Aplicarea radiațiilor laser

Laser - un generator cuantic (amplificator) de radiații coerente în domeniul optic. Termenul „laser” este format din primele litere ale numelui englezesc amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiație. În funcție de tipul de material activ, se face o distincție între laserele cu stare solidă, laserele cu gaz și cele lichide.

Dintre laserele de primul tip, rubinul este cel mai studiat. Unul dintre cele mai vechi modele ale unui astfel de laser folosește tranzițiile energetice ale ionului de crom trivalent Cr3+ într-un cristal de rubin monolit (Cr2O3, A12O3). Sub acțiunea de pompare a radiațiilor (cu lungimea de undă de ordinul a 5600 A), ionul Cr3+ trece de la nivelul 1 la nivelul 3, de la care sunt posibile tranziții în jos la nivelurile 2 și 1. Dacă predomină trecerile la nivelul metastabil 2 și dacă pomparea asigură post, inversarea populației la nivelurile 1 și 2, apoi populația de la nivelul 2 va depăși populația de la nivelul 1.

În cazul unei tranziții spontane a unuia dintre ionii Cr3+, un foton cu frecvență este emis de la nivelul 2 la nivelul 1 e12, care începe să se propagă pe cristalul de rubin.Întâlnind ioni Cr3+ excitați d-roșu, acest foton provoacă radiații deja induse, coerente cu fotonul primar.

Datorită numeroaselor reflexii de la marginile lustruite și argintie ale monocristalului de rubin, intensitatea radiației din cristal este crescută continuu. Acest lucru se întâmplă numai cu acei fotoni, direcția de propagare este komotorykh face un unghi mic cu axa cristalului. Radiația de oțel părăsește cristalul prin suprafața laterală și nu participă la formarea fasciculului de radiație. Fasciculul de radiații iese printr-unul dintre capete, care este o oglindă translucidă.

Un progres major în îmbunătățirea tehnologiei în diverse industrii este legat de utilizarea generatoarelor cuantice optice (lasere). După cum știți, radiația laser diferă semnificativ de radiația altor surse de lumină non-laser (termică, descărcare de gaz etc.). Aceste diferențe au dus la utilizarea pe scară largă a laserelor în diferite domenii ale științei și tehnologiei.

Luați în considerare designul de bază al laserelor.

În general, schema bloc a unui generator cuantic optic (OQC) este prezentată în Fig. 1 (în unele cazuri unitățile 4-7 pot lipsi).

În substanța activă 1, sub acțiunea de pompare, radiația care trece prin aceasta este intensificată datorită radiației induse (provocate de un câmp electromagnetic extern) a electronilor care trec de la nivelurile superioare de energie către cele inferioare. În acest caz, proprietățile substanței active determină frecvența de emisie a laserului.

Ca substanță activă se pot folosi medii cristaline sau amorfe, în care se introduc cantități mici de impurități ale elementelor active (în laserele cu stare solidă); gaze sau vapori de metale (la lasere cu gaz); soluții lichide de coloranți organici (în lasere lichide).

Orez. 1. Schema bloc a unui generator cuantic optic

Cu ajutorul sistemului de pompă laser 3, se creează condiții în substanța activă, ceea ce face posibilă amplificarea radiației. Pentru aceasta este necesar să se creeze o inversare (redistribuire) a populațiilor nivelurilor energetice ale atomilor de electroni, în care populația nivelurilor superioare este mai mare decât cea a celor inferioare. Ca sisteme de pompare, acestea sunt utilizate în lasere cu stare solidă - lămpi cu descărcare în gaz, în lasere cu gaz - surse de curent continuu, generatoare de impulsuri, HF și microunde și în laserele lichide - LAG.

Substanța activă a laserului este plasată într-un rezonator optic 2, care este un sistem de oglinzi, dintre care una este translucidă și servește la îndepărtarea radiației laser din rezonator.

Funcțiile rezonatorului optic sunt destul de diverse: crearea de feedback pozitiv în generator, formarea spectrului de radiații laser etc.

Dispozitivul 5 pentru selecția modului și stabilizarea frecvenței este conceput pentru a îmbunătăți calitatea spectrului radiației de ieșire a laserului, adică pentru a-l apropia de spectrul oscilațiilor monocromatice.

În laserele lichide, System 6 realizează o gamă largă de reglare a frecvenței de oscilație. Dacă este necesar, modularea în amplitudine sau fază a radiației poate fi realizată în laser. Modulația externă este de obicei utilizată cu dispozitivul 7.

Tipuri de laser

Laserele moderne pot fi clasificate în funcție de diferite criterii:

• după tipul de substanță activă utilizată în ele,

• după modul de funcționare (generare continuă sau în impulsuri, modul Q-switched),

• prin proprietăţile spectrale ale radiaţiei (lasere multimod, monomod, monofrecvenţă) etc.

Cea mai comună este prima dintre clasificările menționate.

Lasere cu stare solidă

Aceste lasere folosesc medii cristaline și amorfe ca substanță activă. Laserele cu stare solidă au o serie de avantaje:

• valori ridicate ale câștigului liniar al mediului, care fac posibilă obținerea unui laser cu dimensiuni axiale mici ale laserului;

• posibilitatea de a obține valori extrem de mari ale puterii de ieșire în modul impuls.

Principalele tipuri de lasere cu stare solidă sunt:

1. lasere rubin în care ionii de crom sunt centrul activ. Liniile generatoare se află în regiunea roșie a spectrului (λ = 0,69 μm). Puterea de ieșire a radiației în modul continuu este de câțiva wați, energia în modul pulsat este de câteva sute de jouli cu o durată a impulsului de ordinul a 1 ms;

2. lasere pe bază de ioni de metale din pământuri rare (în principal ioni de neodim). Un avantaj important al acestor lasere este capacitatea de a fi utilizate în mod continuu la temperatura camerei. Linia principală de generație a acestor lasere se află în regiunea infraroșu (λ = 1,06 μm). Nivelul puterii de ieșire în modul continuu atinge 100-200 W cu o eficiență de 1-2%.

Laserele cu gaz

Inversarea populatiei in lasere cu gaz se realizeaza atat cu ajutorul descarcarilor cat si cu ajutorul altor tipuri de pompare: chimica, termica etc.

În comparație cu laserele cu gaz cu stare solidă, acestea au o serie de avantaje:

• acoperă o gamă extrem de largă de lungimi de undă 0,2-400 microni;

• emisia laserelor cu gaz este foarte monocromatică și direcțională;

• permite atingerea unor niveluri foarte mari de putere de ieșire în funcționare continuă.

Principalele tipuri de lasere cu gaz:

1.Laseruri neon cu heliu... Lungimea de undă principală se află în partea vizibilă a spectrului (λ = 0,63 μm). Puterea de ieșire este de obicei mai mică de 100 mW. În comparație cu toate celelalte tipuri de lasere, laserele cu heliu-neon oferă cel mai înalt grad de coerență a ieșirii.

2. Laserele cu vapori de cupru... Generația principală de radiație este creată pe două linii, dintre care una se află în partea verde a spectrului (λ = 0,51 μm) și cealaltă în galben (λ = 0,58 μm). Puterea impulsului în astfel de lasere ajunge la 200 kW cu o putere medie de aproximativ 40 W.

3. Laserele cu gaz ionic... Cele mai comune lasere de acest tip sunt laserele cu argon (λ = 0,49 — 0,51 µm) și laserele cu heliu-cadmiu (λ = 0,44 µm).

4. Laserele CO2 moleculare... Cea mai puternică generare se realizează la λ = 10,6 μm. Puterea de ieșire în modul cw a laserelor CO2 este extrem de mare și atinge 10 kW sau mai mult cu o eficiență suficient de mare de 15-30% în comparație cu toate celelalte tipuri de lasere. Puterile impulsurilor = 10 MW se realizează cu o durată a impulsurilor generate de ordinul 10-100 ms.

Laserele lichide

Laserele lichide permit reglarea pe o gamă largă de frecvență de oscilație generată (de la λ = 0,3 µm la λ = 1,3 µm). De regulă, în astfel de lasere, substanța activă este soluții lichide de coloranți organici (de exemplu, soluție de rodamină).

Parametrii laserului

Coerenţă

O caracteristică distinctivă a radiației laser este coerența acesteia.

Coerența este înțeleasă ca un curs coordonat al proceselor ondulatorii în timp și spațiu.Coerența spațială - coerența dintre fazele undelor emise simultan din diferite puncte din spațiu și coerența temporală - coerența dintre fazele undelor emise dintr-un punct. în momentele unei pauze în timp.

Oscilații electromagnetice coerente — oscilații a două sau mai multe surse cu aceleași frecvențe și o diferență de fază constantă. În ingineria radio, conceptul de coerență se extinde și la sursele de oscilații ale căror frecvențe nu sunt egale. De exemplu, oscilațiile a 2 surse sunt considerate coerente dacă frecvențele lor f1 și e2 sunt într-o relație rațională, i.e. f1 / f2 = n / m, unde n și m sunt numere întregi.

Sursele de oscilații care în intervalul de observație au frecvențe aproape egale și aproape aceeași diferență de fază, sau surse de oscilații al căror raport de frecvență diferă puțin de cel rațional, se numesc surse de oscilații aproape coerente.

Capacitatea de a interfera este una dintre principalele caracteristici ale oscilației coerente. Trebuie remarcat faptul că numai undele coerente pot interfera. În cele ce urmează, se va arăta că o serie de domenii de aplicare ale surselor de radiații optice se bazează tocmai pe fenomenul de interferență.

Divergenţă

Coerența spațială ridicată a radiației laser duce la o divergență scăzută a acestei radiații, care depinde de lungimea de undă λ și de parametrii cavității optice utilizate în laser.

Pentru sursele de lumină obișnuite, chiar și atunci când sunt utilizate oglinzi speciale, unghiul de divergență este cu aproximativ unul până la două ordine de mărime mai mare decât cel al laserelor.

Divergența scăzută a radiației laser deschide posibilitatea de a obține o densitate mare de flux de energie luminoasă folosind lentile de focalizare convenționale.

Directivitatea ridicată a radiației laser face posibilă efectuarea de analize, măsurători și efecte locale (practic la un moment dat) asupra unei substanțe date.

În plus, concentrația spațială mare a radiației laser duce la fenomene neliniare pronunțate, în care natura proceselor în curs depinde de intensitatea iradierii. Ca exemplu, putem indica absorbția multifotoni, care se observă doar atunci când se utilizează surse laser și duce la o creștere a absorbției de energie de către materie la puteri mari de emitere.

Monocrom

Gradul de monocromaticitate al radiației determină domeniul de frecvență în care este conținută partea principală a puterii emițătorului. Acest parametru este de mare importanță atunci când se utilizează surse de radiații optice și este în întregime determinat de gradul de coerență temporală a radiației.

În lasere, toată puterea radiației este concentrată în linii spectrale extrem de înguste. Lățimea mică a liniei de emisie se realizează prin utilizarea unui rezonator optic în laser și este determinată în principal de stabilitatea frecvenței de rezonanță a acestuia din urmă.

Polarizare

Într-o serie de dispozitive, un anumit rol îl joacă polarizarea radiației, care caracterizează orientarea predominantă a vectorului câmpului electric al undei.

Sursele comune non-laser sunt caracterizate prin polarizare haotică. Radiația laser este polarizată circular sau liniar. În special, cu polarizarea liniară pot fi utilizate dispozitive speciale pentru a roti planul de polarizare. În acest sens, trebuie remarcat faptul că, pentru o serie de produse alimentare, coeficientul de reflexie din banda de absorbție depinde în mod semnificativ de direcția planului de polarizare a radiației.

Durata pulsului. Utilizarea laserelor face posibilă și obținerea de radiații sub formă de impulsuri de foarte scurtă durată (tp = 10-8-10-9 s). Acest lucru se realizează de obicei prin modularea factorului Q al rezonatorului, blocarea modului etc.

În alte tipuri de surse de radiație, durata minimă a impulsului este cu câteva ordine de mărime mai mare, ceea ce, în special, este astfel lățimea liniei spectrale.

Efectele radiațiilor laser asupra obiectelor biologice

Radiația laser cu densitate mare de energie în combinație cu monocromaticitatea și coerența este un factor unic care afectează obiectele biologice. Monocromaticitatea face posibilă afectarea selectivă a anumitor structuri moleculare ale obiectelor, iar coerența și polarizarea, combinate cu un grad ridicat de organizare a sistemelor iradiate, determină un efect cumulativ (rezonanță) specific, care chiar și la niveluri relativ scăzute de radiație duce la o fotostimulare puternică. a proceselor din celule, până la fotomutageneză.

Când obiectele biologice sunt expuse la radiații laser, unele legături moleculare sunt distruse sau are loc transformarea structurală a moleculelor, iar aceste procese sunt selective, adică unele legături sunt complet distruse prin iradiere, în timp ce altele practic nu se modifică. Un astfel de caracter de rezonanță pronunțat al interacțiunii radiației laser cu molecule deschide posibilitatea catalizei selective a anumitor reacții metabolice, adică reacții metabolice, controlul luminii al acestor reacții. În acest caz, radiația laser joacă rolul unei enzime.

Utilizarea unor astfel de proprietăți ale surselor de lumină laser deschide posibilități largi de îmbunătățire a biosintezei industriale.

Iradierea cu laser a drojdiei poate fi utilizată pentru biosinteza țintită a, de exemplu, carotenoide și lipide și, mai larg, pentru a obține noi tulpini mutante de drojdie cu orientare biosintetică modificată.

Într-o serie de industrii alimentare, poate fi utilizată capacitatea de a controla, folosind iradierea laser, raportul de activitate al enzimelor care descompun moleculele de proteine ​​în fragmente de polipeptide și hidrolizează aceste fragmente în aminoacizi.

În producția industrială de acid citric, stimularea cu laser realizează o creștere a randamentului produsului cu 60% și, în același timp, reduce conținutul de subproduse. Fotostimularea cu laser a lipogenezei la ciuperci permite producerea de grăsimi comestibile și tehnice în timpul procesării materiilor prime necomestibile ale ciupercilor. De asemenea, au fost obținute date privind stimularea cu laser a formării organelor de reproducere la ciupercile utilizate în industria microbiologică.

Trebuie remarcat faptul că, spre deosebire de sursele de lumină convenționale, laserul este capabil să sterilizeze sucuri în partea vizibilă a spectrului, ceea ce deschide posibilitatea sterilizării folosind lasere direct prin sticla sticlei.

S-a remarcat o caracteristică interesantă a sterilizării cu laser. Dacă la un nivel de putere scăzut, curbele de supraviețuire ale celulelor microbiene pentru iradierea cu laser și iradierea cu o sursă de lumină convențională practic coincid, atunci când puterea specifică a iradierii laser este de aproximativ 100 kW / cm2, există o creștere bruscă a eficacității acțiunea de sterilizare a radiațiilor laser, adică pentru a obține același efect de moarte celulară necesită mult mai puțină energie decât utilizarea unei surse de putere redusă.

Când este iradiat cu o sursă de lumină incoerentă, acest efect nu este observat. De exemplu, atunci când celulele sunt iluminate cu un impuls puternic, un bliț este suficient pentru ca laserul rubin să lovească până la 50% din celule, în timp ce aceeași energie, absorbită mult timp, nu numai că nu provoacă daune. , dar duce și la intensificarea proceselor de fotosinteză la microorganisme.

Efectul descris poate fi explicat prin faptul că, în condiții normale, moleculele care intră într-o reacție fotochimică absorb o cantitate de lumină (absorbția unui foton), ceea ce le crește reactivitatea.La niveluri ridicate de radiație incidentă, probabilitatea de două- absorbția fotonului crește, în care o moleculă absoarbe doi fotoni simultan. În acest caz, eficiența transformărilor chimice crește brusc și structura moleculelor este deteriorată cu o eficiență mai mare.

Când sunt expuse la radiații laser puternice, apar și alte efecte neliniare care nu sunt observate atunci când se utilizează surse de lumină convenționale. Unul dintre aceste efecte este conversia unei părți din puterea de radiație a frecvenței f în radiație a frecvențelor 2f, 3f etc. (generarea armonicilor optice). Acest efect se datorează proprietăților neliniare ale mediului iradiat la niveluri ridicate de iradiere.

Deoarece se știe că obiectele biologice sunt cele mai sensibile la acțiunea radiațiilor UV, efectul de sterilizare al armonicilor va fi cel mai eficient. În același timp, dacă un obiect este iradiat direct cu o sursă de radiație UV, cea mai mare parte a puterii incidente a emițătorului va fi absorbită în straturile de suprafață. În cazul descris, radiația UV este generată în interiorul obiectului însuși, ceea ce duce la natura volumetrică a efectului de sterilizare. Evident, în acest caz, se poate aștepta o eficiență mai mare a procesului de sterilizare.

Gradul ridicat de monocromaticitate al radiației laser poate face posibilă sterilizarea unui tip de bacterii, stimulând în același timp creșterea microorganismelor de alt tip în sistemele bacteriene binare, adică producerea sterilizării „selective” țintite.

Pe lângă aceste domenii de aplicare, laserele sunt, de asemenea, utilizate pentru măsurarea diferitelor cantități — spectroscopie, deplasări ale obiectelor (metoda interferenței), vibrații, viteze de curgere (anemometre cu laser), neomogenități în medii transparente optic. Cu ajutorul laserelor, este posibilă monitorizarea calității suprafeței, studierea dependenței proprietăților optice ale unei substanțe date de factorii externi, măsurarea contaminării mediului cu microorganisme etc.