современные боевые лазеры. Скажем, алюминий, у которого одни из лучших показателей, имеет громадный коэффициент отражения в ИК-диапазоне. Однако на волне в 1 мкм, коэффициент отражения падает до 75%. Между тем, современные "гиперболоиды" излучают именно в "окрестностях" 1 мкм (ABL - 1,315 мкм). При этом 25% от сотен киловатт с лихвой хватит, чтобы разогреть и подплавить тонкий верхний слой обшивки, на чем отражение и закончится — поглощение лазерного излучения быстро растет вместе с ростом температуры, и резко подскакивает после начала плавления.

Ок, смотрим какие на самом деле коэффициенты отражения у металлов в ближнем ИК-диапазоне.

Здесь первая прерывистая линия (Nd:YAG) в районе 1 мкм как раз соответсвует излучению наших боевых твердотельных лазеров.

Оказывается, алюминий поглощает лишь около 7% этого излучения, то есть отражает 93% а не 75%.
А если сделать медное, серебряное или золотое напыление - то отразится до 97-99%.
Кстати, титан отражает тоже около 95%. "Весьма средние коэффициенты", ага.
И что самое обидное, Нагрев металла увеличивает коэффициент поглощения. Однако это не распространяется на не содержащие железо металлы с высокой отражательной способностью, такие как медь и алюминий, потому что эти металлы объединяют в себе высокую отражательную способность и высокую теплопроводность, которые снижают эффективность лазерной резки. Так что у ракеты не получится "подплавить и закончить отражение", как придумал Пожидаев.

А как же "детский" вопрос - "если лазерный луч можно фокусировать и наводить зеркалом, то почему зеркалом нельзя защититься"? В самих лазерах используются, как правило, многослойные диэлектрические зеркала, способные отражать очень много - но в крайне узком диапазоне и только под строго определенными углами. Кроме того, они охлаждаемые - а со всей поверхностью цели это проделать, как правило, невозможно.

Как видно по коэффициентам, достаточно тонкого напыления чтоб организовать более чем эффективное ИК-зеркало, которое вовсе не нужно как-то специально охлаждать - можно просто закрутить ракету.
Иными словами, простой, эффективной и дешевой защиты от мощных лазеров не существует.

Заявил наш смелый разоблачитель, в очередной раз проигнорировав предложенную мной простейшую и эффективнейшую на 100% защиту - абляционную смолу. Которой защищают спускаемые космические аппараты и боеголовки МБР.
И которая при испарении может отвести гигантские потоки внешнего тепла.

Миф 7. Проблема перегрева для лазеров нерешаема . "На каждый мегаватт энергии генерируется 4 мегаватта тепла, которые способны раскалить самолет докрасна и спалить дотла. Система охлаждения со скоростью газового потока 1800 м/сек (сопло Лаваля) оказалась не способна выдуть все вырабатываемое тепло из фюзеляжа".

В реальности "утилизация" количеств тепла в единицы мегаватт сама по себе достаточно тривиальна. Кто-нибудь видел "раскалившийся докрасна" тепловоз? Между тем, приличный дизель мощностью в пару мегаватт сбрасывает маслу и системе охлаждения более мегаватта тепла. Куда менее проста задача вывода тепла из ограниченного объема собственно "орудия". В случае с химическим лазером ABL разогретые продукты реакции просто выдуваются из резонатора (пресловутым соплом Лаваля), а далее для охлаждения используется жидкий аммиак. Достаточно громоздкая система с проблемными криогенными компонентами — однако она действительно способна "утилизировать" очень внушительные количества тепла.

Эта проблема на самом деле решена более менее лишь для химических, газовых лазеров с открытым контуром - они тупо сбрасывают раскаленные токсичные газы в окружающую среду. Но у нас прогресс кажется пришел к твердотельным лазерам? Вот там все гораздо хуже.

Тактические твердотельные лазеры, которым предстоит избавляться от 400 квт тепла, вполне обходятся без криогенных "холодильников". Так, HELLADS — это продукт "скрещивания" нормального твердотельника и лазера с жидким рабочим телом; циркуляция последнего и выводит избыточное тепло за пределы "пушки". Примечателен и свежий продукт General Atomic — аккумулятор тепловой энергии, специально созданный для охлаждения лазеров. Модуль весом 35 кг способен поглотить 230 кВт — тепло расплавляет энергоемкий материал, похожий на воск. В итоге режим HELLADS - до двух минут непрерывного излучения с последующим тридцатисекундным перерывом.

Нет на сегодня такого HELLADS. Не создан еще такой тактический лазер даже в виде экспериментального образца.
Сегодняшнее состояние этого проекта таково : создан и испытан некий первичный модуль на 34 кВт (еще в 2011ом году), и теперь нужно нарастить мощность до 150 кВт. Причем это планировали сделать к концу 2012 года, но до сих пор молчок. Никаких новостей. На сайте General Atomics тоже тишина , сплошные обещания, из которых следует что лазер на 150 кВт не создан до сих пор. Похоже не выходит каменный цветок.
Что касается теплового аккумулятора, то последняя новость о нем была от 2010 года , и там приведена его емкость - 3 Мдж. Это означает что он сможет обеспечить лишь 5 секунд охлаждения 150 кВт лазера. Так что тут вместо фактов какой-то опять незамутненный поток пожидаевских фантазий.

Миф 8. Мощных и компактных источников энергии для боевых лазеров не существует .

Отчасти это действительно так - 100 квт твердотельный лазер пока не представляется возможным взгромоздить на что-либо меньшее, чем грузовик из-за необходимости иметь под рукой генератор на 500 квт и конденсаторы соответствующей мощности. Таковы реальные масштабы проблемы - не имеющие ничего общего с фантазиями по поводу "атомных реакторов". На практике гибридный вариант грузовика HEMTT — HEMTT А3 даже в базовой комплектации имеет электрогенератор на 350 киловатт, способный обеспечить до 200 квт "экспортируемой" энергии. При повышении мощности двигателя до 505 л.с. A3 может обеспечить "внешнему" потребителю 400 кВт. Приятным дополнением является батарея конденсаторов на 1,5 мегаджоуля. Иными словами, там, где обитателям блогосферы мерещатся электростанции - на самом деле маячит один грузовик, хотя и довольно высокотехнологичный

Каковы реальные масштабы проблемы и как заблуждается Пожидаев насчет помещения 100 кВт лазера на высокотехнологичный грузовик - я уже показал выше.

Миф 9. Каждый выстрел лазера стоит миллионы .

В действительности один выстрел ABL стоит $10 тыс.; отечественные "16 миллионов" — пропагандистское… преувеличение. Это примерная стоимость незатейливой носимой ПТУР вроде "Фагота". Более серьезные противотанковые ракеты стоят десятки тысяч долларов, Maverick (ракета воздух-поверхность с дальностью в 28 км) - $154 тыс., одна ракета к "Patriot" — $3,8 млн. Стоимость выстрела тактических лазеров еще меньше, чем у ABL — даже у фторводородного THEL она составляла $2-3 тыс., при том, что фактически этот лазер использовал не водород, а достаточно дорогой дейтерий.

Стоимость одного часа использования лазерного Боинга предполагалась выше 92 000 долларов.
Всего он мог делать 4-6 выстрелов и патрулировать должен быть десятки часов.
Отсюда, по самой минимальной оценке стоимость его выстрела получается порядка сотен тысяч долларов.

Миф 10. Все задачи, которые могут быть решены лазерным оружием, легче и дешевле решаются традиционными средствами .

Эта теория уже доказала свою несостоятельность. Пример — попытки Израиля защититься от ракетных атак ХАМАС с помощью противоракет (система Iron Dome). Один пуск противоракеты обходится в $30- 40 тыс. Стоимость ракеты для "Града" составляет порядка $1 тыс., стоимость "Кассамов" не превышает $200. Таким образом, перехват будет обходиться в 40-200 раз дороже, чем само средство нападения. Как заметил по этому поводу представитель ХАМАС Тарик Абу Назар, "если каждый удар наших ракетчиков будет стоить израильтянам десятки тысяч долларов, мы будем считать, что цель достигнута". В итоге отдельные злобные газетчики обвиняют в "распиле" не разработчиков лазеров, а тех, кто закрыл соответствующую израильско-американскую программу. Ограниченно применимой - из-за малого радиуса действия и огромного расхода боеприпасов — оказалась и система Centurion.

История израильской борьбы с ракетными атаками доказала ровно обратное.
Как общеизвестно, изначально для этого разрабатывали лазерную установку THEL.
Израиль потратил большие деньги, но все кончилось ничем - система была очевидно небоеспособна и проект закрыли.
Ее неустранимые недостатки были очевидны с самого начала участникам проекта , начиная с того что люди буквально сидели на цистернах с крайне токсичными компонентами, что привело бы к катастрофе при попадании в установку копеечной ракеты, заканчивая ее неспособностью поражать цели при плохой погоде.

В итоге израильтяне пришли к старым добрым зенитным ракетам, системе Iron Dome и теперь массово их используют.
Видимо считают что ущерб от попадания палестинских ракет в населенные пункты, от гибели гражданских все же выше стоимости противоракет.

Разумеется, это далеко не полный список легенд о лазерах. Большинство из них построено по тому же принципу — либо сознательная ложь, либо старательное превращение мухи в слона. На самом деле лазеры на поле боя - реальны, а армия, которая сможет обзавестись ими, получит внушительное преимущество.

Сказал фанат лазеров, построив буквально каждое свое мифоразоблачение на сознательной лжи, нелепых выдумках и передергиваниях.

Так что реальна лишь потрясающая техническая безграмотность бескорыстных поборников лазерного оружия и безграничные аппетиты и фуфлогонство его разработчиков.

Поэтому как и , эту тему с лазерным оружием прекрасно можно использовать в качестве лакмуса для выявления безграмотных военных экспердов и прочих журнализдов.

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Основными свойствами лазерного излучения являются: монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность, высокая мощность и яркость.

Монохроматичность и поляризация .

Монохроматичность характеризует степень концентрации излучения по спектру. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума или спектральный диапазон , занимаемый группой линии.

Более объективной характеристикой является относительная ширина спектра
, где,- угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

Ширина спектральной моды, выделяемой резонатором, определяется его добротностью
. В свою очередь величинаопределяется потерями в резонаторе.

Теоретический предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется двумя факторами: 1) шумами, обусловленными тепловым излучением в резонаторе; 2) шумами, связанными со спонтанным излучением активного вещества. В оптическом диапазоне шумы за счет спонтанного излучения преобладаю над тепловыми шумами. Если учитывать только шумы, вызванные спонтанными переходами, то окажется, что спектральная линия выходного лазерного излучения имеет лоренцову формулу (см. п.1.7) с полушириной
, гдеР – выходная мощность лазерного излучения.

Для лазера с выходной мощностью Р = 1 мВт, излучающего в красной области спектра (λ 0 = 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора 10 8 , получаем
≈ 5∙10 -16 . Так как
, приL =1м допустимое отклонение длины резонатора составляет
= 5∙10 -7 нм. Очевидно, стабилизировать длину резонатора в таких пределах весьма проблематично. В реальных условиях монохроматическое лазерное излучение определяется изменениями длины резонатора, вызванными тепловыми эффектами, вибрациями и т.д.

Рассмотрим вопрос о поляризации лазерного излучения. Свет, у которого существует упорядоченность ориентации векторов напряженностей E и H , называется поляризованным . Лазер, вообще говоря, может генерировать неполяризованный свет, но это вредит стабильной работы лазера. Для обеспечения работы лазера на одной поляризации и получить на выходе плоскополяризованный свет, достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Плоскополяризованным называется свет, у которого направления колебаний векторов E и H в любой точке пространства остаются неизменными во времени . В твердотельных лазерах для этого используется анизотропия оптических свойств активного вещества. Например, излучение рубинового лазера, как правило, поляризовано вследствие его двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора.

Когерентность характеризует согласованное протекание во времени и в пространстве двух или нескольких колебательных волновых процессов, появляющееся при их сложении.

В простейшем виде в оптике когерентность связана с постоянством разности фаз двух различных излучений или двух частей одного излучения . Интерференция двух излучений при их сложении может наблюдаться только, если они взаимно когерентны .

Для электромагнитной волны можно определить два независимых понятия - пространство и время когерентности.

Под пространственной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из двух различных точек источника в одинаковые моменты времени.

Под временной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из одной и той же точки.

Пространственная и временная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность.

Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

Степень взаимной когерентности двух излучателей можно экспериментально определить по контрасту интерференционной картины

, (1)

и
- интенсивности в максимуме и минимуме нтерференционных полос.

Измерив интенсивности
и
вблизи выбранных точек экрана, можно определить функцию, характеризующую степень взаимной когерентности первого порядка.

. (2)

Для наблюдения только пространственной когерентности в точках х 1 и х 2
, т.е. производить измерения вблизи точки 0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только временной когерентности отверстиях 1 и х 2 должны быть расположены сколь угодно близко (совпадать), но для двух интерферирующих волн должна быть обеспечена задержка во времени на , например, путем разделения волны от отверстиях 1 на две части с помощью дополнительного полупрозрачного зеркала, как это делается в интерферометре Майкельсона.

Рис. 2.10. Измерение степени когерентности электромагнитной волны с помощью интерферометра Юнга.

Время когерентности равно 1/∆ ω , где ∆ ω – ширина линии в Гц. Время когерентности, помноженное на скорость света, представляет собой длину когерентности. Последняя характеризует глубину резкости в голографии и предельные дистанции, на которых возможны интерферометрические измерения.

Когерентность излучения имеет значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Если расположить источники оптического излучения в порядке уменьшения степени когерентности генерации ими излучения, то будем иметь: газовые лазеры – жидкостные - твердотельные лазеры на диэлектриках- полупроводниковые лазеры- газоразрядные лампы – светодиоды - лампы накаливания.

Направленность и яркость.

Направленностью излучения называют локализацию излучения вблизи одного направления, которое является осью распространения излучения. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Для лазерного излучения коэффициент направленности может достигать 2000. Расходимость лазерного излучения ограничивается явлениями дифракции.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора .

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу с очень большим радиусом. Таким образом, лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень малой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией лучей на выходном отверстии. Угловая расходимость  изл , определяемая дифракцией, оценивается выражением
, гдеd – диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части.

Когерентное излучение лазера можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. Теоретическим пределом минимального размера лазерного пучка является длина волны. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001-0,01 см. В настоящее время с помощью лазеров достигнуты мощности излучения 10 11 Вт/см 2 (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10 3 Вт/см 2).

Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Яркость источника электромагнитной волны есть мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности.

Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости. Она служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент
, зависящий от длины волны.

Этот коэффициент является световым эквивалентом потока излучения и называется спектральной световой эффективностью монохроматического излучения или видностью. Для нормального дневного зрения максимум функции видности приходится на длину волны = 555 нм (зеркальный свет). При=380 и 780 нм видность уменьшается почти до нуля.