Прилагане на лазерно лъчение

Лазер — квантов генератор (усилвател) на кохерентно излъчване на оптичния обхват. Терминът «лазер» се образува от първите букви на английското наименование усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация. В зависимост от вида на активния материал се прави разлика между твърдотелни лазери, газови и течни лазери.

От лазерите от първия тип рубинът е най -изучаван. Един от най -ранните модели на такъв лазер използва енергийни преходи на тривалентния хромов йон Cr3+ в монолитен кристал от рубин (Cr2О3, А12О3). Под действието на изпомпващата радиация (с дължина на вълната от порядъка на 5600 А), йонът Cr3+ преминава от ниво 1 към ниво 3, от което са възможни низходящи преходи към нива 2 и 1. Ако преобладават преходите към метастабилно ниво 2 и ако изпомпването осигурява пост, инверсията на населението на нива 1 и 2, тогава популацията на ниво 2 ще надхвърли населението на ниво 1.

В случай на спонтанен преход на един от Cr -йони3+ фотон с честота се излъчва от ниво 2 до ниво 1 е12, който започва да се разпространява върху рубинения кристал. Vсреща с д -ругими възбудени йони Cr3+, този фотон причинява вече индуцирана радиация, кохерентна с първичния фотон.

Поради многобройни отражения от полираните и сребърни краища на рубиновия монокристал, интензитетът на излъчване в кристала непрекъснато се увеличава. Това се случва само с тези фотони, посоката на разпространение е къмотоrykh прави малък ъгъл с оста на кристала. Остоманената радиация напуска кристала през страничната повърхност и не участва в образуването на лъчевия лъч. Радиационният лъч излиза през един от краищата, който е полупрозрачно огледало.

Голям напредък в подобряването на технологиите в различни индустрии е свързан с използването на оптични квантови генератори (лазери). Както знаете, лазерното лъчение се различава значително от излъчването на други нелазерни източници на светлина (термично, газоразряд и др.). Тези различия доведоха до широкото използване на лазери в различни области на науката и технологиите.

Помислете за основния дизайн на лазерите.

В най -общ вид блоковата диаграма на оптичен квантов генератор (OQC) е показана на фиг. 1 (в някои случаи устройства 4-7 може да липсват).

В активното вещество 1, под действието на изпомпване, излъчването, преминаващо през него, се усилва поради индуцираното (причинено от външно електромагнитно поле) излъчване на електрони, преминаващи от горните енергийни нива към по -ниските. В този случай свойствата на активното вещество определят честотата на излъчване на лазера.

Като активно вещество могат да се използват кристални или аморфни среди, в които се внасят малки количества примеси от активни елементи (в твърдотелни лазери); газове или пари на метали (в газови лазери); течни разтвори на органични багрила (в течни лазери).

Ориз. 1. Блокова диаграма на оптичен квантов генератор

С помощта на лазерната помпена система 3 се създават условия в активното вещество, което прави възможно усилването на радиацията. За това е необходимо да се създаде инверсия (преразпределение) на популациите на енергийните нива на атомите от електрони, при които населението на горните нива е по -голямо от това на долните. Като помпени системи те се използват в твърдотелни лазери — газоразрядни лампи, в газови лазери — източници на постоянен ток, импулсни, ВЧ и микровълнови генератори и в течни лазери — LAG.

Активното вещество на лазера е поставено в оптичен резонатор 2, който представлява система от огледала, едното от които е полупрозрачно и служи за извеждане на лазерно лъчение от резонатора.

Функциите на оптичния резонатор са доста разнообразни: създаване на положителна обратна връзка в генератора, формиране на спектъра на лазерното излъчване и т.н.

Устройството 5 за избор на режим и стабилизация на честотата е предназначено да подобри качеството на спектъра на изходното излъчване на лазера, т.е.да го доближи до спектъра на монохроматични трептения.

В течните лазери система 6 постига широк диапазон от настройка на честотата на трептене. Ако е необходимо, в лазера може да се постигне амплитудна или фазова модулация на радиацията. Външната модулация обикновено се използва с устройство 7.

Лазерни видове

Съвременните лазери могат да бъдат класифицирани по различни критерии:

• по вида на активното вещество, използвано в тях,

• чрез режим на работа (непрекъснато или импулсно генериране, режим с Q-превключване),

• чрез спектрални свойства на излъчването (многомодови, едномодови, едночестотни лазери) и др.

Най -често срещаната е първата от посочените класификации.

Твърдотелни лазери

Тези лазери използват кристални и аморфни среди като активно вещество. Твърдотелните лазери имат редица предимства:

• високи стойности на линейното усилване на средата, които дават възможност да се получи лазер при малки аксиални размери на лазера;

• възможност за получаване на изключително високи стойности на изходната мощност в импулсен режим.

Основните видове твърдотелни лазери са:

1. рубинени лазери, в които хромовите йони са активният център. Генериращите линии лежат в червената област на спектъра (λ = 0,69 μm). Изходната мощност на излъчването в непрекъснат режим е няколко вата, енергията в импулсен режим е няколкостотин джаула с продължителност на импулса от порядъка на 1 ms;

2. лазери на базата на йони на редкоземни метали (главно на неодимови йони). Важно предимство на тези лазери е възможността да се използват в непрекъснат режим при стайна температура. Основната генерационна линия на тези лазери се намира в инфрачервената област (λ = 1,06 μm). Нивото на изходна мощност в непрекъснат режим достига 100-200 W с ефективност 1-2%.

Газови лазери

Инверсията на населението в газовите лазери се постига както с помощта на разряди, така и с помощта на други видове изпомпване: химически, термични и др.

В сравнение с твърдотелните газови лазери те имат редица предимства:

• обхваща изключително широк диапазон от дължини на вълните 0,2-400 микрона;

• излъчването на газови лазери е силно монохроматично и насочено;

• позволяват да се постигнат много високи нива на изходна мощност при непрекъсната работа.

Основните видове газови лазери:

1. Неонови лазери с хелий… Основната дължина на вълната се намира във видимата част на спектъра (λ = 0,63 μm). Изходната мощност обикновено е по -малка от 100 mW. В сравнение с всички други видове лазери, хелиево-неоновите лазери осигуряват най-висока степен на кохерентност на изхода.

2. Лазери с медни пари… Основното поколение радиация се създава на две линии, едната от които се намира в зелената част на спектъра (λ = 0,51 μm), а другата в жълтата (λ = 0,58 μm). Мощността на импулса в такива лазери достига 200 kW със средна мощност около 40 W.

3. Йонни газови лазери… Най -често срещаните лазери от този тип са аргонови лазери (λ = 0,49 — 0,51 µm) и хелий -кадмиеви лазери (λ = 0,44 µm).

4. Молекулярни CO2 лазери… Най-мощната генерация се постига при λ = 10.6 μm. Изходната мощност в режим cw на CO2 лазери е изключително висока и достига 10 kW или повече с достатъчно висока ефективност от 15-30% в сравнение с всички други видове лазери. Импулсните мощности = 10 MW се постигат при продължителност на генерираните импулси от порядъка на 10-100 ms.

Течни лазери

Течните лазери позволяват настройка в широк диапазон на генерираната честота на трептене (от λ = 0,3 µm до λ = 1,3 µm). По правило в такива лазери активното вещество са течни разтвори на органични багрила (например разтвор на родамин).

Лазерни параметри

Кохерентност

Отличителна черта на лазерното лъчение е неговата кохерентност.

Кохерентността се разбира като координиран ход на вълновите процеси във времето и пространството.Условно се различава пространствената кохерентност — съгласуваността между фазите на вълните, излъчвани едновременно от различни точки в пространството, и времевата кохерентност — съгласуваността между фазите на вълните, излъчвани от една точка в моментите на прекъсване във времето.

Кохерентни електромагнитни трептения — трептения на два или повече източника с еднакви честоти и постоянна фазова разлика. В радиотехниката концепцията за кохерентност се простира и до източници на трептения, чиито честоти не са равни. Например, трептенията на 2 източника се считат за кохерентни, ако техните честоти f1 и е2 са в рационална връзка, т.е. f1 / f2 = n / m, където н и м —цели числа.

Източници на трептения, които в интервала на наблюдение имат почти равни честоти и почти еднаква фазова разлика, или източници на трептения, чието честотно съотношение се различава малко от рационалното, се наричат ​​източници на почти кохерентни трептения.

Способността да се намесва е една от основните характеристики на кохерентното трептене. Трябва да се отбележи, че само кохерентни вълни могат да се намесват. По -нататък ще бъде показано, че редица области на приложение на източниците на оптично излъчване се основават именно на явлението интерференция.

Дивергенция

Високата пространствена кохерентност на лазерното лъчение води до ниска дивергенция на това излъчване, което зависи от дължината на вълната λ и параметрите на оптичния резонатор, използван в лазера.

За обикновените източници на светлина, дори когато се използват специални огледала, ъгълът на разминаване е с около един до два порядъка по -голям от този на лазерите.

Ниското разминаване на лазерното лъчение отваря възможността за получаване на висока плътност на потока от светлинна енергия с помощта на конвенционални фокусиращи лещи.

Високата насоченост на лазерното излъчване дава възможност за извършване на локални (практически в даден момент) анализи, измервания и въздействия върху дадено вещество.

В допълнение, високата пространствена концентрация на лазерното лъчение води до изразени нелинейни явления, при които естеството на протичащите процеси зависи от интензивността на облъчването. Като пример можем да посочим многофотонна абсорбция, която се наблюдава само при използване на лазерни източници и води до увеличаване на абсорбцията на енергия от материята при големи мощности на излъчвателя.

Едноцветност

Степента на монохроматичност на излъчването определя честотния диапазон, в който се съдържа основната част от мощността на излъчвателя. Този параметър е от голямо значение при използване на източници на оптично излъчване и се определя изцяло от степента на времева кохерентност на радиацията.

В лазерите цялата мощност на излъчване е концентрирана в изключително тесни спектрални линии. Малката ширина на емисионната линия се постига чрез използване на оптичен резонатор в лазера и се определя главно от стабилността на резонансната честота на последния.

Поляризация

В редица устройства определена роля играе поляризацията на радиацията, която характеризира преобладаващата ориентация на вектора на електрическото поле на вълната.

За обикновените нелазерни източници е характерна хаотичната поляризация. Лазерното излъчване е кръгово или линейно поляризирано. По -специално, с линейна поляризация могат да се използват специални устройства за завъртане на равнината на поляризация. В тази връзка трябва да се отбележи, че за редица хранителни продукти коефициентът на отражение в рамките на абсорбционната лента зависи значително от посоката на равнината на поляризация на радиацията.

Продължителност на импулса. Използването на лазери също дава възможност за получаване на радиация под формата на импулси с много кратка продължителност (tp = 10-8-10-9 s). Това обикновено се постига чрез модулиране на Q-фактора на резонатора, заключване на режима и т.н.

При други видове източници на радиация минималната продължителност на импулса е с няколко порядъка по -висока, което, по -специално, по този начин е ширината на спектралната линия.

Ефекти на лазерното лъчение върху биологични обекти

Лазерното излъчване с висока енергийна плътност в комбинация с монохроматичност и кохерентност е уникален фактор, влияещ върху биологичните обекти. Монохроматичността дава възможност за селективно въздействие върху определени молекулни структури на обекти, а кохерентността и поляризацията, комбинирани с висока степен на организация на облъчените системи, определят специфичен кумулативен (резонансен) ефект, който дори при относително ниски нива на радиация води до силна фотостимулация на процесите в клетките, до фотомутагенеза.

Когато биологичните обекти са изложени на лазерно излъчване, някои молекулярни връзки се разрушават или настъпва структурната трансформация на молекулите и тези процеси са селективни, тоест някои връзки се разрушават напълно чрез облъчване, докато други практически не се променят. Такъв ясно изразен резонансен характер на взаимодействието на лазерното лъчение с молекули отваря възможността за селективна катализа на определени метаболитни реакции, тоест метаболитни реакции, контрол на светлината на тези реакции. В този случай лазерното лъчение играе ролята на ензим.

Използването на такива свойства на лазерни източници на светлина отваря широки възможности за засилване на индустриалната биосинтеза.

Лазерното облъчване на дрожди може да се използва за целенасочена биосинтеза, например на каротеноиди и липиди, и в по -широк смисъл, за получаване на нови мутантни щамове дрожди с променена биосинтетична ориентация.

В редица хранителни индустрии може да се използва способността да се контролира, използвайки лазерно облъчване, съотношението на активността на ензимите, които разграждат протеиновите молекули до полипептидни фрагменти и хидролизират тези фрагменти до аминокиселини.

При промишленото производство на лимонена киселина лазерната стимулация постига увеличаване на добива на продукт с 60% и в същото време намалява съдържанието на странични продукти. Лазерната фотостимулация на липогенезата при гъбички дава възможност за получаване на годни за консумация и технически мазнини по време на обработката на негодни за консумация суровини от гъби. Получени са и данни за лазерно стимулиране на образуването на репродуктивни органи при гъби, използвани в микробиологичната индустрия.

Трябва да се отбележи, че за разлика от конвенционалните източници на светлина, лазерът е в състояние да стерилизира сокове във видимата част на спектъра, което отваря възможността за стерилизация с помощта на лазери директно през стъклото на бутилката.

Отбелязана е интересна особеност на лазерната стерилизация. Ако при ниско ниво на мощност кривите на оцеляване на микробни клетки за лазерно облъчване и облъчване с конвенционален източник на светлина практически съвпадат, тогава когато специфичната мощност на лазерното облъчване е около 100 kW / cm2, има рязко увеличаване на ефективността на стерилизиращото действие на лазерното лъчение, т.е. за постигане на един и същ ефект на клетъчна смърт изисква много по-малко енергия, отколкото при използване на източник с ниска мощност.

При облъчване с некохерентен източник на светлина този ефект не се наблюдава. Например, когато клетките са осветени с мощен импулс, една светкавица е достатъчна, за да може рубиненият лазер да удари до 50% от клетките, докато същата енергия, погълната за дълго време, не само не причинява щети, но и води до интензифициране на процесите на фотосинтеза в микроорганизмите.

Описаният ефект може да се обясни с факта, че при нормални условия молекулите, влизащи във фотохимична реакция, поглъщат един квант светлина (еднофотонно поглъщане), което увеличава тяхната реактивност.При високи нива на падаща радиация се увеличава вероятността от двуфотонно поглъщане, при което молекула абсорбира два фотона едновременно. В този случай ефективността на химичните трансформации рязко се увеличава и структурата на молекулите се уврежда с по -голяма ефективност.

При излагане на мощно лазерно излъчване възникват други нелинейни ефекти, които не се наблюдават при използване на конвенционални източници на светлина. Един от тези ефекти е преобразуването на част от мощността на излъчване с честота f в радиация с честоти 2 f, 3 f и т.н. (генериране на оптични хармоници). Този ефект се дължи на нелинейните свойства на облъчената среда при високи нива на облъчване.

Тъй като е известно, че биологичните обекти са най -чувствителни към действието на UV лъчението, стерилизиращият ефект на хармониците ще бъде най -ефективен. В същото време, ако обект е облъчен директно с източник на UV лъчение, по -голямата част от падащата мощност на излъчвателя ще се абсорбира в повърхностните слоеве. В описания случай, UV радиацията се генерира вътре в самия обект, което води до обемния характер на стерилизиращия ефект. Очевидно в този случай може да се очаква по -голяма ефективност на процеса на стерилизация.

Високата степен на монохроматичност на лазерното лъчение може да направи възможно стерилизирането на един вид бактерии, като същевременно стимулира растежа на микроорганизми от друг тип в двоични бактериални системи, тоест да се произведе целенасочена „селективна“ стерилизация.

В допълнение към тези области на приложение, лазерите се използват и за измерване на различни величини — спектроскопия, измествания на обекти (метод на интерференция), вибрации, скорости на потока (лазерни анемометри), нехомогенности в оптично прозрачни среди. С помощта на лазери е възможно да се следи качеството на повърхността, да се изследва зависимостта на оптичните свойства на дадено вещество от външни фактори, да се измерва замърсяването на средата с микроорганизми и т.н.