Lāzera starojuma pielietojums

Lāzers ir koherenta starojuma kvantu ģenerators (pastiprinātājs) optiskajā diapazonā. Termins "lāzers" ir veidots no pirmajiem burtiem angļu valodā amplification of light by stimulated emission of radiation. Atkarībā no aktīvā materiāla veida izšķir cietvielu lāzerus, gāzes un šķidros lāzerus.

No pirmā tipa lāzeriem visvairāk pētīts ir rubīns. Viens no agrākajiem šāda lāzera modeļiem izmanto trīsvērtīgā hroma jona Cr3+ enerģijas pārejas monolītā rubīna kristālā (Cr2O3, A12O3). Sūknējošā starojuma iedarbībā (ar viļņa garumu 5600 A) Cr3+ jons pāriet no 1. līmeņa uz 3. līmeni, no kura iespējamas lejupejošas pārejas uz 2. un 1. līmeni. Ja dominē pārejas uz metastabilo 2. līmeni un ja sūknēšana nodrošina pastu, populācijas inversiju 1. un 2. līmenī, tad populācija 2. līmenī pārsniegs 1. līmeņa populāciju.

Viena no Cr-joniem3+ spontānas pārejas gadījumā fotons ar frekvenci tiek emitēts no 2. līmeņa līdz 1. līmenim e12, kas sāk izplatīties uz rubīna kristāla.Saskaroties ar d-sarkanajiem ierosinātajiem Cr3+ joniem, šis fotons izraisa jau inducētu starojumu, kas ir koherents ar primāro fotonu.

Pateicoties daudzajiem atspīdumiem no rubīna monokristāla pulētajām un sudrabotajām malām, starojuma intensitāte kristālā tiek nepārtraukti palielināta. Tas notiek tikai ar tiem fotoniem, izplatīšanās virziens ir komotorykh veido nelielu leņķi ar kristāla asi. Tērauda starojums atstāj kristālu caur sānu virsmu un nepiedalās starojuma stara veidošanā. Radiācijas stars iziet caur vienu no galiem, kas ir caurspīdīgs spogulis.

Liels sasniegums tehnoloģiju uzlabošanā dažādās nozarēs ir saistīts ar optisko kvantu ģeneratoru (lāzeru) izmantošanu. Kā zināms, lāzera starojums būtiski atšķiras no citu ar lāzeru nesaistītu gaismas avotu starojuma (termiskā, gāzizlādes utt.). Šīs atšķirības ir izraisījušas plašu lāzeru izmantošanu dažādās zinātnes un tehnoloģiju jomās.

Apsveriet lāzeru pamata dizainu.

Kopumā optiskā kvantu ģeneratora (OQC) blokshēma ir parādīta attēlā. 1 (dažos gadījumos var nebūt 4.–7. disku).

Aktīvajā vielā 1, sūknējot, caur to ejošais starojums tiek pastiprināts, pateicoties inducētajam (ārēja elektromagnētiskā lauka radītajam) elektronu starojumam, kas pāriet no augšējiem enerģijas līmeņiem uz zemākajiem. Šajā gadījumā aktīvās vielas īpašības nosaka lāzera emisijas frekvenci.

Kā aktīvo vielu var izmantot kristālisku vai amorfu vidi, kurā tiek ievadīti nelieli aktīvo elementu piemaisījumi (cietvielu lāzeros); metālu gāzes vai tvaiki (gāzes lāzeros); organisko krāsvielu šķidrie šķīdumi (šķidros lāzeros).

Rīsi. 1. Optiskā kvantu ģeneratora blokshēma

Ar lāzersūkņa sistēmas 3 palīdzību aktīvajā vielā tiek radīti apstākļi, kas ļauj pastiprināt starojumu. Šim nolūkam ir jāizveido elektronu atomu enerģijas līmeņu populāciju inversija (pārdale), kurā augšējo līmeņu populācija ir lielāka nekā zemāko. Kā sūknēšanas sistēmas tās izmanto cietvielu lāzeros — gāzizlādes spuldzēs, gāzes lāzeros — līdzstrāvas avotos, impulsu, HF un mikroviļņu ģeneratoros un šķidros lāzeros — LAG.

Lāzera aktīvā viela tiek ievietota optiskajā rezonatorā 2, kas ir spoguļu sistēma, no kuriem viens ir caurspīdīgs un kalpo lāzera starojuma noņemšanai no rezonatora.

Optiskā rezonatora funkcijas ir diezgan dažādas: pozitīvas atgriezeniskās saites radīšana ģeneratorā, lāzera starojuma spektra veidošana utt.

Ierīce 5 režīma izvēlei un frekvences stabilizācijai ir paredzēta, lai uzlabotu lāzera izejas starojuma spektra kvalitāti, t.i., tuvinātu to monohromatisko svārstību spektram.

Šķidrajos lāzeros System 6 panāk plašu svārstību frekvences regulēšanas diapazonu. Ja nepieciešams, lāzerā var panākt starojuma amplitūdas vai fāzes modulāciju. Ārējo modulāciju parasti izmanto ar ierīci 7.

Lāzera veidi

Mūsdienu lāzerus var klasificēt pēc dažādiem kritērijiem:

• pēc tajos izmantotās aktīvās vielas veida,

• pēc darbības režīma (nepārtraukta vai impulsa ģenerēšana, Q-switched režīms),

• pēc starojuma spektrālajām īpašībām (daudzmodu, vienmoda, vienas frekvences lāzeri) u.c.

Visizplatītākā ir pirmā no minētajām klasifikācijām.

Cietvielu lāzeri

Šie lāzeri kā aktīvo vielu izmanto kristālisku un amorfu vidi. Cietvielu lāzeriem ir vairākas priekšrocības:

• augstas barotnes lineārā pastiprinājuma vērtības, kas ļauj iegūt lāzeru ar maziem lāzera aksiālajiem izmēriem;

• iespēja iegūt ārkārtīgi augstas izejas jaudas vērtības impulsa režīmā.

Galvenie cietvielu lāzeru veidi ir:

1. rubīna lāzeri, kuros hroma joni ir aktīvais centrs. Ģenerējošās līnijas atrodas spektra sarkanajā apgabalā (λ = 0,69 μm). Starojuma izejas jauda nepārtrauktā režīmā ir vairāki vati, enerģija impulsa režīmā ir vairāki simti džouli ar impulsa ilgumu 1 ms;

2. lāzeri, kuru pamatā ir retzemju metālu joni (galvenokārt neodīma joni). Būtiska šo lāzeru priekšrocība ir iespēja izmantot nepārtrauktā režīmā istabas temperatūrā. Šo lāzeru galvenā paaudzes līnija atrodas infrasarkanajā reģionā (λ = 1,06 μm). Izejas jaudas līmenis nepārtrauktā režīmā sasniedz 100-200 W ar efektivitāti 1-2%.

Gāzes lāzeri

Populācijas inversija gāzes lāzeros tiek panākta gan ar izlāžu palīdzību, gan ar cita veida sūknēšanas palīdzību: ķīmisko, termisko u.c.

Salīdzinot ar cietvielu gāzes lāzeriem, tiem ir vairākas priekšrocības:

• aptver ārkārtīgi plašu viļņu garumu diapazonu 0,2-400 mikroni;

• gāzes lāzeru emisija ir ļoti monohromatiska un virziena;

• ļauj sasniegt ļoti augstus izejas jaudas līmeņus nepārtrauktā darbībā.

Galvenie gāzes lāzeru veidi:

1.Hēlija neona lāzeri… Galvenais viļņa garums ir redzamajā spektra daļā (λ = 0,63 μm). Izejas jauda parasti ir mazāka par 100 mW. Salīdzinot ar visiem citiem lāzeru veidiem, hēlija-neona lāzeri nodrošina visaugstāko izvades saskaņotības pakāpi.

2. Vara tvaika lāzeri... Galvenā starojuma paaudze tiek veidota uz divām līnijām, no kurām viena atrodas spektra zaļajā daļā (λ = 0,51 μm), bet otra dzeltenajā (λ = 0,58 μm). Impulsu jauda šādos lāzeros sasniedz 200 kW ar vidējo jaudu aptuveni 40 W.

3. Jonu gāzes lāzeri... Visizplatītākie šāda veida lāzeri ir argona lāzeri (λ = 0,49 — 0,51 µm) un hēlija-kadmija lāzeri (λ = 0,44 µm).

4. Molekulārie CO2 lāzeri... Jaudīgākā paaudze tiek sasniegta pie λ = 10,6 μm. Izejas jauda CO2 lāzeru cw režīmā ir ārkārtīgi augsta un sasniedz 10 kW vai vairāk ar pietiekami augstu efektivitāti 15-30%, salīdzinot ar visiem citiem lāzeru veidiem. Impulsu jaudas = 10 MW tiek sasniegtas ar ģenerēto impulsu ilgumu 10-100 ms.

Šķidrie lāzeri

Šķidrie lāzeri ļauj regulēt plašā ģenerētās svārstību frekvences diapazonā (no λ = 0,3 µm līdz λ = 1,3 µm). Parasti šādos lāzeros aktīvā viela ir šķidri organisko krāsvielu šķīdumi (piemēram, rodamīna šķīdums).

Lāzera parametri

Saskaņotība

Lāzera starojuma atšķirīga iezīme ir tā saskaņotība.

Saskaņotība tiek saprasta kā saskaņota viļņu procesu norise laikā un telpā Telpiskā koherence — saskaņotība starp viļņu fāzēm, kas vienlaicīgi izstaro no dažādiem telpas punktiem, un temporālā koherence — saskaņotība starp viļņu fāzēm, kas izstaro no viena punkta. laika pārtraukuma brīžos.

Koherentās elektromagnētiskās svārstības — divu vai vairāku avotu svārstības ar vienādām frekvencēm un nemainīgu fāzu starpību. Radiotehnikā koherences jēdziens attiecas arī uz svārstību avotiem, kuru frekvences nav vienādas. Piemēram, 2 avotu svārstības tiek uzskatītas par koherentām, ja to frekvences f1 un e2 ir racionālā attiecībā, t.i. f1 / f2 = n / m, kur n un m ir veseli skaitļi.

Svārstību avotus, kuriem novērojuma intervālā ir gandrīz vienādas frekvences un gandrīz vienāda fāzu atšķirība, vai arī tādus svārstību avotus, kuru frekvenču attiecība maz atšķiras no racionālā, sauc par gandrīz koherentu svārstību avotiem.

Spēja traucēt ir viena no galvenajām koherento svārstību īpašībām. Jāņem vērā, ka traucēt var tikai koherenti viļņi. Turpmāk tiks parādīts, ka vairākas optiskā starojuma avotu izmantošanas jomas ir balstītas tieši uz traucējumu fenomenu.

Atšķirība

Lāzera starojuma augstā telpiskā koherence rada zemu šī starojuma diverģenci, kas ir atkarīga no viļņa garuma λ un lāzerā izmantotā optiskā dobuma parametriem.

Parastajiem gaismas avotiem, pat ja tiek izmantoti īpaši spoguļi, novirzes leņķis ir aptuveni par vienu līdz divām kārtām lielāks nekā lāzeriem.

Lāzera starojuma zemā diverģence paver iespēju iegūt lielu gaismas enerģijas plūsmas blīvumu, izmantojot parastās fokusēšanas lēcas.

Lāzera starojuma augstā virziena spēja ļauj veikt lokālas (praktiski noteiktā brīdī) analīzes, mērījumus un ietekmi uz konkrēto vielu.

Turklāt augstā lāzera starojuma telpiskā koncentrācija izraisa izteiktas nelineāras parādības, kurās notiekošo procesu raksturs ir atkarīgs no apstarošanas intensitātes. Kā piemēru mēs varam norādīt uz daudzfotonu absorbciju, kas tiek novērota tikai tad, ja tiek izmantoti lāzera avoti, un tas izraisa enerģijas absorbcijas palielināšanos matērijā pie lielām emitētāja jaudām.

Vienkrāsains

Starojuma monohromatiskuma pakāpe nosaka frekvenču diapazonu, kurā atrodas galvenā emitētāja jaudas daļa. Šim parametram ir liela nozīme, izmantojot optiskā starojuma avotus, un to pilnībā nosaka starojuma temporālās koherences pakāpe.

Lāzeros visa starojuma jauda ir koncentrēta ārkārtīgi šaurās spektra līnijās. Nelielais emisijas līnijas platums tiek panākts, lāzerā izmantojot optisko rezonatoru, un to galvenokārt nosaka tā rezonanses frekvences stabilitāte.

Polarizācija

Vairākās ierīcēs noteiktu lomu spēlē starojuma polarizācija, kas raksturo viļņa elektriskā lauka vektora dominējošo orientāciju.

Kopējos nelāzera avotus raksturo haotiska polarizācija. Lāzera starojums ir cirkulāri vai lineāri polarizēts. Jo īpaši ar lineāro polarizāciju var izmantot īpašas ierīces, lai pagrieztu polarizācijas plakni. Šajā sakarā jāatzīmē, ka vairākiem pārtikas produktiem atstarošanas koeficients absorbcijas joslā ir būtiski atkarīgs no starojuma polarizācijas plaknes virziena.

Impulsa ilgums. Lāzeru izmantošana ļauj iegūt arī starojumu ļoti īsu impulsu veidā (tp = 10-8-10-9 s). To parasti panāk, modulējot rezonatora Q koeficientu, režīma bloķēšanu utt.

Citu veidu starojuma avotos minimālais impulsa ilgums ir par vairākām kārtām lielāks, kas jo īpaši ir spektrālās līnijas platums.

Lāzera starojuma ietekme uz bioloģiskiem objektiem

Lāzera starojums ar augstu enerģijas blīvumu kombinācijā ar monohromatitāti un saskaņotību ir unikāls faktors, kas ietekmē bioloģiskos objektus. Monohromatiskums dod iespēju selektīvi ietekmēt noteiktas objektu molekulārās struktūras, savukārt koherence un polarizācija apvienojumā ar augstu apstaroto sistēmu organizācijas pakāpi nosaka specifisku kumulatīvo (rezonanses) efektu, kas pat pie salīdzinoši zema starojuma līmeņa izraisa spēcīgu fotostimulāciju. procesus šūnās, līdz fotomutaģenēzei.

Kad bioloģiskie objekti tiek pakļauti lāzera starojumam, dažas molekulārās saites tiek iznīcinātas vai notiek molekulu strukturāla transformācija, un šie procesi ir selektīvi, tas ir, dažas saites tiek pilnībā iznīcinātas apstarošanas rezultātā, bet citas praktiski nemainās. Šāds izteikts rezonanses raksturs lāzera starojuma mijiedarbībai ar molekulām paver iespēju selektīvi katalizēt noteiktas vielmaiņas reakcijas, tas ir, vielmaiņas reakcijas, šo reakciju gaismas kontroli. Šajā gadījumā lāzera starojums spēlē fermenta lomu.

Šādu lāzera gaismas avotu īpašību izmantošana paver plašas iespējas rūpnieciskās biosintēzes uzlabošanai.

Rauga apstarošanu ar lāzeru var izmantot mērķtiecīgai, piemēram, karotinoīdu un lipīdu biosintēzei, un plašākā nozīmē, lai iegūtu jaunus mutantu rauga celmus ar mainītu biosintētisko orientāciju.

Vairākās pārtikas rūpniecībā var izmantot spēju kontrolēt, izmantojot lāzera apstarošanu, to enzīmu aktivitātes attiecību, kas sadala olbaltumvielu molekulas polipeptīdu fragmentos un hidrolizē šos fragmentus aminoskābēs.

Citronskābes rūpnieciskajā ražošanā ar lāzerstimulāciju tiek panākts produkta iznākuma pieaugums par 60% un vienlaikus tiek samazināts blakusproduktu saturs. Lāzera fotostimulācija lipoģenēzei sēnēs ļauj ražot pārtikas un tehniskos taukus neēdamo sēņu izejvielu pārstrādes laikā. Tika iegūti arī dati par reproduktīvo orgānu veidošanās lāzerstimulāciju mikrobioloģiskajā rūpniecībā izmantotajām sēnēm.

Jāpiebilst, ka atšķirībā no parastajiem gaismas avotiem lāzers spēj sterilizēt sulas redzamajā spektra daļā, kas paver iespēju sterilizēt, izmantojot lāzerus tieši caur pudeles stiklu.

Ir atzīmēta interesanta lāzera sterilizācijas iezīme. Ja pie mazas jaudas līmeņa mikrobu šūnu izdzīvošanas līknes lāzera apstarošanas un apstarošanas ar parasto gaismas avotu praktiski sakrīt, tad, kad lāzera apstarošanas īpatnējā jauda ir aptuveni 100 kW/cm2, ir vērojams straujš lāzera apstarošanas efektivitātes pieaugums. lāzera starojuma sterilizējošā darbība, t.i. lai panāktu tādu pašu šūnu nāves efektu, ir nepieciešams daudz mazāk enerģijas nekā izmantojot mazjaudas avotu.

Apstarojot ar nesakarīgu gaismas avotu, šis efekts netiek novērots. Piemēram, kad šūnas tiek apgaismotas ar spēcīgu impulsu, pietiek ar vienu zibspuldzi, lai rubīna lāzers trāpītu līdz pat 50% šūnu, savukārt tā pati enerģija, ilgstoši absorbēta, ne tikai neizraisa bojājumus. , bet arī noved pie mikroorganismu fotosintēzes procesu intensifikācijas.

Aprakstītais efekts ir izskaidrojams ar to, ka normālos apstākļos molekulas, kas nonāk fotoķīmiskā reakcijā, absorbē vienu gaismas kvantu (viena fotona absorbcija), kas palielina to reaktivitāti.Pie augsta līmeņa krītošā starojuma var rasties divu- palielinās fotonu absorbcija, kurā molekula vienlaikus absorbē divus fotonus. Šajā gadījumā strauji palielinās ķīmisko pārvērtību efektivitāte un ar lielāku efektivitāti tiek bojāta molekulu struktūra.

Ja tiek pakļauts spēcīgam lāzera starojumam, rodas citi nelineāri efekti, kas netiek novēroti, izmantojot parastos gaismas avotus. Viens no šiem efektiem ir frekvences f starojuma jaudas daļas pārvēršana 2f, 3f uc frekvenču starojumā. (optisko harmoniku ģenerēšana). Šis efekts ir saistīts ar apstarotās vides nelineārajām īpašībām augstā apstarošanas līmenī.

Tā kā ir zināms, ka bioloģiskie objekti ir visjutīgākie pret UV starojuma iedarbību, harmoniku sterilizējošā iedarbība būs visefektīvākā. Tajā pašā laikā, ja objektu apstaro tieši ar UV starojuma avotu, lielākā daļa emitētāja krītošās jaudas tiks absorbēta virsmas slāņos. Aprakstītajā gadījumā UV starojums tiek ģenerēts pašā objektā, kas noved pie sterilizējošā efekta tilpuma rakstura. Acīmredzot šajā gadījumā var sagaidīt lielāku sterilizācijas procesa efektivitāti.

Lāzera starojuma augstā monohromatiskuma pakāpe var dot iespēju sterilizēt viena veida baktērijas, vienlaikus stimulējot cita veida mikroorganismu augšanu binārajās baktēriju sistēmās, tas ir, veikt mērķtiecīgu "selektīvu" sterilizāciju.

Papildus šīm pielietojuma jomām lāzeri tiek izmantoti arī dažādu lielumu mērīšanai — spektroskopijai, objektu nobīdēm (interferences metode), vibrācijām, plūsmas ātrumiem (lāzeranemometriem), neviendabīgumam optiski caurspīdīgā vidē. Ar lāzeru palīdzību iespējams uzraudzīt virsmas kvalitāti, pētīt dotās vielas optisko īpašību atkarību no ārējiem faktoriem, izmērīt vides piesārņojumu ar mikroorganismiem u.c.