Applicering av laserstrålning

Laser — en kvantgenerator (förstärkare) av koherent strålning i det optiska området. Termen «laser» bildas av de första bokstäverna i det engelska namnet förstärkning av ljus genom stimulerad strålning. Beroende på typen av aktivt material skiljer man mellan solid state-lasrar, gas- och flytande lasrar.

Av lasrarna av den första typen är rubin den mest studerade. En av de tidigaste modellerna av en sådan laser använder energiövergångar av den trevärda kromjonen Cr3+ i en monolitisk rubinkristall (Cr2O3, A12O3). Under inverkan av pumpande strålning (med en våglängd av storleksordningen 5600 A) passerar Cr3+-jonen från nivå 1 till nivå 3, varifrån nedåtgående övergångar till nivåerna 2 och 1 är möjliga. Om övergångar till metastabil nivå 2 dominerar och om pumpning ger post, inversion av befolkningen på nivå 1 och 2, då kommer befolkningen på nivå 2 att överstiga befolkningen på nivå 1.

I fallet med en spontan övergång av en av Cr-jonerna3+ emitteras en foton med frekvens från nivå 2 till nivå 1 e12, som börjar fortplanta sig på rubinkristallen.Denna foton stöter på d-röda exciterade Cr3+-joner och orsakar redan inducerad strålning som är koherent med den primära fotonen.

På grund av många reflektioner från de polerade och försilvrade kanterna på rubin-enkristallen ökar strålningsintensiteten i kristallen kontinuerligt. Detta händer bara med dessa fotoner, utbredningsriktningen är komotorykh gör en liten vinkel med kristallens axel. Stålstrålningen lämnar kristallen genom sidoytan och deltar inte i bildandet av strålstrålen. Strålningsstrålen går ut genom en av ändarna, som är en genomskinlig spegel.

Ett stort framsteg i förbättringen av tekniken inom olika industrier är relaterat till användningen av optiska kvantgeneratorer (lasrar). Som ni vet skiljer sig laserstrålning avsevärt från strålningen från andra icke-laserljuskällor (termisk, gasurladdning, etc.). Dessa skillnader har lett till den utbredda användningen av lasrar inom olika vetenskaps- och teknikområden.

Tänk på den grundläggande utformningen av lasrar.

I allmänhet visas blockschemat för en optisk kvantgenerator (OQC) i fig. 1 (i vissa fall kan enheterna 4-7 saknas).

I den aktiva substansen 1, under inverkan av pumpning, förstärks strålningen som passerar genom den på grund av den inducerade (orsakade av ett externt elektromagnetiskt fält) strålning av elektroner som passerar från de övre energinivåerna till de lägre. I detta fall bestämmer egenskaperna hos den aktiva substansen laseremissionsfrekvensen.

Som en aktiv substans kan kristallina eller amorfa medier användas, i vilka små mängder föroreningar av aktiva element införs (i fasta lasrar); gaser eller ångor av metall (i gaslasrar); flytande lösningar av organiska färgämnen (i flytande lasrar).

Ris. 1. Blockschema över en optisk kvantgenerator

Med hjälp av laserpumpsystemet 3 skapas förhållanden i den aktiva substansen som gör det möjligt att förstärka strålningen. För detta är det nödvändigt att skapa en inversion (omfördelning) av populationerna av energinivåerna för elektronatomerna, där befolkningen på de övre nivåerna är större än den för de lägre. Som pumpsystem används de i fasta lasrar – gasurladdningslampor, i gaslasrar – likströmskällor, pulsade, HF- och mikrovågsgeneratorer och i flytande lasrar – LAG.

Den aktiva substansen i lasern placeras i en optisk resonator 2, som är ett system av speglar, varav en är genomskinlig och tjänar till att avlägsna laserstrålning från resonatorn.

Funktionerna hos den optiska resonatorn är ganska olika: skapa positiv feedback i generatorn, bildar spektrumet av laserstrålning, etc.

Anordningen 5 för modval och frekvensstabilisering är utformad för att förbättra kvaliteten på spektrumet av utstrålningen från lasern, dvs att föra den närmare spektrumet av monokromatiska svängningar.

I vätskelasrar uppnår System 6 ett brett spektrum av oscillationsfrekvensinställning. Vid behov kan amplitud- eller fasmodulering av strålningen uppnås i lasern. Extern modulering används vanligtvis med enhet 7.

Lasertyper

Moderna lasrar kan klassificeras enligt olika kriterier:

• beroende på vilken typ av aktiv substans som används i dem,

• efter driftläge (kontinuerlig eller pulsad generering, Q-switched mode),

• genom strålningens spektrala egenskaper (multimode, singelmode, enkelfrekvenslasrar) etc.

Den vanligaste är den första av de nämnda klassificeringarna.

Solid state lasrar

Dessa lasrar använder kristallina och amorfa media som den aktiva substansen. Solid-state lasrar har ett antal fördelar:

• höga värden på mediets linjära förstärkning, vilket gör det möjligt att erhålla en laser med små axiella dimensioner av lasern;

• möjlighet att erhålla extremt höga uteffektvärden i pulsläge.

De huvudsakliga typerna av solid state-lasrar är:

1. rubinlasrar där kromjoner är det aktiva centrumet. Genereringslinjerna ligger i det röda området av spektrumet (λ = 0,69 μm). Strålningens uteffekt i kontinuerligt läge är flera watt, energin i pulsat läge är flera hundra joule med en pulslängd av storleksordningen 1 ms;

2. Lasrar baserade på sällsynta jordartsmetalljoner (främst neodymjoner). En viktig fördel med dessa lasrar är möjligheten att användas i kontinuerligt läge vid rumstemperatur. Huvudgenereringslinjen för dessa lasrar är i det infraröda området (λ = 1,06 μm). Uteffektnivån i kontinuerligt läge når 100-200 W med en verkningsgrad på 1-2%.

Gaslasrar

Populationsinversion i gaslasrar uppnås både med hjälp av urladdningar och med hjälp av andra typer av pumpning: kemisk, termisk, etc.

Jämfört med fasta gaslasrar har de ett antal fördelar:

• täcker ett extremt brett spektrum av våglängder 0,2-400 mikron;

• emissionen av gaslasrar är mycket monokromatisk och riktad;

• möjliggöra att mycket höga uteffektnivåer uppnås vid kontinuerlig drift.

De viktigaste typerna av gaslasrar:

1.Heliumneonlasrar... Huvudvåglängden finns i den synliga delen av spektrumet (λ = 0,63 μm). Uteffekten är vanligtvis mindre än 100 mW. Jämfört med alla andra typer av lasrar ger helium-neon-lasrar den högsta graden av utgående koherens.

2. Kopparånglasrar... Huvudgenereringen av strålning skapas på två linjer, varav en är i den gröna delen av spektrumet (λ = 0,51 μm) och den andra i den gula (λ = 0,58 μm). Pulseffekten i sådana lasrar når 200 kW med en medeleffekt på cirka 40 W.

3. Jongaslasrar... De vanligaste lasrarna av denna typ är argonlasrar (λ = 0,49 — 0,51 µm) och helium-kadmiumlasrar (λ = 0,44 µm).

4. Molekylära CO2-lasrar... Den mest kraftfulla genereringen uppnås vid λ = 10,6 μm. Uteffekten i cw-läget för CO2-lasrar är extremt hög och når 10 kW eller mer med en tillräckligt hög verkningsgrad på 15-30 % jämfört med alla andra typer av lasrar. Pulseffekter = 10 MW uppnås med en varaktighet av de genererade pulserna i storleksordningen 10-100 ms.

Flytande lasrar

Vätskelasrar tillåter inställning över ett brett område av den genererade oscillationsfrekvensen (från λ = 0,3 µm till λ = 1,3 µm). Som regel, i sådana lasrar, är den aktiva substansen flytande lösningar av organiska färgämnen (till exempel rhodaminlösning).

Laserparametrar

Sammanhang

En utmärkande egenskap hos laserstrålning är dess koherens.

Koherens förstås som ett koordinerat förlopp av vågprocesser i tid och rum Spatial koherens — koherensen mellan faserna av vågorna som emitteras samtidigt från olika punkter i rymden, och temporal koherens — koherensen mellan faserna av vågorna som emitteras från en punkt i stunderna av en paus i tiden.

Koherenta elektromagnetiska svängningar — svängningar av två eller flera källor med samma frekvenser och en konstant fasskillnad. Inom radioteknik sträcker sig begreppet koherens även till oscillationskällor vars frekvenser inte är lika. Till exempel anses svängningarna för 2 källor vara koherenta om deras frekvenser f1 och e2 är i ett rationellt förhållande, dvs. f1 / f2 = n / m, där n och m är heltal.

Svängningskällor som i observationsintervallet har nästan lika frekvenser och nästan samma fasskillnad, eller källor till svängningar vars frekvensförhållande skiljer sig lite från det rationella, kallas källor för nästan koherenta svängningar.

Förmågan att störa är en av de viktigaste egenskaperna hos koherent oscillation. Det bör noteras att endast koherenta vågor kan störa. I det följande kommer det att visas att ett antal användningsområden för optiska strålningskällor är baserade just på fenomenet interferens.

Divergens

Laserstrålningens höga rumsliga koherens leder till en låg divergens av denna strålning, vilket beror på våglängden λ och parametrarna för den optiska kavitet som används i lasern.

För vanliga ljuskällor, även när speciella speglar används, är divergensvinkeln ungefär en till två storleksordningar större än den för lasrar.

Den låga divergensen hos laserstrålningen öppnar upp möjligheten att erhålla en hög flödestäthet av ljusenergi med hjälp av konventionella fokuseringslinser.

Laserstrålningens höga riktbarhet gör det möjligt att utföra lokala (praktiskt taget vid ett givet ögonblick) analyser, mätningar och effekter på ett givet ämne.

Dessutom leder den höga rumsliga koncentrationen av laserstrålning till uttalade olinjära fenomen, där karaktären hos de pågående processerna beror på bestrålningens intensitet. Som ett exempel kan vi peka på multifotonabsorption, som endast observeras vid användning av laserkällor och leder till en ökning av energiabsorptionen av materia vid höga emittereffekter.

Svartvit

Graden av monokromaticitet hos strålningen bestämmer det frekvensområde i vilket huvuddelen av sändarens effekt finns. Denna parameter är av stor betydelse vid användning av källor för optisk strålning och bestäms helt av graden av tidsmässig koherens hos strålningen.

I lasrar är all strålningseffekt koncentrerad till extremt smala spektrallinjer. Den lilla bredden på emissionslinjen uppnås genom att använda en optisk resonator i lasern och bestäms huvudsakligen av stabiliteten hos resonansfrekvensen hos den senare.

Polarisering

I ett antal enheter spelas en viss roll av polariseringen av strålningen, vilket kännetecknar den dominerande orienteringen av vektorn för vågens elektriska fält.

Vanliga icke-laserkällor kännetecknas av kaotisk polarisering. Laserstrålning är cirkulärt eller linjärt polariserad. Speciellt med linjär polarisering kan speciella anordningar användas för att rotera polarisationsplanet. I detta avseende bör det noteras att för ett antal livsmedelsprodukter beror reflektionskoefficienten inom absorptionsbandet väsentligt på riktningen för strålningens polarisationsplan.

Pulsvaraktighet. Användningen av lasrar gör det också möjligt att erhålla strålning i form av pulser med mycket kort varaktighet (tp = 10-8-10-9 s). Detta uppnås vanligtvis genom att modulera resonatorns Q-faktor, modlåsning etc.

I andra typer av strålningskällor är den minsta pulslängden flera storleksordningar högre, vilket i synnerhet alltså är bredden på spektrallinjen.

Effekter av laserstrålning på biologiska föremål

Laserstrålning med hög energitäthet i kombination med monokromaticitet och koherens är en unik faktor som påverkar biologiska objekt. Monokromaticitet gör det möjligt att selektivt påverka vissa molekylära strukturer hos objekt, och koherens och polarisering, i kombination med en hög grad av organisation av bestrålade system, bestämmer en specifik kumulativ (resonans) effekt, som även vid relativt låga strålningsnivåer leder till stark fotostimulering av processer i celler, till fotomutagenes.

När biologiska föremål utsätts för laserstrålning förstörs vissa molekylära bindningar eller strukturell omvandling av molekyler sker, och dessa processer är selektiva, det vill säga vissa bindningar förstörs helt av bestrålning, medan andra praktiskt taget inte förändras. En sådan uttalad resonanskaraktär av interaktionen mellan laserstrålning och molekyler öppnar möjligheten för selektiv katalys av vissa metaboliska reaktioner, det vill säga metaboliska reaktioner, ljuskontroll av dessa reaktioner. I detta fall spelar laserstrålning rollen som ett enzym.

Användningen av sådana egenskaper hos laserljuskällor öppnar vida möjligheter för att förbättra industriell biosyntes.

Laserbestrålning av jäst kan användas för riktad biosyntes av till exempel karotenoider och lipider, och mer allmänt för att erhålla nya muterade jäststammar med förändrad biosyntetisk orientering.

I ett antal livsmedelsindustrier kan förmågan att med laserbestrålning kontrollera aktivitetsförhållandet hos enzymer som bryter ned proteinmolekyler till polypeptidfragment och hydrolyserar dessa fragment till aminosyror.

Vid industriell produktion av citronsyra uppnår laserstimulering en ökning av produktutbytet med 60 % och minskar samtidigt innehållet av biprodukter. Laserfotostimulering av lipogenes i svampar möjliggör produktion av ätbara och tekniska fetter under bearbetning av oätliga svampråvaror. Data erhölls även om laserstimulering av bildandet av fortplantningsorgan hos svampar som används inom den mikrobiologiska industrin.

Det bör noteras att lasern, till skillnad från konventionella ljuskällor, kan sterilisera juicer i den synliga delen av spektrumet, vilket öppnar möjligheten till sterilisering med laser direkt genom flaskans glas.

En intressant egenskap hos lasersterilisering har noterats. Om vid en låg effektnivå överlevnadskurvorna för mikrobiella celler för laserbestrålning och bestrålning med en konventionell ljuskälla praktiskt taget sammanfaller, då när den specifika effekten av laserbestrålning är cirka 100 kW / cm2, sker en kraftig ökning av effektiviteten hos steriliserande verkan av laserstrålning, dvs. för att uppnå samma effekt av celldöd krävs mycket mindre energi än att använda en låg strömkälla.

När den bestrålas med en inkoherent ljuskälla observeras inte denna effekt. Till exempel, när cellerna belyses med en kraftfull puls, räcker en blixt för att rubinlasern ska träffa upp till 50% av cellerna, medan samma energi, absorberad under lång tid, inte bara inte orsakar skada , men leder också till intensifiering av processer för fotosyntes i mikroorganismer.

Den beskrivna effekten kan förklaras av det faktum att molekyler som under normala förhållanden går in i en fotokemisk reaktion absorberar ett kvantum av ljus (en-fotonabsorption), vilket ökar deras reaktivitet.Vid höga nivåer av infallande strålning är sannolikheten för två- fotonabsorptionen ökar, där en molekyl absorberar två fotoner samtidigt. I detta fall ökar effektiviteten av kemiska omvandlingar kraftigt och molekylernas struktur skadas med större effektivitet.

Vid exponering för kraftfull laserstrålning uppstår andra olinjära effekter som inte observeras vid användning av konventionella ljuskällor. En av dessa effekter är omvandlingen av en del av strålningseffekten för frekvens f till strålning av frekvenserna 2f, 3f, etc. (generering av optiska övertoner). Denna effekt beror på de icke-linjära egenskaperna hos det bestrålade mediet vid höga bestrålningsnivåer.

Eftersom det är känt att biologiska föremål är mest känsliga för inverkan av UV-strålning, kommer den steriliserande effekten av övertoner att vara mest effektiv. Samtidigt, om ett föremål bestrålas direkt med en UV-strålningskälla, kommer det mesta av strålarens infallande kraft att absorberas i ytskikten. I det beskrivna fallet genereras UV-strålningen inuti själva föremålet, vilket leder till steriliseringseffektens volymetriska karaktär. Uppenbarligen kan i detta fall större effektivitet av steriliseringsprocessen förväntas.

Den höga graden av monokromaticitet hos laserstrålning kan göra det möjligt att sterilisera en typ av bakterier, samtidigt som tillväxten av mikroorganismer av en annan typ i binära bakteriesystem stimuleras, det vill säga att producera riktad "selektiv" sterilisering.

Utöver dessa användningsområden används lasrar även för att mäta olika kvantiteter — spektroskopi, förskjutningar av föremål (interferensmetod), vibrationer, flödeshastigheter (laseranemometrar), inhomogeniteter i optiskt transparenta medier. Med hjälp av lasrar är det möjligt att övervaka ytans kvalitet, att studera beroendet av de optiska egenskaperna hos ett givet ämne på yttre faktorer, att mäta föroreningen av miljön med mikroorganismer, etc.