Может ли зеркало отразить лазер 5000 вт. Лазер и условия его работы. Оптические системы формирования лазерного излучения в технологических установках
Всегда ли свет распространяется по прямой линии?
Если луч света не встречает препятствий, он остаётся прямым. Если же световой поток сталкивается с каким-либо объектом или веществом, траектория движения луча меняется. Он способен проникать сквозь прозрачные объекты (стекло, вода), переходить из одной прозрачной среды в другую, но при этом будет отклоняться. Данное явление называется преломлением света. Непрозрачный объект (например, дверь) мешает проникновению света, и тогда луч отражается от его поверхности.
Световые лучи от нижней части соломинки (ниже поверхности воды) преломляются, когда проходят через воду, стекло и воздух. От верхней части соломинки лучи проходят только через воду и стекло, итак, луч проходит разные пути, поэтому преломление тоже разное.
Как быстро движется свет?
Скорость света самая большая из известных во Вселенной – почти 300 000 км/c. Все электромагнитные волны перемещаются столь же быстро, правда лишь тогда, когда оказываются в абсолютно пустом пространстве, то есть в вакууме. Скорость света снижается, когда он проходит сквозь прозрачное вещество.
Одна из теорий о пространстве и времени утверждает. Что если объект движется со скоростью, приблизительно равной скорости света, то течение времени для него замедляется. По достижении им скорости света время останавливается. Возможно, если бы скорость объекта была больше скорости света, время повернуло бы вспять, стало бы течь в прошлое. Тогда «кратчайшие» пути в космосе, названные пространственно-временными тоннелями, сделали бы реальными переходы со скоростью большей, чем скорость света.
Скорость света сильно меняется в зависимости от того, через какое вещество или среду он проходит.
Получение лазерного света
Слово «лазер» происходит от английского слова «laser», буквы которого являются начальными буквами словосочетания, переводимого как «усиление светового луча с помощью квантового генератора». Лазерный пучок получают посредством пропускания импульсов энергии через вещество, называемого активной средой. Подводимая энергия может быть электрической, тепловой или даже обычной световой. Атомы активной среды накапливают энергию, которая достигает определённого предела (порога) и извергается в виде вспышки лазерного света.
В чём отличие?
Свет, создаваемый лазером, относится к тому же виду электромагнитной волновой энергии, что и обычный свет. Но у него есть три характерные черты.
Лазерный свет
1. Все световые волны имеют одинаковую длину. Это значит, что все они одного цвета. Лазер испускает свет только одного чистого цвета.
2. Все гребни и подошвы волны одинаковые, равные, как волна гофрированного листового металла.
3. Все волны параллельны: они остаются на одном и том же расстоянии друг от друга, независимо от пройденного ими расстояния.
Обычный свет
1. То, что кажется одним цветом света, представлено смесью волн с разной длиной волны, это всегда комбинация нескольких цветов.
2. Гребни и подошвы волны перемешаны, а не выровнены.
3. Волны обычного света расходятся, поэтому весь пучок становится шире.
|
|||||||||
Исследователи научились искривлять поверхность воды при помощи источников оптического излучения еще в 1973 году, однако тогда для этого использовались мощные лазеры, действовавшие за счет большого фотонного давления. Это явление тогда было удивительно само по себе, т.к. вода имеет достаточно большое поверхностное натяжение (а свет оказывает сравнительно малое давление).
До сих пор считалось, что искривление может быть достигнуто при помощи лазеров мощностью не менее 10 Вт (это класс лазеров, используемых в микро-машиностроении или хирургии). Поэтому никто даже не пытался получить сходные результаты при помощи менее мощного оборудования. Но группа ученых из University of Rennes (Франция) решила провести эксперимент со слабым лазером в конфигурации, известной как полное внутреннее отражение, в рамках которой силы распределяются несколько иным образом, нежели в случае прямого облучения. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда вы освещаете светом воду под некоторым случайным углом, суммарная сила давления света будет складываться из воздействия трех лучей: первоначального, прошедшего через поверхность и отраженного от поверхности. В результате сила давления окажется вертикальной (горизонтальная компонента суммарной силы окажется равной нулю). Но когда свет падает на поверхность воды из ее толщи под углом более 49 градусов, он практически полностью отражается обратно. В этом случае горизонтальная составляющая силы сохраняется (согласно эффекту Гаусса Хенхена) и воздействует на воду в направлении центра луча. Образуется искривление поверхности, на подобие того, что возникает, если края листа бумаги сдвигать друг к другу.
На эксперименте команда использовала зеленый 20-милливатный аргоновый лазер, направленный под углом к поверхности из мелкого контейнера с водой, снабженного зеркалом вдоль дна. Лазерный луч несколько раз отражался от зеркала и поверхности, в конечном итоге попадал на сенсор. Удлиненное изображение луча демонстрировало искривление водной поверхности (также как кривое зеркало, в зависимости от своей формы, искажает пропорции отражающегося в нем человека). Ученые были озадачены тем, что при этом на поверхности образовывались не ожидаемые ими выпуклости, а, наоборот, впадины. Однако их объяснение показывает, что все это полностью соответствует влиянию эффекта Гаусса Хенхена. Свое мнение относительно того, почему возможен такой сюрприз, команда базирует на присутствии небольшого электрического поля, распространяющегося примерно на один микрон над поверхностью воды. Они полагают, что градиент этого поля настолько велик, что он значительно изменяет давление воздуха в непосредственной близости от поверхности (вдавливая ее вниз).
Коллеги ученых, однако, не до конца принимают данное объяснение, хотя и не берут под сомнения результаты эксперимента. По их мнению, модель слишком проста. Но, вне зависимости от деталей этой модели, обнаруженный эффект вполне может использоваться для создания небольших настраиваемых оптических линз.
Что такое лазер?
Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц - корпускул, а его оппонент Христиан Г юйгенс считал, что из волн. Прошло больше трехсот лет, а люди до сих пор не знают ответа. Не разрешив спора, ученые мужи пришли к компромиссу - корпускулярно-волновой теории света. Корпускулу назвали фотоном, волну - квантом, изучили свойства света, но спор так и не разрешили.
В процессе изучения электромагнитных волн (от сантиметрового до микрометрового диапазона длин волн) было обнаружено, что некоторые вещества (твердые, жидкие или газообразные) под воздействием внешнего возбуждающего излучения или электричества испускают структурированный свет, имеющий одну длину волны, направление распространения и фазу.
Проще говоря, это то самое явление резонанса, которое мы знаем из школьного курса физики. Помните пример про мост? По мосту марширует рота солдат. Они идут в ногу, в определенном ритме. И это постоянно усиливающееся колебание приводит к обрушению моста, который в принципе рассчитан даже на проезд грузовиков. То же самое происходит и со светом. Огромное количество световых волн различных длины, фазы и направления не оказывают существенного влияния на нас с вами и даже порой полезны.
Под влиянием импульса внешнего источника энергии в активной среде атомы переходят в возбужденное состояние, то есть их электроны занимают энергетически более высокое положение. Затем электроны сами возвращаются в старое положение, при этом излучая квант света. Этот квант проходит через соседний атом, возбуждая его. Получается уже два кванта света. Начинается цепная реакция, усиливаемая тем, что активную среду окружают зеркальные поверхности. Отраженные от них кванты света стимулируют дальнейшее развитие цепной реакции, приводящей к вырастанию уровня мощности излучения до необходимых размеров. При этом все кванты имеют одно направление, одну фазу и длину волны, так как были генерированы атомами одного вещества.
Именно такое излучение назвали сначала оптическими мазерами (мазер -квантовый генератор электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне), затем оптическими квантовыми генераторами, а теперь лазерами. Лазер - усиление света посредством вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
2. Автоматическая система слежения за движениями глаза пациента.
Компьютеры по быстроте и качеству реакции не только обогнали чемпионов мира по шахматам, но и практически догнали человеческий глаз. Раньше во время операции хирург корректировал место попадания луча на роговицу в зависимости от движений глазного яблока пациента. Сейчас этим занимается автотрекинг - автоматическая система слежения. Ее реакция быстрее человеческой. Она двигает «голову» эксимерного аппарата, включающую в себя операционный микроскоп и часть доставляющей излучение системы, вслед за мелкими движениями глаза пациента, а при слишком быстром или размашистом движении автоматически прерывает действие лазера.
Автотрекинг резко снижает возможность возникновения такого осложнения, как децентровка зоны лазерного воздействия, то есть появление у пациента после коррекции нерегулярного астигматизма. Также эта система помогает хирургу навести лазер на оптический центр роговицы перед проведением лазерной коррекции.
3. Система эвакуации воздуха с продуктами лазерного испарения из области операционного поля.
Это такой маленький пылесос, удаляющий из воздуха над глазом пациента микропыль, в которую под действием лазера превращается ткань роговицы. Эта пыль мешает прохождению излучения через воздух, что снижает предсказуемость результата лазерной коррекции.
Если аппарат удовлетворяет перечисленным требованиям, значит лазерную коррекцию на нем можно провести на современном уровне.
Есть ли отечественные эксимерные лазеры
МНТК Микрохирургии глаза совместно с Институтом общей физики Академии наук СССР в 1986 г. создали эксимерный лазер Профиль-500, а недавно совместно с Центром физического приборостроения Института общей физики российской Академии наук усовершенствовали его и назвали МикроСкан-2000. МикроСкан соответствует мировым стандартам, но применяется в немногих клиниках. Надеюсь, в дальнейшем такое положение вещей изменится.
Сколько стоит лазерная система?
Дорого, хотя цены постоянно снижаются. Было время, когда стоимость переваливала за миллион долларов США. Сейчас это несколько сот тысяч долларов. К тому же достаточно дороги расходные материалы для лазера и его техническое обслуживание. Периодически необходимо очищать зеркала, менять баллоны с газом, проводить диагностику других систем аппарата. И от изнашивания и поломки деталей никто не застрахован. Необходима постоянная работа с лазером специализированного инженера. Все это увеличивает себестоимость лазерной коррекции.
Лазерная операционная
Двенадцать лет назад появилась информация о том, что в одном из городов США проводится лазерная коррекция на территории универмага и без участия врача. Опыт не прижился, лазерную коррекцию не удалось низвести до уровня протирки очков. Напротив, с развитием методов лазерной коррекции требования к помещению, в котором она проводится, стали более строгими. Необходимы стерильные условия, контроль за температурой, влажностью, чистотой воздуха.
Поверхности в операционной не должны быть зеркальными, что исключает использование блестящих кафеля и жалюзи, стекол, зеркал, потому что отраженное лазерное излучение опасно.
Наш воздух
Воздух должен быть чистым. Любая пыль или летучие соединения могут сказаться на качестве прохождения луча через воздух. Поэтому пациент должен воздерживаться от курения и употребления духов и дезодорантов перед коррекцией. Система вентиляции должна иметь качественные фильтры. Кроме того, объем оттока воздуха должен быть меньше, чем притока. Тогда при открытии двери чистый воздух будет под некоторым давлением вырываться из операционной, не впуская грязный воздух из предоперационной и выдувая пыль наружу. То же самое и с возможными щелями. Качественная вентиляция способствует стабильной и долгой работе эксимерлазерной установки. Но дверь в операционную открывать во время работы лазера даже при хорошей вентиляции нежелательно.
Главный параметр качественной вентиляции - это десятикратный обмен воздуха. То есть за час объем воздуха должен поменяться десять раз. Например, в комнату объемом 500 кубометров вентиляция за один час должна доставить 5000 кубометров воздуха. Проверяется это достаточно просто с помощью анемометра.
Наше электричество
Наше электричество, как наши дороги, - гладкие встречаются крайне редко. Так же и электричество. Колебания напряжения - еще полбеды. Про это многие слышали. А вот про структуру нашего переменного тока в электросети вспоминают не все. График, отражающий структуру российского переменного тока, мягко говоря, очень неровный. А любые «неровности» переменного тока могут нарушить стабильность работы лазера, отключить его или сломать. Не говоря уж о возможности внезапного отключения электричества во время операции.
Поэтому неотъемлемым атрибутом лазерной установки должен быть «бесперебойник».
Его функции:
В случае внезапного падения напряжения в электросети позволить еще в среднем полчаса работать всем электроприборам в операционной;
Не допускать колебаний напряжения;
Выравнивать структуру переменного тока. Это достигается с помощью трансформации получаемого из электросети переменного тока в постоянный, а затем снова формирования переменного, но уже ровного по структуре.
Температура и влажность
Стабильная плюсовая температура и невысокая влажность - залог качества медицинских манипуляций. Рекомендуемая температура эксплуатации лазера составляет от 19 до 23 °C. Поэтому кондиционер тоже должен быть высококачественным и обеспечивать полный климат-контроль.
Влажность - не более 70 %. Без резких перепадов во время операционного дня, особенно между калибровками лазера. Соответственно, двери в операционную следует открывать как можно реже, количество людей в ней ограничивать и во время операционного дня не менять, потому что каждый новый человек повышает температуру, и особенно влажность.
Статья из книги: .
Воздействие лазерного излучения на материалы
Поглощение, отражение и рассеяние лазерного излучения материалами
Рис 1. Схематическое изображение падающего, отраженного и преломленного лучей
Характер и эффективность воздействия электромагнитных волн лазерного излучения на вещество определяется плотностью потока энергии (плотностью мощности или интенсивностью) электромагнитного поля.
В любом случае лазерного теплового воздействия на материалы важна не просто мощность лазерного излучения, а мощность, поглощенная материалом и идущая на получение полезного результата. Поглощательная способность в той или иной форме фигурирует во всех лазерных технологических процессах.
На первой стадии теплового воздействия лазерного излучения на материал, фазовое состояние твердого тела не успевает измениться. Основные явления в этом случае заключаются в отражении и поглощении излучения поверхностью, нагревании поверхности, распространении тепла в глубь среды за счет теплопроводности , рис. 1.
В таблице 1 приведены теплофизические параметры некоторых металлов и полупроводников.
| Элемент | Параметры нагрева при 20°С | Плавление | Испарение (кипение) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Теплоемкость с, Дж/(г °С) | Теплопро-водность λ, Вт/(см °С) | Температура плавления Т пл, °С | Удельная теплота плавления ΔH пл, Дж/г | Температура испарения Т исп., °С | Удельная теплота испарения ΔH исп., кДж/г | ||
| Алюминий | Аl | 0.90 | 2,18 | 660 | 400 | ~2500 | 10,8 |
| Вольфрам | W | 0,13 | 1,8 | 3420 | 320 | ~5700 | 4,0 |
| Германий | Ge | 0,32 | 0,60 | 958 | 510 | ~2850 | 4.7 |
| Железо | Fe | 0,448 | 0.75 | 1539 | 250 | 3200 | 6,27 |
| Золото | Au | 0.13 | 3,13 | 1046 | 63 | 2947 | 1.77 |
| Кремний | Si | 0.71 | 0,83 | 1415 | 1770 | 3250 | 12,7 |
| Медь | Cu | 0,385 | 4,0 | 1084 | 204 | 2540 | 4.75 |
| Молибден | Mo | 0,223 | 1,52 | 2620 | 375 | 4600 | 5,8 |
| Никель | Ni | 0.43 | 0,92 | 1455 | 300 | 2900 | 6.3 |
| Серебро | Ag | 0,235 | 4,20 | 961,9 | 105 | 2170 | 2,47 |
Рис 5.Различные стадии теплового воздействия лазерного излучения на поверхность материала: нагрев, плавление, испарение и выплеск жидкой фазы давлением отдачи паров. При описании процесса воздействия лазерного излучения на твердые непрозрачные тела (металлы, полупроводники, диэлектрики) целесообразно выделить несколько стадий: нагревание без изменения фазового состояния, плавление, испарение, ионизация испаряемого вещества и образование плазмы, рис.5. Если обработка материала ведется в химически активной атмосфере, то при некоторой температуре существенную роль начинают играть термохимические процессы – окисление, образование нитридов, карбидов и проч. Так, при лазерной резке часто применяется поддув кислорода , что резко интенсифицирует процесс, как из-за выделения тепла окисления, так и из-за повышения поглощения лазерного излучения Все металлы при нормальной температуре и нулевом угле падения (перпендикулярно поверхности) отражают более 80 % лазерного излучения (для длины волны СО 2 -лазера 10,6 мкм). С достижением точки плавления способность поглощать лазерное излучение возрастает, однако характер зависимости коэффициента отражения от угла падения сохраняется, рис.4. Для некоторых металлов точку плавления достичь нелегко. Плотность потока энергии лазерного излучения, необходимая для плавления металлов, может варьировать от 2 10 4 Вт/см 2 для углеродистых и коррозионностойких сталей до 2 10 6 Вт/см 2 для вольфрама . При некоторых условиях процесс разрушения материала лазерным излучением называют абляцией под воздействием. В современном, довольно широком понимании термин абляция включает известный механизм такого перехода вещества из твердого состояния в газообразное, как сублимация , однако им не исчерпывается. Согласно последним исследованиям при коротких длительностях лазерных импульсов (10 -9 -10 -14 секунды) и огромных интенсивностях лазерного излучения (≥10 10 Вт/см2) наблюдается удаление материала по другому физическому механизму. Межмолекулярные связи разрываются не как вторичное следствие высокой температуры, а как результат непосредственного перехода энергии из возбужденных состояний. Такой механизм разрушения материала имеет качественные макроскопические особенности. Например, наблюдается высочайшее качество отверстий, пробиваемых короткими лазерными импульсами. Речь идет о форме отверстий, качестве краев, отсутствует зона термического влияния и какие либо признаки жидкой фазы. Однако, такой механизм разрушения является энергетически и экономически очень дорогим, поэтому используется лишь для специальных задач. | |||||||
Человек, знающий элементарные законы оптики, от души посмеется над сюжетом, в котором супергерой отражает лазерную атаку злодея с помощью блестящей поверхности. Зеркало не способно отразить луч лазера, не рассеяв его пучок. Чтобы отразить или перенаправить луч лазера, нужно потрудиться и иметь для этого достаточно сложное оборудование.
Да и рука супергероя находится в большой опасности. Ведь при попадании мощного луча, зеркало с недостаточным качеством поверхности, или разрушится, или расплавится.
Это немалая проблема для современных специалистов в области лазерной оптики. Они сталкиваются с необходимостью отражать пучок лазера постоянно. Каких только ухищрений не предпринимали ученые до недавнего времени, их зеркала не удовлетворяли поставленным задачам. Какой бы идеальной ни была поверхность зеркала, она греется в точке соприкосновения с лучом, нагревается и деформируется. Лазерный луч не отражается полностью, большая часть его энергии утрачивается.
Традиционно, ученые искали новые теплостойкие материалы для изготовления зеркал. Одни материалы лучше, иные хуже, одни материалы дорогие, а другие требуют сложной обработки. Поиски подходящего материала не закончены и по сей день. Скорее всего, эти поиски затянутся на неопределенное время.
Оптики из института Фраунгофера пошли другим путем. Они применили известную поговорку «если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе». Они изменили подход к проблеме и решили создать умное зеркало, которое само компенсирует потери энергии и «подстраивается» под каждый вил лазерного луча индивидуально. Это стало возможным за счет того, что зеркало не поглощает тепло и деформируется, а просто компенсирует тепловую деформацию. Для компенсации используется высокоточный искусственный нагрев нужных областей зеркала и пьезоэлектрический эффект.
Зеркало, изготовленное из специальной керамики и покрытое слоем меди, может менять свою поверхность автоматически. Это происходит благодаря тепловым датчикам, которые дают команду нагревательному устройству разогреть ту область зеркала, которая компенсирует деформацию от тепла лазерного луча.
Применение умных зеркал дает простор для широкого применения лазера. Это могут быть установки для разрезания крупногабаритного космического мусора на мелкие части, которые способны сгореть в атмосфере Земли. Для этого не понадобится значительных затрат энергии и работы можно проводить с большого расстояния.
Применение таких зеркал поможет преодолеть атмосферные искажения лазерного луча и передавать большие объемы информации без потерь на расстояния в тысячи километров. В этом проекте кроются отличные перспективы для развития лазерной связи.
Конечно же, супергерою в карман такое зеркало не поместится. Ему нужно найти другие способы противостоять лазерному оружию. Кто знает, может такие методы и найдутся в будущем?!
