Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 47 (всего у книги 52 страниц)

Компакт-диски

РћРґРЅРёРј РёР· самых популярных применений лазеров является РёС… использование РІ системах записи Рё воспроизведения компакт-РґРёСЃРєРѕРІ (CD), которые ныне полностью заменили старомодные виниловые РґРёСЃРєРё. Технология оптических РґРёСЃРєРѕРІ берет СЃРІРѕРµ начало РІ исследовательских лабораториях фирмы Филипс (Нидерланды) РІ 1969 Рі. Параллельно исследования РІ этой области проводились фирмой РЎРѕРЅРё (РЇРїРѕРЅРёСЏ). После соглашения РѕР±Рµ эти фирмы стали сотрудничать, Рё РІ 1982 Рі. компакт-РґРёСЃРєРё вышли РЅР° рынок. Р’ этой системе звуковая информация сначала записывается Рё преобразуется РІ серию импульсов, которые представляют первоначальный сигнал (С‚.Рµ. сигнал оцифровывается). Затем эти импульсы переносятся РЅР° поверхность стеклянного РґРёСЃРєР° СЃ помощью сложной техники, использующей лазер, испускающий ультрафиолет. Ртот лазер записывает последовательность импульсов РІ РІРёРґРµ отверстий РЅР° поверхности РґРёСЃРєР°. Каждое отверстие имеет микроскопические размеры СЃ шириной около тысячной миллиметра (0,5 РјРєРј) Рё глубиной 1000 Рђ. Таким образом, можно зарегистрировать большой объем информации РЅР° очень малой площади РґРёСЃРєР°. Рту предварительную запись используют для изготовления матрицы, СЃ помощью которой изготавливаются пластиковые РєРѕРїРёРё для продажи. Для считывания записанной информации РґРёСЃРє вращается, Рё считывание получается СЃ использованием света GaAlAs-РґРёРѕРґРѕРІ, работающих РЅР° длине волны 780 РЅРј. Свет РґРёРѕРґР° направляется РЅР° РґРёСЃРє Рё отражается той частью поверхности, РіРґРµ нет отверстий, Р° сами отверстия РЅРµ отражают свет. Отраженный свет регистрируется подходящим приемником. Сигналы декодируются электроникой СЃ преобразованием РІ Р·РІСѓРє (СЂРёСЃ. 64). Р’ настоящее время получают лучшие результаты СЃ диодами, работающими РІ СЃРёРЅРµ-зеленой области спектра. Уменьшение длины волны позволяет уменьшить размеры отверстий Рё тем самым записать большую информацию РЅР° той же площади РґРёСЃРєР°.

Рис. 64. Схема системы считывания с оптического диска. Свет, излучаемый лазерным диодом, формируется в пучок, который направляется на диск с записанной информацией. Та же оптическая система собирает отраженный свет и посылает его на приемник

Разумеется, реальная система значительно сложнее, чем описано. Р�спользуются весьма искусные оптические системы, которые обеспечивают, что лазерный свет всегда нужным образом фокусируется РЅР° РґРёСЃРє (положение фокуса изменяется РЅРµ более 0,5 РјРєРј), Р° РґРёСЃРє вращается СЃ постоянной скоростью. РќР° РґРёСЃРєРµ также закодированы сигналы номеров содержания РґРёСЃРєР°, продолжительность выбранного трека Рё всей записи. Рти сигналы служат для выбора желаемого РєСѓСЃРєР° информации РЅР° РґРёСЃРєРµ без необходимости прослушивать РІСЃСЋ запись. Принципиальным преимуществом является то, что РґРёСЃРє записывается Рё считывается световым пучком, без какого-либо механического контакта. Поэтому исключаются РІСЃРµ царапины Рё повреждения, характерные для старых пластинок. Более того, можно записывать информацию СЃ избытком, поэтому малые царапины Рё следы РѕС‚ пальцев часто РЅРµ сказываются РЅР° работе. Разумеется, если РіСЂСЏР·СЊ Рё пыль накапливается РЅР° РґРёСЃРєРµ, РѕРЅ может выйти РёР· строя.

Оптические диски позволяют вообще сохранять огромное количество данных. Наиболее важным применением оптических дисков является т.н. CD-ROM (компакт-диск только для считывания памяти), которые обычны в компьютерах.

Медицинские применения

Применение в медицине одно из интереснейших использований лазеров. Лазеры начинают широко использоваться в биологических исследованиях и в медицинской практике. Большинство применений основано на стандартном коммерчески доступном оборудовании.

РћРґРЅРёРј РёР· первых применений лазеров стала офтальмология. Фотокоагуляция СЃ потерей зрения, которая может произойти РїСЂРё наблюдении затмения, известна СЃ античных времен. Платон предостерегал людей РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ смотреть РїСЂСЏРјРѕ РЅР° затмение, так как это могло привести Рє ослеплению. Рто было забыто людьми, наблюдающими взрыв первой атомной Р±РѕРјР±С‹, некоторых РёР· которых были ослеплены вспышкой. Р’ 1950-С… РіРі., РґРѕ появления лазера, коагуляторы сетчатки глаза использовали свет РѕС‚ ксеноновых дуговых ламп. Действие этого света РЅР° сетчатку было таким же, как Рё действие солнечного света. РћРґРЅРёРј РёР· первых применений было восстановление отслоенной сетчатки. Врачи использовали ксеноновую лампу для выжигания, которое позволяло возвратить РЅР° место отслоенную сетчатку глаза. Естественным было использование лазера для улучшения этой процедуры, Рё это оказалось успешным!

Фотокоагуляция заключается РІ следующем. Лазерный свет превращается РІ тепло СЃ возрастанием температуры приблизительно РґРѕ 65. Рто повышение температуры РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє денатурации белка СЃ образованием коагулянта. Таким же СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј можно также устранить ненормальные кровеносные СЃРѕСЃСѓРґС‹, кисты, опухоли Рё РґСЂСѓРіРёРµ ненормальности РІ глазу. Рто может также обеспечить слипание отслоенной ретины Рё сосудистой оболочки.

Главной причиной потери зрения людей в возрасте от 20 до 64 лет является болезнь сосудов, в частности диабетная ретинопатия. Причиной потери зрения также является дегенерация роговицы, которая получается или при снижении эффективности сосудистой оболочки, или при чрезмерном увеличении кровеносных сосудов в центре ретины. Во многих случаях коагуляция этих сосудов может стабилизировать эти проблемы.

РћРґРЅРёРј РёР· пионеров РІ области лазерной офтальмологии был американец Френсис Рсперанс (Francis L'Esperance Jr.), который работал РІ Р�нституте глаза (РќСЊСЋ-Йорк, РЎРЁРђ). После экспериментов СЃ рубиновым лазером РѕРЅ решил, что лазер, генерирующий СЃРёРЅРµ-зеленое излучение, значительно лучше. Поскольку РІСЃРєРѕСЂРµ после СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера появился аргоновый лазер, работающий как раз РЅР° этих длинах волн, то РѕРЅ решил приобрести его. РћРЅ узнал, что Компания Raytheon изготовила такой лазер СЃ выходной мощностью 10 Р’С‚ для американского правительства, который предполагалось использовать для военных целей. Рто было РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ чудовище длиной более 3,5 Рј! После изготовления этого лазера РѕРЅ стал РЅРµ нужен правительству Рё Рсперанс получил его. Лазер был застрахован, Рё его должны были доставить РІ лабораторию РЅР° девятом этаже. Лазер был слишком велик Рё РЅРµ помещался РІ лифте. Поэтому был нанят лучший такелажник РќСЊСЋ-Йорка, который РЅРµ СЂРѕРЅСЏР» ничего РІ своей жизни. Лазер поднимался РёР· РѕРєРЅР°. Большая толпа собралась наблюдать подъем. Лазер подняли почти РґРѕ пятого этажа, РЅРѕ затем трах, трах, что-то оборвалось, Рё весь ящик СЂСѓС…РЅСѓР» РЅР° землю. Люди были испуганы. Можно было подумать, что кто-РЅРёР±СѓРґСЊ РёР· семьи Рсперанс умер: люди плакали Рё выражали СЃРІРѕРµ сочувствие.

Френсис отправил разбитый ящик обратно компании Рё, Рє удивлению, лазер был работоспособен. РќРѕ, разумеется, компания отказалась РѕС‚ гарантии Рё предложила изготовить РґСЂСѓРіРѕР№. Рљ счастью, страховка была выплачена, Рё Рсперанс СЃРјРѕРі заказать новый лазер. Спустя некоторое время Raytheon предоставила ему лазер меньшего размера. РЎ РЅРёРј начались лабораторные эксперименты, которые показали превосходство аргонового лазера над рубиновым лазером.

Первое испытание состоялось 14 февраля 1968 г. Была предпринята попытка устранить бельмо на зрачке у молодой девушки. Операция оказалась успешной, и у девушки полностью восстановилось зрение. В настоящее время аргоновый лазер является стандартным инструментом в офтальмологии. Лазер используется для лечения глаукомы и для коррекции зрения с помощью изменения кривизны роговицы, путем аккуратного испарения тонкого слоя роговицы.

Еще одно применение устранение камней мочевого пузыря. Обычно камни представляют собой некоторое органическое образование, окружаемое кристаллической субстанцией разной природы (фосфат кальция, мочевая кислота и др.). При проходе камня из почки в мочеиспускательный канал возникают сильные колики. Кроме удаления камней традиционными хирургическими методами были разработаны альтернативные методы, такие, как фармакологическое растворение и эндоскопическая хирургия. Дробление камней бескровным способом является очень прогрессивным. Обычно используют ультразвук или гидравлические волны, производимые электрическим разрядом вблизи расположения камня. С появлением лазера в 1968 г. стал применяться лазерный метод. Лазерный свет, направляемый на камень с помощью оптического волокна, испаряет и разрушает его. После дробления фрагменты выходят наружу естественным путем.

Существуют и другие применения лазеров в медицине, например, в хирургии, причем с помощью оптических волокон операция может выполняться в трудно доступных местах. Лазеры также применяются во многих терапевтических процедурах и для диагностики.

Быстрое развитие лазеров ультракоротких импульсов и выпуск на рынок образцов таких лазеров на рынок способствовали быстрому внедрению их в биомедицинскую сферу. В частности, в области лазерной хирургии излучение в виде ультракоротких импульсов позволяет производить более точные разрезы с существенно меньшими повреждениями окружающих тканей. Такие лазеры также с успехом используются в офтальмологии.

Здесь мы должны остановиться. Хотя говорилось далеко не обо всем, но даже то, что изложено, позволяет понять фундаментальную важность использования лазеров в медицине.

Технические применения

Способность сконцентрировать лазерный свет в очень малой области позволяет производить с высокой скоростью и точностью такие технологические операции, как резка, прожигание отверстий, сварка, закалка и др. При этом можно работать с самыми различными материалами, такими, как металлы, керамика, пластмассы, дерево и др. Возможность точно контролировать выполнение таких операций с помощью компьютера делает их совместимыми с роботами, т.е. полностью автоматизировать их.

Лазерные технологии нашли применения в автомобильной и авиационной промышленности. �спользование лазеров для резки, сварки и закалки в производстве автомобилей позволяет существенно повысить их характеристики и снизить стоимость изготовления.

Лазерный пучок можно направить с высокой точностью в заданное место, не вызывая никаких вредных воздействий на окружающий материал. При этом можно достигать трудно доступные места. С помощью лазеров можно производить закалку более эффективно, чем с помощью обычных печей. В то время, как печь должна функционировать круглые сутки, для работы всего лишь в течение нескольких часов, лазер дает энергию только тогда, когда требуется. Автомобильная промышленность была первой, где использовались лазеры для термической обработки распределительных валов, цилиндров и клапанов. При обработке поверхностей лазерным излучением материал подвергается структурным изменениям, и становится прочнее и менее подверженным коррозии.

Лазерная резка используется РЅРµ только СЃ металлами, РЅРѕ также РІ текстильной промышленности, например для раскройки материалов, кожи, бумаги или дерева. Рлектронная промышленность является РѕРґРЅРѕР№ РёР· главных областей применения лазеров. РћРЅРё СЃ успехом используются РІ производстве микросхем. РЎ РёС… помощью производится изготовление Рё очистка печатных схем, пайка элементов Рё ремонт быстродействующих микросхем путем прецизионного устранения нежелательных соединений РІ схеме.

�нтересным примером является резка алмаза. �ногда требуется разрезать алмаз в направлениях, не связанных с его кристаллическими ориентациями. Обычно алмаз при механической обработке раскалывается по определенным направлениям (плоскости спаянности). Лазер позволяет обойти это ограничение.

Наконец, можно сказать и об использовании лазерных роботов в качестве инструментов или датчиков.