Можно сформулировать основные
достоинства, которые имеет лазерная обработка
материалов:
- во- первых,
большое разнообразие процессов обработки
самых различных видов материалов (и даже
таких, которые не поддаются механической
обработке);
- во-вторых,
высокая скорость выполнения операций
по обработке (иногда в 1000 раз большая,
чем при механической);
- в-третьих,
высокое качество обработки (гладкость
срезов, прочность сварных швов, чистота
обработки и др.);
- в-четвертых,
возможность высокоточной прецизионной
обработки ( изготовление фильер в алмазе,
необходимых для волочения проволоки,
изготовление отверстий в рубиновых камнях,
необходимых для изготовления часовых
механизмов и др.);
- в-пятых,
селективность воздействия на отдельные
участки обрабатываемой поверхности и
возможность дистанционной обработки
(в том числе и поверхностей, расположенных
за стеклянной перегородкой);
- в-шестых,
сравнительная легкость автоматизации
операций, способствующая существенному
повышению производительности труда.
Лазерная система посадки
Обеспечение безопасности
полетов, связанная с увеличением точности
систем посадки, снижением ограничений
по метеоусловиям, с комфортностью работы
экипажа в экстремальных условиях, является
очень актуальным. Впервые такая система
была разработана и внедрена в СССР на
аэродромах Министерства ГА СССР.
Система получила название
“Глиссада”. Лазерная система “Глиссада”
является очень простой, легко разворачиваемой
на неподготовленных аэродромах, достаточно
дешевой и просто комплектуемой с любыми
стоящими на аэродроме системами.
Ее основные преимущества
сформулированы следующим образом: имеется
возможность производить приземление
самолетов с точностью, превосходящей
точность существующих инструментальных
систем посадки; пространственные ориентиры,
образованные лазерными лучами системы
за счет рассеяния на неоднородностях
атмосферы, на каплях дождя и частицах
дымки, хорошо обнаруживаются в сумерках
и ночью с удалений, превышающих дальность
метеовидимости в 2.5-3 раза;
Так же лазерные технологии
широко применяются в военном деле:
Применение лазеров в военном
деле
К настоящему времени сложились
основные направления, по которым идет
внедрение лазерной техники в военное
дело. Этими направлениями являются: 1.Лазерная
локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные
системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО
и ПКО, создаваемая в рамках
стратегической оборонной инициативы
– СОИ.
Еще несколько слов
о лазерах
В метрологии лазеры используются
как генераторы стандартной частоты и
служат для эталонирования единицы времени,
обеспечивая высокую точность воспроизведения
секунды.
Изобретение лазеров открыло
новые возможности для метрологии не только
в отношении эталонирования времени и
частоты, но и в других направлениях.
Так, лазеры с большим успехом
могут быть использованы в качестве мощных
источников когерентного излучения при
интерференционных измерениях длин с
большой точностью, а следовательно, для
создания новых методов нанесения линейных
шкал и т.п.
С помощью
лазерного интерферометра в весьма широком
диапазоне можно измерить всё, что влияет
на оптическую длину измерительного плеча.
Это, с одной стороны, линейные перемещения
и производные от них- скорости и ускорения,
а с другой стороны, показатель преломления
среды и влияющие на него параметры: давление,
температура, содержание примесей различных
веществ и т.д. Разрешающая способность
лазерного интерферометра чрезвычайно
высока.
Уже
сегодня с его помощью можно зарегистрировать
измерения длины на тысячной доли ангстрема,
т.е. на 10-13 м.
Перспективность
лазерной интерферометрии характеризуется
ещё и тем, что высокая интенсивность излучения
лазера позволяет создавать оптические
системы, на работу которых не влияют вибрации,
шум, внешнее освещение и даже некоторая
запылённость воздуха.
Лазерные интерферометры с
диапазоном измерения до 200 мм уже используют
в микроэлектронике при изготовлении
интегральных схем.
В лазере для угловых измерений
луч генерации направлен по замкнутому
контуру.
На основании такого лазера
создан измеритель угловых скоростей
и перемещений в пространстве-лазерный
гироскоп.
Показания лазерного гироскопа
не зависят от линейных и угловых ускорений,
выходной сигнал легко обрабатывается
электронно-счётными машинами, которые
всё шире применяются в навигационных
системах. С помощью такого гироскопа
можно измерять угловые скорости от тысяч
оборотов в секунду до скоростей в сотни
миллиардов раз меньших.
Визирование
по лазерному лучу.
Используя
малую расходимость лазерного луча в сочетании
с его высокой интенсивностью, можно создать
относительно простые приборы для ориентирования
различных объектов по лучу.
На аналогичном
принципе построен прибор для нивелировки
направляющих крупногабаритных станков.
В диапазоне нескольких десятков метров
здесь обеспечивается точность до 2 мм
на 1 м.
Таким
же образом работает и лазерный зенит-центрир,
который контролировал вертикальную ось
при строительстве Останкинской телебашни
с точностью до 6 мм.
Из
истории использования лазеров в метрологии
С развитием точных методов
интерферометрических измерений появилась
идея выразить метр в длинах световых
волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция
по мерам и весам постановила: 1 метр равен
1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия
при определённых условиях (температуре,
давлении и пр.)
В 1960 году XI Генеральная конференция
по мерам и весам приняла новое определение
метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны
излучения в вакууме, соответствующей
оранжевой линии спектра изотопа криптона
с атомным весом 86 (86Kr).
В том же 1960 году, когда за эталон
длины приняли криптоновый стандарт, был
создан принципиально новый источник
излучения — лазер, и началось бурное
развитие лазерной техники.
В начале 1970-х годов в США, Англии
и СССР были выполнены эксперименты по
уточнению скорости света в вакууме С,
основанные на независимом измерении
частоты ν и длины волны λ высокостабильного
лазера (произведение νλ = с). Измерения
скорости света с использованием стабилизированных
лазеров повысили точность примерно на
два порядка. И в 1983 году на XVII Генеральной
конференции по мерам и весам постановили:
«Метр — это расстояние, проходимое светом
в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды».
Это определение полностью
отменяет криптоновый эталон длины и вообще
делает метр не зависящим ни от какого
источника света. Но зато придаёт ему зависимость
от размера секунды, а значит, и герца —
единицы частоты. Так впервые была установлена
связь между длиной, временем и частотой.
Эта связь привела к идее о создании единого
эталона времени — частоты — длины (ВЧД),
основанного на соотношении λ = с/ν, где
λ — длина волны излучения стабилизированного
лазера, ν — его частота.
Плодотворность этой идеи в
том, что частоту можно измерить с погрешностью,
обеспеченной современным эталоном частоты.
А так как значение с фиксировано, то и
значение λ будет определено с той же погрешностью,
что по крайней мере на четыре порядка
точнее, чем при использовании прежнего
криптонового эталона длины.
Эталон частоты, задающий атомную
секунду, — цезиевый генератор,
частота которого fэт = 9 192 631 770 Гц лежит
в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту
лазера ν сравнением с эталонной частотой,
надо осуществить переход эталонной частоты
в оптический диапазон, то есть умножить
её до оптических значений. Однако эталонная
частота имеет нецелочисленную величину
и неудобна для преобразований.
Международное атомное время (TAI, фр. Temps Atomique International) — время, в основу
измерения которого положены электромагнитные
колебания, излучаемые атомами или молекулами
при переходе из одного энергетического
состояния в другое.
С появлением в 1955 сверхстабильных эталонов
частоты, основанных на квантовых переходах
между энергетическими уровнями молекул и атомов,
стало возможным создание атомных шкал
времени.
Поэтому обычно вместо
цезиевого генератора используют
более низкочастотный кварцевый
генератор с удобным значением
частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор
имеет гораздо меньшую стабильность частоты
и сам по себе служить эталоном не может.
Необходимо стабилизировать его частоту
по цезиевому стандарту, придав ему такую
же стабильность. Это осуществляется при помощи
схемы фазовой автоподстройки частоты. Далее для передачи стабильной частоты
в оптический диапазон используется радиооптический
частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи
многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов
и промежуточных лазеров субмиллиметрового
и инфракрасного диапазонов выполняется
последовательное умножение эталонной
частоты 5 МГц до значений 1014 Гц. Так создаются
эталоны частоты в оптическом диапазоне
— оптические стандарты частоты. В качестве
таких стандартов утверждены пять стабилизированных
газовых лазеров.
Следовательно, эталон длины,
воспроизводящий метр в его новом определении,
реализуется при помощи атомного (цезиевого)
эталона времени и частоты, дополненного
РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой
единый эталон ВЧД.
Кроме того, была найдена возможность
повышения точности цезиевого эталона
времени. Ещё в 1997 году Международное бюро
мер и весов подчеркнуло, что в определении
атомной секунды фигурирует атом цезия,
который покоится при температуре абсолютного
нуля (по шкале Кельвина). В новейших модификациях
цезиевых часов (которые называют фонтанными)
это условие почти идеально достигается
путём лазерного охлаждения атомов. С
использованием такого метода в американском
Национальном институте стандартов и
технологии (NIST) были построены эталонные
цезиевые часы, обеспечивающие относительную
точность воспроизведения единицы времени
— секунды — порядка 3•10–16(уход часов
составляет 1 секунду за 70 миллионов лет).
Но ещё более перспективны стандарты частоты,
основанные на переходах в ионах ртути,
иттербия или стронция, излучающие не
в микроволновом, а в оптическом диапазоне.
Стронциевые часы. В перекрестье
шести лазерных лучей образуется оптическая
ловушка, удерживающая ионы стронция,
которые излучают на частоте 429 терагерц (красный свет). Стронциевые
часы в тысячу раз точнее цезиевых, служащих
сегодня эталоном времени и частоты. |
Точность отдельных лабораторных
разработок таких оптических часов уже
сейчас достигает 2•10–15, а в принципе
они могут обеспечить точность воспроизведения
единиц времени и частоты на уровне 10–17–10–18.
К такой точности вплотную подошли японские
исследователи.
Точность отдельных лабораторных
разработок таких оптических часов уже
сейчас достигает 2•10–15, а в принципе
они могут обеспечить точность воспроизведения
единиц времени и частоты на уровне 10–17–10–18.
К такой точности вплотную подошли японские
исследователи.
В экспериментальном образце
стронциевых оптических часов, разработанном
в Токийском университете группой Хидетоси
Катори, ионы стронция находятся в оптической
ловушке на перекрестье шести лазерных
лучей, под воздействием которых они удерживаются
в «энергетических ямах», почти не взаимодействуя
и излучая свет исключительно стабильной
частоты. Точность стронциевых часов в
тысячу раз превосходит точность цезиевых,
используемых сегодня в качестве эталона
времени и частоты.
Предполагают, что вскоре эталон
будет заменён и применение таких сверхточных
оптических часов позволит соответственно
увеличить точность единого эталона времени—частоты—длины.
Заключение.
Лазеры
решительно и притом широким фронтом вторгаются
в нашу действительность. Они необычайно
расширили наши возможности в самых различных
областях - обработке материалов, медицине,
измерениях, контроле, обработке и передачи
информации, физических, химических и
биологических исследованиях.
Уже сегодня лазерный луч овладел
множеством полезных и интересных профессий.
Во многих случаях
применение лазерного луча позволяет
получать уникальные результаты.
Можно не сомневаться, что в
будущем луч лазера подарит
нам новые возможности, представляющиеся
сегодня фантастическими.
С изобретением лазера человек
получил в свое распоряжение качественно
новый, в высокой степени универсальный,
очень эффективный “инструмент” для
повседневной производственной и научной
деятельности. С годами этот “инструмент”
будет все более совершенствоваться, а
вместе с этим будет непрерывно расширяться
и область применения лазеров.