ЛАЗЕРЫ

Современные лазеры

Лазерные установки ассоциируются с фантастическими фильмами и наукой будущего. Эти устройства постепенно становятся частью многих производственных линий. Современные методы обработки при применении светового излучения позволяют получить качественные заготовки и изделия. Для того чтобы определить особенности лазерного оборудования, изучают ключевые особенности самой технологии.

Лазеры

Лазеры – специальные устройства, которые используют созданное вынужденное излучения для получения световой волны с заданными параметрами. С момента появления первой версии они стали использоваться в различных сферах. Один из распространенных примеров – дисководы, способные считывать информацию с определенных носителей. После отражения от DVD-диска излучение лазера меняет свойства, проходит через детектор, информация считывается.

Все чаще лазер применяется в промышленности и при изготовлении военной техники. В первом случае создаваемая волна позволяет обрабатывать различные материалы, менять их свойства. Во втором излучение выполняет различные функции: от навигации до считывания информации с различных источников.

Современные технологии улучшили качество излучения. Оборудование эксплуатируется на протяжении длительного периода. Создаваемая волна стабильная и мощная, а сама конструкция небольших размеров.

Как работает и как устроен лазер

Для того чтобы понять, как работает современный лазер, разбираются с его составом. Типичная конструкция представлена сочетанием герметичной трубки, в которой размещается специальный кристалл (рубин). С обеих торцов устанавливаются зеркала, которые бывают полностью или частично прозрачными.

Для генерации световой волны инфракрасный лазер имеет электрическую обмотку, которая влияет на установленный кристалл. Световой пучок постоянно переходит от одной стенки к другой, пока поток не обретет требуемый показатель интенсивности. После этого луч инфракрасного лазера проходит через зеркало, которое наполовину прозрачное. Весь процесс разделяют на несколько этапов:

• Выключенный режим. Электроны всех атомов кристалла находятся на основном энергетическом уровне.
• Момент после выключения. При воздействии электромагнитной силы после включения устройства электроны перемещаются на более высокую энергетическую орбиту.
• Формирование луча. После длительного воздействия электромагнитного поля электроны покидают высокие энергетические орбиты, занимают основной уровень. На этом этапе начинает формироваться свет, остальные электроны также начинают это делать. Чем больше носителей энергии перейдет к низким орбитам, тем сильнее создаваемое излучение.

Длина волны лазерного инфракрасного излучения не меняется. Это связано с тем, что используется общая фокусирующая линза. Такое решение обеспечивает передачу светового потока на большое расстояние.

Физика процесса

Несмотря на достаточно простой принцип работы лазера, применяемая технология улучшается многие годы. При рассмотрении физики процесса нужно выделить несколько моментов:

• Рабочая зона. Формируется специальными материалами, зачастую устанавливают рубин.
• Возможность перехода атомов в разные положения. Требуется среда, у которых атомы имеют три энергетических уровня.
• Инверсная засаленность. В этом состоянии на верхнем уровне находится большое количество заряженных электродов.
• Формирование излучения. При возвращении электрона на нижний уровень происходит выделение светового пучка.

При этом современные технологии позволяют контролировать параметры формирующего светового пучка. Для этого физика процессора усложняется, добавляются новые контрольно-измерительные, корректирующие элементы.

Общее устройство лазера

Сложность и мощность лазера во многом зависят от используемых элементов при изготовлении и поставленных задач. Некоторые варианты предназначены для резки металла, другие для передачи или считывания информации. Лазерный современный излучатель работает по единому принципу. Он следующий:

• Основная часть рубиновый стержень. Он бывает нескольких миллиметров в диаметре, часто покрывается слоем серебра.
• С одной торцевой стороны устанавливается зеркало со 100% отражением, со второй – зеркало, способное отражать большую часть светового потока. При включении стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Весь процесс начинается с оптической накачки. Когда излучение установленного лазера будет мощным, часть световой волны пройдет через полупрозрачное зеркало. При этом пропускная способность варьирует в большом диапазоне. Принцип действия излучателя позволяет менять показатели светового потока в зависимости от поставленной задачи.

Виды лазеров

Бывают различные типы лазеров. Каждый механизм устроен несколько иначе. Принцип действия и основные характеристики позволяют применять оборудование в различных областях.

Твердотельные лазеры

Самая первая разновидность, которая также известна как ИК. Область формирования излучения создается из рубина, добавляются ионы хрома. Для запуска системы устанавливается импульсная лампа.

Подобная система была изготовлена еще в 1960 году. При этом некоторые производители стали использовать сочетание стекла и неодима.

Газовые лазеры

Для формирования нужных условий в герметичную емкость накачивается специальный газ. Основная часть представлена трубкой из стекла, в которой установлены электроды.

Конструкция подобного типа была создана еще в 1960 году. Созданное излучение непрерывное, но лазер должен иметь длинный стержень.

Газодинамические химические и эксимерные лазеры

В этом случае световой поток формируется на фоне реакции нескольких компонентов. В рабочую среду подается атомарный фтор, который начинает вменять свойства при контакте с водородом.

Эксимерные работают на основе особых молекул. Их не нужно активировать, так как всегда находятся в подвижном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые разновидности появились с твердотельными вариантами. Для создания рабочей среды, в которой образуется световой поток, применяются разнообразные растворы и органические соединения.

Благодаря достаточно высокой плотности жидкостей жидкостные лазеры способны формировать сильный поток. Показатель составляет около 20 Вт. При этом размеры конструкции относительно невелики, так как для реакции требуется немного активной жидкости. Работают они в постоянном режиме или импульсном.

Полупроводниковые лазеры

Эта разновидность появилась в 1962 году. К этому привело несколько разработок сразу. Теоретическая документация была написана за несколько лет до этого.

Особенностью применяемой технологии стала установка кристалла-полупроводника. Чаще всего это арсенид галлия. Преимуществом этого варианта считается использование электричества в качестве элемента накачивания. Подобная конструкция характеризуется компактными размерами.

Свойства лазерного излучения

Распространение лазера связывают с уникальными свойствами создаваемого излучения. Охарактеризовать его можно следующим образом:

• Когерентность и монохроматичность. Такие свойства стали придавать сфокусированному излучению относительно недавно.
• Излучение проходит вдоль оси установленного резонатора. Поэтому расширение потока очень слабое.
• Установленная система способна фокусировать свет в одной небольшой точке. Это позволяет достигнуть большой плотности. Также есть подобное свойство позволяет работать с микросхемами и другими небольшими изделиями.
• При чрезвычайно большой плотности светового потока в точке контакта формируется большая температура. При мощности 1015 Вт показатель несколько миллионов градусов.

При этом мощность создаваемого лазерного излучения варьирует в большом диапазоне. Поэтому область применения была существенно расширена.

Применение лазеров

Свойства подобного оборудования уникальны. Световой поток варьирует в большом диапазоне, спектр подбирается в зависимости от поставленной задачи.

Технологические лазеры

Одна из наиболее распространенных разновидностей. Постоянное действие позволяет сваривать или спаивать детали, обрабатывать поверхность. При достижении большой плотности температура в точке контакта с поверхностью достигает высоких показателей, что позволяет спаивать даже труднообрабатываемые материалы.

Еще одним важным свойством считается возможность фокусирования в небольшой точке. Ее размеры позволяют создавать микросхемы, устанавливаемые в мобильных гаджетах и другом оборудовании.

Промышленный лазер непрерывного действия средней мощности YLR-U достаточно распространен, устанавливается во многом оборудовании. Его свойства:

• есть защита от обратного отражения;
• встроенный осушитель;
• встроена система непрерывной самодиагностики;
• длина волны 1070 мм;
• поляризация случайная.

HyIntensity HFL010 представлен волоконным промышленным оборудованием для резки. Его свойства:

• источник 1 кВт;
• оптимизированные параметры резки для полного спектра материалов;
• простая оперативная динамическая интеграция;
• поляризация случайна;
• собственная система непрерывной диагностики.

Есть много различных моделей. При выборе учитывается область применения и поставленные задачи.

Лазерная связь

Распространение лазерного оборудования позволило существенно повысить качество связи. Это связано с тем, что было доказано, небольшая длина волны при высокой частоте обеспечивает лучшую пропускную способность.

Новым витком разработок можно считать появление гипотезы, что световое излучение – электромагнитная волна, которая короче в десятки раз. Это свойство позволяет передавать большой поток информации за меньшее количество времени.

Применение лазеров в медицине

Лазер также стал причиной активного развития некоторых направлений медицины. Примером считается лечение глазных заболеваний. Луч проникает сквозь глазной зрачок, после чего возможно исправление дефектов.

Сложные операции также приводят при применении лазерного скальпеля. Такое воздействие снижает повреждение живых тканей. Пациент быстро восстанавливается на момент реабилитации.

Военные лазеры

В этом направлении технологии активно развиваются последние несколько лет. Их применение достаточно распространено. Сфокусированное излучение подходит для поиска цели или связи.

При установке мощного источника излучатель способен уничтожить военную технику врага. Также известны разработки, связанные с получением лазерных пистолетов. Всего несколько лет такие новости могли бы спутать с фантастикой, но сегодня это новейшие разработчики.

Немецкая компания Rheinmetall Defence продемонстрировала образец HEL, который способен перехватывать управление беспилотного самолета. Модульная установка мощностью 5 и 10 кВт устанавливается на различной военной технике. Уже спустя несколько дней мощность была повышена.

В 2022 году израильские ученые провели испытания наземного лазера прямого воздействия. Были поражены бомбы, ракеты и беспилотники. Подобные результаты были опубликованы впервые.

Лазеры в сфере транспорта

Сфокусированный лазерный поток используется при сборке транспорта и организации дорожного движения. Один из примеров – создание специального излучателя, который будет убирать мусор и опавшие листья на момент движения локомотива. Такое решение связано с тем, что все посторонние элементы значительно увеличивают тормозной путь состава, делает движение менее безопасным.

Некоторые компании уже давно ведут исследования по созданию систем дорожной безопасности на основе светового излучения. Устанавливаются излучатели на светофорах, которые закрывают путь автомобилю при включенном зеленом свете для пешеходов.

Лазерные гаджеты

Производители современных гаджетов также предусмотрели возможность использования маломощного излучателя сфокусированного потока. К примеру, некоторые разновидности компьютерной периферии проецируют виртуальную клавиатуру на поверхности.

Также подобное излучение требуется для измерения различных показателей. Современные маломощные гаджеты не требуют мощного источника питания. Достаточно встроенного аккумулятора.

Применение лазеров в спорте

Сегодня в спорте сфокусированное излучение применяется крайне редко. Но многие крупные компании разрабатывают различные технологии, которые в дальнейшем станут частью будущего.

Ярким примером считается мобильная установка Nike. Она проецирует разметку футбольного поля. Поэтому создать условия для игры можно в любом городе или за его пределами.

Энергетический лазер

Считается самой распространенной разновидностью. Такая установка требуется для резки или пайки, изменения свойств поверхности.

В этом случае главное требование заключается в мощности. Для формирования большой температуры в точке соприкосновения с поверхностью нужен плотный световой поток.

Информационный лазер

Лазер часто применяется для передачи информации. На протяжении многих лет файлы записывались на диске, после считывались на специальном дисководе. Но после световой сфокусированный поток стали применять для передачи информации на большое расстояние.

Ярким примером такой технологии считается оптоволокно. После его появления скорость подключения к интернету возросла в несколько раз. Есть и другие способы передачи информации. Но пока многие технологии нельзя назвать распространенными. Высокая стоимость ограничивает распространение.

Основные производители лазерных систем

Сфера применения лазеров стремительно развивается. Это привело к тому, что многие компании специализируются на развитии уже существующих технологий, создании лазерных систем. К ним относят:

• Wattsan. Китайский производитель, который поставляет профессиональное оборудование с излучателем света (станки для резки с блоком числового программного управления, резаки, фрезерные станки, граверы). Завод начал работать в 2003 году. За два десятка лет продукция распространилась в России, средней Азии и восточной Европе.
• IPGPhotonicsCorporation. Надежный поставщик излучателей. Компания расположена в США, была основана в 1990 году. Ее продукция устанавливается практически во всем современном оборудовании. Это связано с технологичностью, надежностью.
• Datalogic. Российская компания, которая считается лидером на рынке автоматического сбора информации и автоматизации операций. Выпускают устройства для определения штрихкодов.
• Trumpf. Компания была основана в 1923 году, основные заводы находятся в Германии. Считается ведущим мировым производителем лазерных станков и другого оборудования. Применяются в сфере сварки, маркировки, резания.

 

Все чаще оборудование отечественных производителей. При этом распространена ситуация, когда излучатель поставляется известным изготовителем, а остальные модули изготавливаются самой компанией.

 

Оставьте комментарии, примите участие в опросе.

Если Вы знаете дополнительную информацию о лидарах, поделитесь с нами и нашими читателями в комментариях. Примите участие в опросе.

Возможно, Вам будут интересны статьи о дронах