Aplikácia laserového žiarenia
Laser - kvantový generátor (zosilňovač) koherentného žiarenia v optickom rozsahu. Termín „laser“ je vytvorený z prvých písmen anglického názvu zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia. Podľa druhu aktívneho materiálu sa rozlišujú pevnolátkové lasery, plynové a kvapalinové lasery.
Z laserov prvého typu je najviac študovaný rubín. Jeden z prvých modelov takéhoto lasera využíva energetické prechody trojmocného iónu chrómu Cr3+ v monolitickom rubínovom kryštáli (Cr2O3, A12O3). Pôsobením čerpacieho žiarenia (s vlnovou dĺžkou rádovo 5600 A) prechádza ión Cr3+ z úrovne 1 do úrovne 3, z ktorej sú možné prechody smerom nadol na úroveň 2 a 1. Ak prevládajú prechody na metastabilnú úroveň 2 a ak čerpanie zabezpečuje post, inverziu populácie na úrovni 1 a 2, potom populácia na úrovni 2 prevýši populáciu na úrovni 1.
V prípade spontánneho prechodu jedného z Cr-iónov3+ sa z úrovne 2 na úroveň 1 e12 vyžiari fotón s frekvenciou, ktorý sa začne šíriť na rubínovom kryštáli.Pri stretnutí s d-červenými excitovanými iónmi Cr3+ tento fotón spôsobí už indukované žiarenie koherentné s primárnym fotónom.
Vďaka početným odrazom od leštených a postriebrených hrán rubínového monokryštálu sa intenzita žiarenia v kryštáli neustále zvyšuje. To sa deje len s tými fotónmi, smer šírenia je komotorykh zviera malý uhol s osou kryštálu. Oceľové žiarenie opúšťa kryštál cez bočný povrch a nezúčastňuje sa na tvorbe lúča žiarenia. Lúč žiarenia vychádza cez jeden z koncov, ktorým je priesvitné zrkadlo.
Veľký pokrok v zlepšovaní technológie v rôznych priemyselných odvetviach súvisí s používaním optických kvantových generátorov (laserov). Ako viete, laserové žiarenie sa výrazne líši od žiarenia iných nelaserových zdrojov svetla (tepelné, plynové výboje atď.). Tieto rozdiely viedli k širokému používaniu laserov v rôznych oblastiach vedy a techniky.
Zvážte základný dizajn laserov.
Vo všeobecnosti je bloková schéma optického kvantového generátora (OQC) znázornená na obr. 1 (v niektorých prípadoch môžu chýbať jednotky 4-7).
V aktívnej látke 1 sa pri pôsobení čerpania zosilňuje žiarenie, ktoré ňou prechádza, v dôsledku indukovaného (spôsobeného vonkajším elektromagnetickým poľom) žiarenia elektrónov prechádzajúcich z horných energetických hladín na nižšie. V tomto prípade vlastnosti účinnej látky určujú frekvenciu laserovej emisie.
Ako aktívnu látku možno použiť kryštalické alebo amorfné médiá, do ktorých sa vnášajú malé množstvá nečistôt aktívnych prvkov (v pevnolátkových laseroch); plyny alebo pary kovov (v plynových laseroch); tekuté roztoky organických farbív (v tekutých laseroch).
Ryža. 1. Bloková schéma optického kvantového generátora
Pomocou systému laserovej pumpy 3 sa v účinnej látke vytvárajú podmienky, ktoré umožňujú zosilnenie žiarenia. Na to je potrebné vytvoriť inverziu (redistribúciu) populácií energetických hladín atómov elektrónov, v ktorej je populácia horných úrovní väčšia ako populácia nižších. Ako čerpacie systémy sa používajú v pevnolátkových laseroch – plynových výbojkách, v plynových laseroch – zdrojoch jednosmerného prúdu, pulzných, HF a mikrovlnných generátoroch a v kvapalinových laseroch – LAG.
Aktívna látka lasera je umiestnená v optickom rezonátore 2, čo je sústava zrkadiel, z ktorých jedno je priesvitné a slúži na odstránenie laserového žiarenia z rezonátora.
Funkcie optického rezonátora sú pomerne rôznorodé: vytváranie pozitívnej spätnej väzby v generátore, vytváranie spektra laserového žiarenia atď.
Zariadenie 5 na výber režimu a stabilizáciu frekvencie je navrhnuté tak, aby zlepšilo kvalitu spektra výstupného žiarenia lasera, t.j. priblížilo ho spektru monochromatických kmitov.
V kvapalinových laseroch System 6 dosahuje široký rozsah ladenia frekvencie oscilácií. V prípade potreby možno v laseri dosiahnuť amplitúdovú alebo fázovú moduláciu žiarenia. So zariadením 7 sa zvyčajne používa externá modulácia.
Typy laserov
Moderné lasery možno klasifikovať podľa rôznych kritérií:
• podľa typu účinnej látky v nich použitej,
• podľa prevádzkového režimu (kontinuálne alebo impulzné generovanie, Q-spínaný režim),
• spektrálnymi vlastnosťami žiarenia (multimodové, jednovidové, jednofrekvenčné lasery) atď.
Najbežnejšia je prvá zo spomínaných klasifikácií.
Pevné lasery
Tieto lasery využívajú ako aktívnu látku kryštalické a amorfné médiá. Pevné lasery majú niekoľko výhod:
• vysoké hodnoty lineárneho zisku média, ktoré umožňujú získať laser s malými axiálnymi rozmermi lasera;
• možnosť získania extrémne vysokých hodnôt výstupného výkonu v pulznom režime.
Hlavné typy pevnolátkových laserov sú:
1. rubínové lasery, v ktorých sú aktívnym centrom ióny chrómu. Generujúce čiary ležia v červenej oblasti spektra (λ = 0,69 μm). Výstupný výkon žiarenia v kontinuálnom režime je niekoľko wattov, energia v pulznom režime je niekoľko stoviek joulov s trvaním impulzu rádovo 1 ms;
2. lasery na báze iónov kovov vzácnych zemín (hlavne neodýmových iónov). Dôležitou výhodou týchto laserov je možnosť použitia v nepretržitom režime pri izbovej teplote. Hlavná generačná línia týchto laserov je v infračervenej oblasti (λ = 1,06 μm). Úroveň výstupného výkonu v nepretržitom režime dosahuje 100-200 W s účinnosťou 1-2%.
Plynové lasery
Populačná inverzia v plynových laseroch sa dosahuje ako pomocou výbojov, tak aj pomocou iných typov čerpania: chemického, tepelného atď.
V porovnaní s pevnolátkovými plynovými lasermi majú množstvo výhod:
• pokrýva extrémne široký rozsah vlnových dĺžok 0,2-400 mikrónov;
• emisia plynových laserov je vysoko monochromatická a smerová;
• umožňujú dosiahnuť veľmi vysoké úrovne výstupného výkonu v nepretržitej prevádzke.
Hlavné typy plynových laserov:
1.Hélium neónové lasery… Hlavná vlnová dĺžka je vo viditeľnej časti spektra (λ = 0,63 μm). Výstupný výkon je zvyčajne menší ako 100 mW. V porovnaní so všetkými ostatnými typmi laserov poskytujú hélium-neónové lasery najvyšší stupeň výstupnej koherencie.
2. Medené parné lasery… Hlavná generácia žiarenia vzniká na dvoch čiarach, z ktorých jedna je v zelenej časti spektra (λ = 0,51 μm) a druhá v žltej (λ = 0,58 μm). Pulzný výkon v takýchto laseroch dosahuje 200 kW s priemerným výkonom asi 40 W.
3. Iónové plynové lasery... Najbežnejšími lasermi tohto typu sú argónové lasery (λ = 0,49 — 0,51 µm) a hélium-kadmiové lasery (λ = 0,44 µm).
4. Molekulárne CO2 lasery... Najvýkonnejšia generácia sa dosahuje pri λ = 10,6 μm. Výstupný výkon v režime cw CO2 laserov je extrémne vysoký a dosahuje 10 kW a viac s dostatočne vysokou účinnosťou 15-30% v porovnaní so všetkými ostatnými typmi laserov. Impulzné výkony = 10 MW sa dosahujú pri trvaní generovaných impulzov rádovo 10-100 ms.
Kvapalné lasery
Kvapalné lasery umožňujú ladenie v širokom rozsahu generovanej oscilačnej frekvencie (od λ = 0,3 µm do λ = 1,3 µm). V takýchto laseroch sú účinnou látkou spravidla kvapalné roztoky organických farbív (napríklad roztok rodamínu).
Parametre lasera
Súdržnosť
Charakteristickým znakom laserového žiarenia je jeho koherencia.
Koherencia sa chápe ako koordinovaný priebeh vlnových procesov v čase a priestore Priestorová koherencia — koherencia medzi fázami vĺn vysielaných súčasne z rôznych bodov v priestore a časová koherencia — koherencia medzi fázami vĺn vyžarovaných z jedného bodu. vo chvíľach zlomu v čase.
Koherentné elektromagnetické oscilácie — oscilácie dvoch alebo viacerých zdrojov s rovnakými frekvenciami a konštantným fázovým rozdielom. V rádiotechnike sa pojem koherencie rozširuje aj na zdroje kmitov, ktorých frekvencie nie sú rovnaké. Napríklad kmity 2 zdrojov sa považujú za koherentné, ak sú ich frekvencie f1 a e2 v racionálnom vzťahu, t.j. f1 / f2 = n / m, kde n a m sú celé čísla.
Zdroje kmitov, ktoré majú v pozorovacom intervale takmer rovnaké frekvencie a takmer rovnaký fázový rozdiel, alebo zdroje kmitov, ktorých pomer frekvencií sa len málo líši od racionálneho, sa nazývajú zdroje takmer koherentných kmitov.
Schopnosť interferencie je jednou z hlavných charakteristík koherentnej oscilácie. Treba poznamenať, že rušiť môžu iba koherentné vlny. V ďalšom sa ukáže, že množstvo oblastí použitia zdrojov optického žiarenia je založených práve na fenoméne interferencie.
Divergencia
Vysoká priestorová koherencia laserového žiarenia vedie k nízkej divergencii tohto žiarenia, ktorá závisí od vlnovej dĺžky λ a parametrov optickej dutiny použitej v laseri.
Pre bežné svetelné zdroje, aj keď sa používajú špeciálne zrkadlá, je uhol divergencie asi o jeden až dva rády väčší ako u laserov.
Nízka divergencia laserového žiarenia otvára možnosť získať vysokú hustotu svetelného toku pomocou konvenčných zaostrovacích šošoviek.
Vysoká smerovosť laserového žiarenia umožňuje vykonávať lokálne (prakticky v danom momente) analýzy, merania a účinky na danú látku.
Okrem toho vysoká priestorová koncentrácia laserového žiarenia vedie k výrazným nelineárnym javom, pri ktorých charakter prebiehajúcich procesov závisí od intenzity ožiarenia. Ako príklad môžeme uviesť multifotónovú absorpciu, ktorá sa pozoruje iba pri použití laserových zdrojov a vedie k zvýšeniu absorpcie energie hmotou pri vysokých výkonoch žiariča.
Monochromatický
Stupeň monochromatickosti žiarenia určuje frekvenčný rozsah, v ktorom sa nachádza hlavná časť výkonu žiariča. Tento parameter má veľký význam pri použití zdrojov optického žiarenia a je úplne určený stupňom časovej koherencie žiarenia.
V laseroch je všetka sila žiarenia sústredená v extrémne úzkych spektrálnych čiarach. Malá šírka emisnej čiary je dosiahnutá použitím optického rezonátora v laseri a je určená hlavne stabilitou rezonančnej frekvencie lasera.
Polarizácia
V rade zariadení zohráva určitú úlohu polarizácia žiarenia, ktorá charakterizuje prevládajúcu orientáciu vektora elektrického poľa vlny.
Bežné nelaserové zdroje sa vyznačujú chaotickou polarizáciou. Laserové žiarenie je kruhovo alebo lineárne polarizované. Najmä pri lineárnej polarizácii je možné použiť špeciálne zariadenia na otáčanie roviny polarizácie. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že pre množstvo potravinárskych výrobkov koeficient odrazu v absorpčnom pásme výrazne závisí od smeru roviny polarizácie žiarenia.
Trvanie impulzu. Použitie laserov tiež umožňuje získať žiarenie vo forme impulzov s veľmi krátkym trvaním (tp = 10-8-10-9 s). Zvyčajne sa to dosiahne moduláciou Q-faktora rezonátora, uzamknutím režimu atď.
V iných typoch zdrojov žiarenia je minimálna doba trvania impulzu o niekoľko rádov vyššia, čo je najmä šírka spektrálnej čiary.
Účinky laserového žiarenia na biologické objekty
Laserové žiarenie s vysokou hustotou energie v kombinácii s monochromaticitou a koherenciou je jedinečným faktorom ovplyvňujúcim biologické objekty. Monochromatickosť umožňuje selektívne ovplyvňovať určité molekulárne štruktúry objektov a koherencia a polarizácia v kombinácii s vysokým stupňom organizácie ožiarených systémov určujú špecifický kumulatívny (rezonančný) efekt, ktorý aj pri relatívne nízkych úrovniach žiarenia vedie k silnej fotostimulácii. procesov v bunkách až po fotomutagenézu.
Keď sú biologické objekty vystavené laserovému žiareniu, niektoré molekulárne väzby sú zničené alebo dochádza k štrukturálnej transformácii molekúl a tieto procesy sú selektívne, to znamená, že niektoré väzby sú úplne zničené ožiarením, zatiaľ čo iné sa prakticky nemenia. Takýto výrazný rezonančný charakter interakcie laserového žiarenia s molekulami otvára možnosť selektívnej katalýzy určitých metabolických reakcií, to znamená metabolických reakcií, svetelnej kontroly týchto reakcií. V tomto prípade hrá úlohu enzýmu laserové žiarenie.
Použitie takýchto vlastností laserových svetelných zdrojov otvára široké možnosti na zlepšenie priemyselnej biosyntézy.
Laserové ožarovanie kvasiniek sa môže použiť na cielenú biosyntézu napríklad karotenoidov a lipidov a v širšom zmysle na získanie nových mutantných kmeňov kvasiniek so zmenenou biosyntetickou orientáciou.
V mnohých potravinárskych odvetviach sa dá využiť schopnosť kontrolovať pomocou laserového ožarovania pomer aktivity enzýmov, ktoré štiepia molekuly proteínov na polypeptidové fragmenty a hydrolyzujú tieto fragmenty na aminokyseliny.
Pri priemyselnej výrobe kyseliny citrónovej sa laserovou stimuláciou dosiahne zvýšenie výťažnosti produktu o 60 % a zároveň sa zníži obsah vedľajších produktov. Laserová fotostimulácia lipogenézy v hubách umožňuje produkciu jedlých a technických tukov pri spracovaní nejedlých hubových surovín. Získali sa aj údaje o laserovej stimulácii tvorby reprodukčných orgánov v hubách používaných v mikrobiologickom priemysle.
Treba si uvedomiť, že na rozdiel od bežných svetelných zdrojov je laser schopný sterilizovať šťavy vo viditeľnej časti spektra, čím sa otvára možnosť sterilizácie pomocou laserov priamo cez sklo fľaše.
Bola zaznamenaná zaujímavá vlastnosť laserovej sterilizácie. Ak sa pri nízkej úrovni výkonu krivky prežitia mikrobiálnych buniek pre laserové ožarovanie a ožarovanie konvenčným zdrojom svetla prakticky zhodujú, potom pri mernom výkone laserového ožiarenia okolo 100 kW/cm2 dochádza k prudkému zvýšeniu účinnosti ožiarenia. sterilizačné pôsobenie laserového žiarenia , t.j. na dosiahnutie rovnakého účinku bunkovej smrti je potrebné oveľa menej energie ako pri použití zdroja s nízkou spotrebou energie.
Pri ožiarení nekoherentným zdrojom svetla sa tento efekt nepozoruje. Napríklad, keď sú bunky osvetlené silným impulzom, jeden záblesk stačí na to, aby rubínový laser zasiahol až 50% buniek, pričom rovnaká energia, absorbovaná po dlhú dobu, nielenže nespôsobí poškodenie. , ale vedie aj k zintenzívneniu procesov fotosyntézy v mikroorganizmoch.
Opísaný efekt možno vysvetliť tak, že za normálnych podmienok molekuly vstupujúce do fotochemickej reakcie absorbujú jedno kvantum svetla (jednofotónová absorpcia), čím sa zvyšuje ich reaktivita.Pri vysokých úrovniach dopadajúceho žiarenia je pravdepodobnosť dvoch- zvyšuje sa absorpcia fotónov, pri ktorej molekula absorbuje dva fotóny súčasne. V tomto prípade sa účinnosť chemických premien prudko zvyšuje a s väčšou účinnosťou sa poškodzuje štruktúra molekúl.
Pri vystavení silnému laserovému žiareniu dochádza k ďalším nelineárnym efektom, ktoré nie sú pozorované pri použití bežných svetelných zdrojov. Jedným z týchto efektov je premena časti výkonu žiarenia frekvencie f na žiarenie frekvencií 2f, 3f atď. (generovanie optických harmonických). Tento efekt je spôsobený nelineárnymi vlastnosťami ožiareného média pri vysokých úrovniach ožiarenia.
Keďže je známe, že biologické objekty sú najcitlivejšie na pôsobenie UV žiarenia, sterilizačný účinok harmonických bude najúčinnejší. Zároveň, ak je objekt priamo ožiarený zdrojom UV žiarenia, väčšina dopadajúceho výkonu žiariča sa pohltí v povrchových vrstvách. V opísanom prípade sa UV žiarenie vytvára vo vnútri samotného objektu, čo vedie k objemovému charakteru sterilizačného efektu. Je zrejmé, že v tomto prípade možno očakávať vyššiu účinnosť sterilizačného procesu.
Vysoký stupeň monochromatičnosti laserového žiarenia umožňuje sterilizovať jeden typ baktérií a zároveň stimulovať rast mikroorganizmov iného typu v binárnych bakteriálnych systémoch, teda cielenú „selektívnu“ sterilizáciu.
Okrem týchto oblastí použitia sa lasery využívajú aj na meranie rôznych veličín — spektroskopia, posuny objektov (interferenčná metóda), vibrácie, rýchlosti prúdenia (laserové anemometre), nehomogenity v opticky transparentných médiách. Pomocou laserov je možné sledovať kvalitu povrchu, študovať závislosť optických vlastností danej látky od vonkajších faktorov, merať kontamináciu prostredia mikroorganizmami a pod.