Примена ласерског зрачења

Ласер — квантни генератор (појачавач) кохерентног зрачења у оптичком опсегу. Израз "ласер" настао је од првих слова енглеског назива појачање светлости стимулисаном емисијом зрачења. У зависности од врсте активног материјала, разликују се ласери у чврстом стању, гасни и течни ласери.

Од ласера ​​првог типа, рубин је највише проучаван. Један од најранијих модела таквог ласера ​​користи енергетске прелазе тровалентног јона хрома Цр3+ у монолитном кристалу рубина (Цр2О3, А12О3). Под дејством пумпног зрачења (таласне дужине реда 5600 А) јон Цр3+ прелази са нивоа 1 на ниво 3, са којег су могући преласци наниже на нивое 2 и 1. Ако преовлађују прелази на метастабилни ниво 2 и ако пумпање обезбеђује пост, инверзију популације на нивоима 1 и 2, тада ће популација на нивоу 2 премашити популацију на нивоу 1.

У случају спонтане транзиције једног од Цр-јона3+, фотон са фреквенцијом се емитује са нивоа 2 на ниво 1 е12, који почиње да се шири на кристалу рубина.Наилазећи на д-црвене побуђене Цр3+ јоне, овај фотон изазива већ индуковано зрачење кохерентно са примарним фотоном.

Због бројних рефлексија од полираних и посребрених ивица монокристала рубина, интензитет зрачења у кристалу се континуирано повећава. Ово се дешава само са тим фотонима, правац простирања комоторикх чини мали угао са осом кристала. Челично зрачење напушта кристал кроз бочну површину и не учествује у формирању снопа зрачења. Сноп зрачења излази кроз један од крајева, који је провидно огледало.

Велики напредак у побољшању технологије у различитим индустријама везан је за употребу оптичких квантних генератора (ласера). Као што знате, ласерско зрачење се значајно разликује од зрачења других неласерских извора светлости (топлотно, гасно пражњење, итд.). Ове разлике довеле су до широке употребе ласера ​​у различитим областима науке и технологије.

Размотрите основни дизајн ласера.

Генерално, блок дијаграм оптичког квантног генератора (ОКЦ) је приказан на Сл. 1 (у неким случајевима дискови 4-7 могу недостајати).

У активној супстанци 1, под дејством пумпања, зрачење које пролази кроз њу се појачава услед индукованог (изазваног спољним електромагнетним пољем) зрачења електрона који прелазе са горњих енергетских нивоа на ниже. У овом случају, својства активне супстанце одређују фреквенцију ласерске емисије.

Као активна супстанца могу се користити кристални или аморфни медији у које се уносе мале количине нечистоћа активних елемената (код ласера ​​у чврстом стању); гасови или паре метала (у гасним ласерима); течни раствори органских боја (у течним ласерима).

Пиринач. 1. Блок шема оптичког квантног генератора

Уз помоћ система ласерске пумпе 3 стварају се услови у активној супстанци, што омогућава појачање зрачења. За ово је потребно створити инверзију (прерасподелу) популација енергетских нивоа атома електрона, у којима је популација горњих нивоа већа од становништва нижих. Као системи за пумпање користе се у чврстим ласерима — сијалицама са гасним пражњењем, у гасним ласерима — изворима једносмерне струје, импулсним, ВФ и микроталасним генераторима и у течним ласерима — ЛАГ.

Активна супстанца ласера ​​смештена је у оптички резонатор 2, који представља систем огледала, од којих је једно провидно и служи за уклањање ласерског зрачења из резонатора.

Функције оптичког резонатора су прилично разноврсне: стварање позитивне повратне информације у генератору, формирање спектра ласерског зрачења итд.

Уређај 5 за избор режима и стабилизацију фреквенције је дизајниран да побољша квалитет спектра излазног зрачења ласера, односно да га приближи спектру монохроматских осцилација.

У течним ласерима, Систем 6 постиже широк опсег подешавања фреквенције осциловања. Ако је потребно, ласером се може постићи амплитуда или фазна модулација зрачења. Екстерна модулација се обично користи са уређајем 7.

Врсте ласера

Савремени ласери се могу класификовати према различитим критеријумима:

• према врсти активне супстанце која се користи у њима,

• по режиму рада (континуирано или импулсно генерисање, К-прекидани режим),

• по спектралним својствима зрачења (вишемодни, једномодни, једнофреквентни ласери) итд.

Најчешћа је прва од наведених класификација.

Солид стате ласери

Ови ласери користе кристалне и аморфне медије као активну супстанцу. Солид-стате ласери имају низ предности:

• високе вредности линеарног појачања медија, које омогућавају добијање ласера ​​са малим аксијалним димензијама ласера;

• могућност добијања изузетно високих вредности излазне снаге у импулсном режиму.

Главни типови ласера ​​у чврстом стању су:

1. рубин ласери у којима су јони хрома активни центар. Генеришуће линије леже у црвеном делу спектра (λ = 0,69 μм). Излазна снага зрачења у континуираном режиму је неколико вати, енергија у импулсном режиму је неколико стотина џула са трајањем импулса реда 1 мс;

2. ласери на бази јона ретких земних метала (углавном јони неодимијума). Важна предност ових ласера ​​је могућност да се користе у непрекидном режиму на собној температури. Главна генерација ових ласера ​​је у инфрацрвеном подручју (λ = 1,06 μм). Ниво излазне снаге у континуираном режиму достиже 100-200 В са ефикасношћу од 1-2%.

Гасни ласери

Инверзија популације у гасним ласерима се постиже како помоћу пражњења, тако и уз помоћ других врста пумпања: хемијског, термичког итд.

У поређењу са гасним ласерима у чврстом стању, они имају низ предности:

• покрива изузетно широк опсег таласних дужина 0,2-400 микрона;

• емисија гасних ласера ​​је веома монохроматска и усмерена;

• омогућавају постизање веома високих нивоа излазне снаге у континуираном раду.

Главне врсте гасних ласера:

1.Хелијум неонски ласери… Главна таласна дужина је у видљивом делу спектра (λ = 0,63 μм). Излазна снага је обично мања од 100 мВ. У поређењу са свим другим врстама ласера, хелијум-неонски ласери обезбеђују највећи степен кохерентности излаза.

2. Ласери на пару бакра… Главна генерација зрачења се ствара на две линије, од којих је једна у зеленом делу спектра (λ = 0,51 μм), а друга у жутом (λ = 0,58 μм). Снага импулса у таквим ласерима достиже 200 кВ са просечном снагом од око 40 В.

3. Јонски гасни ласери... Најчешћи ласери овог типа су аргонски ласери (λ = 0,49 — 0,51 µм) и хелијум-кадмијум ласери (λ = 0,44 µм).

4. Молекуларни ЦО2 ласери... Најснажнија генерација се постиже на λ = 10,6 μм. Излазна снага у цв режиму ЦО2 ласера ​​је изузетно велика и достиже 10 кВ или више уз довољно високу ефикасност од 15-30% у поређењу са свим другим типовима ласера. Снаге импулса = 10 МВ постижу се са трајањем генерисаних импулса реда величине 10-100 мс.

Течни ласери

Течни ласери омогућавају подешавање у широком опсегу генерисане фреквенције осциловања (од λ = 0,3 µм до λ = 1,3 µм). По правилу, у таквим ласерима активна супстанца су течни раствори органских боја (на пример, раствор родамина).

Параметри ласера

Повезаност

Посебност ласерског зрачења је његова кохерентност.

Кохеренција се схвата као координирани ток таласних процеса у времену и простору Просторна кохерентност — кохерентност између фаза таласа који се истовремено емитују из различитих тачака у простору, и временска кохеренција — кохерентност између фаза таласа емитованих из једне тачке. у тренуцима прекида времена.

Кохерентне електромагнетне осцилације — осцилације два или више извора са истим фреквенцијама и константном фазном разликом. У радиотехници, концепт кохерентности се протеже и на изворе осцилација чије фреквенције нису једнаке. На пример, осцилације 2 извора се сматрају кохерентним ако су њихове фреквенције ф1 и е2 у рационалном односу, тј. ф1 / ф2 = н / м, где су н и м цели бројеви.

Извори осцилација који у интервалу посматрања имају скоро једнаке фреквенције и скоро исту фазну разлику, или извори осцилација чији се однос фреквенција мало разликује од рационалног, називају се извори скоро кохерентних осцилација.

Способност интерференције је једна од главних карактеристика кохерентне осцилације. Треба напоменути да само кохерентни таласи могу ометати. У наставку ће се показати да се низ области примене извора оптичког зрачења заснива управо на феномену интерференције.

Дивергенција

Висока просторна кохерентност ласерског зрачења доводи до мале дивергенције овог зрачења, која зависи од таласне дужине λ и параметара оптичке шупљине која се користи у ласеру.

За обичне изворе светлости, чак и када се користе посебна огледала, угао дивергенције је око један до два реда величине већи од угла ласера.

Мала дивергенција ласерског зрачења отвара могућност добијања велике густине флукса светлосне енергије коришћењем конвенционалних сочива за фокусирање.

Висока усмереност ласерског зрачења омогућава извођење локалних (практично у датом тренутку) анализа, мерења и утицаја на дату супстанцу.

Поред тога, висока просторна концентрација ласерског зрачења доводи до изражених нелинеарних појава, у којима природа текућих процеса зависи од интензитета зрачења. Као пример можемо указати на вишефотонску апсорпцију, која се примећује само при употреби ласерских извора и доводи до повећања апсорпције енергије материјом при великим снагама емитера.

Моноцхроме

Степен монохроматичности зрачења одређује фреквентни опсег у коме је садржан главни део снаге емитера. Овај параметар је од великог значаја за коришћење извора оптичког зрачења и у потпуности је одређен степеном временске кохерентности зрачења.

У ласерима је сва снага зрачења концентрисана у изузетно уским спектралним линијама. Мала ширина емисионе линије постиже се коришћењем оптичког резонатора у ласеру и углавном је одређена стабилношћу резонантне фреквенције овог другог.

Поларизација

У низу уређаја, одређену улогу игра поларизација зрачења, која карактерише преовлађујућу оријентацију вектора електричног поља таласа.

Уобичајене не-ласерске изворе карактерише хаотична поларизација. Ласерско зрачење је кружно или линеарно поларизовано. Посебно, са линеарном поларизацијом, специјални уређаји се могу користити за ротацију равни поларизације. С тим у вези, треба напоменути да за један број прехрамбених производа коефицијент рефлексије унутар апсорпционог појаса значајно зависи од правца равни поларизације зрачења.

Трајање пулса. Употреба ласера ​​такође омогућава добијање зрачења у виду импулса веома кратког трајања (тп = 10-8-10-9 с). Ово се обично постиже модулацијом К-фактора резонатора, закључавањем мода итд.

Код других типова извора зрачења, минимално трајање импулса је неколико редова величине веће, што је, посебно, ширина спектралне линије.

Дејство ласерског зрачења на биолошке објекте

Ласерско зрачење велике густине енергије у комбинацији са монохроматиком и кохерентношћу је јединствен фактор који утиче на биолошке објекте. Монохроматичност омогућава да се селективно утиче на одређене молекуларне структуре објеката, а кохерентност и поларизација, у комбинацији са високим степеном организације озрачених система, одређују специфичан кумулативни (резонантни) ефекат, који чак и при релативно ниским нивоима зрачења доводи до јаке фотостимулације. процеса у ћелијама, до фотомутагенезе.

Када су биолошки објекти изложени ласерском зрачењу долази до разарања неких молекуларних веза или до структурне трансформације молекула, а ти процеси су селективни, односно неке везе се зрачењем потпуно уништавају, док се друге практично не мењају. Овако изражен резонантни карактер интеракције ласерског зрачења са молекулима отвара могућност селективне катализе одређених метаболичких реакција, односно метаболичких реакција, светлосне контроле ових реакција. У овом случају, ласерско зрачење игра улогу ензима.

Употреба оваквих својстава ласерских извора светлости отвара широке могућности за унапређење индустријске биосинтезе.

Ласерско зрачење квасца може се користити за циљану биосинтезу, на пример, каротеноида и липида, и шире, за добијање нових мутантних сојева квасца са измењеном биосинтетском оријентацијом.

У бројним прехрамбеним индустријама може се користити могућност контроле, коришћењем ласерског зрачења, односа активности ензима који разлажу протеинске молекуле у полипептидне фрагменте и хидролизују ове фрагменте у аминокиселине.

У индустријској производњи лимунске киселине, ласерском стимулацијом постиже се повећање приноса производа за 60% и истовремено се смањује садржај нуспроизвода. Ласерска фотостимулација липогенезе у гљивама омогућава производњу јестивих и техничких масти приликом прераде сировина нејестивих гљива. Добијени су и подаци о ласерској стимулацији формирања репродуктивних органа код гљива које се користе у микробиолошкој индустрији.

Треба напоменути да, за разлику од конвенционалних извора светлости, ласер може да стерилише сокове у видљивом делу спектра, што отвара могућност стерилизације коришћењем ласера ​​директно кроз стакло флаше.

Запажена је занимљива карактеристика ласерске стерилизације. Ако се на ниском нивоу снаге криве преживљавања микробних ћелија за ласерско зрачење и зрачење са конвенционалним извором светлости практично поклапају, онда када је специфична снага ласерског зрачења око 100 кВ / цм2, долази до наглог повећања ефикасности. стерилизационо дејство ласерског зрачења тј. да би се постигао исти ефекат смрти ћелије потребно је много мање енергије него коришћење извора мале енергије.

Када се озрачи некохерентним извором светлости, овај ефекат се не примећује. На пример, када се ћелије осветле снажним импулсом, довољан је један блиц да рубин ласер погоди до 50% ћелија, док иста енергија, дуго апсорбована, не само да не изазива штету. , али доводи и до интензивирања процеса фотосинтезе код микроорганизама.

Описани ефекат се може објаснити чињеницом да, у нормалним условима, молекули који улазе у фотохемијску реакцију апсорбују један квант светлости (једнофотонска апсорпција), чиме се повећава њихова реактивност.При високим нивоима упадног зрачења, вероватноћа два- апсорпција фотона се повећава, при чему молекул истовремено апсорбује два фотона. У овом случају, ефикасност хемијских трансформација нагло се повећава и структура молекула је оштећена са већом ефикасношћу.

Када су изложени снажном ласерском зрачењу, јављају се други нелинеарни ефекти који се не примећују при коришћењу конвенционалних извора светлости. Један од ових ефеката је претварање дела снаге зрачења фреквенције ф у зрачење фреквенција 2ф, 3ф итд. (генерација оптичких хармоника). Овај ефекат је последица нелинеарних особина озраченог медија при високим нивоима зрачења.

Пошто је познато да су биолошки објекти најосетљивији на дејство УВ зрачења, стерилизујући ефекат хармоника ће бити најефикаснији. У исто време, ако се објекат директно озрачи извором УВ зрачења, већина упадне снаге емитера биће апсорбована у површинским слојевима. У описаном случају, УВ зрачење се генерише унутар самог објекта, што доводи до волуметријског карактера стерилизационог ефекта. Очигледно, у овом случају се може очекивати већа ефикасност процеса стерилизације.

Висок степен монохроматности ласерског зрачења може да омогући стерилизацију једне врсте бактерија, док стимулише раст микроорганизама друге врсте у бинарним бактеријским системима, односно да произведе циљану „селективну“ стерилизацију.

Поред ових области примене, ласери се користе и за мерење различитих величина — спектроскопије, померања објеката (метода интерференције), вибрација, брзина струјања (ласерски анемометри), нехомогености у оптички провидним медијима. Уз помоћ ласера ​​могуће је пратити квалитет површине, проучавати зависност оптичких својстава дате супстанце од спољашњих фактора, мерити контаминацију животне средине микроорганизмима итд.