Laserkiirguse rakendamine

Laser - optilises vahemikus koherentse kiirguse kvantgeneraator (võimendi). Mõiste "laser" on moodustatud ingliskeelse nimetuse "amplification of light by stimulated emission of radiation" esimestest tähtedest. Sõltuvalt aktiivse materjali tüübist eristatakse tahkislasereid, gaasi- ja vedellasereid.

Esimest tüüpi laseritest on enim uuritud rubiin. Sellise laseri üks varasemaid mudeleid kasutab kolmevalentse kroomiooni Cr3+ energiasiirdeid monoliitses rubiinkristallis (Cr2O3, A12O3). Pumpava kiirguse toimel (lainepikkusega suurusjärgus 5600 A) läheb Cr3+ ioon tasemelt 1 tasemele 3, kust on võimalikud allapoole üleminekud tasemetele 2 ja 1. Kui domineerivad üleminekud metastabiilsele tasemele 2 ja kui pumpamine annab posti, populatsiooni ümberpööramine tasemel 1 ja 2, siis 2. taseme populatsioon ületab 1. taseme populatsiooni.

Ühe Cr-iooni3+ spontaanse ülemineku korral eraldub sagedusega footon tasemelt 2 tasemeni 1 e12, mis hakkab rubiinkristallil levima.Kohtudes d-punase ergastatud Cr3+ ioonidega, põhjustab see footon juba indutseeritud kiirgust, mis on koherentne primaarse footoniga.

Rubiini monokristalli poleeritud ja hõbetatud servade arvukate peegelduste tõttu suureneb kiirguse intensiivsus kristallis pidevalt. See juhtub ainult nende footonitega, levimise suund on komotorykh, mis moodustab kristalli teljega väikese nurga. Terasekiirgus väljub kristallist läbi külgpinna ega osale kiirguskiire tekkes. Kiirguskiir väljub ühest otsast, milleks on poolläbipaistev peegel.

Suur edasiminek tehnoloogia täiustamisel erinevates tööstusharudes on seotud optiliste kvantgeneraatorite (laserite) kasutamisega. Teatavasti erineb laserkiirgus oluliselt teiste mitte-laservalgusallikate (termiline, gaaslahendus jne) kiirgusest. Need erinevused on toonud kaasa laserite laialdase kasutamise erinevates teaduse ja tehnoloogia valdkondades.

Mõelge laserite põhikonstruktsioonile.

Üldiselt on optilise kvantgeneraatori (OQC) plokkskeem näidatud joonisel fig. 1 (mõnel juhul võivad kettad 4–7 puududa).

Toimeaines 1 suureneb pumpamise toimel seda läbiv kiirgus elektronide indutseeritud (välise elektromagnetvälja poolt põhjustatud) kiirguse tõttu, mis liigub ülemistelt energiatasemetelt madalamatele. Sel juhul määravad laserkiirguse sageduse toimeaine omadused.

Toimeainena võib kasutada kristallilist või amorfset keskkonda, millesse sisestatakse väikeses koguses aktiivsete elementide lisandeid (tahkelaserites); metallide gaasid või aurud (gaaslaserites); orgaaniliste värvainete vedelad lahused (vedellaserites).

Riis. 1. Optilise kvantgeneraatori plokkskeem

Laserpumbasüsteemi 3 abil luuakse toimeaines tingimused, mis võimaldavad kiirgust võimendada. Selleks on vaja luua elektronide aatomite energiatasemete populatsioonide inversioon (ümberjaotus), milles ülemiste tasandite populatsioon on suurem kui alumistel. Pumpamissüsteemidena kasutatakse neid tahkislaserites — gaaslahenduslampides, gaaslaserites — alalisvooluallikates, impulss-, kõrgsagedus- ja mikrolainegeneraatorites ning vedellaserites — LAG-des.

Laseri toimeaine asetatakse optilisse resonaatorisse 2, mis on peeglite süsteem, millest üks on poolläbipaistev ja mille ülesandeks on laserkiirguse eemaldamine resonaatorist.

Optilise resonaatori funktsioonid on üsna mitmekesised: generaatoris positiivse tagasiside loomine, laserkiirguse spektri moodustamine jne.

Režiimi valimise ja sageduse stabiliseerimise seade 5 on ette nähtud laseri väljundkiirguse spektri kvaliteedi parandamiseks, st selle lähendamiseks monokromaatiliste võnkumiste spektrile.

Vedellaserites saavutab System 6 laias valikus võnkesageduse häälestamist. Vajadusel saab laseris saavutada kiirguse amplituud- või faasimodulatsiooni. Välist modulatsiooni kasutatakse tavaliselt seadmega 7.

Laseri tüübid

Kaasaegseid lasereid saab klassifitseerida erinevate kriteeriumide järgi:

• neis kasutatud toimeaine tüübi järgi;

• töörežiimi järgi (pidev või impulssgenereerimine, Q-lülitusrežiim),

• kiirguse spektraalsete omaduste järgi (mitmemoodilised, ühemoodilised, ühesageduslikud laserid) jne.

Kõige tavalisem on nimetatud klassifikatsioonidest esimene.

Tahkislaserid

Need laserid kasutavad toimeainena kristalset ja amorfset keskkonda. Tahkislaseritel on mitmeid eeliseid:

• kandja lineaarse võimenduse kõrged väärtused, mis võimaldavad saada laseri väikeste aksiaalsete mõõtmetega laserit;

• võimalus saada impulssrežiimis ülikõrgeid väljundvõimsuse väärtusi.

Tahkislaserite peamised tüübid on:

1. rubiinlaserid, mille aktiivne keskus on kroomiioonid. Genereerivad jooned asuvad spektri punases piirkonnas (λ = 0,69 μm). Pidevas režiimis on kiirguse väljundvõimsus mitu vatti, impulssrežiimis on energia mitusada džauli impulsi kestusega suurusjärgus 1 ms;

2. haruldaste muldmetallide ioonidel (peamiselt neodüümioonidel) põhinevad laserid. Nende laserite oluline eelis on võimalus kasutada pidevas režiimis toatemperatuuril. Nende laserite peamine genereerimisliin asub infrapuna piirkonnas (λ = 1,06 μm). Väljundvõimsuse tase pidevas režiimis ulatub 100-200 W-ni efektiivsusega 1-2%.

Gaaslaserid

Populatsiooni ümberpööramine gaasilaserites saavutatakse nii väljalaske kui ka teist tüüpi pumpamise abil: keemilised, termilised jne.

Võrreldes tahkisgaaslaseritega on neil mitmeid eeliseid:

• katab äärmiselt laia lainepikkuste vahemikku 0,2-400 mikronit;

• gaaslaserite emissioon on väga monokromaatiline ja suunatud;

• võimaldab saavutada pidevas töös väga kõrge väljundvõimsuse taseme.

Peamised gaasilaserite tüübid:

1.Heeliumneoonlaserid… Peamine lainepikkus on spektri nähtavas osas (λ = 0,63 μm). Väljundvõimsus on tavaliselt alla 100 mW. Võrreldes kõigi teiste laseritüüpidega, tagavad heelium-neoonlaserid kõrgeima väljundi koherentsuse.

2. Vase aurulaserid… Kiirguse põhigeneratsioon tekib kahel joonel, millest üks asub spektri rohelises osas (λ = 0,51 μm) ja teine ​​kollases (λ = 0,58 μm). Selliste laserite impulsivõimsus ulatub 200 kW-ni keskmise võimsusega umbes 40 W.

3. Ioongaaslaserid... Levinuimad seda tüüpi laserid on argoonlaserid (λ = 0,49 — 0,51 µm) ja heelium-kaadmiumlaserid (λ = 0,44 µm).

4. Molekulaarsed CO2 laserid... Kõige võimsam generatsioon saavutatakse λ = 10,6 μm juures. Väljundvõimsus CO2 laserite cw režiimis on ülikõrge ja ulatub 10 kW või enamani ning kõigi teiste laserite tüüpidega võrreldes on piisavalt kõrge kasutegur 15-30%. Impulsi võimsus = 10 MW saavutatakse genereeritud impulsside kestusega suurusjärgus 10-100 ms.

Vedellaserid

Vedellaserid võimaldavad häälestada genereeritud võnkesageduse laias vahemikus (λ = 0,3 µm kuni λ = 1,3 µm). Reeglina on sellistes laserites toimeaineks orgaaniliste värvainete vedelad lahused (näiteks rodamiini lahus).

Laseri parameetrid

Sidusus

Laserkiirguse eripäraks on selle koherentsus.

Koherentsi all mõistetakse laineprotsesside koordineeritud kulgu ajas ja ruumis Ruumiline koherentsus — erinevatest ruumipunktidest samaaegselt kiirgavate lainete faaside vaheline koherentsus ja ajaline koherents — ühest punktist kiirgavate lainete faaside vaheline koherentsus. ajamurdmise hetkedel.

Koherentsed elektromagnetvõnked – kahe või enama allika võnkumised, millel on sama sagedus ja konstantne faaside erinevus. Raadiotehnikas laieneb koherentsuse mõiste ka võnkeallikatele, mille sagedused ei ole võrdsed. Näiteks loetakse 2 allika võnkumisi koherentseks, kui nende sagedused f1 ja e2 on ratsionaalses seoses, s.t. f1 / f2 = n / m, kus n ja m on täisarvud.

Peaaegu koherentsete võnkumiste allikateks nimetatakse võnkeallikaid, mille sagedused on vaatlusvahemikus peaaegu võrdsed ja faaside erinevus peaaegu sama, või võnkeallikaid, mille sagedussuhe erineb ratsionaalsest vähe.

Võime sekkuda on koherentse võnkumise üks peamisi omadusi. Tuleb märkida, et segada võivad ainult koherentsed lained. Järgnevalt näidatakse, et mitmed optilise kiirguse allikate kasutusvaldkonnad põhinevad just interferentsi nähtusel.

Lahknevus

Laserkiirguse suur ruumiline koherentsus toob kaasa selle kiirguse väikese divergentsi, mis sõltub lainepikkusest λ ja laseris kasutatava optilise õõnsuse parameetritest.

Tavaliste valgusallikate puhul on isegi spetsiaalsete peeglite kasutamisel lahknemisnurk umbes üks kuni kaks suurusjärku suurem kui laseritel.

Laserkiirguse madal lahknevus avab võimaluse saada tavaliste teravustamisläätsede abil valgusenergia suurt voo tihedust.

Laserkiirguse suur suunatavus võimaldab teha antud aine lokaalseid (praktiliselt antud hetkel) analüüse, mõõtmisi ja mõjusid.

Lisaks põhjustab laserkiirguse kõrge ruumiline kontsentratsioon väljendunud mittelineaarseid nähtusi, mille käigus toimuvate protsesside olemus sõltub kiirituse intensiivsusest. Näitena võime tuua välja multifotoni neeldumise, mida täheldatakse ainult laserallikate kasutamisel ja mis suurendab energia neeldumist aines suure emitteri võimsuse korral.

Ühevärviline

Kiirguse monokromaatilisuse aste määrab sagedusvahemiku, milles asub põhiosa emitteri võimsusest. See parameeter on optilise kiirguse allikate kasutamisel väga oluline ja selle määrab täielikult kiirguse ajalise koherentsuse määr.

Laserites on kogu kiirgusvõimsus koondunud äärmiselt kitsastesse spektrijoontesse. Emissioonijoone väike laius saavutatakse laseris optilise resonaatori kasutamisega ja selle määrab peamiselt viimase resonantssageduse stabiilsus.

Polarisatsioon

Paljudes seadmetes mängib teatud rolli kiirguse polarisatsioon, mis iseloomustab laine elektrivälja vektori valdavat orientatsiooni.

Tavalisi mitte-laserallikaid iseloomustab kaootiline polarisatsioon. Laserkiirgus on tsirkulaarselt või lineaarselt polariseeritud. Eelkõige saab lineaarse polarisatsiooni korral kasutada polarisatsioonitasandi pööramiseks spetsiaalseid seadmeid. Sellega seoses tuleb märkida, et paljude toiduainete puhul sõltub peegelduskoefitsient neeldumisribas oluliselt kiirguse polarisatsioonitasandi suunast.

Pulsi kestus. Samuti võimaldab laserite kasutamine saada kiirgust väga lühikese kestusega (tp = 10-8-10-9 s) impulsside kujul. Tavaliselt saavutatakse see resonaatori Q-teguri moduleerimise, režiimiluku jne abil.

Teist tüüpi kiirgusallikate puhul on minimaalne impulsi kestus mitu suurusjärku suurem, mis on seega eelkõige spektrijoone laius.

Laserkiirguse mõju bioloogilistele objektidele

Suure energiatihedusega laserkiirgus koos monokromaatilisuse ja koherentsusega on ainulaadne bioloogilisi objekte mõjutav tegur. Monokromaatsus võimaldab selektiivselt mõjutada objektide teatud molekulaarstruktuure ning koherentsus ja polarisatsioon koos kiiritatud süsteemide kõrge organiseerituse astmega määravad spetsiifilise kumulatiivse (resonants)efekti, mis isegi suhteliselt madala kiirgustaseme korral põhjustab tugevat fotostimulatsiooni. rakkudes toimuvate protsesside, fotomutageneesi.

Kui bioloogilised objektid puutuvad kokku laserkiirgusega, hävivad mõned molekulaarsed sidemed või toimub molekulide struktuurne transformatsioon ning need protsessid on selektiivsed, st mõned sidemed hävivad täielikult kiiritamise mõjul, teised aga praktiliselt ei muutu. Laserkiirguse ja molekulide interaktsiooni selline väljendunud resonantsi iseloom avab võimaluse teatud metaboolsete reaktsioonide, st metaboolsete reaktsioonide selektiivseks katalüüsiks, nende reaktsioonide valguse juhtimiseks. Sel juhul mängib laserkiirgus ensüümi rolli.

Laservalgusallikate selliste omaduste kasutamine avab laiad võimalused tööstusliku biosünteesi tõhustamiseks.

Pärmi laserkiirgust saab kasutada näiteks karotenoidide ja lipiidide sihipäraseks biosünteesiks ning laiemalt uute muudetud biosünteesi orientatsiooniga mutantsete pärmitüvede saamiseks.

Mitmetes toiduainetööstuses saab kasutada võimalust kontrollida laserkiirguse abil nende ensüümide aktiivsuse suhet, mis lagundavad valgu molekule polüpeptiidi fragmentideks ja hüdrolüüsivad need fragmendid aminohapeteks.

Sidrunhappe tööstuslikus tootmises saavutatakse laserstimulatsiooniga toote saagise suurenemine 60% võrra ja samal ajal väheneb kõrvalsaaduste sisaldus. Seente lipogeneesi laserfotostimulatsioon võimaldab mittesöödavate seente tooraine töötlemisel toota toidu- ja tehnilisi rasvu. Samuti saadi andmeid mikrobioloogiatööstuses kasutatavate seente suguelundite moodustumise laserstimuleerimise kohta.

Tuleb märkida, et erinevalt tavapärastest valgusallikatest on laser võimeline steriliseerima spektri nähtavas osas mahlasid, mis avab võimaluse steriliseerida laserite abil otse läbi pudeli klaasi.

Täheldatud on lasersteriliseerimise huvitavat omadust. Kui väikese võimsuse korral langevad mikroobirakkude ellujäämiskõverad laserkiirguse ja tavapärase valgusallikaga kiiritamise korral praktiliselt kokku, siis kui laserkiirguse erivõimsus on umbes 100 kW / cm2, suureneb laserkiirguse efektiivsus järsult. laserkiirguse steriliseeriv toime , st. sama rakusurma efekti saavutamiseks kulub palju vähem energiat kui väikese võimsusega allika kasutamine.

Ebaühtlase valgusallikaga kiiritamisel seda efekti ei täheldata. Näiteks kui rakke valgustatakse võimsa impulsiga, piisab ühest välgust, et rubiinlaser tabaks kuni 50% rakkudest, samas kui sama kaua neelduv energia mitte ainult ei põhjusta kahjustusi. , vaid põhjustab ka fotosünteesi protsesside intensiivistumist mikroorganismides.

Kirjeldatud efekti võib seletada sellega, et normaalsetes tingimustes neelavad fotokeemilisse reaktsiooni sattuvad molekulid ühe valguskvanti (ühefootoniline neeldumine), mis suurendab nende reaktsioonivõimet.Suurtel langeva kiirguse tasemetel on tõenäosus kahe- suureneb footonite neeldumine, mille puhul molekul neelab korraga kaks footonit. Sel juhul suureneb järsult keemiliste transformatsioonide efektiivsus ja molekulide struktuur rikutakse suurema efektiivsusega.

Tugeva laserkiirgusega kokkupuutel ilmnevad muud mittelineaarsed efektid, mida tavaliste valgusallikate kasutamisel ei täheldata. Üks neist mõjudest on osa sagedusega f kiirgusvõimsusest teisendamine sagedusega 2f, 3f jne kiirguseks. (optiliste harmooniliste genereerimine). See efekt on tingitud kiiritatud keskkonna mittelineaarsetest omadustest kõrgel kiiritustasemel.

Kuna on teada, et bioloogilised objektid on UV-kiirguse mõju suhtes kõige tundlikumad, on harmooniliste steriliseeriv toime kõige tõhusam. Samal ajal, kui objekti kiiritatakse otse UV-kiirguse allikaga, neeldub suurem osa emitteri langevast võimsusest pinnakihtides. Kirjeldatud juhul tekib UV-kiirgus objekti enda sees, mis toob kaasa steriliseeriva efekti mahulise olemuse. Ilmselgelt võib sel juhul eeldada steriliseerimisprotsessi suuremat efektiivsust.

Laserkiirguse kõrge monokromaatilisuse aste võimaldab steriliseerida ühte tüüpi baktereid, stimuleerides samal ajal teist tüüpi mikroorganismide kasvu binaarsetes bakterisüsteemides, st toota sihipärast "selektiivset" steriliseerimist.

Lisaks nendele kasutusaladele kasutatakse lasereid ka erinevate suuruste mõõtmiseks — spektroskoopia, objektide nihked (interferentsimeetod), vibratsioonid, voolukiirused (laseranemomeetrid), ebahomogeensused optiliselt läbipaistvas keskkonnas. Laserite abil on võimalik jälgida pinna kvaliteeti, uurida antud aine optiliste omaduste sõltuvust välisteguritest, mõõta keskkonna saastumist mikroorganismidega jne.