În lucrarea de față este analizat fasciculul laser cu proprietățile lui chimice și fizice și de asemenea sunt prezentate domeniile de interes aplicațiilor cu laser.

LUCRARE DE LICENȚĂ

LASERUL

În lucrarea de față este analizat fasciculul laser cu proprietățile lui chimice și fizice și de asemenea sunt prezentate domeniile de interes aplicațiilor cu laser.

Principalele proprietăți ale fasciculului laser sunt: monocromaticitatea (un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă), direcționalitatea (proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică) și intensitatea (unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor). Acestea au fost fundamentele dezvolării cercetărilor, descoperirilor și avansărilor în domenii precum: tehnologie, comunicații , medicină, armată ș.a.m.d.

Acestea fiind spune, laserul a fost din ce în ce mai prezent în viața omului, îmbunătățindu-i calitatea nivelului de trai. Deși aplicabilitatea acestuia este foarte răspândită, cercetările continuă și se preconizează performanțe din ce în ce mai bune.

Laserul

Cuprins……………………………………………………………………………………………………………………4

Introducere (Scurt istoric.Noțiuni de bază.Generalități.Funcționare.Clasificare)……………..5

Metode de inversiune aplicate laserilor…………………………………………………………………….16

2.1. Cazul laserilor solizi paramagnetici………………………………………………………..16

2.2. Cazul laserilor semiconductori……………………………………………………………….16

2.3. Cazul laserilor gazoși…………………………………………………………………………….17

Radiația laser

3.1 Zgomotul laserilor……………………………………………………………………………………………18

3.2 Calitãțile radiației emise de laser………………………………………………………………………..19

Coerența…………………………………………………………………………………………19

Directivitatea…………………………………………………………………………………..21

Monocromaticitatea………………………………………………………………………….22

Intensitatea……………………………………………………………………………………..24

3.3 Acțiuni distructive ale radiației laser…………………………………………………………………25

3.4 Protecția contra radiației laser, avertizare și contraacțiune laser……………………………..33

4. Aplicațiile laserilor

Sisteme de afișare cu fascicul laser pe ecran mare…………………………………35

Memorii holografice………………………………………………………………………….40

Telecomunicații cu laser…………………………………………………………………….41

Utilizarea laserului în fuziunea termonucleară controlată……………………….46

4.1 Telemetrul – prima aplicație a laserului în mãsurarea distanței……………………………….47

4.1.1. Generalitãți………………………………………………………………………………………..48

4.1.2. Proiectare și performanță

Emițãtor…………………………………………………………………………………….50

Detectori de impuls în sistemul de recepție…………………………………….52

Prelucrarea semnalului…………………………………………………………………54

Sensibilitatea sistemului………………………………………………………………57

4.2 Ultimele aplicații laser………………………………………………………………………………………58

5. Parte practică – sistem de securitate cu laser………………………………………………………………69

CONCLUZII………………………………………………………………………………………………………..72

BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………………………………..74

ANEXE….……………………………………………………………………………………………………………75

Capitolul 1.Introducere

Scurt istoric

Generația noastră a fost și este martora unor descoperiri epocale și mari realizări teorerite, în diferite ramuri ale științelor naturii, care prin volumul, amploarea, ritmul și implicațiile cunoștințelor dobândite îndreptățește termenul de explozie științifică și tehnică, ce caracterizează această revoluție.

Extinzându-și cercetările asupra a noi domenii ale spectrului electromagnetice și asupra structurii materiei, tehnica a dezvăluit noi surse de energie, cum sunt energia nucleară și termonucleară și a furnizat date necesare pentru dezvoltarea unor tehnici noi în radioelectronică, spectru infraroșu, telecomunicații etc.

Prin sinteza cuceririlor din domeniul fizicii gazelor și a corpului solid, a spectroscopiei, mecanicii cuantice, tehnicii frecvențelor ultraînalte, precum și a progreselor tehnologice în elaborarea unor materiale noi a apărut electronica cuantică, care, printre altele, are corespondențe în tehnică, generatoarele cuantice de radiație în domeniul microundelor, optic, și în gamele de radiații ultraviolete, X și gama. Coerența radiației emise de aceste dispozitive, directivitatea fasciculelor, puterile disponibile emise în impulsuri extrem de scurte, ca și generarea continuă, posibilitatea de a colima sau focaliza radiația pentru obținerea unor densități de energie deosebit de mari au condus la deschiderea unor noi câmpuri de aplicații, în aproape toate ramurile științei și tehnicii, în tehnologie, comunicații, geodezie, telemetrie, tehnică calculatoarelor, informatică, locație, medicină, biologie etc.

Deși primii maseri și laseri au fost realizați în anii 1954, 1955, independent de către cercetători sovietici și americani – N.G.Basov și A.M.Prohorov și respectiv H.C.Townes, care au primit pentru această descoperire premiul Nobel pentru știință pe anul 1964. Posibilitatea emisiei stimulate a radiației a fost semnalată și de Albert Einstein în anul 1921 când a supus analizei legea radiației corpului negru al lui Max Planck.

Descoperirea lui Einstein a fost apoi preluată de Louis de Broglie, care în lucrarea sa „O nouă teorie a luminii” a precizat legile cuantice ale emisiei stimulate.

Până la mijlocul anului 1952 nu s-au realizat aplicații ale fenomenului. În acest an, I.Weber a elaborat însă o lucrare privind posibilitățile de amplificare a microundelor prin substanțe în neechilibru termic. La scurtă vreme după această lucrare a apărut aproape simultan lucrări teoretice și experimentale în Uniunea Sovietică și S.U.A. Este vorba de lucrările savanților sovietici N.G.Basov și A.M.Prohorov apărute în „Revista de fizică teoretică și experimentala” 1954, 1955 și ale savanților americani Gordon, Zeiger și Townes publicate în Physikal revue 1954, 1955.

Odată cu primele succese obținute pe plan mondial în fizică, tehnică și aplicațiile laserilor au început cercetări în acest domeniu și în țara noastră, ceea ce a făcut posibil ca în anul 1962 să fie realizat la noi laserul cu heliu-neon, iar apoi laseri cu bioxid de carbon, cu argon, sticlă cu neodym, cu rubin și semiconductoare în diverse configurații și moduri de lucru și o serie de instalații ori aparate cu laseri.

Noțiuni de bază

Teoria elementară a laserului este bazată în primul rând pe fenomene cuantice legate, în special, de interacțiunea undei electromagnetice cu materia și, în particular, de producerea emisiei stimulate de radiație (1.1).

Radiația atomului

Radiația atomului poate fi considerată dintr-un punct de vedere clasic ca datorată dipolului electric oscilant cu frecvența v si amplitudinea maximă . Momentul dipolului la timpul t este dat de produsul dintre sarcina elementară e si amplitudinea sa instantanee r:

Puterea radiației emise, conform relației va fi:

,

iar diagrama de radiație este aceea a unei antene dipol de unde scurte.

Energia totală H a dipolului oscilant va fi dublul energiei sale cinetice medii :

,

unde m este masa asociată sarcinii oscilante.

Din cauza emisiei de radiație, amplitudinea oscilației se amortizează într-un timp care, ca ordin de mărime, este dat de raportul între energia totală și puterea iradiată, astfel:

Să ne imaginăm acum că dipolul considerat se cunatifică.

După Sommerfeld, condiția de cuantificare scrisă pentru spațiul fazelor are forma:

adică energia scrisă în planul fazelor corespunde momentului cinetic de rotație și trebuie să fie egală cu un număr întreg n de cuante elementare de rotație (h fiind constanta lui Planck).

Ȋn particular, pentru n=1, rezultă:

Introducând această expresie în (1.1), se obține pentru „viața medie” a oscilatorului expresia:

Viața medie este caracteristică unei tranziții spontane a atomului de pe o stare excitată cu emisia unui foton de energie hv.

Din (1.2) rezultă că viața medie descrește cu cubul frecvenței emise și cu pătratul momentului dipolului , în starea considerată. Rezultă că tranziția radiativă spontană este un fenomen mult mai evident la frecvențe optice față de frecvențele corespunzătoare microundelor, ceea ce o face mai importantă în tehnica laserului, decât în ceea a maserului.

Emisia spontană din punct de vedere cuantic

Pentru un electron al atomului, celor două niveluri le corespund funcțiile de undă și :

Ȋn aceste expresii, și reprezintă dependența spațială a funcției de undă. Reamintim că o perturbație este legată de starea sistemului descrisă la un moment dat, prin contribuția celor două stări staționare 1 și 2 cu ajutorul coeficienților și . Astfel, starea sistemului va fi descrisă de funcția de undă :

Pentru această stare se poate calcula valoarea momentului dipolului:

unde este variabila.

Introducând relațiile (1.3) ale lui și se obține:

unde Re indică partea reală.

Se poate observa că primul și al treilea termen reprezintă momente ale dipolului ce nu depind de timp, pe când al doilea termen exprimă un moment al dipolului dependent de timp și corespunde dipolului clasic considerat mai sus.

Ȋn cazul în care se obține:

Ȋn realitate, într-o tratare completă a calculului perturbației, și apar ca funcții variabile de timp; tranziția la rândul ei este reprezentată prin evoluția lui și de la starea inițială la starea finală .

Considerarea termenilor permite să se calculeze ordinul de mărime al momentului dipolului în timpul tranziției .

Calculând relația (1.4) în caz concret, luând pentru simplificare două nivele ale atomului de hidrohen. Nivelul fundamental și nivelurile excitate și sunt date in fig.1.1, ca reprezentând partea spațială a funcției de undă respectivă.

Menționăm că partea spațială a funcțiilor de undă respective este:

-nivelul :

-nivelul :

-nivelul :

În care:

La studiul în particular a tranzițiilor dintre nivelurile și nivelul , pentru care , și pe care le vom nota:

Se obțin pentru componentele momentului dipolului după trei axe carteziene, expresiile:

în care:

Din studiul integralelor rezultă imediat că, componenta după direcția a momentului dipolului este nulă, iar componentele după și pot să reprezinte momentul dipolului ce se rotește în planul cu o viteză unghiulară , așa cum arată și fig.1.2., unde:

Dacă din studierea tranziției de la starea la starea , toate cele trei componente ale lui rezultă că tranziția este interzisă. Considerând astfel tranziția , numai componenta după rezultă diferită de zero și sistemul poate fi restrâns la cazul dipolului clasic considerat la început.

Studiul radiației dipolului dă informații despre viața medie a tranzițiilor considerate, dar și asupra diagramei de radiație, precum și a polarizației radiației emise. Reluând cazul general și notând cu expresia:

se poate evalua viața medie a dipolului, introducând această mărime a momentului dipolului în (1.2) în locul lui . Rezultatul care se obține este următorul:

relație exactă pentru viața medie a dipolului, diferind față de relația (1.2) printr-un coeficient numeric.

Emisia stimulată a radiației

Se va considera acum emisia stimulată (și absorbția) care constituie fenomenul fundamental pentru funcționarea laserului, începând de asemenea prin a studia un caz elementar, acela al unui dipol oscilant cu mărimea:

Dipolul se află într-un câmp electric cu variație pur sinusoidală de acceași frecvență.

Raportul dintre energia a dipolului și puterea aschimbată între dipol și câmp, dă ordinea de mărime a timpului necesar dipolului pentru a absorbi sau ceda câmpului energia sa:

Se vede că, după faza dintre oscilația dipolului și cea a câmpului electric, dipolul poate să cedeze câmpului energia sau invers: poate absorbi energia din aceea a câmpului. Ȋn termenii referitori la fotoni se poate spune că dipolul absoarbe sau cedează fotoni câmpului.

Pentru a calcula relația (1.7) în termenii mecanicii cuantice se preferă să se deducă echivalența acesteia prin intermediul radiației termodinamice considerată de Einstein la începutul secolului XIX.

Domeniul de frecvențe

Amplificatoarele și oscilatoarele fototnice funcționează în gamele undelor cele mai scurte ale domeniului: maserii – pe undele decimetrice, centimetrice și milimetrice, laserii – în domeniile infraroșii, vizibile, ultraviolete, X și gamma. Ȋn fig. 1.3 sunt date odată cu lungimile de undă, frecvențele și echivalențele energetice plecând de la ecuația: fiind sarcina electronului. De aici rezultă că diferența dintre două nivele energetice de 1 corespunde corespunde frecvenței:

și lungimii de undă:

Pe de altă parte trebuie specificat că un electron-volt corespunde unei călduri de reacție chimică de 25, 053 kcal/mol.

Zgomotul termic și zgomotul cuantic

Noțiunea de temperatură de zgomot, folosită adesea în cazul receptorilor ultrasensibili, este inspirată de proprietățile zgomotului de fond dat de rezistențe. Mecanismul intim de trecere a curentului se explică printr-un număr imens de tranziții electronice, fiecare tranziție contribuind cu un scurt impuls. De aceea, curentul mijlociu ce traversează rezistența este dat de ansamblul spectrelor integralelor Fourier relative la aceste impulsuri.

Ȋn cazul amplificatorului, zgomotul rezultă din variațiile întâmplătoare ale semnalului de ieșire. Deoarece semnalul de ieșire al unui amplificator este o funcție de timp, rezultă că zgomotul reprezintă variația în timp a unei funcții temporale.

Ȋn tratarea proceselor aleatoare, staționare, se folosesc ansambluri de sisteme identice, deoarece media instantanee pe ansamblu a unei mărimi variabile aleator în timp este identică cu media în timp a aceleiași mărimi, considerând numai un singur sistem.

Ȋn teoria clasică a amplificatoarelor, zgomotul se măsoară prin micșorarea raportului semnal/zgomot când semnalul parcurge amplificatorul. Matematic, un semnal modulat în amplitudine și în fază -în prezența zgomotului- poate fi descris prin funcția:

Primul termen reprezintă semnalul fără zgomot, iar următorii doi, perturbațiile în fază și cvadratură determinate de zgomot, și fiind mărimi variabile în timp. Considerând un ansamblu de funcții având partea corespunzătoare semnalului fără zgomot identică, se poate extrage semnalul fără zgomot, efectuând media pe semnalul considerat. Notând media pe ansamblu vom avea:

Componența semnalului se definește ca media pătratică a semnalului fără zgomot pe un interval de timp , mult mai mare decât inversul benzii amplificatorului, adică:

iar componenta de zgomot fiind media porțiunii de zgomot pe același interval de timp, rezultă:

Coeficientul de zgomot F al amplificatorului fiind raportul semnal/zgomot de la intrarea amplificatorului divizat prin același raport corespunzător ieșirii, rezultă ca:

Zgomotul de la ieșirea amplificatorului este determinat de zgomotul aplicat la intrare, care apare la ieșire amplificat, și de zgomotul propriu generat în interiorul amplificatorului. Zgomotul propriu este generat de diversele elemente ale amplificatorului.

Generalități

Efectul laser se leagă de domeniul radiațiilor electromagnetice optice. Ȋn spectrul vizibil tranzițiile spontane. Ȋn domeniul optic nu se înregistrează aproape deloc emisie stimulată. Probabilitatea ei este redusă chiar atunci când, printr-un mijloc oarecare se realizează o inversiune de populare a două niveluri de energie a căror diferență corespunde unei frecvențe optice; abia când (la temperaturi foarte joase), probabilitatea emisiei stimulate se apropie de aceea a emisiei spontane.

Cu toate că emisia stimulată are o probabilitate redusă de a se produce, intesitatea ei este cu mult mai mare decât cea a emisiei spontane. Intensitatea emisiei stiumlate, mult mai mare decât cea e emisiei spontane, se datorează proprietății de coerență de fază a primeia dintre ele.

Laserii, din cauza zgomotului puternic determinat de tranzitiile spontane, lucrează în general în regim de generare. Ȋn literatură se citează și cazuri în care laserii lucrează în regim de amplificare, însă, în acest caz, coeficientul de amplificare este foarte mic.

Din punct de vedere constructiv, laserii se prezintă, în general, sub o singură variantă și anume cu cavitate rezonantă optică.

După natura sistemului activ, laserii pot fi solizi, gazoși și lichizi.

Prin laseri solizi se înțeleg cei în care se întrebuințează în calitate de sistem activ o substanță paramagnetică sau semiconductoare.

În cazul laserilor gazoși, gazele utilizate sunt mai ales sub formă atomică sau nucleară. Se poate întrebuința un singur gaz sau amestec a două, ori mai mult multe gaze.

Laserii cu mediu activ lichid sunt puțin răspândiți, dar propritetățile lor demonstrate lasă să se întrevadă o dezvoltare și a acestora în viitor.

Funcționarea laserilor

Ȋn cazul laserilor se utilizează sisteme active care au trei sau patru niveluri energetice. După cum se va vedea, sistemele cu patru niveluri energetice prezintă avantajul obținerii mai ușoare a inversiunii populațiilor. Nivelurile energetice sunt prezentate în fig.1.4 și fig.1.5.

Ȋntre nivelurile enrgetice se pot produce:

tranziții spontane de pe niveluri energetice superioare pe cele inferioare;

tranziții induse care pot fi tranziții stimulate de pe nivelurile superioare pe cele inferioare și de absorbție, în sens invers;

tranziții neradiative în ambele sensuri, datorate ciocnirilor în cazul gazelor sau interacțiunii cu rețeaua cristalină în cazul solidelor.

Pentru obținerea inversiunii populatiilor, prin una din metodele expuse, de pe nivelul fundamental particulele vor fi excitate pe nivelul superior. Studiul funcționării laserilor cu trei niveluri în cazul general este complicat, deoarece intervin probabilitățile tuturor tranzițiilor posibile. Ȋn cazuri practice însă, o serie de tranziții pot fi neglijate, deoarece au probabilități mult mai mici decât celelalte tranziții.

Așadar, funcționarea laserilor decurge în felul următor:

Sub acțiunea semnalului de pompaj, spinii trec de pe nivelul fundamental pe nivelul superior, iar o parte din spinii de pe nivelul superior revin înapoi pe nivelul fundamental prin tranziții spontane. De pe nivelul 3, spinii trec pe nivelul 2 prin tranziții neradiative, cedând energie termică rețelei cristaline. Se creează astfel posibilitatea realizării inversiunii populațiilor între nivelurile 2 și 1. Spinii de pe nivelul 2 pot să treacă însă pe nivelul fundamental prin tranziții spontane, micșorând prin aceasta diferența de populație între aceste niveluri.

Dezavantajul sistemelor cu trei niveluri îl constituie faptul că puterea semnalului de pompaj, pentru obținerea inversiunii populațiilor, este relativ ridicată. Astfel, pentru ca între nivelurile 2 și 1 să se obțină inversiunea populațiilor, este necesar ca mai mult de 50% din spinii de pe nivelul fundamental sa treacă pe nivelul superior, având în vedere faptul că de pe acest nivel, prin tranziții neradiative rapide, spinii ajung cu ușurință pe nivelul 2. Energia tranzitiilor între nivelurile 2 și 3 este cedată cristalului sub formă de căldură, ceea ce produce încălzirea acestuia și deci înrăutățirea condițiilor de funcționare.

Sistemul cu patru niveluri este mult ai eficace din acest punct de vedere. Dacă intervalul energetic între nivelul 1 și nivelul fundamental este suficient de mare, atunci populația nivelului 1 este foarte mică în comparație cu populația nivelului fundamental. Ca urmare, sub acțiunea unui semnal de pompaj de putere relativ mică, se obține ușor inversiunea populațiilor între nivelurile 2 și 1. Dacă diferența de energie între nivelurile 1 și 0 nu este suficient de mare, atunci sistemul se răcește.

Pentru ca laserul să poată oscila este necesar să existe un asemenea grad de inversiune a populațiilor, încât energia cedată de sistemul activ să compenseze cel puțin pierderile de energie în cavitate. O rază luminoasă de intensitate , după parcurgerea într-un mediu a unei distanțe , se atenuează potrivit relatii:

unde este constanta de atenuare a mediului respectiv. Ȋn cazul laserilor, raza luminoasă nu se atenuează, ci dimpotrivă se amplifică, ceea ce înseamnă că mediul se caracterizează printr-o constantă de atenuare negativă ().

Capitolul 2.Metode de inversiune aplicate laserilor

Metodele de inversiune ale populațiilor sunt determinate de structura nivelurilor energetice ale sistemului activ utilizat.

2.1. Cazul laserilor solizi paramagnetici

La acești laseri nivelul 3 are o lărgime relativ mare. Se pot folosi metode de pompaj optic, deoarece din spectrul larg de frecvențe emis de către sursa luminoasă, sistemul activ absoarbe o porțiune largă corespunzătoare nivelului 3. Dacă nivelul 3 ar fi avut o lărgime mică, atunci spectrul absorbit ar fi fost îngust, ceea ce înseamnă că pentru realizarea puterii de pompaj de prag, ar fi trebuit surse foarte intense.

Ca surse luminoase se utilizează tuburi cu descărcare electrică.

Ȋn mod curent se folosesc sursele cu descărcare în vapori de mercur, pentru laserii cu funcționare continuă, și cu descărcare în xenon, pentru laserii cu funcționare în regim de impulsuri. Nivelul 3 al laserilor solizi este mult mai fin decât această regiune, ceea ce înseamnă că cea mai mare parte a puterii emise de sursă nu este utilizată pentru pompaj. De aceea, în laserii solizi eficiența pompajului este de maxim 5%, valorile curente fiind sub 1%.

2.2. Cazul laserilor semiconductori

Metoda cea mai folosită pentru inversiunea populațiilor la semiconductoare este injecția de purtător minoritari. De aceea acești laseri se mai numesc și laseri cu injecție. Principiul metodei poate fi urmărit în fig.1.6, unde sunt reprezentate nivelurile energetice ale joncțiunii utilizată în calitate de laser. Se observă că regiunile au fost puternic dopate, astfel încât semiconductoarele au devenit „degenerate”. Ȋn cazul în care diodei i se aplică o polarizare directă, în regiunile sunt injectați purtători minoritari.

Agitația termică determină ca un număr mic de putători minoritari să traverseze joncțiunea și în sens invers. Dacă tensiunea aplicată de-al lungul diodei se apropie de valoarea corespunzătoare diferenței de energie între niveluri, atunci în situația prezentată electronii traversează direct regiunea de trecere înspre semiconductorul de tip .

Ȋn alte cazuri de degenerare poate să apară trecerea golurilor în regiunea . Când curentul prin diodă este suficient de mare, atunci în vecinătatea regiunii de trecere ia naștere o regiune de populație inversă, adică o temperatură negativă. Pentru ca să se obțină oscilații este necesar ca numărul cuantelor emise să fie mai mare decât numărul cuantelor absorbite, ceea ce depinde de electronii din banda de valență care trec pe nivelurile libere din banda de conducție.

Pentru ca o cuantă să fie emisă este necesar ca un electron din banda de conducție să se recombine cu un gol din banda de valență.

2.3. Cazul laserilor gazoși

Pentru gaze, nivelurile energetice sunt foarte înguste, ceea ce înseamnă că metodele de pompaj optic nu se pot aplica.

Obținerea inversiunii populațiilor se realizează prin excitarea atomilor cu electroni proveniți din urma unei descărcări electrice în gaz. Când într-un gaz se produce o descărcare electrică, se formează electroni liberi și ioni. Datorită mobilității mici, mișcarea ionilor nu prezintă un interes din acest punct de vedere. Electronii, fiind accelerați în câmpul electric ce întreține descărcarea, câștigă energie. Ȋn urma ciocnirii între atomii gazului și electroni, atomii sunt excitați. Alături de acest procedeu au loc și procese în sens invers, determinate de ciocniri între atomi ( în urma cărora energia de excitație se transformă în energie cinetică) și de tranziții spontane. Ȋn funcție de probabilitățile tranzițiilor dintre niveluri se poate obține inversiunea populațiilor.

La gaze inversiunea populațiilor mai poate rezulta utilizând un amestec de două gaze, unul dintre ele fiind gazul la care se obține inversiunea populațiilor, iar celălalt gazul de pompaj, numit astfel deoarece prin intermediul lui se realizează inversiunea populațiilor. Gazul de pompaj trebuie să aibă nivelurile metastabile, adică niveluri pentru care tranzițiile pe nivelul fundamental sunt interzise de reguli de selecție. Din această cauză pe asemenea niveluri se acumulează atomi. Nivelurile gazului activ trebuie să fie cât mai apropiate de nivelurile metastabile ale gazului de pompaj, deoarece datorită ciocnirii între atomi celor două gaze apar transferuri de energie cu probabilitate care scade exponențial cu mărimea diferenței de energie între nivelurile considerate. Ȋn urma acestui proces, atomii gazului de pompaj revin pe nivelul fundamental, iar atomii gazului activ sunt excitați pe nivelul corespunzător nivelului nestabil al gazului de pompaj. De pe acest nivel, atomii gazului activ suferă tranziții pe nivelul următor inferior. Timpul de viață al nivelului gazului activ care intervine în proces trebuie să fie mai mare decât timpul de viață al nivelului inferior, pentru a crea între aceste două niveluri inversiunea populațiilor.

Capitolul 3.Radiația laser

3.1. Zgomotul laserilor

Așa cum s-a arătat în domeniul radiațiilor optice, zgomotul termic generat de mediul activ este neglijabil în comparație cu zgomotul tranzițiilor spontane.

Condiția este ușor îndeplinită, ceea ce înseamnă că puterea de zgomot determinată de tranzițiile spontane în banda de frecvență este dată de și că este valabilă relația:

Temperatura de zgomot dată de această relație are o valoare foarte mare. Din cauza zgomotului foarte puternic, laserii lucrează aproape numai în regim de generare.

3.2. Calitățile radiației emise de laser

Deoarece suprafețele reflectoare ale rezonatorului optic au o transparență parțială, o fracțiune din cantitatea de lumină generată în interiorul cavității trece prin suprafețele respective, constituind ceea ce se numește semnalul laser. Acest semnal este format atât din radiația provenită prin fenomenul de emisie indusă, cât și din radiația provenită prin fenomenul de emisie spontană.

Radiația spontană este emisă de sistemele atomice în mod întâmplător, la momente diferite; această radiație este incoerentă și nu participă la procesul de amplificare. Ea constituie ceea ce se numește zgomotul semnalului. Prin emisia indusă însă, sistemele atomice emit fotonii stimulatori. Radiația indusă este coerentă. Ȋn afară de aceasta, caracterul specific al procesului de amplificare face ca această radiație să posede și alte calități, ca directivitatea foarte pronunțată, înalta monocromacitate și intensitatea deosebit de mare.

Coerența

Conceptul de coerență este strâns legat de fluctuațiile valorilor amplitudinii câmpului electromagnetic, care ia naștere prin suprapunerea mai multor componente Fourier ale câmpului. Dacă undele provenite din două regiuni ale spațiului pot produce efecte de interferență, atunci ele sunt coerente. Ȋn general se presupune că timpul de observare a franjurilor este lung în comparație cu timpii de viață ai atomilor de la care provine radiația. Ȋn experiența clasică cu doua fante a lui Fresnel, prezența franjurilor de interferență indică într-o bună măsură coerența fasciculelor de lumină ce provin de la cele două fante. Vizibilitatea a franjurilor de interferență este definită în mod obișnuit prin relația:

Această mărime poate servi drept măsură a coerenței: vizibilitate egală cu unitatea înseamnă coerență perfectă, iar vizibilitate nulă – incoerență.

O perturbație electromagnetică într-un câmp de unde este o funcție de coordonatele timp și spațiu. Se disting, de fapt, două tipuri de coerență: coerență spațială și coerență temporală.

Dacă se consideră o sursă aproape monocromatică emițând continuu, atunci perturbația la un punct dat în spațiu la timpul este corelată cu perturbația la momentele anterior și posterior. Fiind dată lărgimea spectrală a radiației, se poate defini în mod aproximativ o caracteristică de timp, numită timp de coerență, prin relația:

unde reprezintă intervalul de timp în care schimbarea fazei relative a două componente Fourier oarecare este mult mai mică decât și suma unor astfel de componente exprimă o perturbație care în acest interval de timp se comportă asemănător unei unde monocromatice de frecvență medie. Este însă necesară multă precauție în utilizarea relației dintre lărgimea spectrală și timpul de coerență atunci când radiația examinată constă din mai multe componente spectrale fine, fiecare cu o lărgime spectrală proprie. Dacă de pe altă parte, se plasează o sursă de dimensiuni mici în focarul unei lentile convergente, radiația transmisă prin lentilă va consta din unde aproape plane. La un moment dat, perturbațiile în diferite puncte situate în plane perpendiculare pe axul lentilei vor fi puternic corelate. Se vor putea produce în acest caz franjuri de interferență cu undele provenite de la diferitele porțiuni ale unui astfel de undă. Ȋn felul acesta este definită coerența spațială.

Lungimea de coerență poate fi exprimată prin relatia:

având în vedere aceeași precauție, ca și pentru relația dintre timpul de coerență și lărgimea spectrală.

Efectul laser este declanșat de primii fotoni emiși în mod spontan. Dacă se presupune că a fost emis în mod spontanun singur foton, care, prin stimulare, va obliga unul dintre sistemele atomice acumulate pe nivelul superior al tranziției laser să emită un alt foton. Acesta este coerent cu cel care l-a produs: la rezonanță el este în fază, dar printr-o cantitate finită pentru fiecare frecvență. Deci, faza radiației stimulate nu fluctuează întâmplător, ci este controlată de unda stimulatoare. Fenomenul de emisie stimulată se produce insă cu cea mai mare probabiliate de rezonanță, adică atunci când frecvența fotonului incident este egală cu frecvența fotonului emis. Fotonul indus, la rândul său, va stimula un alt sistem atomic și așa mai departe. Radiația indusă rezultată va fi deci o radiație coerentă.

Unda plană este spațial coerentă. Aceasta înseamnă că, dacă fronturile de undă sunt plane la un moment dat, fazele tuturor punctelor situate pe un singur plan perpendicular pe direcția de propagare sunt aceleași. Ȋn timp, datorită propagării undei, într-un punct dat, amplitudinea undei este maximă , apoi nulă, iar maximă, dar în direcție opusă, iar nulă, din nou maximă ș.a.m.d.

Radiația laser, fiind o aproximație bună a unei unde plane ce se propagă într-o singură direcție, va fi pațial coerentă. Coerența spațială a semnalului laser a fost demonstrată prin utilizarea acestuia ca sursă de lumină coerentă la repetarea experiențelor de interfetență, efectuate prima dată în 1806 de Thomas Young. Ȋn cazul de față, cele două fante au fost practicate direct pe suprafața de la care emergea fasciculul luminos. Ele au fost separate printr-o distanță de 0,00541 cm sau de ordinul 100λ. Imaginea de interferență obținută experimental a fost în concordanță foarte bună cu imaginea calculată, presupunând o coerentă perfectă între fasciculele care ies prin cele două fante. Cu un cristal având o uniformitate bună, această experiență a produs franjuri de interferență pentru o separare a fantelor de 0,32cm.

Directivitatea

Divergența surselor obișnuite de lumină este mai mare datorită dimensiunilor lor finite. Un punct al sursei situat pe axul optic al unui sistem optic oarecare va radia și după o direcție suprapusă axului optic, în timp ce diferitele puncte ale sursei situate în afara axului optic emit fascicule cu raze sub diferite unghiuri față de ax. Divergența acestor fascicule este determinată atât de dimensiunile sursei de lumină, cât și de distanța focală a obiectivului de focalizare.

Specificul amplificării în cazul laserului face ca semnalul emis de acest dispzitiv să aibă o foarte bună directivitate. S-a mai arătat că în acest caz datorită formei speciale a cavității de rezonanță tip Fabry-Pérot (formată din două suprafețe parțial reflctante), undele se reflectă de un foarte mare număr de ori pe suprafețele reflectante de la capete și deci sunt amplificate numai acele unde care se propagă de-al lungul axului cavității respective; undele care formează un unghi oarecare cu axul cavității se vor reflecta de un număr foarte mic de ori, după care vor ieși din cavitate prin pereții laterali, fără să participe la efectul de amplificare. Semanlul laser va fi deci constituit numai din undele care se propagă paralel cu axul cavității. Din acest motiv, el va fi extrem de direcțional. Unghiul de divergență măsurat până în prezent a fost cuprins între 0.05° și 1° pentru laserii cu mediu activ solid și sub minut de arc pentru laserii cu mediul activ gazos.

Coerența și directivitatea semnalului emis de laser fac ca acest dispozitiv să fie echivalent cu o sursă de lumină punctuală, deși suprafața emisivă a acestuia are o întindere apreciabilă (cuprinsă între 0,2cm pentru laserul cu rubin, de exemplu, și aproximativ 1cm pentru laserii cu gaz).

Ȋn practica măsurării distanțelor cu mare precizie, folosind laserul și interferometrul Michelson modificat, pot fi obținute imagini de interferență cu un bun contrast al franjurilor, la distanțe de sute de metri, în timp ce în cazul folosirii surselor monocromatice clasice, asemenea franjuri se pot obține greu la distanțe mai mari de un metru.

Monocromaticitate

Monocromaticitatea semnalului emis de laser este una din proprietățile cele mai importante ale acestuia. Ea este extrem de pronunțată și determinată de modurile de oscilație a rezonatorului, de lărgime naturală și lărgimea Doppler a tranziției atomice, precum și de procesul de emisie stimulată care se produce în interiorul rezonatorului.

Cavității de rezonanță cu dimensiuni mult mai mari decât lungimea de undă utilizată îi revine un număr foarte mare de moduri de oscilație, fiecărui mod corespunzându-i o anumită frecvență de vibrație. Pentru modurile axiale, aceste vibrații se produc la lungimi de undă care satisfac condiția Fabry-Pérot pentru o undă plană ce se propagă perpendicular pe suprafața planelor reflectante:

unde este distanța dintre plane; λ – lungimea de undă; q – un număr întreg. De obicei, numărul q este foarte mare, așa încât rezonanțele Fabry-Pérot sunt foarte apropiate. Diferența dintre două astfel de rezonanțe succesive este:

c fiind viteza luminii. Pe de altă parte, semilărgimea acestor rezonanțe Fabry-Pérot este determinată de pierderea prin reflexie a undei care parcurge distanța L egală cu lungimea cavității, adică:

unde este coeficientul de reflexie al oglinzilor de la capetele rezonatorului.

Semilărgimea Doppler a liniei emise de sistemele atomice ale mediului activ aflat între oglinzile rezonatorului (în cazul în care mediul este gazos ) este dată de expresia:

Semilărgimea liniei spectrale emisă de sistemele etomice prin efect laser va fi:

în care este puterea în modul dat.

Se observă monocromaticitatea extraordinar de pronunțată (de ordinul Hz) pe care o poate realiza efectul laser, față de lărgimea foarte mare (de ordinul a 1000 MHz) obținută cu sursele obișnuite care prezintă efectul Doppler față de lărgimea naturală (de ordinul a 16 MHz) a unei linii spectrale. Monocromaticitatea pronunțată rezultă și din faptul că efectul laser se produce în special la centrul unui mod de cavitate, părțile laterale ale acestuia rămănând neamplificate.

Tabloul celor discutate mai sus este prezentat în fig.3.1, în care se consideră că a fost separat un singur mod de oscilație. Ȋn prezența mai multor moduri, tabloul va fi schimbat, iar monocromaticitatea semnalului emis de laser se va înrăutăți.

Ȋn concluzie, monocromaticitatea semnalului emis de laser depinde esențial de selecția modurilor de oscilație, adică de calitățile cavității de rezonanță utilizate. Pe de altă parte este necesară o cât mai mare perfecțiune a cristalelor folosite ca medii active, pentru a nu da loc la schimbarea unui mod cu altul.

Intensitatea

Sursele obișnuite, având o strălucire limitată, se folosesc la un număr restrâns de aplicații. Oricât de mare ar fi temperatura lor, acestea nu pot emite mai multă energie decât radiatorul perfect: corpul negru.

Ȋn procesul emisiei stimulate ce stă la baza efectului laser, sistemele atomice excitate sunt silite să emită rapid și sincron, nu cum ar face-o în mos normal, ceea ce – împreună cu proprietatea de directivitate – conduce, pentru radiația generată de dispozitivele laser, la densități de radiație nemaiîntalnite.

Pentru a ne face o idee asupra intensității semnalului emis de laser să o comparăm cu strălucirea suprafeței Soarelui, care se coportă foarte asemănător cu un corp negru la temperatura de 6000°C. Radiația totală asupra feței solare de-a lungul întregului spectru emis are o densitate a puterii de 7KW/cm2. La prima vedere ea pare o densitate „apreciabilă” de energie. Ținând însă cont de lărgimea uriașă a spectrului solar, maximul puterii emise, după cum se va vedea, este extrem de mic in comparație cu puterea emisă de un laser.

Un laser cu rubin lucrând în impulsuri dă o putere de ordinul a un KW pentru un interval de timp de 10-3s, iar aceasta provine de la o arie de 0,2cm2. Pe de altă parte, puterea emisă de un corp negru aflat la temperatura de 1000°K, pentru aceeași arie , este de numai 0,01W. Ȋn plus, semnalul emis de suprafața corpului negru este distribuit în interiorul unei emisfere, adică în interiorul unui unghi solid de steradiani (un steradian este egal cu unghiul solid care, având vârful în centrul unei sfere, decupează pe aceasta o arie egală cu pătratul razei), în timp ce lărgimea unghiulară a fasciculului emis de laser este emis mai mică decât o jumătate de grad, adică radiani sau sub un unghi solid de ster. Ȋn interiorul acestui con corpul negru (soarele) emite o putere de numai W.

Ȋn baza raționamentelor făcute rezultă că emisia laserului cu rubin cu funcționare în impuls este de aproximativ ori mai strălucitoare decât o arie echivalentă a suprafeței solare. Acest raport devine cu atât mai remarcabil cu cât fasciculele laser sunt mai direcționale și monocromatice, ceea ce, după cum se va vedea, este cazul laserului cu gaz.

3.3. Acțiuni distructive ale radiației laser

Ȋn cartea sa „Strong Laser Radiation Actions”, G.Reddy arată că: „Orice sistem capabil să producă o acțiune de distrugere, de exemplu topirea și evaporarea metalelor, reprezintă potențial o armă”. De aceea, laserii de înaltă energie sau cu putere de radiație mare, cum ar fi cei cu corp solid, unii laseri cu gaze, cei gazodinamici și cei chimici, reprezintă fără îndoială o nouă clasă de arme periculoase. Chiar și laserii de mică putere pot fi folosiți ca armă, întrucât radiația lor poate fi suficientă pentru a provoca distrugerea sau înrăutățirea proprietăților unor dispozitive optice și opto-electronice și împiedică funcționarea normală a acestora. Același lucru se poate spune și despre influiența radiației laser asupra vederii.

Examinând posibilitatea utilizârii radiației laser pentru distrugerea țintelor, în perioada 1961-1962 specialiștii au ajuns la concluzia că principalul domeniu de aplicație al armelor cu laser îl constituie apărarea antirachetă. Aici laserii ar urma să fie folosiți pentru evaporarea metalelor și materialelor refractare constitutive ale învelișului rachetelor intercontinentale și ale componentelor de luptă ale acestora. S-a propus, de asemenea, utilizarea laserilor în spațiul extraatmosferic, evitându-se astfel efectele de atenuare și de difuzie produse de atmosferă. Acest lucru ar permite o mai mică putere necesară a laserilor, ameliorând problema montării lor pe sateliții de cercetare din cadrul unui sistem de apărare antisatelit. Totuși, în proiectul „Black-1” elaborat în anul 1966 de FAM ale USA, privind cercetările și prognoza în domeniul sistemelor de arme cu laser pentru următorii 5 ani, se prevedea folosirea laserilor de mare putere pentru scoaterea din uz a detectorilor în infraroșu și a aparaturii de cercetare instalată pe rachetele inamice. Ȋn aceste condiții se consideră că asemenea sisteme cu laser sunt mai eficace decât cele la care laserul este folosit pentru deteriorarea mecanică sau topirea învelișului rachetelor adversarului.

Simultan a fost studiată și utilizarea laserilor în cadrul armatei terestre, pentru nimicirea forței vii și a tancurilor, dar după părerea unor specialiști, rezultatele încă nu justifică acest lucru.

Acțiunea radiației laser asupra materialelor, elementelor aparaturii și organismului uman depinde atât de caracteristicile proprii ale lasrului utilizat, cât și de cele ale substanțelor din care este alcătuit obiectul spre care este dirijată această radiație.

Ȋntrucât în literatura de specialitate nu au apărut informații privind densitatea de radiație necesară pentru distrugerea metalelor și a materialelor de construcție de către fasciculul laser nefocalizat, datele reprezentate în tabelele acestui capitol privind acțiunea distructivă a radiației laser nu sunt concludente. Ele reflectă rezultatele unor cercetări de laborator, permițând totuși evaluarea paroximativă a energiei sau a puterii pe care trebuie să o aibă radiația laser pentru a putea acționa cu eficiență distrugând unele materiale sau sisteme. O parte din date referitoare la energia termică necesară aprinderii materialelor inflamabile au fost preluate din diverse îndreptare privind acțiunea radiației termice a exploziei nucleare.

Se va examina acțiunea radiației laser asupra corpurilor solide. Dacă radiația optică trece printr-un strat omogen al substanței solide, densitatea ei energetică va scade conform legii:

unde: este densitatea fluxului energetic care a traversat stratul de materiale; este densitatea fluxului energetic incident pe material; este coeficientul de absorbție al materialului; este grosimea stratului de material.

Coeficientul de absorbție pentru toate substanțele și materialele depinde de lungimea de undă a radiației laser utilizate. Dacă o substanță solidă conținue una sau mai multe incluziuni cu coeficient de absorbție diferit față de cel propriu al substanței însăși, atunci apar focare locale de absorbție a energiei laser, ceea ce poate modifica substanțial tabloul procesului de distrugere al materialului. Ȋn general, sub acțiunea unei radiații laser cu o densitate suficient de mare pentru a putea provoca distrugerea, materialele, atât cele transparente cât și cele opace, trec prin trei stadii:

absorbția energiei radiației laser, însoțită de încălzirea materialului;

conversia fazei solide într-o fază lichidă;

difuzia fazei lichide și evaporarea.

Prima fază duce la distrugerea materialului prin modificarea proprietăților sale de reflexie

și absorbție, crearea de fisuri, distrugerea stratului superficial și a calităților suprafeței exterioare.

Cea de-a doua fază trebuie însoțită de o evaporare intensă deoarece, în caz contrar, distrugerea materialului cu formarea de cavități se va face destul de încet. Totodată, drept rezultat al acțiunii laser asupra materialului, se vor forma produse de dezagregare, lichide și gazoase, care absorb cu ușurință fasciculul laser, creăndu-se astfel un fel de ecran specific care împiedică continuarea procesului distructiv. Nicicirea cu radiație laser a unor ținte care se deplasează cu mare viteză este mai eficace decât în cazul unor ținte staționare, deoarece la țintele mobile produsele de dezagregare sunt depărtate prin curenții de aer creați de însăși mișcarea acestora.

Ȋn tabelul nr.3.1 sunt date valorile energiei specifice de distrugere și de evaporare pentru diverse materiale și aliaje uzuale.

Tabelul nr.3.1.Valorile energiilor specifice de distrugere și evaporare pentru metale și aliaje

După cum reiese din tabel, energiile radiației laser pentru distrugerea și evaporarea diverselor metale și aliaje ating valori considerabile.

Procesul de distrugere cu radiația laser a semiconductorilor din aparatură se bazează atât pe absorbția energiei optice de către purtătorii de sarcină intra și inter-zonali, cât și pe absorbția acesteia de către microincluziunile neomogene și impurități. Important este și faptul că, în cazul iradierii materialelor semiconductoare cu un fascicul laser, se pot obține modificări substanțiale ale proprietăților lor optice folosind densități de energie cu mult inferioare valorii necesare de distrugere. Densitățile radiației laser necesare atât pentru distrugerea semiconductorilor, cât și pentru modificarea proprietăților fizice în vederea scoaterii lor din uz, depind de tipul substanței semiconductoare, de conductanța și rezistența termică proprie caracteristică, cât și de regimul de funcționare al semiconductorului în cadrul aparaturii.

Ȋntrucât dipozitivele semiconductoare din aparate sunt în general realizate cu Ge, Si, Ga, As, Sb, In, Cd, Se și alte materiale, la iradierea lor cu o rază provenită de la un laser cu rubin au loc fenomene:

la densități mici ale energiei ( J/cm2) apar modificări nesemnificative ale suprafeței exterioare;

pe măsura creșterii densității se produc fisuri și șanțuri pronunțate, iar la valori ale densității de J/cm2 se formează cratere adânci.

Drept criteriu pentru densitate de energie necesară distrugerii pieselor semiconductoare din aparate poate fi luată rezistența la radiații a plăcilor metalice subțiri (Ag, Al, Cr) cu suport de sticlă, utilizate în multe cazuri ca bază pentru depunerea straturilor semiconductoare. Ȋn tabelul nr.3.2 sunt indicate valorile densităților de prag ale energiei absorbite care sunt suficiente pentru distrugerea straturilor subțiri formate cu diverse materiale.

Tabelul nr.3.2. Valorile densităților de prag ale energiei absorbite pentru diferite materiale utilizate ca bază de depunere a semiconductoarelor

Distrugerea dielectricilor transparenți are loc în funcție de gradul de transparență al acestora în raport cu lungimea de undă a radiației laser utilizate și de durata și puterea impulsurilor (pentru laseri cu funcționare în impuls) sau de puterea fasciculului (pentru laseri cu funcționare continuă).

Distrugerea dielectricilor transparenți provocată de radiația laser poate căpăta aspectul unor microfisuri, opacizări ale suprafeței, așchieri, cratere, perforații. Ȋn tabelul nr.3.3 sunt date valori – prag de distrugere pentru sticlă și alți dielectrici transparenți.

Tabelul nr.3.3. Valorile-prag de distrugere cu radiații laser a unor dielectrici transparenți

Ȋn multe materiale, printre care și dielectricii transparenți, au loc sub acțiunea radiației laser efecte distructive cumulative, distrugerea producându-se în urma impactului cu o serie de impulsuri, nivelul de energie al fiecărui impuls nefiind capabil să producă singur deteriorarea.

Se vede că nivelul energiei și al puterii necesare pentru distrugerea diferitelor materiale cu radiație laser este de zeci ori sute de J/cm2. Acestea fiind spuse, dincolo de afectarea echipamentelor tehnice, s-a constatat că în cadrul armatelor (unde laserul a avut primele aplicații) radiația laser afecta grav, ori distrugea organele vizuale ele operatorilor. Ca urmare, încercarea de a fabrica o arma de radiație au declansat intense cecetătări privind influiența radiației laser asupra organismelor vii. Lucrările au arătat că radiația laser de o anumită intensitate are o influiență nefavorabilă asupra materiei vii, modificând sau distrugând funcțiile acesteia. Cele mai sensibile organe ale corpului uman la acțiunea radiației laser sunt, în ordine, organele vizuale, țesuturile musculare și sistemul nervos central.

Efectul radiației laser asupra țesuturilor vii constă în creșterea temperaturii porțiunii iradiate prin absorbția si conversia energiei luminoase de către celule și țesut și dintr-o acțiune dinamică asemănătoare celei date de explozie internă, prin creșterea instantanee a temperaturii zonei iradiate de laser, ceea ce provoacă trecerea substanțelor lichide și solide ale țesuturilor într-o stare gazoasă. Efectul termic al acțiunii este caracteristic laserilor cu funcționare continuă și celor cu funcționare în impuls în regim de generare liberă, pe când efectul dinamic apare ca urmare a acțiunii laserilor cu funcționare în impuls în regim declanșat.

Absorbția de radiație de către celule are caracter selectiv, adică este în funcție de lungimea de undă λ a laserului utilizat, apariția efectului termic într-o serie de cazuri fiind determinată de pigment. Astfel, de exemplu, radiațiile laser cu λ=0,69 și λ=1,06 sunt puternic absorbite de către hemoglobină, melamina și citocromate ale celulelor, iar radiația laser cu λ=10,6 este absorbită in mod deosebit de către moleculele de apă din celule.

Spre deosebire de arsurile obișnuite, efectul radiației laser asupra țesutului viu are un caracter bine delimitat: granița dintre porțiunea afectată și cea neafectată este detul de netă întrucât excesul de căldură nu are timp să se transmită și porțiunilor învecinate. Dacă asupra unei porțiuni se acționează cu o serie de impulsuri în locul unui singur impuls izolat, țesutul se imflamează și sensibilitatea lui față de agenții iritanți externi crește. Astfel, efectul ce ar fi produs de un singur impuls izolat de putere mare poate fi obținut printr-o serie de impulsuri de putere și energie cu un ordin mai mic.

Efectul radiației laser asupra organismelor interne incă nu a fost studiat suficient deoarece modificări patologice se observă doar în cazurile când desitatea de radiație atinge valori mari. Ȋn general, s-a constatat că țesuturile moi și oasele craniului absorb circa 90% din energia razei laser focalizată pe o mică suprafață și că numai 10% din radiație pătrunde în interior. Totuși, pentru densități mari ele energiei, distrugerea provocată poate fi considerabilă. De exemplu, iradierea capului unui șoarece cu un laser cu rubin având o energie de ieșire de 40 J, focalizată într-un spot cu diametru de 2 mm (densitate de energie 1200 J/cm2), a produs distrugerea totală a funcțiilor dinamice ale creierului și hemoragii interne cerebrale, dar oasele craniene și structura „solidă” a creierului au rămas aparent intacte.

Cercetările arată că iradierea laser de mai lungă durată provoacă stări de oboseală crescândă, modificări ale sistemului cardio-vascular și scăderea tensiunii arteriale. Totodată s-a arătat însă că la cercetătorii bine antrenați fizic, cu o constituție robustă, care lucrează cu radiație laser în încăperi mari și luminoase, aceste modificări și abateri funcționale organice, de fapt reversibile în timpul necesar acordat, sunt foarte puțin diferite de normele acceptate ca fiind nepericuloase pentru organismul uman.

Cel mi mare pericol îl reprezintă radiația laser pentru organele vizuale , deoarece sensibilitatea ochiului la excitanții externi luminoși este destul de ridicată. Sensibilitatea ochiului la radiația laser se determină prin cantitatea de energie care poate fi absorbită de retină. În fig.3.2 sunt reprezentate caracteristicile spectrale ale ochiului omenesc. Curba 2 dă posibilitatea stabilirii gradului de distrugere a retinei în funcție de lungimea de undă a radiației incidente. După cum se observă, cea mai periculoasă pentru ochi este radiația laser cu lungimea de undă λ=0,500,55, adică radiația laserului cu argon și cea obținută prin dublarea frecvenței de emisie a laserului cu sticlă sau YAG dopate cu neodym (λ=0,53 ). Totodată, mediile optice care compun ochiul uman sunt transparente pentru radiațiile cu λ=0,41,4 (curba 1). Radiația care poate distruge retina este inofensivă pentru mediile optice ale ochiului, deoarece nu este obsorbită de acestea.

Concluzia se referă în special la laserii cu argon și cu rubin și în mică măsură, la laserul cu sticlă dopată cu neodym. Dar radiația laser din afara benzii spectrale λ=0,41,4 este absorbită puternic de mediile optice ale ochiului și de aceealaserul cu CO2 la λ=10,6 reprezintă un pericol în primul rând pentru aceste medii și nu pentru retină. În urma experiențelor pentru stabilirea pragului de distrugere a corneei cu radiația laser λ=10,6 , s-a constatat că opacizarea acesteia se produce pentru o densitate de energie de 1,2 J/cm2, durata impulsului fiind de 55 ms. La iradierea ochiului de iepure cu o radiație continue având aceeași lungime de undă, distrugerea corneei s-a produs la densitatea energetică de 0,2 W/cm2.

Radiația laser focalizată de cristalin pe retină este aobsorbită de pigmentul acesteia, temperatura în locul de pătrundere a fasciculului crește brusc, și se produc arsuri sau pierderea totală a sensibilității temporar în cazul acțiunii laserilor din domeniul vizibil în regim de generare liberă, precum și explozii ale țesutului cu apariția undei de șoc care distruge granulele pigmentului chiar și în interiorul corpului sticlos, în cazul acțiunii radiației emise de laserii cu funcționare în regim declanșat.

În fig.3.3 sunt prezentate curbele Weber care arată dependența dintre distanța la care ochiul poate fi afectat de radiația laser și vizibilitatea meteorologică. Curba 1 se referă la pupila de zi a ochiului, iar cea de-a doua la pupila nocturnă. Studiul curbelor arată că pe timp de noapte, când diametrul pupilei este maxim, distrugerea ochiului poate fi realizată de la o distanță apreciabilă față de sursa laser, mai ales când transmisivitatea atmosferei este bună. În timpul zilei raza distructivă de acțiune a razei laser asupra organelor vizuale scade simțitor.

Efectul radiației laser asupra pielii umane are, după cum s-a mai spus, un caracter termic și depinde de pigmentația acesteia. La iradierea pielii cu radiație laser se produc fenomene de cojire, desfoliere în straturi, carbonizare și chiar formarea de răni. Iradierea continuă cu impulsuri laser de densități energetice mici produce un efect neînsemnat, chiar dacă acțiunea are loc pe durată de mai mulți ani, însă apar dureri de nesuportat atunci când energia impulsurilor laser atinge câteva sute de Joule. Cele mai periculoase sunt laserii cu funcționare continuă, mai ales cei cu CO2 a căror radiație este puternic absorbită de piele, acestea producând chiar și arsuri.

3.4. Protecția contra radiației laser, avertizare și contraacțiune laser

Una dintre principalele aplicații ale generatoarelor cuantice optice de mare putere constă în folosirea lor ca armă împotriva diferitelor tipuri de tehnică militară. Acestea sunt destinate combaterii forței vii prin distrugerea parțială sau totală a organelor de vedere și a altor păți sensibile ale organismului uman. Totodată, acestea pot acționa distructiv asupra organismelor vii chiar și în afara zonei în care se manifestă acțiunea lor asupra tehnicei de luptă. Este necesar să se țină seama și de faptul că, cu excepția laserilor realizați special ca arme tactice, orbirea temporară sau totală poate fi provocată și de radiația dată de aparatele cu laser ce au o altă destinație: telemetre, instalații de comunicație și dirijare, radiolocatoare etc. S-au elaborat instrucțiuni ce prevăd o serie de măsuri pentru asigurarea securității lucrului cu generatoarele laser. Astfel, este interzisă direcționarea razei laserului spre organele vizuale, chiar și în cazul unor puteri de emisie foarte mici; de asemenea, nu este permisă urmărirea vizuală directă a radiației laser reflectată de un ecran, perete sau alt obiect. Operatorii telemetrelor cu laser nu au voie să dirijeze radiație laser emisă și, deci, să efectueze măsurători în zone în care se află oameni.

În urma experimentărilor făcute pe iepuri, a căror ochi au o structură și caracteristici apropiate de cei ai omului, s-a constatat că densitățile critice a energiei laserului cu emisie în rubin și maxim admisă, pentru care este se produce distrugerea retinei prin ardere, sunt de ordinul a 10-510-7 J/cm2.

În tabelul nr.3.4 sunt prezentate datele referitoare la densitățile limită de energie la care apar efectele distructive a organelor vizuale, pentru laserii cu rubin și cu sticlă dopată cu neodym: reiese că generatorul lase cu rubin este mult mai periculos din acest punct de vedere.

În tabelul nr.3.5 sunt date nivelurile maxime admise ale densității de energie ale unui laser cu rubin în cazul acțiunii acestei radiații asupra retinei ochiului uman.

Tabelul nr.3.4. Valorile densităților, critică și maximă, admise ale energiei de iradiere emisă de laserii cu corp solid cu funcționare în impuls la care se produc deteriorări ale organelor vizuale (comitetul de igienă industrială – SUA).

Tabelul nr.3.5. Valoarea nivelului maxim admis al densității de energie emisă de un laser cu rubin pentru diferite diametre ale pupilei, la care nu au loc deteriorări ale organelor vizuale (comitetul de igienă industrială – SUA).

Examinarea cifrelor din tabel arată că mărimea densității maxime admise a energiei pe pupila ochiului depinde de regimul de lucru al laserului, de caracteristicile radiației acestuia și de condițiile de iluminare a mediului ambiant.

Crearea mijloacelor de protecție pentru ochi împotriva acțiunii laserului întâmpină o serie de greutăți care decurg din însăși natura fizică a radiației stimulate: durata extrem de mică a impulsurilor emise și densitate energetică mare. Prima dintre aceste proprietăți exclude definitiv posibilitatea folosirii mijloacelor de protecție bazate pe obturatorii mecanici și chiar electronici comandați de către un fototraductor, întrucât durata de ordinul unităților sau zecilor de nanosecunde a impulsului laser este mult mai mică decât constanta de timp de declanșare a celor mai rapide dispozitice de acest tip. Totodată trebuie ținut cont de o serie de cerințe impuse mijloacelor de protecție, în special celor individuale, legate în primul rând de: simplitatea construcției, perioada scurtă de intrare în funcționare, dimensiuni, greutate și preț redus. Dacă în cazul protejării unor obiecte mobile, dotate cu mijloace de electroalimentare, se poate admite folosirea unor scheme electronice mai complexe, pentru protecția personalului uman este necesar un dispozitiv extrem de simplu, care să nu îngreuneze libertatea în miscare a acestuia și să nu împieteze asupra îndeplinirii atribuțiilor.

O a doua proprietate a radiației laser, densitatea energetică mare, impune o rezistență ridicată a elementelor constructive ale sistemului de protecție – fototraductori și filtre de protecție (sticlă colorată, oglinzi dicroice). Un dispozitiv de protecție contra radiației laser este cel sub formă de ochelari cu ramă din material plastic, acesta asigurând o protecție sigură a organelor vizuale față de radiația optică a laserilor, precum și a altor generatoare de lumină necoerentă de mare intensitate care imită radiația solară.

Capitolul 4.Aplicațiile laserilor

Sisteme de afișare cu fascicul laser pe ecran mare

Realizarea unor sisteme de afișare cu fascicul laser pe ecran mare a reprezentat o preocupare a oamenilor de știință din țările dezvoltate tehnologic (SUA, Japonia, Franța). Primele cercetări în acest domeniu s-au referit la realizarea unor sisteme de televiziune pe ecran mare, la care rolul fasciculului de electroni din tubul catodic a fost preluat de spotul laser. Modulat și baleiat prin tehnici avansate, acesta realizează imagini mai întâi monocrome și apoi color pe un ecran de diensiuni de până la 4m3m (funcție de puterea laserului și de distanța de proiecție), egale sau superioare calitativ față celor obținute prin metodele telviziunii clasice. Sistemele de tip cu deflexie analogică au atins răspândire relativ mare, fiind utilizate și în cadrul sistemelor electronice de calcul cu panouri mari de afișare alfanumerică sau ca panouri mari de afișare a situațiilor, graficelor etc., preluate de pe ecranul unui display digital instalat ca terminal de calculator prin intermediul unei camere de televiziune. Asemenea instalații se caracterizează prin puteri de rezoluție de peste 1000 de linii, mult superioară celor din televiziunea comercială.

În principal, un sistem de afișare cu fascicul laser pe ecran mare are structura prezentată în fig.4.1. Ȋn plus față de schema prezentată, sistemul poate fi prevăzut și cu alte subansamble, cum ar fi optica de focalizare și de corecție, etajul de termostare a modulatorului de fascicul laser, monitorul video de control al operatorului, masca de raport de aspect etc.

Una din cele mai convenabile metode de obținere a unui baleiaj liniar rapid este cea utilizată în cadrul deflectorilor acusto-optici. Într-un dispozitiv acusto-optic, fasciculul de lumină și cel acustic trebuie să interacționeze la unghi Bragg, unghi ce este definit de raportul dintre lungimile de undă acustice și optice. Dacă este îndeplinită condiția Bragg, aproape toată lumina incidentă va fi difractată într-un ordin principal. Bineînțeles, variația frecvenței undei acustice va modifica atât unghiul Bragg, cât și unghiul de difracție a luminii. Astfel, cu un unghi al intrării optice de valoare constantă și cu o frecvență acustică de valoare variabilă, condiția Bragg nu poate fi întotdeauna îndeplinită și eficiența difracției optice scade.

Principiul constructiv/funcțional al deflectorilor acusto-optici corespunde figurii fig.4.2 și este următorul: undele acustice transmise printr-un traductor piezoelectric formează fronturi de undă care traversează cristalul. Razele luminoase care trec prin cristal aproximativ paralele cu fronturile de undă acustice, sunt difractate de către rețeaua de fază formată de undele acustice. Dacă lumina pătrunde prin fronturile de undă acustice sub un unghi convenabil, ea va fi reflectată de către acestea, fenomenul fiind cunoscut sub numele de reflexie Bragg.

Rezoluția unui deflector de fascicul este definită ca fiind numărul de poziții unghiulare separat distincte pe care le poate ocupa spotul în cursul efectuării unei linii de deflexie. Problema determinării rezoluției constă în primul rând în a stabili când anume două poziții ale spotului sunt distinct separate. Criteriul standard pentru calcului rezoluției a două fascicule luminoase cu distribuție de amplitudine constantă este criteriul Rayleigh (fig.4.3).

În corespondență cu acest criteriu, două distribuții de intensitate sunt rezolvate când principalul maxim al primului corespunde primului minim al celui de-al doilea.

Prisme rotative de reflexie. Elementele optice de reflexie și refracție cu comandă electromagnetică constituie deflectori cu cea mai înaltă rezoluție cunoscută. Cel mai simplu și mai des utilizat deflector de acest tip este prisma poligonală de rotație vu fațetele prelucrate în oglindă. În final rezoluția sa este determinată de calitățile mecanice ale materialelor folosite. Executând o mișcare de rotație, fiecare fațetă a poligonului va baleia câte o linie (fig.4.5).

Când oprismă rotativă de refracție este utilizată în conjuncție cu o rază convergentă, diametrus spotului incident pe fațeta de intrare nu trebuie să depășească produsul dintre fracția care reprezintă intervalul de blancare (interval de stingere) și dimensiunea fațetei în planul de deflexie. Lumina este focalizată înaintea intrării în prismă și deflexia este produsă de deplasarea imaginii virtuale. Intervalul de stingere este sincronizat cu trecerea fasciculului peste colțurile prismei și durează cca un timp de element. Dacă prisma este utilizată ca deflector de cadre, cursa de întoarcere va fi aproximativ egală cu timpul de deflexie a unei linii orizontale. Razele reprezentate în linii continui corespund cu perioada de timp în care perechea de fațele formată din și este operativă; liniile punctate corespund intervalului când fațetele și sunt operaționale. Restricțiile asupra unghiului de con se referă la aceea că trebuie excluse situațiile funcționale când o porțiune a fasciculului de ieșire traversează o zonă cât de mică a fațetei de intrare.

Prisme rotative de refrație. Când o rază de lumină traversează o placă plan-paralelă sub un alt unghi decât cel normal, raza emergentă este deplasată și paralelă cu raza incidentă. Din această cauză o prismă rotativă din sticlă cu secțiunea în formă de poligon regulat, iluminată cu un fascicul optic convergent (sau divergent) oferă un mijloc convenabil de deflexie a luminii.

Acestă metodă prezintă două mari avantaje: în primul rând, deflectorul cu prismă rotativă lucrază folosind optica în linie, iar în al doilea rând, aceasta poate fi ușor acționată cu ajutorul unui motor sincron. Se pot obține timpi de stingere extrem de mici.

Principiul de funcționare se bazează pe fig.4.4. Placa plan-paralelă de grosime și cu indicele de refracție este înclinată cu unghiul în raport cu raza centrală a fasciculului convergent incident. Facicolul de raze are un unghi de convergență egal cu , fiind punctul de focalizare a luminii în absența sarcinii axiale. Deplasarea a razei centrale poate fi usor calculată cu ajutorul legii lui Snell:

Galvanometre cu oglindă. Când un galvanometru rapid este comandat de către un semnal-rampă similar cu cel de la deflexia de cadre din televiziune, oglinda acestuia va urmări în mișcarea ei forma dintelui de fierăstrău aplicat, datorită calității înalte a sistemului mecanic cu care este dotat. Acest lucru, în special retragerea liberă rapidă a oglinzii datorită pantei descrescătoare a dintelui de tensiune sau curent, poate fi obținut și prin aplicarea semnalului de retragere în două trepte precis poziționate în timp. Pentru generarea funcțiilor dorite se utilizează procesoare electronice special concepute, iar două multivibratoare monostabile sunt declanșate la perioade egale cu durata unui cadru de către impulsurile de comandă. Principalul avantaj este sincronizarea foarte bună.

Sistemul este constituit dintr-un laser cu krypton, pentru culoarea fundamentală roșie și doi laseri cu argon, pentru culorile verde și albastru; pe de altă parte, conține un amplificator video de bandă largă realizat în variantă hibridă și un dispozitiv optic de compensare a neregularităților de culoare. Baleiajul orizontal este efectuat cu o oglindă poligonală de 10 fețete montată pe axul unui motor sincron cu suspensie pe pernă de aer și cu lagăre magnetice, care se rotește cu o viteză de 120 000 rot/min.tipul de suspensie adoptat permite reducerea sensibilă a zgomotelor și vibrațiilor și eliminarea fluctuațiilor de viteză. Acesta permite afișarea color a imaginilor și a caracterelor alfanumerice pe un ecran cu o suprafață cuprinsă între 1m2 și 12m2.

Memorii holografice

Stocarea optică a informației a constituit o direcție principală în domeniul cercetărilor pe plan mondial. Pentru a putea concura cu memoriile clasice, noile memorii optice și holografice nu trebuiau să prezinte performanțe tehnice net superioare, ci să fie și apte ca prin evoluția lor să reprezinte un înlocuitor potențial al acestora.

Ȋn funcție de parametrii caracteristici, memoriile holografice pot fi clasificate în următoarele tipuri:

memorii de tip „citește-numai” sau ROOM („Read-Only Optical Memory”) – memorii de masă sau de arhivă, competitive cu memoriile cu stocare pe microfibre;

memorii de tip „citește/scrie/șterge” sau WREOM („Write-Read-Erase Optical Memory”) – memorii tampon cu acces aleatoriu, competitive cu tamburii și discurile megnetice;

memorii operative cu acces aleatoriu de tip „citește/scrie” sau WROM („Write-Read Optical Memory”) – memorii cu timp de acces aleatoriu mai mic de 1, competitive cu memoriile semiconductoare și ferite;

memorii de mare capacitate cu număr redus de cicluri și posibilități de ștergere și completare cu RMOM („Read-Mostly Optical Memory”) – memorii competitive cu benzile magnetice.

Din punctul de vedere al informațiilor înmagazinate, memoriile holografice pot fi clasificate în principal în memorii digitale și analogice; în plus, datorită unor proprietăți caracteristice, ele au apărut și sub formă asociativă.

Ȋn general, memoriile holografice sunt de tip cu orientare pe pagini de informație a căror organizare se face prin două metode (fig.4.5):

-metoda multiplexării spațiale (MS) constă în înregistrarea holografică a paginilor una lângă cealaltă, printr-o împărțire rațională a volumului substratului de stocare;

-metoda multiplexării în frecvențe spațiale spațiale (MFS) constă în efectuarea unor înregistrări holografice multiple într-un același volum al substratului de stocare, prin variația unhiului dintre fasciculele lase de referință și obiect.

Telecomunicații cu laser

Odată cu apariția primului laser cu gaze, comunicațiile optice au fost prezentate ca o aplicație potențială de mare importanță. Calitățile excepționale ale radiației laser, cum sunt frecvența foarte înaltă, coerența, directivitatea, au dat speranțe în ceea ce privește rezolvarea rapidă a cerințelor impuse sistemelor actuale de telecomunicații, legate în special de creșterea numărului de canale de legătură, a numărului de canale de bandă largă pentru transmisii de înaltă fidelitate și la mari distanțe și la aglomerarea frecvențelor radio.

Aplicarea laserilor în telecomunicații nu a fost atât de simplă și imediată, așa cum s-a gândit inițial. Necesitatea găsirii procedeelor de modulație și de demodulație caracteristice transmisiei prin mediul atmosferic, alcătuirea sistemelor specifice etc. Au declanșat cercetări teoretice și experimentale în scopul asigurării tehnicii de exploatare a avantajelor oferite de laser.

În sistemele de comunicații optice se lucrează cu frecvențe purtătoare între 1013 și 1015 Hz. În această gamă de frecvențe, o modulație în bandă largă de 1012 Hz ocupă numai în jur de 0,1% din spectrul disponibil. Dar elaborarea de modulatori optici pentru o bandă atât de largă întâmpină mari dificultăți, iar problemele detecției nu sunt deloc ușoare. Deși un necesar de transmitere simultană a 109 convorbiri pe un singur fascicul laser sau a mii de canale de televiziune este puțin probabi, chiar în condițiile soluționărilor tehnice integrate, mai reală poate fi realizarea unor legături în care aparatura cu laser joacă rolul nu puțin important al unor mijloace complementare de comunicații telefonice sau videotelefonice, pe un număr mai restrâns de canale în care sunt folosite avantajele laserilor. Totuși, problema folosirii capacității canalului laser către posibilitățile sale maxime a rămas tentantă (de exemplu transmiterea ultrarapidă a datelor într-o rețea de calculatoare situate la distante relativ mari). Cercetările au vizat și studiul diferitelor variante ale sistemelor de legătură prin laser. Însă nu dispunea de suficientă experiență capabilă să elucideze legăturile cu laser în complexitatea lor, iar raționamentele privind structura optimă a instalației, mod de instalare și de exploatare a unei stații de emisie-recepție cu laser au avut un caracter general.

În mari laboratoare s-au experimentat instalații de comunicații cu laser cu emisie continuă sau cu emisie în impulsuri. În general au fost folosiți laseri gazoși cu emisie continuă și laseri cu semiconductori, generând impulsuri cu o frecvență suficient de mare. În toate cazurile, comunicațiile cu purtătoare laser prin mediul atmosferic, în direcții de-a lungul solului, s-au dovedit a fi puternic dependente de condițiile meteorologice, ceea ce a dus la scurtarea distanței de legătură scondată și la neîndeplinirea condițiilor standard de fiabilitate pentru comunicațiile comerciale la mari distanțe.

Modelul unui sistem de comunicații cu laser. În fig.4.6 este reprezentat un semenea model. Informația-semnal se codifică și se aplică etajului modulator de comandă, care acționează modulatorul electro-optic. Operația de modulare a fasciculului laser – în amplitudine, intensitate, frecvență, fază sau polarizație – se realizează printr-un modulator electro-optic situat în interiorul cavității laserului sau mai adesea la exteriorul acesteia. Fasciculul laser este modulat apoi colimat (direcționat) de antena optică a transmițătorului (fig.4.7) – sistem telescopic sau lunetă.

După parcugerea mediului de transmisie (atmosferă, ghid cu atmosferă controlată, ghid optic din sticlă, spațiu vid), radiația laser este captată de antena optică de recepție și concentrată pe un receptor optic (fotodetector).

La ieșirea detectorului optic rezută, prin detecție directă, un semnal subpurtător radio care este condus într-un radioreceptor, unde se realizează a doua detecție. Semnalul este în cele din urmă decodificat și folosit la reconstrucția informației.

Examinarea posibilităților de utilizare a facicolelor laser în cadrul transmisiei informației este legată direct de următoarele proprietăți:

directivitate și transmiterea energiei;

atenuarea radiației;

raportul semnal/zgomot;

capacitatea de informație;

lărgimea de bandă, modulația și detecția.

Metodele fundamentale de modulare a purtătoarei laser sunt:

modulația intensității purtătoarei optice este folosită cel mai adesea în dispozitivele multor modulatori destinați să opereze direct în acest mod. Metoda este corespunzătoare răspunsului detectorilor optici;

modulația amplitudinii purtătoarei optice are o folosire limitată, deoarece detectorii optici au un răspuns neliniar;

modulația de fază a purtătoarei optice este posibilă, dar aplicarea ei este limitată de digicultățile întâlnite la demodulare. Acestea rezultă din instabilitatea frecvenței purtoarei transmise cauzate de laserul transmițătorului, mediu turbulent și oscilatorul laser al receptorului;

modulația de polarizație, care pentru radiounde nu poate fi realizabilă, poate fi ușor obținută în cazul purtătoarei laser.

Structura sistemului de comunicații cu laser este determinată și de metoda de demodulație optică adoptată. Principalele tipuri de demodulație optică sunt: detecția de amplitudine, de intensitate, de frecvență, de fază și de polarizație a semnalului din purtătoarea laser. Schemele bloc ce sunt corespunzătoare acestora sunt reprezentate în fig.4.8.

Pe baza unor cerințe s-a adoptat un sistem reprezentat în fig.4.9. Aceste cerințe au fost: greutate redusă și gabarit minim, buna mobilitate a instalației, ușurința de instalare, luarea legăturii și exploatarea, adaptabilitatea la o gamă largă de posibilități de lucru cum ar fi:

telefonie de purtătoare laser modulată direct în joasă frecvență;

telefonie prin echipamente de curenți purtători ce modulează purtătoarea laser sau prin o subpurtătoare radio transmisă prin laser;

transmisia imaginilor de televiziune prin modulația purtătoarei în banda de videofrecvență;

transmisii fototelegrafice, transmisii de date în cod etc.

Folosirea luminii ca purtătoare de semnale în telecomunicații, prospectată inițial ca o posibilitate datorită invenției laserului, a marcat o cotitură pozitivă în aplicațiile conductorilor din fibră optică. Primele studii teoretice și experimentale asupra fibrelor de sticlă au arătat că atenuări ale semnalelor superioare a câțiva dB/m nu vor face posibile comunicațiile chiar la distanțele scurte. Ȋn consecință experimentatorii și-au îndreptat inițial eforturile pentru realizarea fibrelor optice cu atenuare mică. Această fază odată depășită, a apărut necesitatea rezolvării unor alte probleme, între care una esențială este constituită de o corectă transmisie prin tehnica digitală în condițiile dispersiei semnalului. Atenuarea și dispersia sunt parametrii fundamentali ai unei fibre. Pentru completarea unui sistem utilizabil mai trebuie să se dispună de traductori electro-optici atât la emisie, cât și la recepție, de cavități optice și de o tehnică a joncțiunilor optice, ca și a poziționării lor corecte. Spre deosebire de sistemele cu microunde, transmisia radiației laser prin fibre optice, individuale sau grupate în mănunchi în interiorul unui cablu optic, reprezintă avantajul unei benzi de transmisie mult mai ridicate, imunitate la paraziți și interferențe electromagnetice.

Propagarea radiației luminoase prin fibra optică se face ca în fig.4.10 a, prin reflexii succesive pe pereții miezului fibrei optice. Se propagă numai acele fascule care intră în fibra optică sub un unghi mai mic decât unghiul limită, pentru care se obține reflexia totală. Diametrul interior al fibrei optice este mult mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente. O astfel de fibră optică, cu diametrul intern mare, permite propagarea cu aceeași atenuare a unui număr neînsemnat cu moduri de oscilație electromagnetică. În acest caz avem de-a face cu o fibră optică multimod, prin care se poate propaga atât cu fascicul laser coerent, cât și un fascicul de radiație necoerentă, cu bandă optică largă. În cazul avem o fibră optică în care diametrul miezului este comparabil cu lungimea de undă a radiației incidente, radiația incidentă se propagă în interior prin reflexie internă totală. Acest tip de fibră optică permite numai propagarea fasciculelor laser coerente, cu bandă optică îngustă. Fibra care permite propagarea unui singur mod de oscilație electromagnetică, este denumită fibră optică monomod (fig.4.10 b).

Fuziunea termonucleară controlată

În prezent criza de energie nu mai constituie o problemă teoretică și îndepărtată; ea este reală și imediată. Sursele de energie – cărbunele, țițeiul, gazele naturale – sunt în cantități mici și în scădere continuă. În conseciță se caută substituienți. Un domeniu de mare interes a fost energia nucleară de fiziune a combustibilului prin diferite tehnici, ca și energia de fuziune termonucleară controlată care urmează să se obțină prin reacții termonucleară în plasmă, induse prin folosirea câmpurilor magnetice cu configurații speciale și prin utilizarea laserilor. O importantă serie de dificultăți puse de problema confinării plasmei în condițiile propuse păreau a fi în mod promițător rezolvate prin utilizarea fasciculelor laser într-o configurație de dispozitive fundamental deosebite. În acestea se folosește ca țintă o perlă minusculă de deuteriu solid sau din deutriu și tritiu, ori deuterat de litiu și chiar polietilenă deuterată – asupra căreia se concentrează radiația laser. Ținta trebuie să se transforme astfel instantaneu într-o plasmă fierbinte și deasă în care se urmărește atingerea tuturor parametrilor necesari declanșărilor reacției de fuziune termonucleară.

O primă variantă a dispozitivului (fig.4.11) conținea nouă laseri pulsați care acționau simultan asupra țintei, apoi a urmat o altă variantă cu folosirea unui sistem de 27 fascicule. Tehnica de obținere a fasciculelor multiple constă în divizarea fasciculului unui laser primar în trei fascicule ce trec prin obturatoare cu declanșare sincronă. Fiecare fascicul este amplificat de câte un amplificator intermediar și divizat apoi în trei, obținându-se nouă fascicule care la rândul lor străbat alte nouă amplificatoare de putere.

Amplificatoarele laser intermediare și cele de putere au împreună un factor de amplificare care conduce la creșterea cu un ordin de mărime a puterii laserului primar. Apoi cele nouă fascicule laser sunt deviate și focalizate în direcții concentrice pe perla care se situează echidistant în drumul optic al tuturor fasciculelor laser.

4.1. Telemetrul – prima aplicație a laserului în măsurarea distanței

Prima aplicație practică a laserului a fost măsurarea distanței. În ianuarie 1961, două grupuri de la filialele companiei Hughes Aircraft din Malibu și din Culver City au construit și au pus în fucțiune sisteme simple de măsurare a distanței cu laser. Ambele sisteme se bazau pe compararea grafică pe ecranul unui osciloscop cu dublu spot a deplasării traseelor impulsurilor, emis și ecou, date de un laser cu rubin.

Deși instalația Malibu a fost pusă în funcțiune câteva zile mai devreme, instalația Culver City, care a folosit la emisie un telescop de colimare pentru a reduce divergența fasciculului laser, este considerată a fi primul telemetru cu laser (fig.4.12), care a măsurat distanța față de ținte necooperative la lumina zilei. Inițial distanțele măsurate erau de ordinul a câțiva kilometri.

Caracteristicile laserilor care interesează la măsurarea distanței sunt radiația și lărgimea benzii. Dacă un obiect depărtat este iradiat cu o apertură radiantă uniformă de suprafață , de exemplu asemenea unei antene-disc de microunde sau, în cazul optic, o lentilă de colimare sau un reflector, atunci iradierea a obiectului la o distanță a obiectului la o distanță este dată de:

unde: este radiția sursei cu apertura , unghiul solid subîntins de apertura sursei la obiectul îndepărtat. Introducând definiția radiației pentru unghiuri de divergență mică ale fasciculului, aceasta devine:

unde: este puterea radiată, intensitatea radiată și unghiul subîntins de primul franj al difracției.

Relația (4.3) este valabilă pentru orice fel de radiație electromagnetică.

4.1.1. Generalitãți

Tehnici de bază

Pentru măsurarea distanței laserii au fost folosiți în cadrul a trei metode distincte.

Prima metodă folosește tehnica de bază a impulsurilor în care se transmite un impuls îngust, timpul de propagare până la țintă și înapoi la receptor fiind proporțional cu distanța. Acest tip de telemetru a constituit prima aplicație demonstrativă a laserului și a apărut curând după descoperirea laserului cu rubin. Telemetrele cu laser în impulsuri au fost utilizate la: măsurarea precisă a traiectoriei sateliților pentru aplicații geodezice; aplicații meteorologice, cum sunt studiile asupra atmosferei și determinările înălțimii norilor; aplicații militare ca dirijarea focului, măsurări de distanțe și recunoașterea țintelor submarine; măsurări în scopul studierii mișcării polilor pământului, oscilații fizice a lumii ș.a.

O a doua metodă utilizează un laser cu funcționare continuă, cu amplitudine modulată. Fascucolul este îndreptat către o țintă, iar semnalul reflectat de aceasta este recepționat cu faza modulației deplasată proporțional cu distanța. Deoarece măsurarea fazei este sigură numai în domeniul de radiani, trebuie să se folosescă o metodă care să asigure înlăturarea incertitudinilor. În acest scop se pot utiliza câteva secvențe de modulație distincte. Dacă se folosesc la distanțe necooperative, sistemele continue au capacitatede măsurare mult mai mică decât sistemele cu funcționare în impuls. În multe aplicații în care se cere urmărirea și măsurarea continuă a distanței, cooperarea cu ținta se realizează dispunând pe ea retroreflectori sau acoperind-o cu vopsea retroreflectoare. Sistemele continue cu modulație de amplitudine se utilizeză de obicei dacă se dorește urmărirea automată a țintelor, de exemplu urmărirea și măsurarea distanței față de o rachetă care părăsește rampa de lansare. În general, un sistem continuu este impus de necesitatea unor viteze mari de urmărire. O altă aplicație a sistemelor continue a fost în topografie, unde se cere o precizie mare a măsurătorii. În unele cauze echipamentul existent în dotare, cum ar fi teodolitele (măsurarea unghiului orizontal/vertical) care folosesc ca purtătore lumina necoerentă modulată cu o undă subpurtătoar, a fost îmbunătățit prin înlocuirea sursei de lumină necoerentă cu un laser. Radiația unei asemenea surse, mult crescută, a mărit domeniul de lucru al instalației și a făcut posibil lucrul cu aceasta la distanțe utile, chiar în timpul zilei.

A treia metodă, metoda interferometrică, folosește pentru măsurarea cu mare precizie a distanțelor, ca și a vitezelor, chiar radiația coerentă a laserului cu funcționare continuă. Prin tehnica de numărare a franjurilor de interferență distanța poate fi măsurată cu precizia ordinului lungimii de undă a radiației laser utilizată

Datorită limitării lungimii de coerență a fasciculului laser până cca 100m, în general metoda se întrebuințează pentru măsurători de deplasări relativ la mici distanțe, în condiții de laborator, ca și în industrie, construcții, seismologie, în tehnica apropierii și cuplării navelor cosmice ș.a.

Considerații asupra proiectării și performanțelor telemetrului

Punctul de plecare îl constituie datele legate de distanța până la care se cere să se efectueze măsurătorile, dimensiunea telemetrului, carateristicile țintei și condițiile atmosferice. Apoi, fiind date restricțiile impuse asupra dimensiunii aperturii receptoare determinate de cost și greutate, care la rândul lor, impun limitări ale câmpului vizual (determinate de mediul termic înconjurător, de prețul de cost și de restricțiile de complexitate), se poate determina raportul energie/impuls și caracteristicile referitoare la divergența fasciculului, lungimea de undă laser și tipul de detector. Laserul și detectorul se aleg în această etapă a proiectării pentru a răspunde optim condițiilor de mai sus.

Apoi, precizia cerută la măsurarea distanței va determina durata impulsului și deci timpul optim. Acesta, la rândul său, va condiționa caracteristicile post-detecție și de bandă a receptorului.

De asemenea, precizia cerută pentru distanța măsurată va impune viteza de numărare – dacă circuitul de timp este digital, sau precizia pantei – dacă acesta este analogic. Cerințele asupra cadenței emisiei, distanței, deplasării țintei, naturii mediului înconjurător și preciziei de numărare a distanței va determina gradul de automatizare și tipurile de circuite utilizate pentru discriminarea electronică logică a țintelor false, reducerea influienței efectului de împrăștiere spre înapoi și modificările fondului, ca și tipul circuitelor de citire sau afișaj. Alte considerații practice sunt legate de modul devizare a țintei și de tehnicile de interceptare: obținerea și controlul corelației axelor optice ale vizorului de țintă, colimatorului pentru fasciculul emis și antenei optice de recepție. De asemenea se vor considera: interferența electromagnetică (EMI) produsă de circuitul de descărcare a tubului-flash; verificarea performanțelor sistemului și controlul sensibilității.

4.1.2. Proiectare și performanțã

Emițătorul

Pentru ținte necooperative laserii semiconductori și cu gaze sunt folosiți numai în cazul măsurării unor distanțe foarte scurte, pe timp de zi, deoarece puterea lor în impuls este foarte mică.

Modulația factorului de calitate. Telemetrele cu laseri cu rubin, sticlă dopată și YAG dopat sunt de tip „cu Q-switch” (emisia laser în regim declanșat se obține prin comutația factorului de calitate a rezonatorului optic). De obicei, switching-ul este denumit lent sau rapid prin compararea perioadei de switching (de comutație) cu timpul de creștere a impulsului. Dintre toate tipurile de Q-switch în telemetrele cu laser se folosesc mai frecvent două: (1) cu reflexie prin prismă rotitoare – comutator lent și (2) cu celulă Pockels – comutator electro-optic rapid. Important este că fiecare din aceste tipuri ae mai mulți sau mai puțini aderenți potrivit unor avantaje și dezavantaje semnificative care sunt prezentate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Caracteristicile unor tipuri de Q-switch-uri utilizate frecvent la telemetre cu laser

Geometria cavității de pompaj optic. Cea mai utilizată cavitate de pompaj optic este cilindrul eliptic, în care bara laser și lampa sunt plasate în cele două focare (aceasta se folosește în telemetre militare cu laser pentru distanțe medii). Laserul de mare putere în telemetre pentru măsurători extraterestre folosește fie tipul de flash „spirală”, fie cu configurația secțiunii cavității tri- sau tetraeliptică, în „frunză de trifoi”, pentru a se obține, prin întrebuințarea simultană a trei sau patru flash-uri, o putere de pompaj mare și o bună uniformitate a iradierii barei active. Uniformitatea distribuției energiei în secțiunea transversală a fasciculului emis conduce la o divergență mai redusă a acestui laser și la o probabilitate mai mică de avarie a barei laser ce s-ar datora zonelor cu densitate de flux excesivă.

Răcirea. Deoarece laserii sunt convertitori de energie cu randament scăzut, în mod frecvent ei trebuie să fie răciți. Problemele devin cu atât mai severe cu cât coeficientul de umplere a mediului activ este mai ridicat. Lichidul pentru răcire este circulat întotdeauna printr-un recipient fierbinte. Uneori acesta trebuie să îndeplinească funcții suplimentare: pentru rubin, la care lungimea de undă depinde sensibil de temperatură, ajustarea temperaturii poate folosi la stabilizarea lungimii de undă emise, astfel ca aceasta să nu concidă cu liniile înguste de absorbție datorate apei din atmosferă. La CO2 acest lichid de răcire rearanjează distribuția populației mediului activ, împiedicând umplerea completă a nivelurilor terminale și, astfel, reducerea câștigului. Criogenia („frigul adânc”) reduce lărgimea de bandă la laserii cu injecție și deci crește emisia și eficiența. La YAG-ul dopat cu ioni activi, unde câștigul este mai mare, potrivirea indicilor de reacție a fluidelor de răcire în contact cu cristalul poate să reducă reflexia internă pentru „modurile de pompaj” nedorite, ceea ce micșorează imediat popularea înainte de Q-switch-ing.

Detectorii de impuls

Aceștia prezină două caracteristici mai importante: sinsibilitatea și viteza de răspuns. Alte proprietăți sunt: zgomotul, dimensiunea, greutatea, cerințele legate de puterea de emisie și prețul de cost. Tipurile de senzori folosiți de obicei pentru receptorii telemetrului sunt fotomultiplicatorii, fotodiodele cu siliciu și fotodiodele în avalanșă cu siliciu și germaniu.

Fotomultiplicatorii au fost primii senzori folosiți în cadrul telemetrelor. Ei au capacitatea de a furniza o amplificare suficienta, virtual, fără zgomot, în condițiile existenței unui zgomot preponderent. Fotocatodul produce numai zgomot de alice datorat curentului de întuneric și fondului.

Fotodiodele cu siliciu. Avantajul principal al acestora, înafara dimensiunilor mici și a simplității, este eficiența cuantică mare, chiar pentru suprafețe mici ale fotocatodului. Cele convenabile pentru telemetrele cu laser trebuie să aibă răspuns la o viteză rapidă de baleiaj a purtătoarei și o capacitate de joncțiune mică pentru a se acomoda la regimul impulsurilor de nanosecunde, caracteristic laserilor cu Q-switch. Pe de altă parte, ele nu prezintă câștig, trebuind să fie urmate de un amplificator video. De obicei aceste diode sunt acționate cu polarizare inversă, în regim fotoconductiv, funcționând ca un generator de curent, care este liniar pentru multe decade ale puterii incidente.

Fotodiodele în avalanșă. Dioda lucrează cu polarizare inversă mare, aproape de regiunea de avalanșă; câștigul efectiv în dispozitiv este dat de multiplicarea transporturilor. Fotodiodele în avalanșă sunt sensibile la fluctuațiile de tensiune și temperatură, în apropierea regiunii de avalanșă, astfel că este necesaj un reglaj automat bun al câștigului, sensibil la nivelul de zgomote, pentru funcționare cu câștig mare.

Prelucrarea semnalului

Laserul cu funcționare în impuls se pretează deosebit de bine la prelucrarea digitală a semnalului. Dacă sunt dorite ieșiri analogice, se poate folosi un circuit de conversie digital analogică.

Subsistemul electronic furnizează citirea digitală a distanței, sincronizarea laserului, conversia și comanda alimentării electrice. Sistemul digital de citire folosește un oscilator de precizie pentru a furniza impulsurile de referință cerute. Între ieșirea oscilatorului și numărător este plasată o poartă rapidă. Când poarta este deschisă de impulsul transmis, numărătorul pornește și continuă să numere ciclurile frecventei standard până când impulsul-ecou întors de la țintă închide poarta și oprește numărătorul. În acel moment se poate obține o citire digitală directă, folosind afișări numerice directe cu elemente de afișare care indică distanța în metri. Subsistemul electronic poate executa și alte funcții importante, furnizând toate semnalele de sincronizare și refereință necesare, cerute de aprinderea tubului flash, restabilirea sistemului, declanșarea impulsului laser prin celula Pockels și pornirea circuitului de timp. În plus, electroalimentarile principale care asigură furnizarea puterii de bază vor constitui o parte esențială a acestui sistem.

Problemele speciale legate de impulsurile de curent foarte înalt folosite pentru declanșarea diferitelor circuite ale sistemului, de exemplu tubul flash și celula Pockels, cer o atenție specială din punctul de vedere al protecției și construcției, pentru a preveni efectul nedorit al paraziților asupra detectorului sensibil, numărătorului și altor părți ale sistemului.

Descrierea schemei bloc. Trigherul tubului flash declanșează monostabilul de întârziere nr.1, care stabilește o întârziere a impulsului de circa , în scopul de a permite cristalului laser să atingă nivelul propriu necesar pentru producerea inversiunii de populație. Apoi, ieșirea monostabilului de întârziere stabilește situația inițială a tuturor circuitelor basculante și a numărătorului; de asemenea, aceasta declanșează monostabilul de întârziere nr.2, care produce întârzierea trigherului, celulei Pockels cu circa , astfel că circuitele basculante și numarătorul vor fi aduse în starea inițială înainte de emisia impulsului laser.

Ieșirea monostabilului de întârziere nr.2 pune în funcțiune un comutator care acționează celula Pockels și permite transmiterea impulsului laser. Impulsul emis este monitorizat și, dacă este necesar, format de circuitul de formare, care efectuează această operație în vederea unei declanșări ferme a circuitului basculant de mare viteză. Impulsul de stop de la circuitul de formare închide circuitul basculant de mare viteză nr.2, care a fost pornit de impulsul de start. Deoarece orice alte impulsuri sau paraziți de la laser vor tinde să aibă același efect, circuitul basculant acționează ca un bloc care urmărește impulsurile sau paraziții pănă când impulsul de start aduce sistemul din nou în stare inițială.

Ieșirea circuitului basculant rapid nr.1 este diferențială și formată astfel încât numai trigherul negativ este cuplat cu circuitul circuitul rapid nr.2, care generează impulsul de atac al porții de comandă pentru amplificatorul condiționat. Ieșirea circuitului de diferențiere și a formatorului pune în funcțiune comanda câștigului cu programare temporală (TPG) printr-un monostabil cu o întârziere de în care receptorul este blocat pentru a preveni saturarea dată de paraziți și de retrodifuzia (deformarea particulelor) în straturile apropiate ale atmosferei. Apoi TPG determină creșterea câștigului în timpul propagării impulsului după cum s-a menționat.

Dacă amplificatorul condiționat este în funcțiune, un semnal de la oscilatorul de timp este cuplat la numărătorul rapid. Orice impuls recepționat care depășește pragul stabilit manual (și menținut automat de circuitul ATC) realizează blocarea amplificatorului condiționat, astfel încât decuplează de la numărător semnalul dat de oscilatorul de timp. Deci, numărul de cicluri înregistrate va reprezenta distanța. Pentru a acoperi cazul cel mai general, în care se știe aproximativ distanța până la o țintă depărtată, de exemplu un satelit, se folosește un selector de distanță. Monostabilul de întârziere variabilă notat prin „poartă în funcțiune” („gate-on”) este pus la o valoare mai mică decât distanța aproximativă și monostabilul de întârziere notat prin „poartă închisă” („gate-off”) este potrivit în interiorul domeniului de măsurare activ. Poarta în funcțiune („gate-on”) furnizează impulsul său circuitului basculant rapid nr.3, care deschide poarte iner-prag și circuitul basculant nr.2, astfel că un semnal-poartă inchide amplificatorul condiționat, așa cum s-a menționat mai sus. Dacă nici un semnal nu sosește pe durata întârzierii stabilite a porții închise („gate-off”), poarte este blocată și se poate reajusta valoarea întârzierii de poartă pentru stabilirea unui alt domeniu de distanță corect.

Precizia distanței de măsurare. În aplicațiile terestre telemetrul cu laser nu este folosit numai ca un instrument precis de observare, ci și ca un dispozitiv rapid, digital, de măsurare. Capriciile datorate condițiilor atmosferice diverse de atenuare și turbulență (deviere, împrăștiere, scintilația amplitudinii), cât și diversității țintelor, impun un grad substanțial de supradimensionare a performanței, astfel încât aparatul să fie pregătit să funcționeze în cazul cel mai defavorabil; de aceea se consideră că energia impulsului trebuie să depășească cu mult pragul de sensibilitate al receptorului. Durata de afișare a ultimei cifre a numărătorului de obicei corespunde lungimii impulsului.

Pentru măsurători de distanță la sateliți cooperativi, prevăzuți cu retroreflectori, fracțiunea din fasciculul emis care se întoarce este cu mult mai mare, astfel că în principiu se poate efectua măsurătoarea pe marginea frontului impulsului, fiind posibilă folosirea unui numărător mai rapid, reglat la o lățime egală cu o fracțiune a timpului de creștere. Astfel, pentru creșterea preciziei este posibilă utilizarea unor impulsuri repetate.

Pentru măsurători la distanțe mari, de exemplu în cazul primelor determinări ale distanței până la lună, problema a constat în detecția câtorva fotoelectroni discreți generați de fotodetector ca o funcție de poziția fotodetectorului în zona de recepție și integrarea rezultatelor pe un număr de domenii ale distanțelor. Deci problema nu constă în faptul dacă ținta este legată direct de zona de recepție, ci care domeniu de distanță sau grup mic de domenii constituie centrul semnalului recepționat.

Sensibilitatea sistemului

O cale deosebit de sigură de verificare și rezumare a performanțelor telemetrelor a fost sugerată de Holzman înainte de 1965. Testul a constat în introducerea unor filtre de densitate neutră în calea fasciculului transmis, pe o distanță test de 1 km, pâna în situația în care semnalul recepționat scade sub pragul de măsurare corectă. Procedeul folosit este următorul: după introducerea unei atenuări date a fasciculului, telemetrul este acționat de 10 ori, obținăndu-se un număr de citiri. Apoi se introduce atenuarea adițională și procesul este repetat. Sensibilitatea aparentă a acestei tehnici este indicată de faptul că valorile atenuării sunt grupate în jurul regiunii în care numărul valorilor citite variază rapid.

4.2. Ultimele aplicații laser

Medicina.

Regenerarea zonelor afectate ale dinților

Cercetătorii de la Universitatea Harvard spun că laserul poate fi folosit pentru a regenera zone afectate ale dinților. Ei au făcut deja un studiu pe cobai și au observat că la exemplarele tratate cu lumină laser s-a regenerat dentina, adică țesutul care învelește dinții. Echipa, coordonată de Praveen Arany, susține că dacă aceste rezultate vor fi obținute și pe subiecți umani, atunci pe viitor medicii stomatologi nu vor mai fi nevoiți să pună coroane, plombe sau să folosească alte proceduri complexe. Noua metodă de tratament se bazează pe o proteină numită TGF-beta, care este un factor de creștere. Sub influența luminii laser, această proteină s-a modificat și a stimulat creșterea celulelor stem din dentină. Spre deosebire de alte experimente care se bazau pe stimularea celelor stem, acesta nu presupune introducerea unor celule străine sau a unor proteine de creștere din afara corpului pacientului. După cum explică David Mooney, de la Universitatea Harvard, nu căldura laserului stimulează regenerarea dentinei, ci energia fotonilor, adică lumina. Când lumina este concentrată pe dentină, fotonii ajung în țesut și activează automat moleculele numite ROS (reactive oxygen species). La rândul lor, acestea stimulează proteina TGF-beta, care duce la regenerarea dentinei. Pentru a fi eficient, laserul trebuie programat la o anumită intensitate luminoasă și nu trebuie să genereze căldură. Prea puțină lumină nu va avea efect, iar prea multă ar distruge dintele. În cadrul experimentului pe cobai, creșterea dentinei a fost observată după 12 săptămâni de la tratamentul cu laser. Array crede că noua metodă ar putea înlocui procedurile clasice stomatologice, cum sunt plombele sau lucrările pe canalele dentare, care sunt uneori dureroase. Zona distrusă a dintelui ar putea fi regenarată, spune el. De asemenea, terapia cu laser ar putea fi eficientă în cazul sensibilității dentare și al dinților afectați de retragerea gingiilor, care sunt mai sensibili, pentru că au rădăcina expusă. Mai mult, cercetătorii spun că proteina TGF-beta se regăsește și în alte țesuturi, inclusiv în piele și oase, deci terapia cu laser ar putea fi utilă și pentru a stimularea creșterea unor țesuturi.

Sudarea țesuturilor

Noua metodă folosește un compus pe bază de aur și poate fi utilizată pentru a închide tăieturile realizate în cursul operațiilor chirugicale, deoarece produce o „etanșare” mai eficientă decât metodele clasice de închidere prin cusături sau copci. Un grup de oameni de știință din cadrul American Chemical Society a pus la punct această metodă, desrisă în jurnalul ACS Nano și care folosește un „aliaj de sudură„ pe bază de aur. Așa-numita sudură cu laser a țesuturilor (laser tissue welding – LTW) se folosea deja de ceva vreme; este o metodă chirugicală „fără fire” utilizată pentru a uni porțiuni de țesut și a etanșa îmbinarea. Este folosită în cazul vaselor de sănge, al cartilajelor articulare, al ficatului, tractului urinar și alte țesuturi. Metoda constă în încălzirea cu laser a țesuturilor, ceea ce declanșează anumite procese ce determină unirea celor două laturi ale inciziei. LTW are anumite avantaje față de îmbinarea prin suturi sau copci: un timp de operație mai scurt și cicatrice mai reduse. Însă are și dezavantajul că îmbinarea este destul de slabă, ceea poate fi o problemă în special în cazul operațiilor pe intestin. „Scurgerile” de conținut intestinal pot cauza dureri extrem de puternice și infecții abdominale potențial fatale.

De aceea, oamenii de știință au căutat să pună la punct o formă îmbunătățită de LTW care să producă îmbinări mai solide. Ei au utilizat un fel de „aliaj de sudură” nou, un material numit nanocompozit plasmonic. Acesta conține nano-tije de aur, extrem de mici, acoperite cu un material care conferă elasticitate, astfel încât compozitul se poate mișca odată cu țesutul de care este atașat. Cercetătorii au descoperit, testând materialul pe intestine de porc, că îmbinările „sudate” cu acest material, activat de lumina laserului, erau „sigilate” foarte bine, obținându-se o îmbinare elastică și etanșă, care împiedica ieșirea bacteriilor din intestin.

Distrugerea cancerului

Oamenii de știință au reușit să modifice moleculele din panourile solare, transformându-le într-un fel de bombă cu cea care ucide cancerul. Specialiștii au profitat de faptul că deși la anumite lungimi de undă, laserele pot trece prin corp fără a afecta țesuturile , ele pot fi absorbite de polimeri conductivi (molecule lungi alcătuite din mai multe molecule mici). În acest mod, în timp ce corpul este vizibil pentru laser, undele infraroșii încălzesc moleculele. Ca urmare a acestui fapt, oamenii de știință susțin că dacă aceste molecule sunt introduse lângă o tumoare a cancerului de colon, căldura produsă de lasere, ar putea distruge cancerul din apropiere.  Până acum, studiul a rămas doar în stadiu de laborator, nefiind testat pe oameni. Momentan, specialiștii vor studia polimerii în scopuri medicale, deoarece aceștia nu absorb apa, iar o moleculă care este insolubilă ar putea fi greu de modificat pentru a-și pierde rezistența la apă.  Pe de altă parte, înainte ca metoda să fie testată într-un studiu clinic, moleculele trebuie să fie modificate pentru a se atașa la celulele canceroase.

Definirea unor celule umane cu proprietăți ale laserului-ochiul

Seon-Hyun Yun și Malte Galther, doi fizicieni din cadrul Massachusetts General Hospital au lucrat timp de patru ani pentru definitivarea unei celule umane cu proprietăți asemănătoare laserului. Produsul final prezintă cele trei componente esențiale prezente în cadrul oricărul laser: o sursă care va furniza energia luminoasă, o cavitate optică, care va concentra lumina într-o rază, și o substanță în care electronii sunt activați până vor elibera energia sub forma unui fascicul de fotoni. Cei doi cercetători au modificat celule din rinichiiul uman astfel încât să producă o proteină fluorescentă (GFP), aceeași substanță responsabilă de bioluminiscența unor specii de meduze. Apoi au cultivat aceste celule modificate și le-au plasat între două oglinzi microscopice, creând astfel o cavitate optică. După această etapă, cercetătorii au trimis flash-uri de lumină albastră dintr-un laser miniatural (sursa); lumina a fost reflectată succesiv de oglinzi și captată de celulă, care a emis, la rândul ei, un fascicul de lumină verde (fluorescența). Bio-laserul produs va putea fi folosit în activarea unor medicamente anti-cancer, în cadrul așa-numitei terapii foto-dinamice. Medicii vor putea injecta compuși sensibili la lumină în fluxul sangvin al pacienților, pentru a ajunge la celulele tumorale, activând apoi acești compuși chiar "la fața locului", cu ajutorul luminii. Seon-Hyun Yun merge chiar mai departe și estimează că în viitorul apropiat se vor putea implanta astfel de surse de lumină în ochi, iar oamenii le vor putea controla intensitatea mental, cu ajutorul semnalelor transmise de creier.

Terapii anti-cancer și eliminarea deșeurilor nucleare

Uniunea Europeană va cheltui aproximativ 700 de milioane de euro pentru a construi cele mai puternice lasere din lume, tehnologie care ar putea permite eliminarea deșeurilor nucleare și conceperea a noi tratamente pentru cancer. Proiectul Extreme Light Infrastructure a obținut finanțarea a două lasere, unul în Republica Cehă și celălalt în România, la Măgurele, alături de un centru de cercetare ce va fi construit în Ungaria. Laserele vor fi de 10 ori mai puternice decât oricare alt laser construit până acum, fiind suficient de puternice pentru a crea particule subatomice în vid, în condiții similare celor întâlnite imediat după Big Bang. Eventual, puternicele fascicule de lumină ar putea fi folosite pentru a deteriora radioactivitatea deșeurilor nucleare în doar câteva secunde și pentru a ținti tumorile canceroase, a explicat Nicolae-Victor Zamfir, coordonatorul proiectului, într-un interviu acordat Bloomberg. Centrul de cercetare de la Măgurele ce urmează să găzduiască super-laserul românesc va consuma aproximativ 10 megawați de energie, echivalentul consumului a 2.500 de gospodării tipice din SUA. Cea mai mare parte a energiei va fi furnizată de pompele geotermale instalate la fața locului. Cercetările de la Măgurele vor duce la aprofundarea unui nou tip de tratament pentru cancer, intitulat hadronterapie. Această formă de radioterapie țintește direct tumorile ce au rădăcini adânci în corpul uman, reducând atât riscul de reapariție cât și potențialul dezvoltării unor noi tumori. Primele rezultatele ale acestor experimente sunt așteptate în 2018 și 2019. „Acest tratament există deja, dar necesită acceleratoare de particule foarte mari și foarte scumpe”, explică Zamfir. „Dacă îl putem realiza cu ajutorul acestui laser, tratamentul va putea fi implementat cu costuri mult mai mici pe măsură ce tehnologia se dezvoltă și costul laserelor scade”, a adăugat oficialul român. Laserul de la Măgurele ar putea, de asemenea, să joace un rol cheie în eliminarea deșeurilor atomice, reducând timpul necesar pentru ca acestea să-și piardă radioactivitatea de la câteva mii de ani la doar câteva secunde. Această reușită ar elimina necesitatea unor adăposturi subterane în care deșeurile atomice să fie stocate în siguranță pentru sute de ani.

Nanochirurgie

Intervențiile chirurgicale se vor putea face, peste cațiva ani, cu incizii mai mici decât varful unui ac. Cercetătorii din Barcelona pun la punct o tehnologie revoluționară care le-ar oferi mai multe avantaje pacienților, între care un numar mult mai mic de zile de spitalizare și cicatrici invizibile.

Riscurile la care se supun pacienții care ajung la bisturiu, dar și lungile perioade de recuperare în urma intervențiilor chirurgicale ar putea fi de domeniul trecutului, peste nu mai puțin de 10, cel mult 20 de ani. Cercetătorii de la Institutul de Științe Fotonice din Barcelona lucrează la o tehnologie care ar putea schimba radical medicina. Cu ajutorul unor microscoape de ultima generație si al undelor laser, au reușit să facă operații cu tăieturi de numai 0,0003 mm, deocamdată pe viermi, dar sistemul lor va putea fi aplicat și în cazul oamenilor, în viitorul apropiat. Noul sistem le-ar permite medicilor să facă tăieturi mult mai fine și să ardă doar anumite părți ale celulelor bolnave, fapt care ar duce la diminuarea suferinței bolnavilor operați. Intervențiile de acest tip sunt facute deocamdată ca experiment de oamenii de știinta. În primul rând, aceștia trebuie să anestezieze animalul de laborator, apoi să îl așeze la microscop. Cu ajutorul unui ecran reușesc să vadă în timp real celulele, și să observe care dintre acestea necesită operate. Apoi, selectează cu mouse-ul, pe ecran, zona asupra căreia doresc ca laserul să acționeze. Deocamdată, experimentele cercetătorilor se desfășoară pe viermii C. elegans, vietăți care, deși au numai 1 mm lungime, sunt extrem de rezistente și pot supraviețui în anumite condiții chiar și la temperaturi de – 80 de grade Celsius. Echipa profesorului Pablo Loza-Alvarez studiază, în paralel, cu ajutorul nanochirurgiei laser, și felul în care neuronii se pot regenera, experimente care ar putea duce la un nou tratament pentru bolnavii care suferă de Alzheimer. "Cu unda laser, putem distruge un neuron pentru a vedea în cât timp se regenereaza. Viermii sunt mai putin complecși decât oamenii, iar unele dintre celulele lor nervoase se formează din nou după 12 pană la 24 de ore, în funcție de diverși factori", spune cercetătorul Pablo Loza-Alvarez.

Tratarea afecțiunilor nazale

Jaqui Piner, o britanică în vârstă de 54 ani nu a mai dormit bine de 10 ani. Insomniile sale insuportabile erau provocate de o afecțiune nazală rară pe care medicii au reușit să o anihileze doar cu ajutorul razelor laser. După mai mult de zece ani de diagnosticări și tratamente greșite pentru alergii și viroze, afecțiunea de care suferea Jaqui a fost în sfârșit identificată. Femeia suferea de turbinați nazale mărite, o boală prezentă la sute de mii de oameni, în special bărbați, mulți nerealizând că suferă de această afecțiune până în momentul în care turbinațiile cresc atât de mari încat blochează procesul firesc al respirației. În ultimii ani, problema a devenit tot mai frecventă și în cazul celor care suferă de astm sau sunt afectați de procesul îmbătrânirii. Cea mai bună soluție în cazul lui Jaqui Piner, a constant într-o intervenție laser care a eliminat eficient excrescentele nazale. Procedura medicală s-a desfasurat sub anestezie locală, iar în noaptea imediat următoare operației, pacienta a putut dormi liniștită pentru prima dată în ultimii ani.

Tehnică

Cea mai rapidă cameră-miloane de cadre/secundă

Cercetătorii Universității California au realizat cea mai rapidă cameră video construită vreodată. Ea poate capta 6,1 milioane de cadre într-o singură secundă, la o viteza de declanșare a obiectivului de 440 de miliarde de părți dintr-o secundă. Lumina însăși nu parcurge mai mult de o fracțiune de centimetru într-o asemenea perioadă. Principiul de funcționare al camerei este iluminarea obiectelor cu ajutorul unui laser care emite o frecvență în infraroșu diferită pentru fiecare pixel, permițând amplificarea unui semnal care altfel ar fi prea vag pentru a fi văzut. “Am inventat un nou tip de tehnologie a imaginii care înlătura limitarea dintre sensibilitate și viteza”, susține Keisuke Goda, specialist în electronică optică al Universității California, din Los Angeles. Viteza foarte mare de declanșare a obiectivului permite fotografierea foarte clară chiar și a obiectelor aflate în mișcare. Cu cât lentila unei camera este mai puțin timp deschisă, cu atat scade și timpul în care un subiect trebuie sș se miște. Dar există un preț: mai puțina lumină pătrunde în cameră, ducând la o subexpunere a imaginii. Din acest motiv fotografii sportivi folosesc lumini stroboscopice foarte puternice. Tehnologia este denumita STEAM, prescurtarea de la “microscopie codată temporal amplificată în serie”. Camera luminează obiectele cu un laser infraroșu, care traversează o plajă de lungimi de undă diferite, câte una pentru fiecare pixel al senzorului. Atunci când lumina reflectată lovește senzorul camerei, fiecare pixel iși revendică lungimea de undă alocată și primește un implus electronic. Acest lucru amplifică semnalul original, compus din numai cațiva fotoni, până când devine vizibil. Acest lucru nu poate fi realizat cu ajutorul unei camere digitale convenționale, deoarece senzorul nu cunoaște lungimile de undă originale.

Cantități uriașe de informație

Super-DVD va avea aceeași dimensiune ca și cele actuale, obișnuite, dar pe el va putea fi stocată o cantitate uriașă de informație, grație nanotehnologiei. Cercetătorii de la Universitatea din Melbourne, Australia, și-au propus să obțină, cu ajutorul noii tehnologii, DVD-uri care să contină de 200.000 de ori mai multă informație decât un DVD din ziua de azi. Deocamdată, ei au anunțat că, peste 5 ani, ar putera intra deja în fabricație DVD-uri care să stocheze aproximativ 10.000 GB. Prin comparație, un DVD obișnuit poate conține pana la 8,5 GB, iar un disc realizat cu tehnologie Blu-ray, până la 50 GB. O nanostructură din aur și adăugarea a încă două “dimensiuni” – lungimi de undă diferite ale radiației laser și unghiuri diferite de polarizare a luminii – sunt secretele a ceea ce ce specialiștii australieni au numit inregistrare “în cinci dimensiuni”. Aceasta perimite stocarea unui volum enorm de date, în comparație cu actuala metodă de înregistrare a DVD-urilor, care folosește laser cu o singură lungime de undă.

Aprinderea eficientă a combustibilului la motorul auto

O echipă de experți din România și Japonia dorește să comercializeze un nou produs ce ar putea revoluționa industria automobilelor. Astfel, specialiștii din cele două țări au inventat o bujie ce folosește laserul pentru a aprinde combustibilul din motor. Această nouă tehnologie se anunță a fi mult mai prietenoasă cu natura, pentru că va aprinde o proporție mai mare de combustibil. Bujiile actuale aprind doar mixul de combustibil situat în apropiere, reducând eficiența combustiei. De asemenea, metalul din care sunt confecționate bujiile folosite în prezent se erodează în timp. Această tehnologie este neschimbată de acum 150 de ani, când a fost inventată. Și alte echipe de cercetători au încercat în anii trecuți să înlocuiască bujia cu lasere, însă tentativele precedente s-au demonstrat a fi ineficiente și instabile. Experții japonezi și români au reușit acum să construiască o alternativă eficientă bazată pe lasere ce nu costă mult, discutând zilele acestea cu o companie producătoare de echipamente auto, Denso, ce s-a arătat interesată de invenția lor. Bujia-laser va folosi 2 sau 3 raze care vor pătrunde în cilindrii motorului la adâncimi variabile, permițând o combustie mai bună decât în cazul bujiei tradiționale și evitând dezavantajul erodării în timp, prezentat de bujiile actuale. Bujiile-laser sunt concepute din ceramică, un material puternic, ce rezistă la căldura din motoarele pe bază de combustie.

Viteză în transmiterea datelor

O echipă de cercetători a stabilit un nou record de transferare a datelor cu ajutorul unui singur laser: 26 terabiți pe secundă. Secretul este de a utiliza un algoritm FFT (fast Fourier transform) pentru a descompune lumina unui laser în mai mult de 300 de culori, fiecare dintre ele fiind codată cu propria informație. Printre noile tehnologii se numără și OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), cea care are nevoie de un număr mare de lasere pentru a coda diferite șiruri de date pe culori diferite ale fasciculului de lumină și care sunt transmise împreuna prin fibra optică. La capătul de primire, un set de lasere oscilatoare sunt folosite pentru a capta semnalele luminoase și pentru a inversa procesul. În timp ce cantitatea de date ce poate fi transmisă cu ajutorul acestui proces este limitată doar de numărul de lasere disponibile, se ia în calcul și costul necesar pentru punerea în aplicare a acestei tehnologii. Atunci când aceste pulsații sunt transmise printr-o fibră optică, diferite culori pot fi adăugate sau scăzute, amestecul dintre acestea ducând la crearea a 325 de culori diferite, fiecare fiind codată cu propriile date. În actualul experiment, echipa a transmis semnalele de-a lungul unei fibre optice de 50 km lungime și a implementat propriul transformator FFT pentru decodarea datelor. FFT este un cunoscut algoritm matematic ce poate extrage diferite coduri de la un fascicul luminos de intrare, bazat pe timpul la care diferitele informații ajung de la sursă. Echipa a reușit să realizeze un sistem optic ce imparte fasciculului de intrare în căi diferite, care ajung la momente diferite și care sunt recombinate și decodate la sosire. Astfel se creează o înșiruire de date ce trebuie organizate și despre care se știe că ajung la momente diferite la capătul fibrei optice. Profesorul Freude susține că modelul actual surclasează celelalte abordări prin simpla modificare a timpilor de întârziere. Această tehnologie ar putea fi integrată într-un chip de silicon, realizând un bun candidat pentru uzul comercial.

Armată

Armă

India a demarat deja proiectul prin care se urmărește construirea unei arme laser și a unui vehicul extraatmosferic care, odată combinate, să dea naștere unei super-arme capabile să doboare sateliții de pe orbita Terrei, anunță V.K. Saraswat, directorul general al Organizației pentru Dezvoltare și Cercetare în domeniul Apărării, o divizie a Ministerului Apărării din India. Acesta a adăugat că principiul pe care va funcționa vehiculul spațial va fi acela al detecției laser: "prin intermediul laserului, vom fi capabili să obținem o imagine detaliată a satelitului ținta și a poziției acestuia pe orbită. Folosind aceste informații, vom putea ghida vehiculul către obiectiv și vom fi capabili să îl doborâm", a concluzionat Saraswat.

Armă termonucleară

Rusia a lansat un proiect grandios, în valoare de 1,5 miliarde de dolari, ce are ca scop crearea celui mai puternic laser din lume. Laserul va fi capabil să declanșeze fuziunea nucleară, iar oficialii ruși anunță că instalația va fi folosită atât în scopuri civile, cât și pentru armele termonucleare ruse. Noul laser va fi folosit în studiile asupra fuziunii prin confinare inerțială (inertial confinement fusion – ICF). În acest domeniu se încearcă recrearea în laborator a proceselor ce au loc în interiorul stelelor sau în exploziile bombelor cu hidrogen. Instalația va fi realizată de specialiști de la Institutul de Cercetare în Fizica Experimentală (RFNC-VNIIEF), unul dintre cele mai importante laboratoare nucleare din Rusia. Radiy Ilkaev, șeful proiectului, estimează că laserul va fi operațional în aproximativ 10 ani. Ilkaev a explicat că proiectul va avea două scopuri: "Laserul va juca un rol important în domeniul apărării, pentru că această tehnologie ne va ajuta la conceperea armelor termonucleare. În ceea ce privește latura civilă, fizicieni de renume consideră că fuziunea nucleară realizată cu ajutorul laserelor va juca un rol important în domeniul energiei". Procesul ce are loc în cazul unui laser ICF este similar celui care are loc în în bombele termonucleare, dar laserul încearcă să elibereze energia nucleară într-un mod controlat. În ceea ce privește uzul militar, un laser ICF permite armatei să testeze armele nucleare din arsenal. Țările care au semnat tratatul Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, printre care se numără SUA, Franța și Rusia, nu mai pot efectua teste nucleare, ceea ce înseamnă că armele termonucleare ce datează de câteva decenii nu mai pot fi testate pentru a vedea dacă funcționează. Un superlaser precum cel ce urmează să fie construit permite testarea armelor nucleare într-un mod controlat.

Armă marină

În curând, armele viitorului, pe care le vedem în filmele science-fiction, ar putea deveni realitate. Marina americană va realiza un laser performant și un tun electromagnetic, totul în următorii doi ani. Laserul va fi montat pe o nava, fiind prima armă de acest fel a marinei SUA. În curând va fi testată și un tun electromagnetic. Marina este interesată în primul rând de costuri cât mai reduse, nu de tehnologii avansate. De aceasta dată însă, cele două merg mână în mână. Spre deosebire de bombe sau rachete, un laser poate fi folosit continuu, pentru că nu rămâne fără muniție. Noul sistem de arme cu laser va fi folosit în special pentru a distruge drone și bărci foarte rapide. Tunurile electromagnetice pot lasa un proiectil cu o viteză de 6-7 ori mai mare ca viteza sunetului, fiind ideale pentru distanțele mari. Există însă și dezavantaje ale acestor noi arme. Laserul nu este foarte eficient când plouă, este înnorat sau sunt turbulențe în atmosferă. Iar tunurile electromagnetice au nevoie de multă electricitate pentru a putea lansa proiectile, spune Loren Thompson, analist la Institutul Lexington. Inginerii încearcă acum să obțină un sistem pe bază de baterii, care să asigure tunului energia necesară pentru a fi folosit pe orice navă de război. Ambele proiecte sunt foarte solicitate de Marină, pentru că presupun un cost redus. În prezent, o rachetă de interceptare costă aproximativ 1 milion de dolari, deci acest sistem nu este eficient. În comparație, laserul va costa doar câțiva dolari pentru o interceptare de rachetă.

Unda laser va fi invizibilă ochiului uman, dar va putea distruge o țintă, în special componentele electronice.

Sistem antirachetă

Compania israeliană de armament Rafael Advanced Defence Systems (RADS) lucrează la dezvoltarea unui sistem antirachetă care va utiliza raze laser, noua tehnologie urmând să fie utilizată în curând, informează site-ul israelian Ynetnews. Firma Rafael Advanced Defense Systems a comunicat că cercetările sunt într-o etapă destul de avansată.” Se poate vedea raza laser, iar ținta dispare într-o secundă", a explicat purtătorul de cuvânt al companiei, Amit Zimmer. Sistemul antirachetă israelian "Rază de Fier" are scopul de a intercepta avioane fără pilot, rachete și obuze de mortieră care nu pot fi doborâte de actualul sistem "Domul de Fier". Potrivit experților RADS, în cursul testelor, sistemul laser a doborât peste 90% dintre ținte.

Măsuri de precauție

Ghidarea fulgerelor

Oamenii de știință au descoperit că lumina laserului nu numai că poate declanșa fulgere, dar le și poate redirecționa, determinându-le să lovească într-un anumit loc. Prin urmare, spun specialiștii, laserele ar putea servi drept paratrăsnete. Crearea unui astfel de paratrăsnet a reprezentat un subiect de cercetare timp de mai multe decenii, deoarece un instrument de acest gen ar putea declanșa și îndrepta fulgerele spre o anumită direcție. Activarea unui laser în atmosferă ar putea crea un canal ionizat care să conducă fulgerele la sol. Laserul-paratrăsnet ar fi o alternativă mai ușor de manevrat a rachetelor create pentru declanșarea fulgerelor. O echipă de oameni de știință din Franța a testat laserele pentru a evalua cât de bine pot ele să controleze fulgerele. Ei au trimis un fascicul laser peste un electrod sferic îndreptat spre un alt electrod plat, încărcat cu sarcină opusă. În calea sa, fasciculul laser a preluat electronii de pe straturile superioare ale atomilor, ionizând calea dintre electrozi și dând naștere unui filament de plasmă, asemănător cu fulgerele produse în laborator. Acest fenomen a produs o descărcare electrică de la electrodul plat spre cel sferic. Apoi, echipa a adăugat un electrod mai lung și mai ascuțit la setul lor de electrozi și a urmărit reacția. În mod obișnuit, fulgerul tinde să urmeze calea care opune cea mai mică rezistență, lovind primul lucru care îi iese în cale. Într-o furtună reală, fulgerul lovește cel mai înalt obiect, iar în experiment a lovit cel mai apropiat obiect. În lipsa paratrăsnet-laser, fulgerul a lovit electrodul cel mai înalt și ascuțit. Dar când cercetătorii au folosit fasciculele de laser pentru a ghida fulgerul, el a urmat calea ionizată și a lovit electrodul sferic. Cercetătorii au descoperit că pot modifica traiectoria chiar și atunci când descărcarea a fost deja inițiată, însemnând că pot "deturna" fulgerul.

Localizarea unor posibile cutremure

O echipă de oameni de știință din China, SUA și Mexic a utilizat detecția cu ajutorul luminii și altimetria cu laser (LiDAR) pentru a studia modul în care cutremurele modifică formele de relief. Cu ajutorul acestei tehnici, seismologii pot stabili cu precizie locurile în care scoarța terestră s-a rupt, iar datele astfel obținute ar putea fi utilizate pentru a estima probabilitățile producerii cutremurelor în anumite zone. Dacă această tehnică ar fi aplicată în toate regiunile cu risc ridicat de producere a seismelor, specialiștii ar putea afla dacă există o tendință de apariție a unor cutremure în viitorul apropiat. Populația și autoritățile locale ar avea astfel timp să se pregătească pentru a face față evenimentului. Cercetătorii au realizat imagini topografice foarte precise ale unei zone seismice din Mexic, înainte și după un seism major (cutremurul cu magnitudinea de 7,2 grade din zona El Mayor-Cucapah, din 4 aprilie 2010), care a produs în scoarța terestră o fisură cu lungimea de 120 km. Regiunea a fost cartografiată cu ajutorul unui sistem LiDAR, care trimite spre sol serii de fascicule laser, cu ajutorul cărora denivelările suprafeței pot fi măsurate cu precizie de centimetri. În numai 3 zile, a putut fi astfel realizată o hartă topografică 3D a unei zone cu suprafața de 360 kilometri pătrați. Specialiștii au comparat apoi datele obținute cu un alt set de date colectate anterior, în 2006, tot cu ajutorul sistemului LiDAR, observând schimbările produse, dispunerea faliilor și apariția unor fisuri în scoarța terestră, extrăgând de aici concluzii privind probabilitatea producerii unor noi cutremure în viitor.

Capitolul 5.Realizarea părții practice

-sistem de securitate cu laser-

Laserul este folosit în diverse domenii, așa cum am prezentat în lucrarea de față. Ca și demonstrație practică, acesta poate fi folosit într-un sistem de securitate. Principalul avantaj este ca se poate supraveghea o suprafață mare prin multiplicarea fasciculelor laser. Obiectul acestei lucrări practice este de a pune în evidență proprietățile laserului și mai ales ușurința de a le utiliza.

Sistemul este construit din e componente principale: laser, cameră foto și circuit electronic.

În acest proiect este folosit un laser pointer care are următoarele caracteristici:

Camera foto folosită este PRAKTICA și are următoarele proprietăți:

Schema circuitului este prezentata mai jos, iar componentele folosite sunt

Rezistori :2×100, 1x1k, 1x10k, 1×6.8k;

Condensatoare: 1x10u, 1x100u, 1x330n;

1x1N4148 (Dioda);

1xLDR (Light Dependant Resistor);

1x LM7805 ( 5V Regulator);

1x LM741 (Amplificator operational);

1xNTE-R40_5 (Releu);

1xBC337 (Tranzistor);

1xbaterie 9V.

Principiul de funcționare este următorul:

Tensiunea aplicată fotorezistorului este de 5V. Datorită faptului că sursa de alimentare este de 9V, este nevoie de un regulator de tensiune care să aibă la ieșire 5V indiferent de tensiunea aplicată la alimentare. Acest lucru este realizat cu circuitul din partea de sus a schemei. Inițial fotorezistorul este străbătut de fasciculul laser. În momentul în care se întrerupe acest fascicul, tensiunea pe fotorezistor se modifică. Compararea acestora se realizează cu ajutorul amplificatorului. Tensiunea de la iesirea amplificatorului este divizata astfel încât în baza tranzistorului să existe un curent suficient regiunii RAN. În momentul în care acest tranzistor este blocat, în bobina releului înmagazinează energie în câmpul magnetic astfel încât acesta să poate să comute de pe o poziție pe alta. Dioda are un rol foarte important. Aceasta asigură circularea corectă a curentului în timpul funcționării și evită injectarea unui curent foarte mare în emitorul tranzistorului, ceea ce ar provoca distrugerea acestuia. În momentul acționării releului se realizează un scurt circuit la bornele butonului de acționare al camerei foto și se realizează o captură.

Schema a fost realizată în programul Proteus, după care a fost imprimată pe un PCB, fiind urmată de lipirea componentelor, realizarea fizică și testarea sistemului.

Rezultatele testărilor au fost satisfăcătoare, însă se pot aduce îmbunătățiri pentru performanțe mai mari.

Concluzii

Au trecut aproape 100 de ani de când părintele „laserului” A. Einstein, a câștigat premiul Nobel pentru cercetările sale asupra efectului fotoelectric. Laserul a devenit un instrument puternic și extrem de important în toate domeniile:

1. Laserul în cercetarea științifică

Temperatura și concentrația extrem de înaltă a radiației laser oferă posibilitatea de a studia materia în stări extreme, existente numai în adâncurile stelelor fierbinți. Un rol deosebit de important îl joacă laserele în fizica nucleară, la declanșarea reacțiilor termonucleareRomânia va avea începând cu anul 2015 cel mai puternic laser din lume, cu ajutorul căruia cercetătorii vor face experimente atomice, folosind energii atât de înalte, încât este de așteptat ca rezultatele să depășească legile relativității. Proiectul european ELI (Extreme Light Infrastructure), comparabil cu celebrul CERN de la Geneva, va reprezenta cea mai mare infrastructură de cercetare din spațiul ex-comunist, punând, practic, România pe harta lumii științifice. Puterea dezvoltată de acești laseri, din 2015 este prevăzută să ajungă în jurul sutelor de petawați sau chiar un hexawatt. Această putere dezvoltată reprezintă, practic, de peste zece mii de ori puterea generată la nivelul anului 2004, de către toate facilitățile ce generează energie pe această planetă.

2. Laserele tehnologice

Laserele de mare putere cu acțiune continuă sunt utilizate pentru tăierea, sudarea și lipirea pieselor din diferite materiale. Temperatura înaltă în fasciculul laser permite sudarea unor materiale, imposibilă de realizat prin alte tehnologii (de exemplu, metal și ceramică). Laserul cu impulsuri este folosit în geodezie și construcția de case, pentru măsurarea distanțelor pe teren după timpul de parcurgere de către impulsul de lumină a distanței dintre două puncte.

3. Laserele în comunicații

Laserele au produs o revoluție în telecomunicații și în tehnica de imprimare a informației. Există o legitate simplă: cu cât e mai înaltă frecvența purtătoare a canalului de telecomunicație, cu atât e mai mare capacitatea de transmisie a acestuia. Legătura laser se realizează prin fibre optice care reprezintă niște fire subțiri din sticlă și în care lumina, datorită reflexiei interioare totale, se propagă practic fără pierderi la distanțe de sute de kilometri. Fasciculul laser este utilizat la imprimarea și citirea imaginilor (inclusiv în mișcare) și a sunetelor pe CD-uri

4. Laserul în medicină

Tehnica laser se întrebuințează pe larg în chirurgie și în terapie. Cu raza laser introdusă prin pupilă „se sudează” retina desprinsă de pe globul ochiului și se corectează defectele de vedere. Intervențiile chirurgicale efectuate cu „bisturiul laser” traumatizează mai puțin țesuturile vii.

Potențialul laserului de a îmbunătăți tratamentele stomatologice depinde de capacitatea medicului de a controla puterea și timpul de expunere a țesuturilor dentare.

5. Laserele și calculatoarele

Cu ajutorul laserelor s-ar putea realiza pe cale optică transmiterea semnalelor între diferitele componente ale calculatorului, fără ca între acestea să existe vreun contact. Chiar și alimentarea calculatorului s-ar putea face cu ajutorul luminii laser, fără să mai fie nevoie de curent electric. Calculatoarele optice vor avea o memorie imensă, capabilă să cuprindă o cantitate de informații echivalentă cu cea conținută într-o bibliotecă cu milioane de volume, precum și o viteză fantastică, de circa 1013 – 1014 operații pe secundă.

În lucrarea de față, având în vedere condițiile de siguranță impuse de standarde, am realizat o lucrare practică ce îndeplinește o mică parte din acest domeniu. Prin implementarea unui circuit electronic (permanent aflat sub un fascicul laser) conectat la o cameră foto, micul sistem este capabil de a capta cateva imagini în situația în care fasciculul este întrerupt. Un astfel de sistem se poate realiza la scală larga pe o raza de suprafață mare. Se poate folosi preluarea de imagini video în schimbul fotografiilor, însă această soluție ar necesita mai mult spațiu de memorie. Pe viitor, această idee poate aduce noi variante ale sistemelor de securitate.

Domeniile de utilizare a laserului, deloc complete, punctate mai sus ilustrează acea imensă influență pe care o exercită laserul în dezvoltarea științei și tehnicii, precum și în viața societății moderne. Se poate afirma, fără prea mare exagerare, că laserul apărut la mijlocul secolului XX a produs un impact asupra omenirii, asemănător cu acela pe care l-a avut energia electrică și radioul cu o jumătate de secol mai înainte.

Bibliografie

[1] Dr. ing. Popescu, Nicolae, Laseri-aplicații, Edit. Militară, București, 1979.

[2] Vasiliu, E., Introducere în electronica cuantică, Edit. Tehnică, București, 1965.

[3] Amza, Gh., Tratat de tehnologia materialelor, Edit. Academiei Române, București, 2002. [4] Popescu, Gr., Maser, Laser, Edit. Militară, București, 1966.

[5] Drăgănescu, V., Prelucrări termice cu laser, Editura Academiei Române, București, 1986.

[6] Hayoshi, I., Electronics, nr.6, feb. 1973.

[7] Stern, F., Laser Handbook, Edit. Arechi, Amsterdam, 1974.

[8] Marinescu, D.R., Marinescu, N.I., Managementul tehnologiilor convenționale, Editura tehnică, București, 1991.

[9] http://www.mediafax.ro

[10] http://www.wired.com

[11] http://www.foxnews.com

[12] http://www.sciencedaily.com

[13] http://blog.sfgate.com

[14] http://www.popsci.com

[15] http://www.space.com

[16] http://www.telegraph.co.uk

[17] http://www.bloomberg.com

[18] http://www.zmescience.com

[19] http://www.dailymail.co.uk

[20] http://rt.com

[21] http://www.bbc.co.uk/

Anexe

Bibliografie

[1] Dr. ing. Popescu, Nicolae, Laseri-aplicații, Edit. Militară, București, 1979.

[2] Vasiliu, E., Introducere în electronica cuantică, Edit. Tehnică, București, 1965.

[3] Amza, Gh., Tratat de tehnologia materialelor, Edit. Academiei Române, București, 2002. [4] Popescu, Gr., Maser, Laser, Edit. Militară, București, 1966.

[5] Drăgănescu, V., Prelucrări termice cu laser, Editura Academiei Române, București, 1986.

[6] Hayoshi, I., Electronics, nr.6, feb. 1973.

[7] Stern, F., Laser Handbook, Edit. Arechi, Amsterdam, 1974.

[8] Marinescu, D.R., Marinescu, N.I., Managementul tehnologiilor convenționale, Editura tehnică, București, 1991.

[9] http://www.mediafax.ro

[10] http://www.wired.com

[11] http://www.foxnews.com

[12] http://www.sciencedaily.com

[13] http://blog.sfgate.com

[14] http://www.popsci.com

[15] http://www.space.com

[16] http://www.telegraph.co.uk

[17] http://www.bloomberg.com

[18] http://www.zmescience.com

[19] http://www.dailymail.co.uk

[20] http://rt.com

[21] http://www.bbc.co.uk/

Anexe