Uporaba laserskega sevanja

Laser je kvantni generator (ojačevalnik) koherentnega sevanja v optičnem območju. Izraz "laser" je sestavljen iz prvih črk angleškega imena ojačitev svetlobe s stimulirano emisijo sevanja. Glede na vrsto aktivnega materiala ločimo polprevodniške laserje, plinske in tekoče laserje.

Od laserjev prve vrste je rubin najbolj raziskan. Eden najzgodnejših modelov takšnega laserja uporablja energijske prehode trivalentnega kromovega iona Cr3+ v monolitnem rubinastem kristalu (Cr2O3, A12O3). Pod delovanjem črpalnega sevanja (z valovno dolžino reda 5600 A) ion Cr3+ preide iz nivoja 1 v nivo 3, od koder so možni prehodi navzdol na nivoja 2 in 1. Če prevladujejo prehodi na metastabilni nivo 2 in če črpanje zagotavlja post, inverzijo populacije na ravneh 1 in 2, potem bo populacija na ravni 2 presegla populacijo na ravni 1.

V primeru spontanega prehoda enega od Cr-ionov3+ se iz nivoja 2 na nivo 1 e12 oddaja foton s frekvenco, ki se začne širiti na rubinastem kristalu.Ta foton ob srečanju z d-rdečimi vzbujenimi ioni Cr3+ povzroči že inducirano sevanje, koherentno s primarnim fotonom.

Zaradi številnih odbojev od poliranih in posrebrenih robov rubinastega monokristala se intenzivnost sevanja v kristalu nenehno povečuje. To se zgodi samo s tistimi fotoni, katerih smer širjenja komotorih tvori majhen kot z osjo kristala. Jekleno sevanje zapusti kristal skozi stransko površino in ne sodeluje pri tvorbi žarka sevanja. Žarek sevanja izstopa skozi enega od koncev, ki je prosojno ogledalo.

Velik napredek pri izboljšanju tehnologije v različnih panogah je povezan z uporabo optičnih kvantnih generatorjev (laserjev). Kot veste, se lasersko sevanje bistveno razlikuje od sevanja drugih nelaserskih svetlobnih virov (toplotni, plinski, itd.). Te razlike so povzročile široko uporabo laserjev na različnih področjih znanosti in tehnologije.

Razmislite o osnovni zasnovi laserjev.

Na splošno je blokovni diagram optičnega kvantnega generatorja (OQC) prikazan na sl. 1 (v nekaterih primerih lahko manjkajo pogoni 4-7).

V aktivni snovi 1 se pod delovanjem črpanja poveča sevanje, ki prehaja skozi njo, zaradi induciranega (z zunanjim elektromagnetnim poljem) sevanja elektronov, ki prehajajo z zgornjih energijskih nivojev na spodnje. V tem primeru lastnosti aktivne snovi določajo frekvenco laserskega sevanja.

Kot aktivno snov se lahko uporabijo kristalni ali amorfni mediji, v katere so vnesene majhne količine nečistoč aktivnih elementov (v trdnih laserjih); plini ali hlapi kovin (v plinskih laserjih); tekoče raztopine organskih barvil (v tekočih laserjih).

riž. 1. Blokovna shema optičnega kvantnega generatorja

S pomočjo sistema laserske črpalke 3 se v aktivni snovi ustvarijo pogoji, ki omogočajo ojačanje sevanja. Za to je potrebno ustvariti inverzijo (prerazporeditev) populacij energijskih ravni atomov elektronov, pri kateri je populacija zgornjih ravni večja od populacije spodnjih. Kot črpalni sistemi se uporabljajo v polprevodniških laserjih - plinskih žarnicah, v plinskih laserjih - virih enosmernega toka, impulznih, HF in mikrovalovnih generatorjih ter v tekočih laserjih - LAG.

Aktivna snov laserja je nameščena v optičnem resonatorju 2, ki je sistem zrcal, od katerih je eno prosojno in služi za odstranjevanje laserskega sevanja iz resonatorja.

Funkcije optičnega resonatorja so precej raznolike: ustvarjanje pozitivne povratne informacije v generatorju, oblikovanje spektra laserskega sevanja itd.

Naprava 5 za izbiro načina in stabilizacijo frekvence je zasnovana tako, da izboljša kakovost spektra izhodnega sevanja laserja, to je, da ga približa spektru monokromatskih nihanj.

Pri tekočih laserjih sistem 6 dosega širok razpon uravnavanja frekvence nihanja. Po potrebi lahko v laserju dosežemo amplitudno ali fazno modulacijo sevanja. Zunanja modulacija se običajno uporablja z napravo 7.

Vrste laserjev

Sodobne laserje lahko razvrstimo po različnih merilih:

• glede na vrsto uporabljene učinkovine,

• po načinu delovanja (kontinuirana ali impulzna proizvodnja, Q-preklopni način),

• po spektralnih lastnostih sevanja (večmodni, enomodni, enofrekvenčni laserji) itd.

Najpogostejša je prva od omenjenih klasifikacij.

Polprevodniški laserji

Ti laserji kot aktivno snov uporabljajo kristalni in amorfni medij. Polprevodniški laserji imajo številne prednosti:

• visoke vrednosti linearnega ojačanja medija, ki omogočajo pridobitev laserja z majhnimi aksialnimi dimenzijami laserja;

• možnost pridobivanja izjemno visokih vrednosti izhodne moči v impulznem načinu.

Glavne vrste polprevodniških laserjev so:

1. rubinasti laserji, v katerih so kromovi ioni aktivni center. Generacijske črte ležijo v rdečem območju spektra (λ = 0,69 μm). Izhodna moč sevanja v neprekinjenem načinu je nekaj vatov, energija v impulznem načinu je nekaj sto joulov s trajanjem impulza reda 1 ms;

2. laserji na osnovi ionov redkih zemeljskih kovin (predvsem neodimovih ionov). Pomembna prednost teh laserjev je možnost uporabe v neprekinjenem načinu pri sobni temperaturi. Glavna generacijska linija teh laserjev je v infrardečem območju (λ = 1,06 μm). Raven izhodne moči v neprekinjenem načinu doseže 100-200 W z učinkovitostjo 1-2%.

Plinski laserji

Inverzija prebivalstva v plinskih laserjih se doseže tako s pomočjo izpustov kot s pomočjo drugih vrst črpanja: kemičnega, toplotnega itd.

V primerjavi s polprevodniškimi plinskimi laserji imajo številne prednosti:

• pokriva izjemno širok razpon valovnih dolžin 0,2-400 mikronov;

• emisija plinskih laserjev je izrazito monokromatična in usmerjena;

• omogočajo doseganje zelo visokih ravni izhodne moči pri neprekinjenem delovanju.

Glavne vrste plinskih laserjev:

1.Helijevi neonski laserji… Glavna valovna dolžina je v vidnem delu spektra (λ = 0,63 μm). Izhodna moč je običajno manjša od 100 mW. V primerjavi z vsemi drugimi vrstami laserjev helij-neonski laserji zagotavljajo najvišjo stopnjo izhodne koherence.

2. Laserji na bakrovi pari … Glavna generacija sevanja se ustvari na dveh linijah, od katerih je ena v zelenem delu spektra (λ = 0,51 μm) in druga v rumenem (λ = 0,58 μm). Moč impulza v takih laserjih doseže 200 kW s povprečno močjo približno 40 W.

3. Ionski plinski laserji... Najpogostejši laserji te vrste so argonski (λ = 0,49 — 0,51 µm) in helij-kadmijevi laserji (λ = 0,44 µm).

4. Molekularni CO2 laserji... Najmočnejša generacija je dosežena pri λ = 10,6 μm. Izhodna moč v cw načinu CO2 laserjev je izjemno visoka in dosega 10 kW ali več z dovolj visokim izkoristkom 15-30% v primerjavi z vsemi ostalimi vrstami laserjev. Impulzne moči = 10 MW dosežemo s trajanjem generiranih impulzov reda 10-100 ms.

Tekoči laserji

Tekočinski laserji omogočajo uglaševanje v širokem območju generirane frekvence nihanja (od λ = 0,3 µm do λ = 1,3 µm). Praviloma so v takih laserjih aktivna snov tekoče raztopine organskih barvil (na primer raztopina rodamina).

Laserski parametri

Skladnost

Posebnost laserskega sevanja je njegova koherenca.

Koherenco razumemo kot usklajen potek valovnih procesov v času in prostoru.Prostorska koherenca — koherenca med fazami valov, ki jih istočasno oddajajo različne točke v prostoru, in časovna koherenca — koherenca med fazami valov, ki se oddajajo iz ene točke. v trenutkih preloma časa.

Koherentna elektromagnetna nihanja — nihanja dveh ali več virov z enakimi frekvencami in konstantno fazno razliko. V radijski tehniki se koncept koherence razširi tudi na vire nihanj, katerih frekvence niso enake. Na primer, nihanja dveh virov se štejejo za koherentna, če sta njuni frekvenci f1 in e2 v racionalnem razmerju, tj. f1 / f2 = n / m, kjer sta n in m celi števili.

Vire nihanj, ki imajo v opazovanem intervalu skoraj enake frekvence in skoraj enako fazno razliko, ali vire nihanj, katerih frekvenčno razmerje se malo razlikuje od racionalnega, imenujemo viri skoraj koherentnih nihanj.

Sposobnost interference je ena glavnih značilnosti koherentnega nihanja. Upoštevati je treba, da lahko motijo ​​samo koherentni valovi. V nadaljevanju bo prikazano, da številna področja uporabe virov optičnega sevanja temeljijo prav na pojavu interference.

Razhajanje

Visoka prostorska koherenca laserskega sevanja vodi do majhne divergence tega sevanja, ki je odvisna od valovne dolžine λ in parametrov optične votline, uporabljene v laserju.

Pri navadnih svetlobnih virih je, tudi če se uporabljajo posebna zrcala, divergenčni kot približno en do dva reda velikosti večji kot pri laserjih.

Nizka divergenca laserskega sevanja odpira možnost pridobivanja visoke gostote pretoka svetlobne energije z uporabo običajnih leč za fokusiranje.

Visoka usmerjenost laserskega sevanja omogoča izvajanje lokalnih (praktično v danem trenutku) analiz, meritev in učinkov na dano snov.

Poleg tega visoka prostorska koncentracija laserskega sevanja vodi do izrazitih nelinearnih pojavov, pri katerih je narava potekajočih procesov odvisna od intenzivnosti obsevanja. Kot primer lahko navedemo večfotonsko absorpcijo, ki jo opazimo le pri uporabi laserskih virov in povzroči povečanje absorpcije energije s strani snovi pri velikih močeh sevanja.

Enobarvno

Stopnja monokromatičnosti sevanja določa frekvenčno območje, v katerem je glavni del moči oddajnika. Ta parameter je zelo pomemben pri uporabi virov optičnega sevanja in je v celoti določen s stopnjo časovne koherence sevanja.

Pri laserjih je vsa moč sevanja koncentrirana v izjemno ozkih spektralnih črtah. Majhna širina emisijske črte je dosežena z uporabo optičnega resonatorja v laserju in je odvisna predvsem od stabilnosti resonančne frekvence slednjega.

Polarizacija

V številnih napravah ima določeno vlogo polarizacija sevanja, ki označuje prevladujočo usmeritev vektorja električnega polja valovanja.

Za običajne nelaserske vire je značilna kaotična polarizacija. Lasersko sevanje je cirkularno ali linearno polarizirano. Zlasti pri linearni polarizaciji je mogoče uporabiti posebne naprave za vrtenje ravnine polarizacije. V zvezi s tem je treba opozoriti, da je pri številnih prehrambenih izdelkih odbojni koeficient znotraj absorpcijskega pasu bistveno odvisen od smeri ravnine polarizacije sevanja.

Trajanje impulza. Uporaba laserjev omogoča tudi pridobivanje sevanja v obliki pulzov zelo kratkega trajanja (tp = 10-8-10-9 s). To se običajno doseže z modulacijo Q-faktorja resonatorja, zaklepanjem načina itd.

Pri drugih vrstah virov sevanja je minimalno trajanje impulza za nekaj velikostnih redov višje, kar je zlasti torej širina spektralne črte.

Učinki laserskega sevanja na biološke objekte

Lasersko sevanje z visoko energijsko gostoto v kombinaciji z monokromatičnostjo in koherenco je edinstven dejavnik, ki vpliva na biološke objekte. Monokromatičnost omogoča selektivno vplivanje na določene molekularne strukture objektov, koherenca in polarizacija pa v kombinaciji z visoko stopnjo organiziranosti obsevanih sistemov določata specifičen kumulativni (resonančni) učinek, ki že pri relativno nizkih ravneh sevanja povzroči močno fotostimulacijo. procesov v celicah, do fotomutageneze.

Ko so biološki objekti izpostavljeni laserskemu sevanju, se nekatere molekularne vezi uničijo ali pride do strukturne transformacije molekul, ti procesi pa so selektivni, to je, da se nekatere vezi z obsevanjem popolnoma uničijo, druge pa se praktično ne spremenijo. Tako izrazit resonančni značaj interakcije laserskega sevanja z molekulami odpira možnost selektivne katalize določenih presnovnih reakcij, to je presnovnih reakcij, svetlobnega nadzora teh reakcij. V tem primeru lasersko sevanje igra vlogo encima.

Uporaba takšnih lastnosti laserskih svetlobnih virov odpira široke možnosti za izboljšanje industrijske biosinteze.

Lasersko obsevanje kvasovk lahko uporabimo za ciljano biosintezo na primer karotenoidov in lipidov ter širše za pridobivanje novih mutiranih sevov kvasovk s spremenjeno biosintetsko orientacijo.

V številnih živilskih industrijah je mogoče uporabiti zmožnost nadzora z laserskim obsevanjem razmerja aktivnosti encimov, ki razgrajujejo proteinske molekule v polipeptidne fragmente in hidrolizirajo te fragmente v aminokisline.

Pri industrijski proizvodnji citronske kisline z lasersko stimulacijo dosežemo povečanje izkoristka produkta za 60% in hkrati zmanjšamo vsebnost stranskih produktov. Laserska fotostimulacija lipogeneze v glivah omogoča proizvodnjo jedilnih in tehničnih maščob pri predelavi neužitnih gobjih surovin. Pridobljeni so bili tudi podatki o laserski stimulaciji tvorbe reproduktivnih organov pri glivah, ki se uporabljajo v mikrobiološki industriji.

Treba je opozoriti, da laser za razliko od klasičnih svetlobnih virov lahko sterilizira sokove v vidnem delu spektra, kar odpira možnost sterilizacije z laserji neposredno skozi steklo steklenice.

Opažena je bila zanimiva lastnost laserske sterilizacije. Če pri nizki moči krivulje preživetja mikrobnih celic za lasersko obsevanje in obsevanje s konvencionalnim svetlobnim virom praktično sovpadajo, potem ko je specifična moč laserskega obsevanja približno 100 kW / cm2, pride do močnega povečanja učinkovitosti sterilizirajoče delovanje laserskega sevanja, t.j. za dosego enakega učinka celične smrti je potrebno veliko manj energije kot pri uporabi vira nizke moči.

Pri obsevanju z nekoherentnim virom svetlobe tega učinka ni opaziti. Na primer, ko so celice osvetljene z močnim impulzom, je dovolj en blisk, da rubinasti laser zadene do 50% celic, medtem ko ista energija, absorbirana dolgo časa, ne le da ne poškoduje , ampak vodi tudi do intenziviranja procesov fotosinteze v mikroorganizmih.

Opisani učinek lahko pojasnimo z dejstvom, da molekule, ki vstopijo v fotokemično reakcijo, v normalnih pogojih absorbirajo en kvant svetlobe (enofotonska absorpcija), kar poveča njihovo reaktivnost.Pri visokih stopnjah vpadnega sevanja je verjetnost dvo- poveča se absorpcija fotonov, pri čemer molekula absorbira dva fotona hkrati. V tem primeru se učinkovitost kemičnih transformacij močno poveča in struktura molekul se poškoduje z večjo učinkovitostjo.

Pri izpostavljenosti močnemu laserskemu sevanju se pojavijo drugi nelinearni učinki, ki jih pri uporabi običajnih svetlobnih virov ne opazimo. Eden od teh učinkov je pretvorba dela moči sevanja frekvence f v sevanje frekvenc 2f, 3f itd. (generacija optičnih harmonikov). Ta učinek je posledica nelinearnih lastnosti obsevanega medija pri visokih stopnjah obsevanja.

Ker je znano, da so biološki objekti najbolj občutljivi na delovanje UV sevanja, bo sterilizacijski učinek harmonikov najbolj učinkovit. Hkrati pa, če objekt obsevamo neposredno z virom UV sevanja, se večina vpadne moči sevalnika absorbira v površinskih plasteh. V opisanem primeru se UV sevanje generira znotraj samega predmeta, kar vodi do volumetrične narave sterilizacijskega učinka. Očitno je v tem primeru mogoče pričakovati večjo učinkovitost postopka sterilizacije.

Visoka stopnja monokromatičnosti laserskega sevanja lahko omogoči sterilizacijo ene vrste bakterij, hkrati pa spodbuja rast mikroorganizmov druge vrste v binarnih bakterijskih sistemih, to je ciljno "selektivno" sterilizacijo.

Poleg teh področij uporabe se laserji uporabljajo tudi za merjenje različnih veličin — spektroskopija, pomiki objektov (interferenčna metoda), vibracije, hitrosti toka (laserski anemometri), nehomogenosti v optično prozornih medijih. S pomočjo laserjev je mogoče spremljati kakovost površine, preučevati odvisnost optičnih lastnosti dane snovi od zunanjih dejavnikov, meriti onesnaženost okolja z mikroorganizmi itd.