Warszawa dn. 20.12.2001

UKŁADY SENSORYCZNE I INTELIGENCJA MASZYNOWA

„Zastosowanie Laserów w Robotyce”

Gibner Mirosław

e-mail: [e-mail]

tel.: [phone]

Nazwa LASER wzięła się z angielskiego Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli Wzmocnienie Światła przez Wymuszoną Emisję Promieniowania.

Podstawy teoretyczne wymuszonej emisji lasera opisał ALBERT EINSTEIN w 1917 roku. Pierwszy laser z prętem rubinowym skonstruował amerykański fizyk THEODORE HAROLD MAIMAN w 1960 roku. Rok później, inny Amerykanin A. JAVAN zbudował laser gazowy, helowo-neonowy.

Laser jest to urządzenie będące źródłem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu od podczerwieni do nadfioletu (obecnie nawet do częstotliwości promieniowania X). Światło emitowane przez laser jest spójne - rozchodzi się wiązką o kacie promieniowania do kilku minut kątowych i prawie idealnie monochromatyczne - długości fali mogą zawierać się w bardzo wąskim zakresie wartości (nawet do kilkunastu kHz). Atomy ośrodka czynnego lasera wzbudzane są (proces pompowania) tak, aby elektrony przechodziły na wyższe poziomy energetyczne, zewnętrzna stymulacja powoduje, że przy powrocie na niższy poziom emitują energie w postaci fotonów, których strumień odbijając się pomiędzy przeciwległymi zwierciadłami rezonatora powiększa się, wymuszając promieniowanie innych atomów (wzmocnienie) i po przekroczeniu pewnej wartości krytycznej jest emitowany na zewnątrz (emisja wymuszona). Kolor (częstotliwość) promieniowania zależy od rodzaju ośrodka czynnego, który określa rodzaj lasera. Promieniowanie lasera może mieć charakter impulsowy lub ciągły.

Po tym krótkim przedstawieniu idei działania lasera można już sobie wyobrazić jak jest on zbudowany. W najprostszym przypadku będzie to pręt szklany (lub rurka z gazem) o równoległych czołach zawierających atomy lub jony aktywne, wzbudzone przez błysk światła z lampy pompującej w postaci rurki z elektrodami, o długości zbliżonej do długości pręta, usytuowanej w jego pobliżu i wypełnionej odpowiednim gazem.

poziom energetyczny E2

wzbudzony

poziom energetyczny E1

metastabilny

poziom energetyczny E0

podstawowy

E2

E1

E0

Promieniowanie laserowe ma 3 właściwości:

• jest monochromatyczne (ma jedną długość fali)

• jest koherentne (spójne)

• jest emitowane w postaci mało rozbieżnej wiązki w jednym kierunku (średnica wiązki nie ulega zmianie w miarę oddalenia od lasera).

Głowica Laserowa to serce każdego systemu laserowego, w niej to właśnie wytwarzana jest wiązka światła, która później kierowana na podzespoły optyczne w ławie zostaje poddana twórczej obróbce.

Głowica laserowa to element składający się z różnych podzespołów w zależności od rodzaju i mocy . Chłodzone i zasilane są w różny sposób co wymaga czasami dodatkowych urządzeń.
W podstawowy skład głowicy laserowej wchodzi : rura laserowa lub dioda oraz zasilacz (czasami z regulacją mocy). Dodatkowe podzespoły, które mogą wchodzić w skład to: chłodziarka, transformator, pilot (zdalna regulacja różnych parametrów).

Na rynku jest bardzo szeroki asortyment nowych i używanych głowic laserowych.
Używane głowice mogą być regenerowane, przerabiane, naprawiane, nie tracąc na jakości, są więc pewną alternatywą w stosunku do nowych.

Głowice laserowe, które znalazły zastosowanie w wizualnych systemach, to przede wszystkim lasery :

· Diodowe 
  (czerwony) - pointy, małe kraby dyskotekowe, projektory laserowe
· HeNe - ( helium-neonowe )
  (czerwony) - małe systemy, połączony z AR-argonowym (pełny kolor)
· AR - ( argonowe )
  (zielono / niebieski) - małe i duże systemy (zależnie od mocy), połączony z HeNe lub KR-kryptonowym 
  (pełny kolor)
· KR - ( kryptonowe )
  (czerwony) - duże systemy, zazwyczaj łączony z AR- argonowym w celu uzyskania dużych mocy 
  (pełny kolor)
· AR/KR - ( argonowo/ kryptonowe ) 
  ( biały - pełny kolor) - małe i duże systemy (zależnie od mocy)
· Nd:YAG - ( diodowe ) 
  (zielony) - projektory laserowe, małe, duże systemy (zależnie od mocy), nowa generacja dopiero od paru lat na rynku

Lasery te są długotrwałe, prawie bezserwisowe i od lat stosowane z powodzeniem.

HeNe - od 2mW do 10mW  zasilanie 220V	Diody i moduły laserowe  od 1mW do 20mW  zasilanie 3V - 6V		HeNe - od 10mW do 100mW  zasilanie 220V
	Głowice firmy Laser Physics : Reliant 150,300,1000, 300WC AR - 150mW, 300mW, 1W AR/KR - 300mW chłodzone powietrzem zasilanie 220V
Głowice firmy American Laser : ALC 60 X, ALC 68 C AR - do 1, 5W KR - do 100mW nowość AR/KR - do 110mW nowość chłodzone powietrzem zasilanie 220V wymagany transformator			Głowice firmy Coherent : Enterprise, Purelight, Innova, Star, Skylight, Sabre AR KR AR/KR o różnych mocach wyjściowych chłodzone wodą zasilanie 3 fazy 380V wymagany transformator
	Głowice firmy Spectra Physics : 164, 165, 168,171,2020,Chroma 5, Chroma 10 AR KR AR/KR o różnych mocach wyjściowych chłodzone wodą zasilanie 3 fazy 380V wymagany transformator
Nd:YAG - małej mocy od 1 do 100mW zasilanie 7V - 40V			Nd:YAG - dużej mocy  od 1W do 60W zasilanie 220V

II. BUDOWA LASERA

Laser składa się z trzech części:

• ośrodka laserowego, który ma zdolność do wstępowania większej liczby atomów w stan wzbudzenia;

• źródła energii przekazującego energię do ośrodka, co zwiększa liczbę elektronów na poziomie metastabilnym;

• komory rezonansu utworzonej przez szereg luster odbijających wiązkę promieniowania.

Pozostałe części lasera to soczewki i przesłony.

Lasery dzielimy według rodzaju ośrodka:

• ciała stałego (krystaliczne),

• gazowe,

• barwnikowe,

• półprzewodnikowe.

lasery krystaliczne (promieniowanie impulsowe), najczęściej rubinowe, pozwalające na uzyskanie największych mocy (w impulsie rzędu GW, przy czasie trwania nsek.), w których pompowanie optyczne odbywa się dzięki np. ksenonowej lampie błyskowej;

lasery gazowe (ciągłe lub impulsowe), w których ośrodkiem czynnym jest czysty gaz (np. argon, azot), mieszanina gazów (np. He-Ne), molekuły ditlenku węgla lub pary metali zamknięte w szklanej rurce ze zwierciadłami na końcach, lasery te pompowane są m.in. promieniami ultrafioletowymi lub strumieniem elektronów;

lasery barwnikowe (impulsowe lub ciągłe), w których ośrodkiem czynnym są związki organiczne (np. fluoresceina lub rodamina), a które pompowane są błyskami światła (impulsowe) lub promieniowaniem lasera gazowego (ciągłe);

Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania badawcze.

lasery na ciele stałym ośrodkiem aktywnym w takich laserach jest kryształ dielektryczny lub szkło aktywowane, np. jonami pierwiastków ziem rzadkich, grupy aktynowców, metali przejściowych. Oddzielna grupę laserów na ciele stałym stanowią dość popularne lasery półprzewodnikowe.

lasery półprzewodnikowe (ciągłe), w których ośrodkiem czynnym jest np. monokryształ arsenku galu ze złączem n-p, lasery te pompowane są poprzez doprowadzenie ładunków (prądu) do złącza.

Rodzaj diody luminescencyjnej, bardzo szerokie zastosowania - od badawczych do najszerszych użytkowych: telekomunikacja, odtwarzacze kompaktowe, celowniki, czytniki kodu paskowego itp.

Światło emitowane przez lasery posiada wiele interesujących cech: jest spójne (daje możliwość interferencji), spolaryzowane, skolimowane, może charakteryzować się nie spotykaną(gdzie indziej gęstością energii emitowanej w kąt bryłowy (i na jednostkę długości fali), z możliwością łatwego skupiania tej energii na powierzchni ciała po zastosowaniu układu optycznego (dla ciał przezroczystych nawet pod powierzchnią ciała), ponadto w laserach impulsowych moment emisji jest ściśle określony.

Własności te dają szerokie możliwości zastosowań, np.: w badaniach podstawowych (spektroskopia atomowa i cząsteczkowa), w holografii, do cięcia i obróbki trudnotopliwych i twardych materiałów, do wyważania dynamicznego (w przemyśle lotniczym), w medycynie - jako perfekcyjnie sterylne skalpele umożliwiające przeprowadzanie operacji wnętrza oka, operacji podskórnych, usuwania znamion (w tym zabiegi wykorzystujące selektywną absorpcję promieniowania przez barwniki skóry) itd., w dalmierzach (lasery impulsowe), w celownikach laserowych, w nośnikach informacji (cyfrowy zapis optyczny, telekomunikacja światłowodowa, czytniki kodu itp.).

Kluczowe dla działania laserów zjawisko emisji wymuszonej przewidział A. Einstein, w 1954 zbudowano pierwszy wzmacniacz kwantowy dla mikrofal (maser), pierwszy laser (rubinowy) skonstruował w 1960 fizyk amerykański T.H. Maiman, pierwszy laser helowo-neonowy zbudowano również w 1960 (A. Javan, W.R. Bennet i D.R. Herriott), natomiast pierwszy laser półprzewodnikowy powstał w 1964 w zespole kierowanym przez N. Basowa.

lasery rubinowe

Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką jonów chromu, pompowany optycznie fleszem, pracują impulsowo, emitują światło czerwone o długości fali λ = 694,3 nm, znaczenie głównie historyczne.

Laser helowo-neonowe

Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim ciśnieniem, pompowane elektrycznie i poprzez zderzenia atomów, emitują światło czerwone λ = 632,8 nm, ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe emitujące również światło zielone, wykorzystywane w badaniach naukowych oraz ze względu na prostą budowę w dydaktyce i niektórych zastosowaniach praktycznych.

Laser kryptonowy i ksenonowy

Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych.

Laser argonowy

Wypełnione argonem, emitują światło o kilku długościach fali: od 457,9 nm do 514,5 nm, zastosowania badawcze i do pompowania laserów barwinowych.

Laser neodymowy

Szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali krótszej o czynnik 2 lub 4, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.

Laser molekularny CO2

Wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu, emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone, przestrajalna długość emitowanej fali w obszarze ok. λ = 10 µm, charakteryzują się w dużą mocą, zastosowania przemysłowe i badawcze.

ZASTOSOWANIE LASERÓW

Rozliczne zastosowania laserów zawdzięczają im tylko właściwej, wyjątkowej koncentracji energii w bardzo skupionej wiązce spójnego promieniowania. w przemyśle wiązka laserowa wykorzystywana jest do cięcia najtwardszych nawet materiałów (stalową blachę o grubości kilku cm można ciąć z prędkością 1 m/min.), ale także np. tkanin w zakładach odzieżowych, szybkiego i precyzyjnego spawania (np. blach karoseryjnych), wykonywania bardzo precyzyjnych otworów o mikroskopijnych wymiarach, np. przy wytwarzaniu sitek zwanych filierami (przez które przeciska się płynne tworzywo), wykorzystywanych przy produkcji włókien syntetycznych, różnorakich dysz (choćby w zapalniczkach gazowych), precyzyjnej obróbce niewielkich elementów w mikromechanice czy przemyśle zegarmistrzowskim. Możliwość precyzyjnego sterowania energią wiązki lasera i jej przemieszczaniem umożliwia wykorzystywanie jej do precyzyjnej i selektywnej obróbki cieplnej, np. powierzchniowego hartowania części maszyn. W elektronice wykorzystanie lasera pozwoliło na skokowy wzrost jakości w produkcji elementów dyskretnych (np. rezystorów, tranzystorów) i było warunkiem koniecznym przy produkcji układów scalonych; zwiększanie częstotliwości promieniowania lasera umożliwiło produkcję układów scalonych o coraz większym stopniu scalenia (dzięki mniejszej szerokości ścieżki masek). Ogromne energie impulsowych laserów wykorzystywane są do syntezy nowych materiałów i w próbach nad kontrolowaną reakcją termojądrową-nadzieją energetyki. Skupienie wiązki promieniowania lasera wykorzystywane jest do wyznaczania kierunku, linii prostych i sterowania maszynami przy budowie autostrad, pasów startowych lotnisk, wysokich konstrukcji budynków, do pomiarów w geodezji i meteorologii, a także w badaniach i pomiarach ruchów tektonicznych skorupy ziemskiej. Odparowywanie mikroskopijnych ilości materiału próbki za pomocą kontrolowanej wiązki lasera wykorzystuje się w nie niszczących badaniach składu chemicznego materiałów w analizatorach spektralnych. W telekomunikacji lasery źródła światła i światłowody zastąpiły sygnały elektryczne i przewody miedziane, co uratowało świat przed blokadą informacyjną lub wyczerpaniem się zasobów miedzi oraz znacznie zmniejszyło koszty okablowania sieci telekomunikacyjnych. Wysoka częstotliwość światła pozwala na stosowanie znacznie większej liczby kanałów telewizyjnych, np. 1000 razy więcej niż przez łącze mikrofalowe. Zastąpienie przewodów miedzianych światłowodami w kablach telefonicznych nie tylko pozwoliło na utworzenie większej liczby kanałów sygnałów cyfrowych, ale także zwiększyło jakość i niezawodność transmisji. W sprzęcie elektronicznym lasery półprzewodnikowe wykorzystuje się m.in. do zapisu i odczytywania dźwięku i obrazu w technologiach CD-Audio, Laser Disk i DVD, a w informatyce danych komputerowych CD-ROM i DVD. W sprzęcie audiowizualnym wykorzystuje się światłowody do połączeń pomiędzy cyfrowymi elementami zestawu, np. z odtwarzacza płyt kompaktowych do przetwornika cyfrowo/analogowego, rejestratora na MiniDiskach, magnetofonu cyfrowego DAT lub DCC albo wzmacniacza z cyfrowymi układami wejściowymi. Laserowe skanery wbudowane do pilotów zdalnego sterowania magnetowidem ułatwiają ich programowanie przy wykorzystaniu kodów paskowych. Laserowe czytniki kodów paskowych (ręczne lub automatyczne) znajdują szerokie zastosowanie w handlu w kasach sklepowych. Osobną grupą urządzeń, których powstanie było możliwe dzięki wykorzystaniu laserów, są laserowe drukarki komputerowe i kopiarki, wykorzystywane m.in. w fotografii. Wykorzystanie laserów do rejestracji obiektów trójwymiarowych na tzw. hologramach pozwala na odtwarzanie ich w pełni trójwymiarowych obrazów dzięki zjawiskom dyfrakcji i interferencji pomiędzy zarejestrowaną falą świetlną odbitą od przedmiotu a falą wzorcową z laserowego źródła. Rozwój technologii i zastosowań holografii może doprowadzić do trójwymiarowego filmu i telewizji. W medycynie zastosowanie laserowego promienia jako skalpela pozwala na bezkrwawe operacje (przecinane naczynia krwionośne są równocześnie przypalane), w okulistyce lasery umożliwiają m.in. operacyjne leczenie odklejonej siatkówki oka. Lasery znajdują zastosowanie w badaniach zanieczyszczenia powietrza, w rolnictwie, w meteorologii, w technologiach chemicznych, w wojsku, w kryminalistyce. Ogromne możliwości niesie ze sobą stosowanie lasera w badaniach materiałów, w fizyce cząstek elementarnych i ciała stałego. Wynalazek lasera przyczynił się także do powstawania wielu nowych dyscyplin naukowych, tj. elektronika kwantowa czy optyka nieliniowa.

LASEROWA OBRÓBKA MATERIAŁÓW

Operacje wykonywane za pomocą promieniowania laserowego charakteryzują się bezkontaktowością, selektywnością i możliwością pełnej automatyzacji. Bezkontaktowość metod laserowych gwarantuje nie tylko dużą czystość miejsca obróbki, lecz również umożliwia zdalne operowanie światłem przez przezierne osłony, w warunkach próżni, atmosfery gazowej lub pod wodą. Istotna cechą promieniowania laserowego jest możliwość skupienia wiązki do małych obszarów, nawet rzędu ułamka mikrometra, możliwość dostarczenia do miejsca obróbki wielkich ilości energii w czasie niezwykle krótkim, takim że temperatura materiału z przyległych obszarów nie ulega zmianie podczas oddziaływania promieniowania. Umożliwia to prowadzenie procesu z pominięciem spalania, minimalizacje zanieczyszczeń chemicznych i eliminacje szkodliwego utleniania. W procesach hartowania, spawania, ciecia i drążenia laserowego obok wartości gęstości mocy promieniowania, istotna role odgrywa czas trwania impulsu, jego kształt czasowy i przestrzenny oraz długość fali światła. Stopień absorpcji promieniowania dla różnych metali zależy od długości fali promieniowania laserowego.

LASERY W BADANIACH ŚRODOWISKA NATURALNEGO

Stosowane jeszcze do niedawna sposoby kontroli zanieczyszczeń okazały się pod wieloma względami niedostateczne i mało konkurencyjne w stosunku do metod laserowych. Metody laserowe opierają się na wykorzystaniu do badań parametrów zanieczyszczeń atmosfery i wód takich zjawisk fizycznych, jak rozproszenie ramanowskie, fluorescencja, rozproszenie Mie i Raylejgha, a także absorpcja. Umożliwia to nie tylko zlokalizowanie zanieczyszczenia oraz dokonanie jego identyfikacji, ale również określenie koncentracji w czasie rzeczywistym, temperatury ciśnienia oraz kierunku przemieszczania się obszaru skażonego. Wybór badanego zjawiska fizycznego dla danej metody lokacji zależy od relacji miedzy wielkością badanych cząstek a długością fali światła lasera sondującego oraz od typu ośrodka rozpraszającego. Urządzenie służące do badań zanieczyszczeń atmosfery, zawierające laser pojawiło się już ponad dwadzieścia lat temu. Nazwano je lidarem. Pierwsze lidary służyły do określania wysokości podstawy chmur na podstawie pomiaru czasu, jaki upłynął od momentu wysłania błysku światła, powstałego w wyniku wyładowania łukowego, do momentu powrotu tego światła po rozproszeniu w chmurze i zarejestrowaniu przez detektor znajdujący się obok źródła światła. Typowy lidar składa się z lasera generującego impulsy świetlne o energii rzędu kilkudziesięciu milidżuli lub większej, o czasie trwania od kilkudziesięciu nanosekund i repetycji rzędu kilku herców, z optycznego układu nadawczego i układu odbioru i detekcji sygnału rozproszonego przez badany ośrodek oraz z elektronicznego układu obróbki i gromadzenia danych. Działanie lidaru polega na wysłaniu sondującego impulsu laserowego za pomocą optycznego układu teleskopowego w kierunku obszaru podlegającego badaniu, a następnie odebraniu sygnału rozproszonego od tego obszaru w kierunku odwrotnym i przeprowadzenia analizy jego natężenia oraz widma, a także w zależności od potrzeb określenia innych jego parametrów.

Jak żaden inny przyrząd, właśnie lidar jest w stanie, w cyklu całodobowym jednoznacznie określić miejsca występowania plam ropy i grubość jej warstwy (do 10μm). Może także rozpoznawać rodzaj ropy lub jej produktów pochodnych na podstawie analizy długości fali odpowiadającej maksimum fluorescencji świecenia wzbudzonego promieniowaniem laserowym, efektywności świecenia i czasu życia. Przewiduje się, że urządzenia z laserem CO₂ zainstalowane na pokładzie obiektu latającego będzie mogło w najbliższym czasie być zastosowane do wypalania rozlewów ropy pochodzących ze źródeł podmorskich. Prowadzone są równocześnie badania zawartości trujących składników na ladzie, występujących w ściekach fabryk oraz bioorganizmów w wodzie morskiej. Lotnicze, laserowe badania chlorofilu w oceanach umożliwiają wyznaczenie obszarów zasobnych w ryby. Za pomocą lasera można również mierzyć głębokość i profil dna.

Innym rodzajem urządzeń laserowych tej grupy są lidary służące do pomiarów meteorologicznych, takich, jak widzialność, morfologia obłoków, ich pułap i ewolucja w przestrzeni i w czasie, gęstość temperatura, tworzenie się i osadzanie centrów kondensacji, stopnia wilgotności czy wreszcie prędkości wiatrów.

Równolegle z badaniami środowiska naturalnego prowadzonymi z powierzchni Ziemi, są opracowywane projekty umieszczenia lidarów na pokładach statków kosmicznych. Główną zaletą lidarów w kosmosie byłaby możliwość lokacji przestrzeni z użyciem fal laserowych o długościach absorbowanych w atmosferze. Wiąże się z tym nadzieja na realizacje wielu badań w skali globalnej, a m. in. przemieszczeń pary wodnej i zanieczyszczeń w dolnych warstwach stratosfery oraz w troposferze, inicjacji i propagacji procesów falowych w górnych warstwach atmosfery, badań magnetycznych układu Słonce-Ziemia itp.

LASERY W ŁĄCZNOŚCI

Pojawiły się propozycje na wymiany istniejących sieci informacyjnych, w których nośnikiem informacji są elektrony na systemy z fotonowym nośnikem danych przenoszącym informacje z największą dostępną w przyrodzie prędkością tj. z prędkością światła. Wielka pojemność informacyjna kanałów światłowodowych czyni je bezkonkurencyjnymi w stosunku do łączy dotychczas stosowanych. Za ich pośrednictwem jest możliwe jednoczesne prowadzenie wielokrotnie większej liczby rozmów telefonicznych, poprawia się znacznie jakość przesyłanej informacji, gdyż linie światłowodowe są w znikomym tylko stopniu podatne na wpływ zakłóceń zewnętrznych, wilgoć i naprężenie. Wprowadzenie sieci światłowodowych powoduje zaoszczędzenie setek tysięcy kilometrów kabli miedzianych. Ta nowoczesna technika przyczyniła się do rozwoju telewizji kablowej. Kabel światłowodowy instalowany na dnie oceanu o długości kilku tysięcy kilometrów ma połączyć Stany Zjednoczone z Europa i czterokrotnie zwiększyć liczbę prowadzonych jednocześnie rozmów. Również Polska uczestniczy w układaniu kabla światłowodowego na dnie Bałtyku, który połączy nasz kraj z Bornholmem. Światłowody stosowane są w medycynie, miernictwie, wojskowości, w przesyłaniu informacji z głębin morskich i wnętrza Ziemi. Łączność laserowa to nie tylko światłowody. To także telefony laserowe. Wąsko ukierunkowana wiązka laserowa w takich urządzeniach zmniejsza możliwość podsłuchu i zagłuszania informacji. Z laserowa droga przesyłania informacji na wielkie odległości w kosmosie wiąże się wielkie nadzieje.

LASERY W TECHNICE POMIAROWEJ

Dzisiaj obok pomiarów przyśpieszeń, kątów i współrzędnych dokonuje się precyzyjnych pomiarów prędkości obiektów. Udoskonalone systemy tego typu zostały wprowadzone na pokłady statków kosmicznych, zwłaszcza tych, które na orbicie podlegały łączeniu się z innymi.. Dzięki nim wykrywa się obiekty kosmiczne z odległości kilkuset kilometrów i mierzy te odległość z dokładnościami milimetrowymi. Doświadczenia z kosmosu szybko zostały przeniesione na Ziemie. Powstały tu urządzenia przeciwuderzeniowe działające na zasadzie lokatorów kosmicznych. Zestawy umożliwiają ciągłe pomiary miedzy pojazdami w zakresie odległości od 0,5m. do ok. 100m. z dokładnościami rzędu centymetrów.

LASEROWY ZAPIS I ODTWARZANIE INFORMACJI

Wiąże się ono przede wszystkim z możliwością odtwarzania dźwięków w o wiele większym zakresie dynamicznym, w szerokim paśmie przenoszenia sygnałów, z mniejszą wartością harmonicznych, lepszym tłumieniem przenikania między kanałami w przypadku zapisu stereo, a także możliwością bardzo dokładnej regulacji prędkości obrotowej płyty. Oglądając powiększony przekrój płyty, wzdłuż ciągu rowków dojrzymy tam kilka warstw różnych materiałów. Warstwa pierwsza tzw. podłożowa, w której jest dokonywany zapis informacji pokryta jest cienka błonka odblaskowa mająca za zadanie odbijanie padającego na nią promieniowania. Błonka ta pokrywa dokładnie zarówno wgłębienia, jak i przerwy miedzy nimi. Ostatnia widoczna w powiększeniu warstwa ma największa grubość i charakteryzuje się tym, że jest przezierna dla promieniowania laserowego. Stanowi ona ochronne pokrycie dla warstwy środkowej i cechuje ją duża odporność na zadrapania i ścieranie. W procesie odtwarzania promieniowanie laserowe generowane najczęściej przez laser półprzewodnikowy jest skupiane na płycie za pomocą krótkoogniskowego układu optycznego. Stosując układ ogniskujący o ogniskowej 4mm. otrzymuje się plamkę na podłożu z informacją o średnicy ok 1,7μm, podczas gdy w tym samym czasie średnica plamki promieniowania lasera na pow. warstwy ochronnej wynosi 0,8mm. Dzięki temu pomysłowemu rozwiązaniu pyłki i zanieczyszczenia mniejsze niż 0,5mm na pow. płyty nie maja większego wpływu na jakość odtwarzania.

Odtwarzanie sprowadza się do rejestrowania przez detektor światła laserowego odbijanego od zagłębień i przerw miedzy nimi (zero) oraz o wiele słabszego sygnału pochodzącego z obszarów krawędzi tych zagłębień (jedynka). Układy elektroniczne zamieniają otrzymany w ten sposób kod sygnałów binarnych i przetwarzają go np. na dźwięki zapisanej na płycie melodii.

Drukarki laserowe charakteryzuje dużo większa rozdzielczość pisma, mogą z dużą prędkością drukować teksty używając wielu różnych zbiorów znaków. Trójwymiarowy obraz to telewizor holograficzny. Zanim obraz znajdzie się na wejściu odbiornika holograficznego przekazywana scena musi zostać oświetlona promieniowaniem o trzech podstawowych kolorach generowanych przez trzy różne lasery lub jeden laser generujący spójne promieniowanie białe. Następnie promieniowanie laserowe, rozproszone przez poruszające się (lub stacjonarne) obiekty znajdujące się na scenie, powinno zostać poddane interferencji z wiązką jednorodną, tzw. wiązką odniesienia, w sposób charakterystyczny dla metod holografii. Umieszczona w obszarze wytworzenia prążków interferencyjnych specjalna kamera zamienia w ciąg sygnałów elektronicznych dwuwymiarowy obraz prążków interferencyjnych. Obok informacji o kolorach i kształtach przedmiotów zawiera on także dane o fazie, w której jest zakodowana informacja o trzecim wymiarze (głębi sceny). Otrzymane sygnały są następnie przekazywane za pośrednictwem kanałów łączności do odbiornika holograficznego, formując na jego ekranie ponownie struktórę widzialnych prążków interferencyjnych. Struktura ta oświetlona znajdującym się wewnątrz odbiornika światłem lasera odtwarza przekazywana scenę w kolorze i ruchu.

WOJSKOWE ZASTOSOWANIE LASERÓW

Najbardziej rozpowszechnionym w wojsku urządzeniem laserowym jest dalmierz- służący jak wynika z nazwy do pomiarów odległości. Składa się on z nadajnika ukierunkowanych pomiarowych impulsów świetlnych tzn. lasera, z ukł. optycznego umożliwiającego skierowanie tych impulsów w interesujące operatora miejsce, a także z ukł. odbiorczego. Niejednokrotnie jest on jednocześnie wskaźnikiem celu, a więc służy do oświetlenia wiązką laserowa celu, który może następnie być rażony przez takie środki bojowe, jak rakiety, pociski, czy bomby o specjalnych konstrukcjach. Środki te mają zdolność kierowania się na źródło rozproszonego promieniowania. Odpowiedni przetwornik promieniowania, umieszczony w głowicy pocisku, odbiera promieniowanie laserowe i proporcjonalnie do odebranej wartości sygnału wytwarza prąd, który jest następnie przekazywany do wzmacniaczy i układu sterowniczego, który na bieżąco koryguje trajektorie pocisku. Dalmierze laserowe zainstalowane na pokładzie obiektu latającego w taki sposób, aby wysłane impulsy świetlne pionowo docierały do powierzchni Ziemi, może służyć do prowadzenia pomiarów pułapu lotu lub określenia rzeźby terenu, a nawet do określenia głębokości akwenów czy wykrywania płytko płynących obiektów podwodnych. Nie mniej znanym i stosowanym w wojsku przyrządem laserowym jest żyroskop, a więc miernik ruchu obrotowego i prędkości kontowej. Nie sposób nie wspomnieć o urządzeniach do treningowej nauki strzelania z różnych rodzajów broni, w których pociskiem jest impuls lub wiązka światła laserowego. Koncepcja laserów jako środków rażenia bezpośredniego pojawiła się równolegle z powstaniem lasera. Sprowadza się ona do zastosowania laserów do generacji silnych i ukierunkowanych impulsów świetlnych o wielkiej energii, które maja niszczyć lub unieszkodliwiać wybrane cele prawie natychmiastowo po ich odpaleniu. Przeprowadzono wiele udanych prób, zestrzeleń rakiet, samolotów i śmigłowców w locie z użyciem promieniowania laserowego jako pocisku.. Wszystko to jednak nie doprowadziło jeszcze do powstania laserów jako broni bezpośredniego rażenia.

III. ZASTOSOWANIE LASERÓW W MEDYCYNIE

Lasery są wykorzystywane w przemyśle i medycynie.

W medycynie stosuje się lasery:

• wysokoenergetyczne,

• niskoenergetyczne.

Lasery wysokoenergetyczne służą do destrukcji bądź usuwania tkanek. Mają średnią lub dużą moc, bądź są to lasery impulsowe.

W okulistyce lasery są wykorzystywane do przecinania cyst powiek lub spojówek, przecinania naczyń wrastających w rogówkę, perforacji cyst tęczówki, przecinania zrostów tęczówkowo - rogówkowych, do zabiegów przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych, do korekcji wad wzroku (astygmatyzmu, krótkowzroczności i dalekowzroczności) i do witreotomii. Szczególnym wskazaniem do laserowej korekcji wady refrakcji jest duża wada wzroku tylko w jednym oku. Najnowszą metodą korekcji wady refrakcji lub astygmatyzmu jest LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis). Polega ona na użyciu lasera ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25 μm odparowuje nierówności w głębszych warstwach rogówki. Metoda ta koryguje wadę refrakcji w zakresie od +6 do -13 dioptrii.

Dermatolodzy za pomocą laserów usuwają naczyniaki oraz niektóre nowotwory (np. raka podstawnokomórkowego).

W laryngologii laserem leczy się nowotwory krtani oraz wykonuje rekonstrukcję kosteczek słuchowych.

W pulmonologii lasery są stosowane do rekanalizacji dróg oddechowych, usuwania ciał obcych i źródeł krwawienia, fotokoagulacji receptorów kaszlu.

W chirurgii lasery służą do udrażniania przełyku w chorobach nowotworowych, hamowania krwawienia z górnego odcinka przewodu pokarmowego, leczenia łagodnych nowotworów jelita grubego.

W ginekologii lasery są stosowane w laparoskopii do uwalniania zrostów wewnątrzmacicznych i w miednicy, w leczeniu endometriozy, mięśniaków, łagodnych torbieli przydatków, wodniaków jajowodów.

W urologii są stosowane do kruszenia złogów w moczowodach, leczenia łagodnego przerostu prostaty.

W neurochirurgii są wykorzystywane do usuwania oponiaków, glejaków i nerwiaków.

W chirurgii naczyniowej za pomocą laserów wykonywana jest przezskórna angioplastyka.

Lasery niskoenergetyczne działają biostymulująco poprzez wpływ na metabolizm komórek.

Jest to wykorzystywane w leczeniu ran, oparzeń, odleżyn oraz bólów stawowych.

IV. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO NA TKANKI

1. Efekt fototermiczny - po absorpcji promieniowania przez tkankę dochodzi do jej nagrzania, denaturacji i odparowania. Efekt ten zależy od ilości dostarczonej energii, czasu promieniowania oraz rodzaju tkanki.

2. Efekt fotochemiczny - wysyłanie krótkich impulsów o dużej gęstości mocy powoduje rozrywanie wiązań chemicznych bez nagrzewania tkanek, tzn. w miejscu oddziaływania promieniowania dochodzi do rozkładu i usunięcia tkanki, ale bez termicznego uszkodzenia tkanek sąsiednich.

3. Efekt fotojonizujący - współistnieje z efektem fotochemicznym. Na skutek wysyłania krótkich impulsów o dużej gęstości mocy dochodzi do jonizacji cząsteczek w tkance. Powstaje plazma, która silnie absorbuje promieniowanie - dochodzi do ekspansji plazmy, co wywołuje powstanie uderzeniowej fali akustycznej. Destrukcja tkanki ma charakter eksplozji.

4. Efekt biostymulacji - jest to efekt działania promieniowania o małej mocy. Zostaje stymulowany transport elektronów w łańcuchu oddechowym oraz dochodzi do kumulacji ATP.

W badaniach doświadczalnych na zwierzętach stwierdzono w efekcie działania promieniowania laserowego:

• wzrost średnicy naczyń limfatycznych i wzrost przepływu chłonki

• spadek liczby limfocytów T i przeciwciał

• wzrost ilości monocytów i neutrofilów w gojących się ranach

• stymulacja cytokin, w tym głównie interleukiny 1

• wzrost poziomu adrenaliny i noradrenaliny

• wzrost zdolności do regeneracji tkanki łącznej i nabłonkowej

• szybsze różnicowanie się komórek

• wzrost potencjału czynnościowego neuronów

• szybszą mielinizację i wzrost neuronów

• wzrost liczby i objętości miocytów.

Na poziomie komórkowym promieniowanie laserowe ma wpływ bakteriobójczy. W mitochondriach powoduje wzrost produkcji ATP przy jednoczesnym spadku zapotrzebowania na tlen. Powoduje również w cytoplazmie wzrost aktywności enzymów (np. dehydrogenaz, hydrolaz, transaminaz).

V. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO

W ZALEŻNOŚCI OD DŁUGOŚCI FALI

Ultrafiolet C (100-280 nm) - działanie kancerogenne, uszkodzenie rogówki, rumień.

Ultrafiolet B (280-315 nm) - uszkodzenie rogówki, przyspieszenie starzenia skóry.

Ultrafiolet A (315-400 nm) - zaćma, oparzenia skóry, ciemnienie pigmentu.

Promieniowanie widzialne (400-780 nm) - fotochemiczne i termiczne uszkodzenia siatkówki, oparzenia skóry.

Podczerwień A (780-1400 nm) - zaćma, oparzenia siatkówki i skóry.

Podczerwień B (1400-3000 nm) - zaćma, oparzenia rogówki i skóry, przymglenie rogówki.

Podczerwień C (3000 nm - 1 mm) - wyłącznie oparzenia rogówki i skóry.

VI. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO

NA NARZĄD WZROKU

Ultrafiolet B i C powoduje zapalenie rogówki i spojówek. Gojenie trwa 1 - 2 dni. Duże dawki ulrafioletu uszkadzają błonę Bowmana oraz zrąb rogówki. Powstaje mleczna blizna. Dochodzi do unaczynienia rogówki.

Soczewka pochłania ultrafiolet A.

Podczerwień A uszkadza soczewkę i siatkówkę. Dla siatkówki jest to potencjalnie najbardziej niebezpieczne promieniowanie.

Subiektywne poczucie pogorszenia widzenia rozwija się w ciągu kilku godzin. Stopień odnowy funkcji widzenia zależy od wielkości początkowego uszkodzenia i od rodzaju uszkodzonych komórek. Ubytek pola widzenia może być trwały. Ubytek obwodowy może być dla pacjenta nie zauważalny. W przypadku uszkodzenia termicznego (denaturacja białka lub unieczynnienie enzymów) występuje utrata widzenia w dołku środkowym, co poważnie ogranicza sprawność narządu wzroku. Uszkodzenia fotochemiczne siatkówki (promieniowanie widzialne) dotyczą przede wszystkim warstwy barwnikowej oraz receptorowej (zewnętrznej) siatkówki.

VII. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO NA SKÓRĘ

Na skutek promieniowania laserowego skóra może ulec oparzeniu różnego stopnia (od rumienia do zwęglenia). Zauważono również kancerogenny wpływ promieniowania laserowego na skutek jego absorpcji przez DNA komórek. Dotyczy to głównie ultrafioletu C.

Progi uszkodzenia skóry świni:

VIII. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRACY Z LASEREM

Zasady te podano w Polskiej Normie 91/T - 06700.

MDE (maksymalna dopuszczalne ekspozycja) - to najwyższy poziom promieniowania laserowego nie powodujący obrażeń oczu lub skóry.

W przypadku ekspozycji bezpośredniej oka i ekspozycji skóry jednostką natężenia napromieniowania jest W/cm².

Np. MDE dla skóry przy czasie ekspozycji > 10 sek. dla fali o długości 400-1400 nm wynosi 0,2 W/cm², a dla fali o długości > 1400 nm 0,1 W/cm². Dla oka przy patrzeniu na wiązkę po odbiciu jednostką natężenia promieniowania jest

cd · sr / m².

Zagrożenie związane z promieniowaniem laserowym określa się poprzez porównanie z wartościami MDE zawartymi w PN.

GED (granica emisji dostępnej) - to maksymalny poziom promieniowania emitowany z lasera, określony w obrębie danej klasy. Są cztery klasy laserów:

1. Lasery tej klasy mają najmniejszą moc. Nie stanowią zagrożenia nawet wtedy, gdy wyjściowa wiązka zostanie skupiona przez układ optyczny i skoncentrowana na siatkówce. Należą tu również lasery podczerwieni lub nadfioletu, o ile ich promieniowanie skoncentrowane na skórze lub siatkówce nie powoduje uszkodzenia w ciągu maksymalnego okresu narażenia przez jeden dzień działania lasera.

2. Należą tu lasery małej mocy i małego ryzyka. Przykładem jest laser na światło widzialne. Stanowi on zagrożenie, gdy patrzący na jaskrawe światło przezwycięża naturalny odruch ochronny oka i nie mruży oczu.

3. Klasa trzecia to lasery średniej mocy i umiarkowanego ryzyka. Mogą one powodować uszkodzenie oka w czasie naturalnego odruchu ochronnego (0,25 sek.). Nie powodują istotnego uszkodzenia skóry.

4. Lasery tej klasy mają najwyższą moc. Mogą spowodować odbicie rozproszone stwarzające ryzyko dla wzroku lub bezpośrednio uszkadzać skórę.

Lasery klasy 2 - 4 muszą być oznakowane.

Obecnie w odniesieniu do ostrego uszkodzenia stosuje się DE 50 5 - 20 razy mniejsze niż w przeszłości.

DE 50 - dawka promieniowania niezbędna do uszkodzenia siatkówki wykrywalnego oftalmoskopem u połowy narażonych zwierząt.

Przy pracy z laserem najważniejsza jest ochrona oka. Najbardziej pożądane byłoby pełne zamknięcie układu laserowego, ale nie zawsze (zwłaszcza w laboratoriach) jest to możliwe. Wtedy należy zastosować ochronniki oczu zawierające filtr. Filtr wybiórczo tłumi promieniowanie laserowe, przepuszcza najwięcej światła widzialnego.

Przy stosowaniu filtrów bierze się pod uwagę czas trwania narażenia, długość fali i wyjściową moc lasera.

Za wytyczną w kontroli narażenia należy przyjąć WGN (wartość graniczną narażenia). Dotyczy to szczególnie używania laserów impulsowych. Pracownicy nie mogą być narażeni na promieniowanie laserowe powyżej WGN.

WGN zależy od widma i czasu narażenia.

Lasery klasyfikuje się według czterech parametrów:

• długości fali,

• czasu narażenia,

• mocy lasera,

• częstości impulsów.

Pracownicy pracujący przy laserach powinni stosować okulary ochronne, rękawice i ubranie ochronne.

IX. WYPADKI PRZY PRACY

Najgroźniejsze są uszkodzenia siatkówki z utratą widzenia. Dotyczy to głównie narażenia na lasery w zakresie światła widzialnego i podczerwieni A. Narażenie na laser impulsowy rzadko powoduje uszkodzenia narządu wzroku.

Uszkodzenia siatkówki poza plamką żółtą mają mały wpływ na zdolność widzenia, mogą być niezauważalne.

Duże prawdopodobieństwo narażenia na promieniowanie laserowe występuje podczas pracy w laboratoriach.

Lasery o dużej mocy, głównie podczerwieni C i lasery gazowe powodują oparzenia skóry.

X. NADZÓR LEKARSKI

Badania okresowe wykazują, że konsultacje okulistyczne rzadko ujawniają uszkodzenia siatkówki. Wielu autorów uważa, że konsultacje okulistyczne nie są konieczne u pracowników zatrudnionych przy laserach klasy 1 i 2. Badanie powinno być obligatoryjne dla osób obsługujących lasery klasy 3 i 4. Badanie kontrolne powinno być wykonane do 48 godzin od momentu narażenia oka.

W Polsce według Rozporządzenia MZiOS z 25.06.1996 roku pracownicy narażeni na promieniowanie laserowe powinni być konsultowani przez okulistę i dermatologa. Badania okresowe powinny być przeprowadzane z częstotliwością co 3 lata.

Wszyscy pracownicy zatrudnieni przy źródłach promieniowania laserowego powinni być objęci specjalnym programem szkoleniowym.

100

natężenie napromieniowania skóry (W/cm²)

krzywa nr 2 - pierwszy stopień oparzenia (światło białe)

krzywa nr 1 - rumień (podczerwień)

1

100

10

czas narażenia (sek.)

Jest to normalny rozkład obsadzeń

- elekton

przejście samoistne

emisja wzbudzona (działanie lasera)

Jest to odwrócony rozkład obsadzeń

---