Zastosowanie promieniowania laserowego

Laser — kwantowy generator (wzmacniacz) promieniowania spójnego w zakresie optycznym. Termin „laser” składa się z pierwszych liter angielskiej nazwy amplifikacja światła przez wymuszoną emisję promieniowania. W zależności od rodzaju materiału aktywnego rozróżnia się lasery na ciele stałym, lasery gazowe i lasery cieczowe.

Spośród laserów pierwszego typu rubin jest najlepiej zbadany. Jeden z najwcześniejszych modeli takiego lasera wykorzystuje przejścia energetyczne trójwartościowego jonu chromu Cr3+ w monolitycznym krysztale rubinu (Cr2O3, A12O3). Pod wpływem promieniowania pompującego (o długości fali rzędu 5600 A) jon Cr3+ przechodzi z poziomu 1 do poziomu 3, z którego możliwe są przejścia w dół do poziomów 2 i 1. Jeśli dominują przejścia do poziomu metastabilnego 2 i jeśli pompowanie zapewnia post, inwersję populacji na poziomie 1 i 2, wówczas populacja na poziomie 2 przekroczy populację na poziomie 1.

W przypadku spontanicznego przejścia jednego z jonów Cr-3+ emitowany jest foton o częstotliwości z poziomu 2 na poziom 1 e12, który zaczyna propagować się na krysztale rubinu.Napotykając wzbudzone d -red jony Cr3+, foton ten powoduje już zaindukowane promieniowanie spójne z fotonem pierwotnym.

Dzięki licznym odbiciom od wypolerowanych i posrebrzanych krawędzi pojedynczego kryształu rubinu intensywność promieniowania w krysztale stale wzrasta. Dzieje się tak tylko z tymi fotonami, których kierunek propagacji jest komotorykh tworzy mały kąt z osią kryształu. Promieniowanie stali opuszcza kryształ przez powierzchnię boczną i nie bierze udziału w tworzeniu wiązki promieniowania. Wiązka promieniowania wychodzi przez jeden z końców, który jest półprzezroczystym lustrem.

Duży postęp w doskonaleniu technologii w różnych gałęziach przemysłu związany jest z zastosowaniem optycznych generatorów kwantowych (laserów). Jak wiadomo, promieniowanie laserowe znacznie różni się od promieniowania innych nielaserowych źródeł światła (termicznych, wyładowań gazowych itp.). Te różnice doprowadziły do ​​szerokiego zastosowania laserów w różnych dziedzinach nauki i techniki.

Rozważ podstawową konstrukcję laserów.

Ogólnie schemat blokowy optycznego generatora kwantowego (OQC) pokazano na ryc. 1 (w niektórych przypadkach może brakować dysków 4-7).

W substancji czynnej 1, pod działaniem pompowania, przechodzące przez nią promieniowanie jest wzmacniane z powodu indukowanego (spowodowanego zewnętrznym polem elektromagnetycznym) promieniowania elektronów przechodzących z wyższych poziomów energetycznych do niższych. W tym przypadku właściwości substancji czynnej determinują częstotliwość emisji lasera.

Jako substancję aktywną mogą być stosowane media krystaliczne lub amorficzne, do których wprowadzane są niewielkie ilości zanieczyszczeń pierwiastkami aktywnymi (w laserach na ciele stałym); gazy lub opary metali (w laserach gazowych); płynne roztwory barwników organicznych (w laserach ciekłych).

Ryż. 1. Schemat blokowy optycznego generatora kwantowego

Za pomocą systemu pompy laserowej 3 w substancji czynnej powstają warunki, które umożliwiają wzmocnienie promieniowania. W tym celu konieczne jest stworzenie odwrócenia (redystrybucji) populacji poziomów energetycznych atomów elektronów, w której populacja poziomów wyższych jest większa niż populacja poziomów niższych. Jako układy pompujące stosowane są w laserach na ciele stałym — lampy wyładowcze, w laserach gazowych — źródła prądu stałego, generatory impulsowe, HF i mikrofalowe, aw laserach cieczowych — LAG.

Substancja czynna lasera umieszczona jest w rezonatorze optycznym 2, który jest układem zwierciadeł, z których jedno jest prześwitujące i służy do usuwania promieniowania laserowego z rezonatora.

Funkcje rezonatora optycznego są dość zróżnicowane: tworzenie dodatniego sprzężenia zwrotnego w generatorze, tworzenie widma promieniowania laserowego itp.

Urządzenie 5 do wyboru trybu i stabilizacji częstotliwości ma na celu poprawę jakości widma promieniowania wyjściowego lasera, tj. zbliżenie go do widma oscylacji monochromatycznych.

W laserach płynnych System 6 osiąga szeroki zakres strojenia częstotliwości oscylacji. W razie potrzeby w laserze można uzyskać modulację amplitudy lub fazy promieniowania. Modulacja zewnętrzna jest zwykle używana z urządzeniem 7.

Rodzaje laserów

Nowoczesne lasery można klasyfikować według różnych kryteriów:

• według rodzaju zastosowanej w nich substancji czynnej,

• według trybu pracy (generacja ciągła lub impulsowa, tryb Q-switch),

• przez właściwości spektralne promieniowania (lasery wielomodowe, jednomodowe, jednoczęstotliwościowe) itp.

Najczęściej spotykana jest pierwsza z wymienionych klasyfikacji.

Lasery na ciele stałym

Lasery te wykorzystują media krystaliczne i amorficzne jako substancję czynną. Lasery na ciele stałym mają szereg zalet:

• wysokie wartości wzmocnienia liniowego ośrodka, które umożliwiają uzyskanie lasera o małych wymiarach osiowych lasera;

• możliwość uzyskania ekstremalnie wysokich wartości mocy wyjściowej w trybie impulsowym.

Główne typy laserów na ciele stałym to:

1. lasery rubinowe, w których centrum aktywnym są jony chromu. Linie generujące leżą w czerwonym obszarze widma (λ = 0,69 μm). Moc wyjściowa promieniowania w trybie ciągłym wynosi kilka watów, energia w trybie pulsacyjnym to kilkaset dżuli przy czasie trwania impulsu rzędu 1 ms;

2. lasery oparte na jonach metali ziem rzadkich (głównie jonach neodymu). Ważną zaletą tych laserów jest możliwość pracy w trybie ciągłym w temperaturze pokojowej. Główna linia generacji tych laserów znajduje się w obszarze podczerwieni (λ = 1,06 μm). Poziom mocy wyjściowej w trybie ciągłym sięga 100-200 W przy sprawności 1-2%.

Lasery gazowe

Inwersję populacji w laserach gazowych uzyskuje się zarówno za pomocą wyładowań, jak i za pomocą innych rodzajów pompowania: chemicznego, termicznego itp.

W porównaniu z laserami gazowymi na ciele stałym mają szereg zalet:

• obejmuje niezwykle szeroki zakres długości fal 0,2-400 mikronów;

• emisja laserów gazowych jest wysoce monochromatyczna i kierunkowa;

• umożliwiają osiągnięcie bardzo wysokich poziomów mocy wyjściowej w trybie pracy ciągłej.

Główne typy laserów gazowych:

1.Lasery helowo-neonowe… Główna długość fali znajduje się w widzialnej części widma (λ = 0,63 μm). Moc wyjściowa jest zwykle mniejsza niż 100 mW. W porównaniu do wszystkich innych typów laserów, lasery helowo-neonowe zapewniają najwyższy stopień spójności wyjściowej.

2. Lasery na parach miedzi… Główna generacja promieniowania powstaje na dwóch liniach, z których jedna znajduje się w zielonej części widma (λ = 0,51 μm), a druga w żółtej (λ = 0,58 μm). Moc impulsu w takich laserach sięga 200 kW przy średniej mocy około 40 W.

3. Lasery jonowo-gazowe... Najpopularniejszymi laserami tego typu są lasery argonowe (λ = 0,49 — 0,51 µm) oraz lasery helowo-kadmowe (λ = 0,44 µm).

4. Lasery molekularne CO2... Najmocniejszą generację uzyskuje się przy λ = 10,6 μm. Moc wyjściowa w trybie cw laserów CO2 jest niezwykle wysoka i sięga 10 kW lub więcej przy wystarczająco wysokiej sprawności 15-30% w porównaniu do wszystkich innych typów laserów. Moce impulsów = 10 MW uzyskuje się przy czasie trwania generowanych impulsów rzędu 10-100 ms.

Lasery płynne

Lasery ciekłe umożliwiają strojenie w szerokim zakresie częstotliwości generowanych oscylacji (od λ = 0,3 µm do λ = 1,3 µm). Z reguły w takich laserach substancją czynną są płynne roztwory barwników organicznych (na przykład roztwór rodaminy).

Parametry lasera

Konsekwencja

Charakterystyczną cechą promieniowania laserowego jest jego spójność.

Koherencja rozumiana jest jako skoordynowany przebieg procesów falowych w czasie i przestrzeni Koherencja przestrzenna — spójność między fazami fal emitowanych jednocześnie z różnych punktów w przestrzeni, a koherencja czasowa — spójność między fazami fal emitowanych z jednego punktu w chwilach przerwy w czasie.

Spójne oscylacje elektromagnetyczne — oscylacje dwóch lub więcej źródeł o tych samych częstotliwościach i stałej różnicy faz. W inżynierii radiowej pojęcie koherencji rozciąga się również na źródła oscylacji, których częstotliwości nie są sobie równe. Na przykład oscylacje 2 źródeł uważa się za spójne, jeśli ich częstotliwości f1 i e2 są w racjonalnej relacji, tj. f1 / f2 = n / m, gdzie n i m są liczbami całkowitymi.

Źródła oscylacji, które w przedziale obserwacji mają prawie równe częstotliwości i prawie taką samą różnicę faz, lub źródła oscylacji, których stosunek częstości niewiele różni się od wymiernego, nazywane są źródłami oscylacji prawie spójnych.

Zdolność do interferencji jest jedną z głównych cech oscylacji koherentnej. Należy zauważyć, że interferować mogą tylko fale spójne. Poniżej zostanie wykazane, że wiele dziedzin zastosowań optycznych źródeł promieniowania opiera się właśnie na zjawisku interferencji.

Rozbieżność

Wysoka spójność przestrzenna promieniowania laserowego prowadzi do małej rozbieżności tego promieniowania, która zależy od długości fali λ oraz parametrów wnęki optycznej zastosowanej w laserze.

W przypadku zwykłych źródeł światła, nawet przy użyciu specjalnych luster, kąt rozbieżności jest o około jeden do dwóch rzędów wielkości większy niż w przypadku laserów.

Niska dywergencja promieniowania laserowego otwiera możliwość uzyskania dużej gęstości strumienia energii świetlnej przy użyciu konwencjonalnych soczewek skupiających.

Wysoka kierunkowość promieniowania laserowego umożliwia przeprowadzanie lokalnych (praktycznie w danym momencie) analiz, pomiarów i oddziaływań na daną substancję.

Ponadto duża koncentracja przestrzenna promieniowania laserowego prowadzi do wyraźnych zjawisk nieliniowych, w których charakter zachodzących procesów zależy od intensywności naświetlania. Jako przykład można wskazać absorpcję wielofotonową, która jest obserwowana tylko przy użyciu źródeł laserowych i prowadzi do wzrostu absorpcji energii przez materię przy dużych mocach emitera.

Monochromia

Stopień monochromatyczności promieniowania określa zakres częstotliwości, w którym zawarta jest główna część mocy emitera. Parametr ten ma ogromne znaczenie przy stosowaniu źródeł promieniowania optycznego i jest całkowicie zdeterminowany stopniem czasowej spójności promieniowania.

W laserach cała moc promieniowania jest skoncentrowana w bardzo wąskich liniach widmowych. Mała szerokość linii emisyjnej jest osiągana dzięki zastosowaniu rezonatora optycznego w laserze i jest determinowana głównie stabilnością częstotliwości rezonansowej tego ostatniego.

Polaryzacja

W wielu urządzeniach pewną rolę odgrywa polaryzacja promieniowania, która charakteryzuje dominującą orientację wektora pola elektrycznego fali.

Typowe źródła nielaserowe charakteryzują się chaotyczną polaryzacją. Promieniowanie laserowe jest spolaryzowane kołowo lub liniowo. W szczególności w przypadku polaryzacji liniowej można zastosować specjalne urządzenia do obracania płaszczyzny polaryzacji. W tym względzie należy zauważyć, że dla wielu produktów spożywczych współczynnik odbicia w paśmie absorpcji zależy istotnie od kierunku płaszczyzny polaryzacji promieniowania.

Czas trwania impulsu. Zastosowanie laserów umożliwia również uzyskanie promieniowania w postaci impulsów o bardzo krótkim czasie trwania (tp = 10-8-10-9 s). Zwykle osiąga się to poprzez modulację współczynnika Q rezonatora, blokowanie trybu itp.

W innych typach źródeł promieniowania minimalny czas trwania impulsu jest o kilka rzędów wielkości większy, co w szczególności oznacza szerokość linii widmowej.

Oddziaływanie promieniowania laserowego na obiekty biologiczne

Promieniowanie laserowe o dużej gęstości energii w połączeniu z monochromatycznością i koherencją jest unikalnym czynnikiem oddziałującym na obiekty biologiczne. Monochromatyczność umożliwia selektywne oddziaływanie na pewne struktury molekularne obiektów, a koherencja i polaryzacja w połączeniu z wysokim stopniem organizacji napromieniowanych układów decydują o specyficznym efekcie kumulatywnym (rezonansowym), który już przy stosunkowo niskich poziomach promieniowania prowadzi do silnej fotostymulacji procesów zachodzących w komórkach, do fotomutagenezy.

Kiedy obiekty biologiczne są wystawione na działanie promieniowania laserowego, niektóre wiązania molekularne ulegają zniszczeniu lub następuje przemiana strukturalna cząsteczek, a procesy te są selektywne, to znaczy niektóre wiązania są całkowicie niszczone przez napromieniowanie, podczas gdy inne praktycznie się nie zmieniają. Tak wyraźny rezonansowy charakter oddziaływania promieniowania laserowego z cząsteczkami otwiera możliwość selektywnej katalizy niektórych reakcji metabolicznych, czyli reakcji metabolicznych, lekkiej kontroli tych reakcji. W tym przypadku promieniowanie laserowe pełni rolę enzymu.

Wykorzystanie takich właściwości laserowych źródeł światła otwiera szerokie możliwości usprawnienia biosyntezy przemysłowej.

Naświetlanie laserowe drożdży może być wykorzystane do ukierunkowanej biosyntezy np. karotenoidów i lipidów, a szerzej do uzyskania nowych zmutowanych szczepów drożdży o zmienionej orientacji biosyntezy.

W wielu gałęziach przemysłu spożywczego można wykorzystać możliwość kontrolowania za pomocą promieniowania laserowego stosunku aktywności enzymów rozkładających cząsteczki białek na fragmenty polipeptydowe i hydrolizujących te fragmenty do aminokwasów.

W przemysłowej produkcji kwasu cytrynowego stymulacja laserowa pozwala uzyskać wzrost wydajności produktu o 60% przy jednoczesnym zmniejszeniu zawartości produktów ubocznych. Laserowa fotostymulacja lipogenezy u grzybów umożliwia produkcję tłuszczów jadalnych i technicznych podczas przetwarzania niejadalnych surowców grzybowych. Uzyskano również dane dotyczące laserowej stymulacji powstawania narządów rozrodczych u grzybów stosowanych w przemyśle mikrobiologicznym.

Należy zaznaczyć, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych źródeł światła, laser jest w stanie sterylizować soki w widzialnej części widma, co otwiera możliwość sterylizacji za pomocą laserów bezpośrednio przez szklankę butelki.

Zwrócono uwagę na ciekawą cechę sterylizacji laserowej. Jeśli przy niskim poziomie mocy krzywe przeżywalności komórek drobnoustrojów dla naświetlania laserem i naświetlania konwencjonalnym źródłem światła praktycznie pokrywają się, to gdy moc właściwa napromieniania laserem wynosi około 100 kW/cm2, następuje gwałtowny wzrost skuteczności sterylizujące działanie promieniowania laserowego, tj. osiągnięcie tego samego efektu śmierci komórki wymaga znacznie mniej energii niż przy użyciu źródła o niskim poborze mocy.

Po napromieniowaniu niespójnym źródłem światła efekt ten nie jest obserwowany. Na przykład, gdy komórki zostaną oświetlone mocnym impulsem, wystarczy jeden błysk, aby laser rubinowy trafił do 50% komórek, podczas gdy ta sama energia, pochłaniana przez długi czas, nie dość, że nie powoduje uszkodzeń , ale także prowadzi do intensyfikacji procesów fotosyntezy u mikroorganizmów.

Opisany efekt można wytłumaczyć faktem, że w normalnych warunkach cząsteczki wchodzące w reakcję fotochemiczną pochłaniają jeden kwant światła (absorpcja jednofotonowa), co zwiększa ich reaktywność.Przy wysokich poziomach padającego promieniowania prawdopodobieństwo dwu- wzrasta absorpcja fotonów, w której cząsteczka pochłania jednocześnie dwa fotony. W tym przypadku wydajność przemian chemicznych gwałtownie wzrasta, a struktura cząsteczek jest uszkadzana z większą wydajnością.

Pod wpływem silnego promieniowania laserowego występują inne efekty nieliniowe, których nie obserwuje się przy użyciu konwencjonalnych źródeł światła. Jednym z takich efektów jest zamiana części mocy promieniowania o częstotliwości f na promieniowanie o częstotliwościach 2f, 3f itd. (generacja harmonicznych optycznych). Efekt ten wynika z nieliniowych właściwości napromieniowanego ośrodka przy wysokich poziomach napromieniowania.

Ponieważ wiadomo, że obiekty biologiczne są najbardziej wrażliwe na działanie promieniowania UV, sterylizujące działanie harmonicznych będzie najskuteczniejsze. Jednocześnie, jeśli obiekt zostanie napromieniowany bezpośrednio źródłem promieniowania UV, większość padającej mocy emitera zostanie pochłonięta przez warstwy powierzchniowe. W opisywanym przypadku promieniowanie UV jest generowane wewnątrz samego obiektu, co prowadzi do objętościowego charakteru efektu sterylizacji. Oczywiście w tym przypadku można spodziewać się większej efektywności procesu sterylizacji.

Wysoki stopień monochromatyczności promieniowania laserowego może umożliwić sterylizację jednego rodzaju bakterii, przy jednoczesnym stymulowaniu wzrostu mikroorganizmów innego typu w binarnych układach bakteryjnych, czyli wytworzenie ukierunkowanej „selektywnej” sterylizacji.

Oprócz tych obszarów zastosowań, lasery wykorzystywane są również do pomiaru różnych wielkości — spektroskopii, przemieszczeń obiektów (metoda interferencyjna), drgań, prędkości przepływu (anemometry laserowe), niejednorodności w ośrodkach optycznie przezroczystych. Za pomocą laserów można monitorować jakość powierzchni, badać zależność właściwości optycznych danej substancji od czynników zewnętrznych, mierzyć zanieczyszczenie środowiska mikroorganizmami itp.