Desde el mismo momento de su desarrollo, el láser se denominó un dispositivo que en sí mismo está buscando tareas para resolver. Los láseres han encontrado aplicación en una amplia variedad de campos. El láser se ha convertido en uno de los inventos más significativos del siglo XX .
Las fuentes modernas de radiación láser proporcionan a los experimentadores luz monocromática con prácticamente cualquier longitud de onda deseada . Dependiendo de la tarea a realizar, puede ser una radiación continua con un espectro extremadamente estrecho o pulsos ultracortos con una duración de hasta cientos de attosegundos (1 as = 10 −18 segundos). La alta energía almacenada en estos pulsos se puede enfocar en la muestra bajo estudio en un punto comparable en tamaño a la longitud de onda, lo que hace posible investigar varios efectos ópticos no lineales . Con la ayuda de la sintonización de frecuencia se realizan estudios espectroscópicos de estos efectos, y el control de la polarización de la radiación láser permite realizar un control coherente de los procesos en estudio.
Durante los vuelos a la Luna de vehículos tripulados y no tripulados, se colocaron en su superficie varios reflectores de esquina especiales . Un rayo láser especialmente enfocado fue enviado desde la Tierra usando un telescopio y midió el tiempo que toma viajar a la superficie lunar y regresar. Basado en el valor de la velocidad de la luz, fue posible calcular la distancia a la luna. Hoy en día, los parámetros de la órbita de la Luna se conocen con una precisión de unos pocos centímetros.
El uso de métodos de óptica adaptativa en telescopios terrestres puede mejorar significativamente la calidad de imagen de los objetos astronómicos midiendo y compensando las distorsiones ópticas atmosféricas . Para ello, se dirige un potente rayo láser hacia la observación. La radiación láser se dispersa en las capas superiores de la atmósfera, creando una fuente de luz de referencia visible desde la superficie terrestre: una "estrella" artificial. Su luz, que atravesó las capas de la atmósfera en su camino de regreso a la tierra, contiene información sobre las distorsiones ópticas que se producen en un momento dado. Las distorsiones atmosféricas medidas de esta manera son compensadas por un corrector especial. Por ejemplo, un espejo deformable .
Algunos tipos de láseres pueden producir pulsos de luz ultracortos medidos en pico y femtosegundos (10 −12 - 10 −15 s). Dichos pulsos se pueden utilizar para desencadenar y analizar reacciones químicas. Los pulsos ultracortos se pueden usar para estudiar reacciones químicas con alta resolución de tiempo, lo que permite un aislamiento confiable de compuestos de vida corta. La manipulación de la polarización del pulso permite elegir selectivamente la dirección de una reacción química entre varias posibles ( control coherente ). Dichos métodos encuentran su aplicación en la bioquímica , donde se utilizan para estudiar la formación y el funcionamiento de las proteínas .
Los pulsos de láser ultracortos se utilizan para el control ultrarrápido del estado magnético de un medio, que actualmente es objeto de una intensa investigación. Ya se han descubierto muchos fenómenos óptico-magnéticos, como la desmagnetización ultrarrápida en 200 femtosegundos (2⋅10 −13 s), la remagnetización térmica por luz y el control óptico no térmico de la magnetización por polarización de luz.
Los primeros experimentos de enfriamiento por láser se realizaron con iones en trampas de iones, los iones se mantenían en el espacio de la trampa mediante un campo eléctrico y/o magnético . Estos iones fueron iluminados por un rayo láser y, debido a la interacción inelástica con los fotones , perdieron energía después de cada colisión. Este efecto se utiliza para lograr temperaturas ultrabajas.
Más tarde, en el proceso de mejora de los láseres, se encontraron otros métodos, como el enfriamiento de sólidos anti-Stokes, el método más práctico de enfriamiento por láser en la actualidad. Este método se basa en el hecho de que el átomo no se excita desde el estado electrónico fundamental, sino desde los niveles vibratorios de este estado (con una energía ligeramente superior a la energía del estado fundamental) hasta los niveles vibratorios del estado excitado ( con una energía ligeramente menor que la energía de este estado excitado). Además, el átomo pasa de forma no radiativa al nivel excitado (absorbiendo fonones ) y emite un fotón al pasar del nivel electrónico excitado al de tierra (este fotón tiene más energía que el fotón de bombeo ). El átomo absorbe un fonón y el ciclo se repite.
Ya existen sistemas capaces de enfriar el cristal de nitrógeno a temperaturas de helio . Este método de refrigeración es ideal para naves espaciales en las que no se dispone de un sistema de refrigeración convencional.
Una forma de llevar a cabo una reacción termonuclear es mantener el combustible termonuclear durante la duración de la reacción por sus propias fuerzas de inercia. Por lo general, en este caso, un pequeño volumen de combustible se irradia con una potente radiación láser (a veces, la radiación láser se transforma preliminarmente en radiación de rayos X) desde todos los lados durante intervalos de tiempo cortos (del orden de varios nanosegundos). Como resultado de la irradiación, la superficie del objetivo se evapora, ejerciendo una enorme presión sobre las capas internas. Esta presión comprime el objetivo a densidades ultra altas para que en él se produzcan reacciones termonucleares. El calentamiento es posible tanto directamente por las fuerzas de presión como utilizando un pulso láser adicional súper potente y ultracorto (del orden de varios femtosegundos).
Una pinza óptica es un dispositivo que le permite manipular objetos microscópicos usando luz láser (generalmente emitida por un diodo láser). Le permite aplicar fuerzas desde femtonewtons hasta nanonewtons a objetos dieléctricos y medir distancias desde unos pocos nanómetros. En los últimos años se han utilizado pinzas ópticas para estudiar la estructura y el funcionamiento de las proteínas.
Desde mediados de la década de 1950, se ha llevado a cabo un trabajo a gran escala en la URSS para desarrollar y probar armas láser de alta potencia como medio de destrucción directa de objetivos en aras de la defensa estratégica antiespacial y antimisiles. Entre otros, se implementaron los programas Terra y Omega . Las pruebas de láser se llevaron a cabo en el sitio de prueba de Sary-Shagan ( defensa aérea , defensa antimisiles , PKO , SKKP , sistema de alerta temprana ) en Kazajstán . Después del colapso de la Unión Soviética , se detuvo el trabajo en el sitio de prueba de Sary-Shagan .
A mediados de marzo de 2009, la corporación estadounidense Northrop Grumman anunció la creación de un láser eléctrico de estado sólido con una potencia de unos 100 kW . El desarrollo de este dispositivo se llevó a cabo como parte de un programa para crear un complejo láser móvil eficaz diseñado para combatir objetivos terrestres y aéreos [1] .
En la mayoría de las aplicaciones militares, se utiliza un láser para facilitar el apuntar con algún tipo de arma. Por ejemplo, una mira láser es un láser pequeño, generalmente en el rango visible, unido al cañón de una pistola o rifle para que su rayo sea paralelo al cañón. Debido a la débil divergencia del rayo láser, incluso a largas distancias, la mira da una pequeña mota. Una persona simplemente apunta este punto al objetivo y, por lo tanto, ve exactamente hacia dónde se dirige su tronco.
La mayoría de los láseres utilizan un diodo láser rojo. Algunos usan un diodo infrarrojo para crear un punto que es invisible a simple vista pero visible para las gafas de visión nocturna. En 2007, Lasermax, una empresa especializada en la producción de láseres para fines militares, anunció el inicio de la primera producción en masa de láseres verdes disponibles para armas pequeñas [2] . Se asumió que el láser verde sería mejor que el rojo, visible en condiciones de luz brillante debido a la mayor sensibilidad de la retina humana a la región verde del espectro. Sin embargo, después de 8 años, el uso del láser verde no ha calado tanto como se pensaba en 2007. Los diodos verdes, dispositivos que emiten un haz verde, resultaron ser mucho más caros de fabricar (varias veces debido a una mayor cantidad de defectos en comparación con un diodo rojo). Y la vida útil del diodo verde resultó ser mucho menor. En total, las razones anteriores afectaron el costo final de los equipos que utilizan un láser verde [3] .
El principio de estos sistemas se basa en el hecho de que el haz, al pasar a través de las lentes, se reflejará en algún objeto sensible a la luz (convertidores ópticos, retina, etc.).
Como ventaja, dichos sistemas son activos, es decir, detectan a los francotiradores antes del disparo y no después. Por otro lado, estos sistemas se desenmascaran, ya que son emisores.
Dichos sistemas se producen tanto en Rusia [4] como en otros países.
La interferencia es posible "escaneando" el terreno con un rayo láser, evitando que los francotiradores enemigos disparen o incluso observen a través de dispositivos ópticos.
En este caso, se trata de armas “no letales”, cuyo objetivo principal es prevenir un ataque del enemigo. El dispositivo crea un rayo láser de baja potencia dirigido hacia el enemigo (esta tecnología se usa principalmente contra aviones y tanques). El enemigo cree que le apuntan con un arma de precisión, se ve obligado a esconderse o retirarse en lugar de asestar su propio golpe.
Un telémetro láser es un dispositivo que consta de un láser pulsado y un detector de radiación . Al medir el tiempo que tarda el rayo en viajar al reflector y regresar, y conociendo el valor de la velocidad de la luz , puede calcular la distancia entre el láser y el objeto reflectante. Un telémetro láser es la versión más simple de un lidar . El valor de la distancia del objetivo se puede utilizar para apuntar un arma, como un cañón de tanque .
Otra aplicación militar de los láseres son los sistemas de guía de armas. Dichos sistemas son un láser de baja potencia que "ilumina" el objetivo de las municiones guiadas por láser: bombas o misiles "inteligentes" lanzados desde un avión . El misil cambia automáticamente su vuelo, enfocándose en el punto reflejado del rayo láser en el objetivo, asegurando así una alta precisión de impacto. El emisor láser se puede ubicar tanto en la propia aeronave como en tierra. Los láseres infrarrojos se suelen utilizar en dispositivos de guía láser , ya que su trabajo es más fácil de ocultar del enemigo.
La primera aplicación militar de los láseres que viene a la mente suele ser su uso en el diseño de armas pequeñas láser capaces de destruir infantería , tanques e incluso aviones . En la práctica, tales ideas se topan de inmediato con un serio obstáculo: con el nivel actual de tecnología, un láser capaz de infligir daño a una persona (teniendo en cuenta la fuente de energía) será demasiado pesado para transportarlo solo, y un dispositivo con suficiente potencia desactivar un tanque será un dispositivo extremadamente engorroso y sensible a las vibraciones, lo que imposibilitará su uso en el campo. En primer lugar, esto se debe a la eficiencia extremadamente baja del láser: para obtener una cantidad suficiente (para dañar el objetivo) de energía radiada, es necesario gastar decenas (a veces cientos) veces más energía para bombear el trabajo. cuerpo del láser. En particular, para infligir un daño similar al impacto de una bala calibre .30 (en términos de energía), se requiere un pulso láser con una potencia de unos 5 kilojulios; 1,6 kilojulios equivaldrían a una bala de 9 mm, respectivamente. Un pulso de rayo que dura por segundo, por lo tanto, debe tener una potencia de 1600 vatios. En este caso, se debe tener en cuenta el factor anterior de baja eficiencia del láser, respectivamente, la fuente de alimentación debe proporcionar al menos diez veces más potencia (en el mejor de los casos). Es la masa de fuentes de energía para bombear lo que, en gran medida, determinará la gravedad de tal arma. Actualmente no existen fuentes de energía portátiles con tal densidad de energía. También cabe señalar que el resto de la energía no emitida en el pulso láser se liberará en forma de calor en la estructura del arma, lo que requerirá un sistema de refrigeración muy eficiente y pesado para liberar calor. Y el tiempo de enfriamiento requerido, a su vez, reducirá en gran medida la velocidad de disparo del arma. Hagamos una reserva de que el problema de la eliminación de calor se resuelve en parte en los láseres bombeados químicamente (en particular, los láseres de oxígeno-yodo y deuterio-flúor de alta potencia que producen megavatios por segundo de pulso), donde los componentes químicos gastados son expulsados del sistema. después del pulso, llevándose calor. Al mismo tiempo, el emisor requiere un gran suministro de estos reactivos, a menudo agresivos, y contenedores de almacenamiento apropiados.
Lo único que queda es la posibilidad de utilizar un láser para cegar al enemigo, pues para ello se necesitan láseres de muy baja potencia, que pueden hacerse portátiles. Actualmente, el uso de tales dispositivos está prohibido por las reglas internacionales de guerra. Sin embargo, los láseres de baja potencia, incluidos los punteros láser , se utilizan de forma limitada para cegar a los francotiradores enemigos y revelar emplazamientos de armas ocultos.
En la década de 1960 se realizaron los primeros estudios sobre el uso de láseres en medicina. Tuvieron lugar en las clínicas de MMA . I. M. Sechenov , CITO , Instituto Central de Investigación de Balneología y Fisioterapia , el desarrollador de los primeros dispositivos médicos láser en la URSS fue la Empresa de Investigación y Producción Istok ( Fryazino , Región de Moscú ). Se estudiaron las posibilidades de utilizar láseres de helio-neón con una longitud de onda de 0,63 μm en la práctica clínica. Se demostró la conveniencia de utilizar láseres de helio-neón con fines médicos, y en 1972 se obtuvo el permiso del Ministerio de Salud de la URSS para el uso de radiación láser de helio-neón de baja potencia en terapia [6] .
El trabajo sobre el uso de láseres en cirugía en la URSS comenzó en 1965 en el MNIOI. P. A. Herzen (dirigido por el profesor S. D. Pletnev) junto con NPP Istok (dirigido por el académico de la Academia de Ciencias de la URSS N. D. Devyatkov y V. P. Belyaev). Se utilizaron láseres de CO 2 de alta energía con una longitud de onda de 10,6 μm. Basándose en los resultados de estos trabajos, NPP Istok creó varias modificaciones de unidades quirúrgicas láser, que se transfirieron a clínicas y se utilizaron en operaciones quirúrgicas [6] .
Con la llegada de los láseres industriales, ha comenzado una nueva era en la cirugía. Al mismo tiempo, la experiencia de los especialistas en el procesamiento de metales con láser resultó útil. La soldadura por láser de la retina exfoliada del ojo es una soldadura por puntos; bisturí láser - corte autógeno; soldadura de huesos - soldadura a tope por fusión; la conexión del tejido muscular también es soldadura por contacto.
Para que la radiación láser tenga algún efecto, debe ser absorbida por el tejido. El láser más popular en cirugía es el dióxido de carbono. Otros láseres son monocromáticos , es decir, calientan, destruyen o sueldan solo determinados tejidos biológicos con un color bien definido. Por ejemplo, un rayo láser de argón atraviesa libremente el cuerpo vítreo helado y emite su energía a la retina, cuyo color es cercano al rojo.
Un láser de dióxido de carbono es adecuado para la mayoría de las aplicaciones, como cuando necesita cortar o soldar telas de diferentes colores entre sí. Sin embargo, esto plantea otro problema. Los tejidos están saturados de sangre y linfa , contienen mucha agua y la radiación láser en el agua pierde energía. Es posible aumentar la energía del rayo láser, pero esto puede provocar la quema de tejidos. Los creadores de láseres quirúrgicos tienen que recurrir a todo tipo de trucos, lo que encarece mucho el coste del equipo.
Los soldadores de metales saben desde hace mucho tiempo que al cortar una pila de láminas de metal delgadas es necesario que encajen perfectamente entre sí, y cuando se suelda por puntos, se necesita presión adicional para hacer contacto cercano con las partes que se van a soldar.
Este método también se usó en cirugía: el profesor O. K. Skobelkin y sus coautores sugirieron que al soldar tejidos, apretarlos ligeramente para forzar la salida de la sangre. Para implementar el nuevo método, se creó todo un conjunto de herramientas, que se utiliza hoy en día en cirugía gastrointestinal , durante operaciones en el tracto biliar , bazo , hígado y pulmones .
Espectáculo de láser