Выбор мощность лазера для резки металла в зависимости от материала

Опыты по сварке лазером

В последние годы реставраторы все чаще стали использовать лазеры. Однако, поскольку реставрация — наука осторожная и консервативная, внедрению любых новых технологий предшествует длительный процесс изучения их возможностей и побочных эффектов на пробных образцах.

С этой целью для реставрации музейных экспонатов была приобретена промышленная установка «Квант 12», работающая на основе твердотельного оптического квантового генератора с активным элементом из алюмоиттриевого граната, легированного неодимом. (Nd -неодим, элемент с атомным номером 60 в таблице Менделеева, относится к семейству лантаноидов.) Достоинством данной лазерной установки в процессе изучения реставрационной сварки является возможность обеспечения и выбора чрезвычайно тонкой фокусировки и точной дозировки энергии лазерного луча на образце в импульсном режиме.

Для изучения практических возможностей сварки лазерным лучом были вначале подготовлены экспериментальные образцы из различных металлов, применявшихся при создании произведений искусства с древних времен: медь, латунь, серебро, сталь, чугун, цинк, олово и мельхиор. Образцы подбирались различной толщины, начиная с массивных отливок и заканчивая тонкой фольгой (басмой).

Первоначально проверялось воздействие различных режимов луча на металлическую поверхность. Затем были подобраны изделия с дефектами, имитирующими типичные повреждения произведений искусства, — изломами. Ставя подобные эксперименты, мы учились подбирать оптимальные режимы, разрабатывали приспособления для удержания сложных деталей в процессе сварки, использовали присадочную проволоку для заполнения нестыкующихся разрывов и т. д. Работа проводилась в режиме однократных импульсов

И только получив необходимый опыт, мы начали осторожно применять лазер для сварки музейных экспонатов

Результаты проведенных экспериментов продемонстрировали возможность применения лазеров для устранения таких повреждений металлических изделий, как трещины, разрывы, каверны. Лазером небольшой мощности (см. параметры в таблице) можно с успехом пользоваться для сварки изломов в тех случаях, когда другие методы неприемлемы: точное наведение луча с помощью микроскопа и очень малая зона воздействия позволяют добиться желаемых результатов. При плотном прилегании свариваемых частей сварка осуществляется без применения присадочного материала, а при невозможности плотно сжать стороны трещины требуется минимальное количество присадочной проволоки.

Обработанная лазером поверхность обладает повышенной стойкостью к коррозии и к образованию горячих и холодных трещин, при этом стоит еще раз подчеркнуть, что зона термического влияния невелика.

Для сварки массивных деталей, особенно из металлов, хорошо отражающих лазерное излучение, в частности из меди и медных сплавов (бронза, латунь и т. д.), необходима лазерная установка большей мощности. Для сварки же очень тонкой фольги — басмы — подобрать режим нам не удалось: луч прожигает басму насквозь.

Картошка гармошкой

«Жидкому» бронежилету — быть!

Идея создания брони из неньютоновских жидкостей не нова, но пока не реализована в серийном производстве. Вчера, 14 мая, портал airforcetimes.com сообщил о том, что кадет Академии ВВС США Хейли Вейр создала работающий прототип «жидкого» бронежилета, способный останавливать пистолетные пули.

По словам Вейр, она заинтересовалась материалами для создания брони в 2014 году на занятии по химии. Тогда кадетам дали три материала (углеродное волокно, кевлар и эпоксидный клей) и предложили соединить их так, чтобы полученный образец смог остановить пулю. Тогда девушке удалось создать самодельную бронеплиту и она продолжила работу с целью сделать её более универсальной. В ходе дальнейших экспериментов Вейр испытала несколько типов неньютоновских жидкостей вместо эпоксидного клея, и одно из испытаний дало положительный результат: «жидкий» бронежилет выдержал попадание пули.

Эксперименты с неньютоновской жидкостью

По словам Вейр, ей не сразу удалось создать оптимальную комбинацию жидкости, кевлара и углеволокна, но после серии испытаний она смогла собрать бронеплиту, достаточно лёгкую и эластичную для повседневного ношения, при этом способную выдержать попадание мощного пистолетного патрона калибра .44 Magnum. В ходе экспериментов удалось выяснить, что, чем выше скорость и больше энергия пули, тем быстрее она останавливается жидким бронежилетом. Так, пуля калибра 9 мм прошла большее количество слоёв бронеплиты, чем пули .40 Smith & Wesson и .44 Magnum. «Чем выше сила пули, тем более прочной становится неньютоновская жидкость и тем лучше она останавливает пулю»

, — рассказала Хейли Вейр.

Хейли Вейр во время экспериментов с «жидким» бронежилетом airforcetimes.com

В этом году Хейли Вейр завершит учёбу в академии и планирует продолжить работу над «жидким» бронежилетом в университете Клемсон (штат Южная Каролина). Созданный ею материал уже сейчас может использоваться при серийном производстве бронеплит и защитных материалов, при этом Вейр будет дорабатывать его, чтобы сделать пригодным для использования в бронировании техники и создания защитной экипировки и сооружений (например, палаток для военнослужащих).

Неньютоновской жидкостью называют материал, вязкость которого зависит от скорости воздействия. Эти материалы могут течь подобно жидкости или тянуться как слизь или пластилин, но, если по ним ударить или резко растянуть, они становятся твёрдыми.

Иллюстрация того, как ведут себя молекулы неньютоновской жидкости при воздействии: 1. Обычное состояние — броуновское движение, мягкая и податливая среда. 2. Реакция на удар — концентрация в точке удара и смыкание в прочную молекулярную структуру. 3. Возвращение в прежнее состояние при отсутствии воздействия advchemorange1.blogspot.com

Принцип сопротивления, возникающего в неньютоновских жидкостях, заключается в том, что относительно крупные молекулы полужидкой смеси, находящиеся, как и в любой жидкости, в свободном броуновском движении, в ответ на механическое воздействие быстро выстраиваются в прочные молекулярные цепочки, резко уплотняя среду и создавая своего рода защитный барьер.

В апреле 2020 года о создании брони с использованием неньютоновских жидкостей заявили в польском Институте технологий безопасности Moratex. Учёные создали универсальный слой, который может использоваться совместно с мягкой или твёрдой бронеплитой и существенно снижает запреградную травму, увеличивая класс защиты бронежилета.

Испытание защитного слоя с неньютоновской жидкостью в Институте Moratex mirror.co.uk

СССР

Ссылки

Инверсная заселенность. Создание когерентного излучения:

Перемещаясь по уровням атома, электроны создают (выделяют) его энергию: чем они выше, тем она больше, а опускаясь – поглощают ее. Чем выше энергия атома, тем больше он возбужден, но это отражается и на его устойчивости – она слабеет. В определенный момент времени электроны все же изменят уровень на более низкий, выделив фотон – электромагнитное излучение. Учитывая, что такой переход спонтанный, выделяемое излучение происходит разобщенно, поэтому и образующийся луч является несогласованным.

Если же излучение (выделение энергии) проводится направленно, при воздействии электромагнитной волны, чья частота близка к частоте перехода атома, возникнет иной эффект. Полученный резонанс дестабилизирует атом и все электроны «упадут» с верхних «ярусов» на нижние. При таком спровоцированном воздействии световая волна будет идентична первичной волне по всем трем параметрам:

– частоте;

– направленности;

– фазе.

Все образующиеся волны имеют согласованное (когерентное) направление, и суммарно они увеличивают интенсивность излучения, т.е. количество его квантов.

Заселенность – это количество атомов на определенном энергетическом уровне (E_n). Если заселенность более высокого уровня (Е₂) выше, чем ниже расположенного (Е₁), образуется инверсная заселенность. Так и активное вещество – это среда, где возбужденных атомов больше, чем тех, что находятся в состоянии покоя. Если подобная среда будет подвержена воздействию электромагнитной волны, электроны поднимутся на выше расположенные уровни, и возникнет усиленное этим воздействием излучение. Причина проста – каждый квант электромагнитной волны порождает идентичный фотон, эти два образуют четыре фотона, те – восемь и так далее. Все это приводит к появлению фотонной лавины.

Однако данная ситуация весьма условна и возможна лишь в идеальных условиях. В реальных же существуют факторы, провоцирующие утрату электромагнитной волной энергии: ее поглощают примеси, которые содержит активная среда, она рассеивается в ее неоднородных слоях и т.д. Усилить же ее можно путем продления длины пробега в активной среде, что возможно весьма условно. Поэтому был создан резонатор: многократно отражаясь от двух параллельно расположенных зеркал, волна проходит достаточное расстояние для получения нужного уровня усиления, но при условии, что сохранится инверсионная заселенность.

Обеспечивать нужное число электронов на высоких уровнях возможно при использовании отдельного источника энергии – что означает, что необходимо проводить накачку активной среды источниками энергии. Подобные источники энергии могут быть самыми разными: протекающая химическая реакция, установленная электрическая лампа, направленный разряд электроэнергии и прочие. Есть и определенные условия:

– накопление электронов на верхних слоях атомах. Их должно скопиться не менее половины от общего числа;

– уровень энергии. Он должен превысить определенные показатели, иначе потери превысят накачку, что приведет к малой мощности на выходе.

После достижения состояния инверсии, некоторые электроны начнут спонтанный спуск на более низкий энергетический уровень, при котором возникнут кванты (фотоны). Те фотоны, которые были выпущены под углом к оси резонатора, вызовут короткий цикл излучений в выбранном направлении и исчезнут из активной среды. Те фотоны, чье движение будет направлено вдоль оси резонатора, смогут бесконечное количество раз отразиться в зеркалах резонатора, что и приведет к появлению согласованного (когерентного) излучения.

Основные принципы боевого применения

Военные преимущества

Лазерное оружие могло бы иметь несколько основных преимуществ над традиционным оружием:

• Лазерные лучи распространяются со скоростью света, поэтому нет необходимости учитывать движение цели и применять упреждение при стрельбе на расстояния менее 300 тыс. км. Следовательно, уклониться от лазерного «выстрела» в подавляющем большинстве невозможно. В условиях наземного и воздушного боя уклониться от облучения лазерным лучом вообще невозможно.
• На лазерный луч не оказывает влияние гравитация планеты (напр. Земли). (В ближних окрестностях чёрных дыр и др. очень массивных объектов траектория лазерного луча всё же искривляется, правда бои едва ли там будут вестись.)
• Лазер может менять конфигурацию фокусировки на активной области, которая может быть намного меньше или больше по сравнению с размерами поражающего элемента кинетического (напр. огнестрельного) оружия.
• «Боекомплект» лазера зависит только от источника энергии.
• Поскольку свет имеет практически нулевой «импульс энергии» (точнее, отношение импульса фотона к его энергии равно 1c{\displaystyle 1/c}), у лазера нет ощутимой отдачи.
• Диапазон использования лазерного оружия намного превосходит диапазон традиционного (кинетического, баллистического и реактивного) оружия, но зависит от атмосферных условий и мощности источника энергии.

Рассеяние

Лазерный луч вызывает в воздухе плазменный канал при плотности энергии около мегаджоуля на кубический сантиметр. Эффект рассеяния приводит к потере лазером фокуса и рассеянию энергии в атмосфере. Значительное рассеяние наблюдается в тумане, дыме и плазменных облаках.

Высокое энергопотребление

Одна из главных проблем лазерного оружия (как и любого иного оружия направленной энергии) состоит в высоком энергопотреблении.

Отсутствие возможности непрямого огня

В отличие от артиллерийских пушек, способных вести огонь по навесной траектории, то есть «перебрасывать» снаряд через стену, холм и т.д., лазерное оружие не может выполнять подобных задач. Как возможный вариант решения этой проблемы — некий корректор в виде зеркала на летательном или наземном подвижном аппарате

Лёгкий способ противодействия световому излучению

Использование светоотражающих элементов (зеркал) может сделать применение лазера бесполезным. Они смогут без проблем отразить лазерный луч, как любой другой свет, независимо от его мощности.

Технику будет довольно легко оснастить такой зеркальной бронёй. С пехотой могут возникнуть проблемы, что увеличит стоимость производства.

Для полной защиты от вражеского огня придётся сделать зеркала (светоотражающие элементы) неломаемыми или покрыть их слоем брони, который лазер, вероятно, сможет расплавить, но тут же отразится от отражающего слоя.

Лечебные эффекты

Основными лечебными эффектами лазеротерапии являются коррекция клеточного и гуморального иммунитета, повышение защитных свойств организма, происходит улучшение микроциркуляции и реологических свойств крови, а также гемостатического потенциала крови, регулируется кислотно-щелочное состояние крови, повышается антиоксидантная активность организме, нормализуется протеолитическая активность крови, стимулируется гемопоэз.

Лазеротерапия способствует стимуляции внутриклеточных систем репарации ДНК при лучевой болезни, нормализует обменные процессы организма (белковый, липидный, углеводный и энергетический обмен), а также стимулирует регенерацию; обладает противовоспалительным, дезинтоксикационным, антиаллергическим, сосудорасширяющим действием.

Лазерное излучение способно проникать в ткани на различную глубину. Энергия лазерного излучения способствует повышению окислительно-восстановительных процессов, потребления тканями кислорода, стимулирует трофические и регенераторные процессы. При этом происходит улучшение процессов кровоснабжения тканей, повышение клеточного иммунитета.

Лазерное излучение способно оказывать бактериостатический, противовоспалительный, рассасывающий эффекты, усиливать процессы регенерации костной ткани. Лазеротерапия способствует активизации кровоснабжения головного мозга, ускорению регенерации нерва, а также улучшает трофику хрящевой ткани, снижает свертываемость крови, оказывает болеутоляющий, гипотензивный эффекты.

В процессе облучения, в тканях происходят изменения локального кровотока, увеличивается межкапиллярная проницаемость эндотелия сосудов. При лазерном облучении пограничных с очагом воспаления тканей или краев раны происходит стимуляция фибробластов и формируется грануляционная ткань, уменьшается импульсная активность нервных окончаний С-афферентов, что приводит к понижению болевой чувствительности (за счет афферентного блока на периферии), а также возбудимости нервных волокон кожи.

В результате продолжительного воздействия лазерного излучения происходит активация нейроплазматического тока, что в свою очередь приводит к восстановлению возбудимости нервных проводников. Лазеротерапия способствует усилению деятельности органов и систем, ответственных за иммунитет, активизирует клеточный и гуморальный иммунитет.

Также отмечалось сильное бактерицидное, обезболивающее, рассасывающее действие синего света.

Не следует заниматься самолечением при помощи физиопроцедур. Перед использованием лазеротерапии обратитесь к лечащему врачу или иному специалисту здравоохранения!

Ссылки

Показания

Лазератерапия может применяться с лечебной целью:

• при наличии острых и хронических воспалительных процессов различной локализации, воспалительных (включая инфекционные) послеоперационных осложнений, травм;
• в случае отравлений (экзотоксикозов) и эндотоксикозов в силу самотических заболеваний (при эндотоксикозах в стадиях декомпенсации или неполной компенсации использовать следует в сочетании с методиками экстракорпоральной гемокоррекции);
• при тромбоблитерирующих заболеваниях артерий конечностей (при облитерирующем атеросклерозе и эндартериитах);
• при острых и хронических тромбофлебитах и флеботромбозах;
• может быть показана лазеротерапия в случае хронической ишемической болезни сердца, при цереброваскулярной недостаточности, заболеваниях лимфатических сосудов (при приобретенном лимфостазе);
• при иммунодефицитных состояниях, оперативных вмешательствах, травмах, СПИДе;
• при аутоиммунных заболеваниях (в том числе при бронхиальной астме, тиреотоксикозе, тиреоидите Хашимото, первичной микседеме, в случае ревматоидного артрита, неспецифического язвенного колита и т. д.), сывороточной болезни, при наличии лекарственной аллергии или других видов аллергических состояний;
• при нейродермите, псориазе, дерматозах;
• может применяться при остром или хроническом панкреатите (для снижения протеолитической и липолитической активности крови);
• от язвенной болезни ЖКТ и гастродуодените;
• при сахарном диабете, синдроме склерокистозных яичников;
• в случае ожогов, трофических язв, замедленных заживлений ран и консолидации переломов;
• от вирусных гепатитов, герпеса, кандидоза, хламидиоза, микоплазмоза.

Лазератерапия может применяться с профилактической целью. Это может быть профилактика:

• осложнений после операции (тромбоэмболических, инфекционных и т. д.),
• осложнений после получения травм, инфекционных осложнений у больных гемобластозами.
• рецидивов язвенной болезни ЖКТ, псориаза, нейродермита, обострений астматического процесса.
• лучевых реакций при проведении лучевой терапии, профилактики иммунодепрессивных состояний при терапии онкопатологии при помощи лучевой и цитостатической терапии.

Применение лазератерапии в целях оздоровления заключается в предупреждении сезонных простудных заболеваний, при реабилитации после тяжелых заболеваний, а также перенесенных травм или операций. При гиперлипидемии.

Может применяться как профилактическое средство у работников, чей труд связан с профессиональными тяжелыми условиями, например, рентгеновское или другие виды облучений.

Применение у спортсменов заключается в оптимизации восстановительного периода после тяжелых тренировок и соревнований, а также для повышения выносливости перед соревнованиями.

Чем может противников поразить торпеда ?

Заключенная в их утробе мощь, по мнению западных военных экспертов сможет уничтожать города, а от подводного взрыва термоядерного заряда может образовываться цунами (с высотой волны от 300 до 500 метров с затоплением территории вглубь на равнине до 500 км) с последующими радиоактивными осадками (один из поражающих элементов с радиусом поражения от 300 до 1.700 км) и тому подобными последствиями, вроде поражения на открытом воздухе при использовании 100 мегатонного заряда диаметром 70 км.

Впервые, Владимиром Путиным о существовании подводного дрона было заявлено 1 марта 2018 года.

Примечания

1. , p. 86.
2. , p. 87.
3. , pp. 87—88.
4. , p. 88.
5. , pp. 88—89.
6. ↑ , p. 90.
7. , p. 91.
8. , p. 89.
9. , pp. 93—94.
10. ↑
11. ↑
12. , pp. 95—100.
13. , p. 105.
14. ↑
15. , p. 104.
16. , pp. 101—104.
17. , pp. 106—107.
18. , pp. 107—108.
19. , pp. 108—109.
20. ↑
21. , p. 37.
22. ↑ , p. 202.
23. ↑
24. ↑
25. , p. 108.
26. , p. 199.
27. , p. 201.
28. ↑ , с. 45.
29. ↑

Лазер:

XX век подарил человечеству множество изобретений и открытий, и одним из величайших среди них считается лазер. Если несколько десятков лет назад он был воплощением произведений фантастов, то сегодня его использование актуально во многих сферах и отраслях промышленности, медицины, производства.

Свое название изобретение получило от сокращения его англоязычной аббревиатуры LASER (light amplification by stimulated emission of radiation), что в переводе означает «усиление света посредством вынужденного излучения».

Впервые возможность создания лазера как устройства была предсказана еще Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Ученый спрогнозировал, что атомы молекул при достаточном воздействии из вне способны изменять свое энергетическое состояние и переходить с высшего энергетического состояния на низшее. В результате такого перехода определенная часть энергии переходит в свободное состояние – это и есть вынужденное излучение, являющееся основой работы лазеров.

По своей сути лазер или оптический квантовый генератор – это устройство, где на квантово-механический эффект, коим является вынужденное излучение, воздействует внешнее электромагнитное излучение, в результате чего освободившаяся энергия (тепловая, световая, электрическая, химическая и прочая) образует световой луч. Он (световой луч) тоже представляет собой энергию, и превращается в потоки излучения:

– когерентного, т.е. согласованного (скоррелированного) протекания во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени, и при сложении колебаний получается колебание той же частоты;

– монохроматического, т.е.  обладающего очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны);

– поляризованного, т.е. с направленным колебанием векторов напряженности электрического и магнитного полей;

– и узконаправленного характера.

Потоки света и излучение лазера имеют две формы:

– непрерывную (с неизменной амплитудой и постоянной мощностью);

– импульсную (экстремально высокие – пиковые мощности достигаются постепенно).

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, основанный на использовании индуцированных переходов. При этом под оптическим диапазоном понимается диапазон длин волн от 10-9 до 10-3 м.

Показания к проведению лазерной обработки

Медицина

В 1960-х годах были выполнены первые исследования в отношении использования лазеров в медицине. Они проходили в клиниках ММА им. И. М. Сеченова, ЦИТО, , разработчиком первых в СССР лазерных медицинских установок было Научно-производственное предприятие «Исток» (Фрязино, Московская область). Изучались возможности применения в клинической практике гелий-неоновых лазеров с длиной волны 0,63 мкм. Была доказана целесообразность применения гелий-неоновых лазеров в лечебных целях и в 1972 году было получено разрешение Минздрава СССР на применение излучения гелий-неонового лазера малой мощности в терапии.

Работы по применению лазеров в хирургии в СССР начались в 1965 году в МНИОИ им. П. А. Герцена (рук. работ профессор С. Д. Плетнёв) совместно с НПП «Исток» (рук. работ академик АН СССР Н. Д. Девятков и В. П. Беляев). Использовался высокоэнергетические С0₂ лазеры с длиной волны 10,6 мкм. По результатам этих работ в НПП «Исток» было создано несколько модификаций лазерных хирургических установок, которые были переданы в клиники и использовались при проведении хирургических операций.

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза — это точечная контактная сварка; лазерный скальпель — автогенная резка; сваривание костей — стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани — тоже контактная сварка.

Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии — углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному.

Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. Создателям хирургических лазеров приходится прибегать к всевозможным уловкам, что сильно удорожает аппаратуру.

Специалистам по сварке металлов давно известно, что при резке пакета тонких металлических листов необходимо, чтобы они плотно прилегали друг к другу, а при точечной контактной сварке для тесного контакта свариваемых деталей необходимо дополнительное давление.

Этот метод был использован и в хирургии: профессор О. К. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для осуществления нового способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, лёгких.

• Косметическая хирургия (удаление татуажа и пр.);
• Коррекция зрения;
• Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия);
• Стоматология
• Диагностика заболеваний
• Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга

Использование лазеров[править | править код]

Применение лазеров в качестве светового сопровождения музыкальных произведений.

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых важных изобретений XX века.

В настоящее время лазерный рентгеновский микроскоп (ЛРМ) использует принцип лазерного луча на свободных электронах установки (FEL), которая генерирует инфракрасный луч мощностью 14,2 киловатта с сечением в 0,1 нанометра. Частицы плазменного облачка, которое образуется при взрыве исследуемой миккрочастицы в 2 нанометра при бомардировке её лазерным лучом величиой в 0,1нм фиксируются скорстными цифровыми фотоустройствами с разрешением в 1,61 мкм)!.

Рис.2,Схема Лазерного рентгеновского микроскопа будущего

Одно из главных преимуществ лазерной Х-микроскопии — возможность фотографировать непрозрачные элементы. В результате воздействия фотонами рентгеновского лазера на частицы в 2нм с диаметром луча в 0,1 нм образуется при взрыве облачко микроэлементов (молекул, атомов) в возбужденном плазменном (мгновенном) состоянии. При этом удаётся улавливать детектором в виде дифракционных картинок (зашифрованных изображений) фиксируемый поток электромагнитных волн взорванной частицы. Попадая в аналогоцифровой преобразователь (АЦП) с помощью гидродинамической модели вычислинений получают оцифрованные изображения, например, молекулы и в виде файла они передаются в компютер и на экран монитора (См. Рис.2). При этом белок с поперечником в 2 нанометра взрывался после того, как его облучили 20-фемтосекундным лазерным рентгеновским импульсом мощностью 12-килоэлектронвольт.

Принцип действия

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

Обучение