Anvendelse af laserstråling

Laser - en kvantegenerator (forstærker) af kohærent stråling i det optiske område. Udtrykket «laser» er dannet ud fra de første bogstaver i det engelske navn forstærkning af lys ved stimuleret emission af stråling. Afhængigt af typen af ​​aktivt materiale skelnes der mellem faststoflasere, gas- og flydende lasere.

Af lasere af den første type er rubin den mest undersøgte. En af de tidligste modeller af en sådan laser bruger energiovergange af den trivalente chromion Cr3+ i en monolitisk rubinkrystal (Cr2O3, A12O3). Under påvirkning af pumpende stråling (med en bølgelængde af størrelsesordenen 5600 A) passerer Cr3+ ionen fra niveau 1 til niveau 3, hvorfra nedadgående overgange til niveau 2 og 1 er mulige. Hvis overgange til metastabilt niveau 2 dominerer, og hvis pumpning giver post, inversion af befolkningen på niveau 1 og 2, så vil befolkningen på niveau 2 overstige befolkningen på niveau 1.

I tilfælde af en spontan overgang af en af ​​Cr-ionerne3+ udsendes en foton med frekvens fra niveau 2 til niveau 1 e12, som begynder at forplante sig på rubinkrystallen.Ved at støde på d-røde exciterede Cr3+-ioner forårsager denne foton allerede induceret stråling, der er kohærent med den primære foton.

På grund af talrige refleksioner fra de polerede og forsølvede kanter af rubin-enkeltkrystallen øges strålingsintensiteten i krystallen kontinuerligt. Dette sker kun med disse fotoner, udbredelsesretningen er komotorykh laver en lille vinkel med krystallens akse. Stålstrålingen forlader krystallen gennem sidefladen og deltager ikke i dannelsen af ​​strålingsstrålen. Strålingsstrålen kommer ud gennem en af ​​enderne, som er et gennemskinnelig spejl.

Et stort fremskridt i forbedringen af ​​teknologien i forskellige industrier er relateret til brugen af ​​optiske kvantegeneratorer (lasere). Som du ved, adskiller laserstråling sig væsentligt fra strålingen fra andre ikke-laserlyskilder (termisk, gasudladning osv.). Disse forskelle har ført til den udbredte brug af lasere inden for forskellige områder af videnskab og teknologi.

Overvej det grundlæggende design af lasere.

Generelt er blokdiagrammet for en optisk kvantegenerator (OQC) vist i fig. 1 (i nogle tilfælde kan drev 4-7 mangle).

I det aktive stof 1, under påvirkning af pumpning, forstærkes strålingen, der passerer gennem det, på grund af den inducerede (forårsaget af et eksternt elektromagnetisk felt) stråling af elektroner, der passerer fra de øvre energiniveauer til de lavere. I dette tilfælde bestemmer egenskaberne af det aktive stof laseremissionsfrekvensen.

Som aktivt stof kan der anvendes krystallinske eller amorfe medier, hvori små mængder af urenheder af aktive elementer indføres (i faststoflasere); gasser eller dampe af metal (i gaslasere); flydende opløsninger af organiske farvestoffer (i flydende lasere).

Ris. 1. Blokdiagram over en optisk kvantegenerator

Ved hjælp af laserpumpesystemet 3 skabes der forhold i det aktive stof, som gør det muligt at forstærke strålingen. Til dette er det nødvendigt at skabe en inversion (omfordeling) af populationerne af energiniveauerne for elektronatomerne, hvor populationen af ​​de øvre niveauer er større end de lavere. Som pumpesystemer bruges de i faststoflasere - gasudladningslamper, i gaslasere - jævnstrømskilder, pulserende, HF- og mikrobølgegeneratorer og i flydende lasere - LAG'er.

Det aktive stof i laseren er anbragt i en optisk resonator 2, som er et system af spejle, hvoraf det ene er gennemskinnelig og tjener til at fjerne laserstråling fra resonatoren.

Funktionerne af den optiske resonator er ret forskellige: skabe positiv feedback i generatoren, danne spektret af laserstråling osv.

Indretningen 5 til modusvalg og frekvensstabilisering er designet til at forbedre kvaliteten af ​​spektret af udgangsstrålingen fra laseren, dvs. at bringe det tættere på spektret af monokromatiske svingninger.

I flydende lasere opnår System 6 en bred vifte af tuning af oscillationsfrekvens. Om nødvendigt kan amplitude- eller fasemodulation af strålingen opnås i laseren. Ekstern modulation bruges normalt med enhed 7.

Laser typer

Moderne lasere kan klassificeres efter forskellige kriterier:

• efter typen af ​​aktivt stof, der anvendes i dem,

• efter driftstilstand (kontinuerlig eller pulserende generering, Q-switched mode),

• ved strålingens spektrale egenskaber (multi-mode, single-mode, enkelt-frekvens lasere) osv.

Den mest almindelige er den første af de nævnte klassifikationer.

Solid state lasere

Disse lasere bruger krystallinske og amorfe medier som det aktive stof. Solid-state lasere har en række fordele:

• høje værdier af mediets lineære forstærkning, som gør det muligt at opnå en laser med små aksiale dimensioner af laseren;

• mulighed for at opnå ekstremt høje udgangseffektværdier i pulstilstand.

De vigtigste typer af faststoflasere er:

1. rubinlasere, hvor chromioner er det aktive center. Genereringslinjerne ligger i det røde område af spektret (λ = 0,69 μm). Udgangseffekten af ​​strålingen i kontinuerlig tilstand er flere watt, energien i pulseret tilstand er flere hundrede joule med en pulsvarighed af størrelsesordenen 1 ms;

2. lasere baseret på sjældne jordarters metalioner (hovedsageligt neodymioner). En vigtig fordel ved disse lasere er evnen til at blive brugt i kontinuerlig tilstand ved stuetemperatur. Hovedgenerationslinjen for disse lasere er i det infrarøde område (λ = 1,06 μm). Udgangseffektniveauet i kontinuerlig tilstand når 100-200 W med en effektivitet på 1-2%.

Gas lasere

Populationsinversion i gaslasere opnås både ved hjælp af udledninger og ved hjælp af andre former for pumpning: kemisk, termisk osv.

Sammenlignet med faststofgaslasere har de en række fordele:

• dækker et ekstremt bredt område af bølgelængder 0,2-400 mikron;

• emissionen af ​​gaslasere er meget monokromatisk og retningsbestemt;

• muliggør opnåelse af meget høje udgangseffektniveauer ved kontinuerlig drift.

De vigtigste typer af gaslasere:

1.Helium neon lasere... Hovedbølgelængden er i den synlige del af spektret (λ = 0,63 μm). Udgangseffekten er normalt mindre end 100 mW. Sammenlignet med alle andre typer lasere giver helium-neon-lasere den højeste grad af outputkohærens.

2. Kobberdamplasere... Hovedgenereringen af ​​stråling skabes på to linjer, hvoraf den ene er i den grønne del af spektret (λ = 0,51 μm) og den anden i den gule (λ = 0,58 μm). Pulseffekten i sådanne lasere når 200 kW med en gennemsnitlig effekt på omkring 40 W.

3. Iongaslasere... De mest almindelige lasere af denne type er argonlasere (λ = 0,49 — 0,51 µm) og helium-cadmium-lasere (λ = 0,44 µm).

4. Molekylære CO2-lasere... Den kraftigste generation opnås ved λ = 10,6 μm. Udgangseffekten i cw-tilstanden af ​​CO2-lasere er ekstremt høj og når 10 kW eller mere med en tilstrækkelig høj effektivitet på 15-30 % sammenlignet med alle andre typer lasere. Pulseffekter = 10 MW opnås med en varighed af de genererede impulser i størrelsesordenen 10-100 ms.

Flydende lasere

Væskelasere tillader tuning over et bredt område af den genererede oscillationsfrekvens (fra λ = 0,3 µm til λ = 1,3 µm). Som regel er det aktive stof i sådanne lasere flydende opløsninger af organiske farvestoffer (for eksempel rhodaminopløsning).

Laser parametre

Sammenhæng

Et karakteristisk træk ved laserstråling er dens sammenhæng.

Kohærens forstås som et koordineret forløb af bølgeprocesser i tid og rum Rumlig sammenhæng — sammenhængen mellem faserne af de bølger, der udsendes samtidigt fra forskellige punkter i rummet, og tidsmæssig sammenhæng — sammenhængen mellem faserne af de bølger, der udsendes fra et punkt i øjeblikke af en pause i tiden.

Kohærente elektromagnetiske oscillationer — oscillationer af to eller flere kilder med samme frekvenser og en konstant faseforskel. I radioteknik strækker begrebet kohærens sig også til kilder til svingninger, hvis frekvenser ikke er ens. Eksempelvis anses oscillationerne af 2 kilder for at være sammenhængende, hvis deres frekvenser f1 og e2 er i et rationelt forhold, dvs. f1 / f2 = n / m, hvor n og m er heltal.

Kilder til svingninger, der i observationsintervallet har næsten ens frekvenser og næsten samme faseforskel, eller kilder til svingninger, hvis frekvensforhold afviger lidt fra det rationelle, kaldes kilder til næsten sammenhængende svingninger.

Evnen til at interferere er en af ​​hovedkarakteristikaene ved kohærent oscillation. Det skal bemærkes, at kun sammenhængende bølger kan forstyrre. I det følgende vil det blive vist, at en række anvendelsesområder for optiske strålingskilder netop er baseret på fænomenet interferens.

Divergens

Den høje rumlige kohærens af laserstrålingen fører til en lav divergens af denne stråling, som afhænger af bølgelængden λ og parametrene for det optiske hulrum, der anvendes i laseren.

For almindelige lyskilder, selv når der bruges specielle spejle, er divergensvinklen omkring en til to størrelsesordener større end for lasere.

Den lave divergens af laserstrålingen åbner mulighed for at opnå en høj fluxtæthed af lysenergi ved brug af konventionelle fokuseringslinser.

Laserstrålingens høje retningsevne gør det muligt at udføre lokale (praktisk talt på et givet tidspunkt) analyser, målinger og effekter på et givent stof.

Derudover fører den høje rumlige koncentration af laserstråling til udtalte ikke-lineære fænomener, hvor karakteren af ​​de igangværende processer afhænger af intensiteten af ​​bestrålingen. Som et eksempel kan vi pege på multifotonabsorption, som kun observeres ved brug af laserkilder og fører til en stigning i energiabsorption af stof ved høje emitterkræfter.

Monokrom

Graden af ​​monokromaticitet af strålingen bestemmer frekvensområdet, hvori hoveddelen af ​​emitterens effekt er indeholdt. Denne parameter er af stor betydning ved brug af kilder til optisk stråling og er helt bestemt af graden af ​​tidsmæssig sammenhæng af strålingen.

I lasere er al strålingseffekt koncentreret i ekstremt smalle spektrallinjer. Den lille bredde af emissionslinjen opnås ved at bruge en optisk resonator i laseren og bestemmes hovedsageligt af stabiliteten af ​​sidstnævntes resonansfrekvens.

Polarisering

I en række enheder spilles en vis rolle af polariseringen af ​​strålingen, som karakteriserer den overvejende orientering af vektoren af ​​bølgens elektriske felt.

Almindelige ikke-laserkilder er karakteriseret ved kaotisk polarisering. Laserstråling er cirkulært eller lineært polariseret. Især med lineær polarisering kan specielle enheder bruges til at rotere polariseringsplanet. I denne henseende skal det bemærkes, at for et antal fødevareprodukter afhænger refleksionskoefficienten inden for absorptionsbåndet væsentligt af retningen af ​​strålingens polariseringsplan.

Puls varighed. Brugen af ​​lasere gør det også muligt at opnå stråling i form af impulser af meget kort varighed (tp = 10-8-10-9 s). Dette opnås normalt ved at modulere resonatorens Q-faktor, moduslåsning osv.

I andre typer strålingskilder er den minimale pulsvarighed flere størrelsesordener højere, hvilket i særdeleshed dermed er bredden af ​​spektrallinjen.

Effekter af laserstråling på biologiske objekter

Laserstråling med høj energitæthed i kombination med monokromaticitet og sammenhæng er en unik faktor, der påvirker biologiske objekter. Monokromaticitet gør det muligt selektivt at påvirke visse molekylære strukturer af objekter, og sammenhæng og polarisering, kombineret med en høj grad af organisering af bestrålede systemer, bestemmer en specifik kumulativ (resonans) effekt, som selv ved relativt lave niveauer af stråling fører til stærk fotostimulering af processer i celler, til fotomutagenese.

Når biologiske objekter udsættes for laserstråling, ødelægges nogle molekylære bindinger, eller der sker en strukturel transformation af molekyler, og disse processer er selektive, det vil sige, at nogle bindinger ødelægges fuldstændigt ved bestråling, mens andre praktisk talt ikke ændres. En sådan udtalt resonanskarakter af interaktionen af ​​laserstråling med molekyler åbner muligheden for selektiv katalyse af visse metaboliske reaktioner, det vil sige metaboliske reaktioner, lyskontrol af disse reaktioner. I dette tilfælde spiller laserstråling rollen som et enzym.

Brugen af ​​sådanne egenskaber ved laserlyskilder åbner store muligheder for at forbedre industriel biosyntese.

Laserbestråling af gær kan bruges til målrettet biosyntese af f.eks. carotenoider og lipider, og mere bredt til at opnå nye mutante gærstammer med ændret biosyntetisk orientering.

I en række fødevareindustrier kan evnen til ved hjælp af laserbestråling at kontrollere aktivitetsforholdet mellem enzymer, der nedbryder proteinmolekyler til polypeptidfragmenter og hydrolyserer disse fragmenter til aminosyrer.

Ved industriel produktion af citronsyre opnår laserstimulering en stigning i produktudbyttet med 60 % og reducerer samtidig indholdet af biprodukter. Laserfotostimulering af lipogenese i svampe muliggør produktion af spiselige og tekniske fedtstoffer under forarbejdning af uspiselige svampe råvarer. Der blev også indhentet data om laserstimulering af dannelsen af ​​forplantningsorganer i svampe anvendt i den mikrobiologiske industri.

Det skal bemærkes, at laseren i modsætning til konventionelle lyskilder er i stand til at sterilisere saft i den synlige del af spektret, hvilket åbner mulighed for sterilisering ved hjælp af lasere direkte gennem flaskens glas.

Et interessant træk ved lasersterilisering er blevet bemærket. Hvis overlevelseskurverne for mikrobielle celler til laserbestråling og bestråling med en konventionel lyskilde på et lavt effektniveau praktisk talt falder sammen, så når den specifikke effekt af laserbestråling er omkring 100 kW/cm2, er der en kraftig stigning i effektiviteten af steriliserende virkning af laserstråling, dvs. at opnå den samme effekt af celledød kræver meget mindre energi end at bruge en lav strømkilde.

Ved bestråling med en usammenhængende lyskilde observeres denne effekt ikke. For eksempel, når cellerne belyses med en kraftig puls, er et blink nok til, at rubinlaseren rammer op til 50% af cellerne, mens den samme energi, absorberet i lang tid, ikke kun forårsager skade , men fører også til intensivering af fotosynteseprocesser i mikroorganismer.

Den beskrevne effekt kan forklares ved, at molekyler, der under normale forhold indgår i en fotokemisk reaktion, absorberer ét kvantum af lys (en-foton-absorption), hvilket øger deres reaktivitet Ved høje niveauer af indfaldende stråling er sandsynligheden for to- fotonabsorptionen øges, hvor et molekyle absorberer to fotoner samtidigt. I dette tilfælde øges effektiviteten af ​​kemiske transformationer kraftigt, og strukturen af ​​molekyler beskadiges med større effektivitet.

Når de udsættes for kraftig laserstråling, opstår der andre ikke-lineære effekter, som ikke observeres ved brug af konventionelle lyskilder. En af disse effekter er omdannelsen af ​​en del af strålingseffekten af ​​frekvens f til stråling af frekvenserne 2f, 3f osv. (generering af optiske harmoniske). Denne effekt skyldes de ikke-lineære egenskaber af det bestrålede medium ved høje bestrålingsniveauer.

Da det er kendt, at biologiske objekter er mest følsomme over for virkningen af ​​UV-stråling, vil den steriliserende virkning af harmoniske være mest effektiv. På samme tid, hvis en genstand bestråles direkte med en kilde til UV-stråling, vil størstedelen af ​​den indfaldende effekt fra emitteren blive absorberet i overfladelagene. I det beskrevne tilfælde genereres UV-strålingen inde i selve objektet, hvilket fører til den volumetriske karakter af den steriliserende effekt. I dette tilfælde kan der naturligvis forventes større effektivitet af steriliseringsprocessen.

Den høje grad af monokromaticitet af laserstråling kan gøre det muligt at sterilisere én type bakterier, samtidig med at man stimulerer væksten af ​​mikroorganismer af en anden type i binære bakteriesystemer, det vil sige at producere målrettet "selektiv" sterilisering.

Ud over disse anvendelsesområder bruges lasere også til at måle forskellige mængder - spektroskopi, forskydninger af objekter (interferensmetode), vibrationer, strømningshastigheder (laseranemometre), inhomogeniteter i optisk transparente medier. Ved hjælp af lasere er det muligt at overvåge overfladens kvalitet, at studere afhængigheden af ​​et givet stofs optiske egenskaber af eksterne faktorer, at måle forurening af miljøet med mikroorganismer mv.