27.08.2021 / 15:06

От «охоты» на дронов до создания искусственных миров: где используется лазер

Лазерные лучи

Фото автора Jerome GovenderPexels

Лазерные лучи

Фото автора Jerome GovenderPexels

Лазеры давно применяются в технологиях самого разного назначения.

Лазеры давно применяются в технологиях самого разного назначения — от медицинских до космических. Тем не менее потенциал их пока не исчерпан. Наоборот, они становятся мощнее и точнее, воплощая в реальность сюжеты, которые всегда считались фантастикой.

На поле боя

Чтобы понять, как работает лазер, нужно сравнить его с другими источниками излучения. К примеру, свет, создаваемый лампой накаливания, состоит из огромно-го числа составляющих с разной длиной волны в широком спектре, а излучение светодиода — из огромного числа составляющих в относительно узком спектре.

При этом фотоны, вылетающие из лампы или светодиода, имеют разные направления движения, поляризацию и фазы. Лазерный источник дает всего одну спектральную составляющую (то есть обладает монохромностью), обеспечивает определенную поляризацию и направленность.

В результате каждый фотон, вылетающий из лазера, имеет точно такие же свойства, как и предыдущий, что позволяет заметно усилить свет по сравнению с любыми другими источниками.

Лазерное излучение можно сфокусировать в точку бесконечно малых размеров, что позволяет поднять температуру на облучаемом предмете до 1 000°С, чтобы плавить металлы. Еще лазеры обладают высокой энергоэффективностью и могут работать на дальние расстояния. Разумеется, все эти достоинства технологии давно привлекали внимание военных, и проекты лазерного оружия начали прорабатывать с середины 1960-х годов. Его собирались использовать как элемент противоракетной и противоспутниковой обороны.

Например, советские конструкторы вели программы «Терра-3» и «Омега» по созданию боевого комплекса наземного базирования, а также А-60 — воздушного базирования. Кроме того, в ответ на американскую Стратегическую оборонную инициативу (СОИ), предусматривавшую выведение на орбиту спутников с лазерными установками, в Советском Союзе инициировали аналогичный проект «Скиф», завершившийся в мае 1987 года неудачным запуском экспериментального космического аппарата «Полюс».

Хотя и по сей день в ленте новостей можно встретить сообщения о ведущихся работах над боевыми лазерами, вряд ли стоит рассчитывать, что они получат широкое распространение. Установка, способная сбить ракету или самолет, требует мощного источника энергии, что не всегда можно организовать, особенно в случае размещения ее на мобильной платформе.

Кроме того, цель должна находиться в пределах прямой видимости, поэтому лазер всегда будет уступать ракетам, которые способны маневрировать и поражать врага, находящегося за горизонтом. Дым, туман, дождь или снег мешают фокусировке луча, что снижает мощность воздействия.

Тем не менее современные лазерные комплексы типа российского «Пересвета» продемонстрировали достаточно высокую эффективность в борьбе с дронами, что становится актуальным из-за повсеместного внедрения беспилотной авиации. Также лазеры можно использовать и в «ослепляющем» оружии, которое будет выводить из строя оптические системы вражеских боевых машин.

Послойный синтез

Лазерный станок

Фото автора Opt LasersPexels

Лазерный станок

Фото автора Opt LasersPexels

Впрочем, куда перспективнее выглядит применение лазеров в промышленной обработке. В настоящее время специалисты изучают возможности технологии так называемого послойного синтеза. Вопреки распространенному представлению, лазер не режет, а плавит металл, поэтому с его помощью легко превратить металлический порошок в деталь любой формы.

Процесс выглядит следующим образом: трехмерная компьютерная модель разбивает на множество тончайших слоев, затем в специальную камеру, заполненную азотом, помещают порошок, который лазер под управлением программы спекает слой за слоем, по сути «выращивая» деталь. На изготовление одного объекта уходит от 6 до 8 часов, причем можно добиться высочайшей точности по размерам, даже если форма детали весьма причудлива.

После завершения работы остается только отполировать поверхность. Послойный синтез оказался незаменим при производстве мелкосерийных изделий, которые используются при создании новых механизмов, двигателей и агрегатов.

Их изготовление с помощью традиционной фрезерной обработки занимает от нескольких недель до месяцев — в случае применения лазеров процесс сокращается до одного-двух дней. Таким образом, если во время испытаний новейшего двигателя в его конструкции обнаружат техническую ошибку, инженерам не нужно будет долго ждать производства детали, модифицированной с учетом замечаний.

Проблема с необходимостью полирования решается тоже с использованием особого лазерного аппарата. Луч создает на поверхности детали «ванночку» жидкого металла размером в десятые доли миллиметра, после чего начинает перемещать ее, меняя свое направление.

Под действием сил поверхностного натяжения металл разглаживается и, затвердевая, становится более гладким. При такой обработке не происходит значительного испарения металла, поэтому полирование можно производить без припуска на чистовую механообработку и без опасения «снять» слишком много материала.

Промышленные лазерные комплексы нашли применение в авиации не только при изготовлении деталей. Оказывается, с их помощью можно значительно упростить и удешевить процесс сборки больших конструкций, особенно из композитных материалов. Заготовки, раскроенные согласно принятой технологической модели, поступают на участок выкладки.

Там лазерные проекторы, запрограммированные на выбранную схему монтажа, подсвечивают места их размещения. Такой подход позволяет добиться высокой точности операций и минимизировать влияние человеческого фактора.

Для контроля процедур тоже используется лазер: следящая программа создает «облако точек» и наблюдает за положением соответствующих им деталей, указывая монтажникам на отклонения от технической документации, если они допущены.

В ближайшие годы опыт эксплуатации лазеров в авиастроении будет распространен и на другие сферы промышленности. Вполне можно говорить о том, что мы вступаем в эру лазерного машиностроения, когда громоздкие шумные станки будут постепенно вытесняться изящными камерами послойного синтеза.

Искусственная звезда

Большое значение лазеры имеют и для дальнейшего развития фундаментальных наук. В декабре прошлого года сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики, находящегося в Сарове, сообщили, что наконец-то заработал первый модуль установки УФЛ-2М, которая стала самой мощной в мире.

Установка, расположенная на площади, сопоставимой с двумя футбольными полями, и высотой с 10-этажный дом, представляет собой 192-канальный твердотельный лазер на неодимовом стекле. Запущенный модуль включает восемь каналов.

Установка, которая успела получить шутливое прозвище «царь-лазер», предназначена для проведения экспериментов по управляемому термоядерному синтезу и для изучения свойств вещества в экстремальных состояниях — при сверхвысоких давлениях и температурах.

Запланированная энергетическая мощность УФЛ-2М на выходе составляет 4,6 Мдж, а на мишени — 2,8 МДж. Для сравнения: существующие аналогичные установки в других странах — NIF в США и LMJ во Франции — дают энергию на мишени мощностью в 1,8 МДж и 2 МДж соответственно.

Фактически речь идет о том, чтобы создавать в меньшем масштабе условия, которые присутствуют на горячих звездах. Кроме того, установка может быть использована для совершенствования термоядерного оружия, если в том возникнет нужда. Мощные лазеры также применяются в приборах с высокой измерительной точностью.

С их помощью, например, были открыты гравитационные волны, и развитие этого направления обретает практическое значение: в перспективе ученые собираются создать сверхточные часы, которые, в свою очередь, помогут фиксировать локальные изменения гравитационного поля Земли и находить месторождения с глубоким залеганием. Кроме того, на основе лазеров будут строить ускорители элементарных частиц нового поколения с целью воспроизвести условия, которые возникли при зарождении Вселенной. Как знать, может быть, со временем физики научатся создавать внутри лазерного луча малые искусственные миры.