Påføring av laserstråling

Laser - en kvantegenerator (forsterker) av koherent stråling i det optiske området. Begrepet «laser» er dannet av de første bokstavene i det engelske navnet amplification of light by stimulated emission of stråling. Avhengig av type aktivt materiale skilles det mellom faststofflasere, gass- og væskelasere.

Av lasere av den første typen er rubin den mest studerte. En av de tidligste modellene av en slik laser bruker energioverganger av det trivalente kromionet Cr3+ i en monolitisk rubinkrystall (Cr2O3, A12O3). Under påvirkning av pumpende stråling (med en bølgelengde i størrelsesorden 5600 A) går Cr3+-ionet fra nivå 1 til nivå 3, hvorfra nedovergående overganger til nivå 2 og 1 er mulig. Hvis overganger til metastabilt nivå 2 dominerer og hvis pumping gir post, inversjon av populasjonen på nivå 1 og 2, da vil populasjonen på nivå 2 overstige populasjonen på nivå 1.

I tilfelle av en spontan overgang av en av Cr-ionene3+, sendes et foton med frekvens fra nivå 2 til nivå 1 e12, som begynner å forplante seg på rubinkrystallen.Ved å møte d-røde eksiterte Cr3+-ioner, forårsaker dette fotonet allerede indusert stråling som er koherent med det primære fotonet.

På grunn av mange refleksjoner fra de polerte og sølvfargede kantene på rubin-enkelkrystallen, økes strålingsintensiteten i krystallen kontinuerlig. Dette skjer bare med de fotonene, forplantningsretningen er komotorykh gjør en liten vinkel med krystallens akse. Stålstrålingen forlater krystallen gjennom sideflaten og deltar ikke i dannelsen av strålingsstrålen. Strålingsstrålen går ut gjennom en av endene, som er et gjennomskinnelig speil.

Et stort fremskritt i forbedring av teknologi i ulike bransjer er knyttet til bruk av optiske kvantegeneratorer (lasere). Som du vet, skiller laserstråling seg betydelig fra strålingen fra andre ikke-laserlyskilder (termisk, gassutladning, etc.). Disse forskjellene har ført til utbredt bruk av lasere innen ulike områder av vitenskap og teknologi.

Vurder den grunnleggende utformingen av lasere.

Generelt er blokkskjemaet til en optisk kvantegenerator (OQC) vist i fig. 1 (i noen tilfeller kan stasjoner 4-7 mangle).

I det aktive stoffet 1, under påvirkning av pumping, forsterkes strålingen som passerer gjennom den på grunn av den induserte (forårsaket av et eksternt elektromagnetisk felt) stråling av elektroner som går fra de øvre energinivåene til de nedre. I dette tilfellet bestemmer egenskapene til det aktive stoffet laseremisjonsfrekvensen.

Som et aktivt stoff kan krystallinske eller amorfe medier brukes, hvor små mengder urenheter av aktive elementer innføres (i faststofflasere); gasser eller damper av metaller (i gasslasere); flytende løsninger av organiske fargestoffer (i flytende lasere).

Ris. 1. Blokkdiagram av en optisk kvantegenerator

Ved hjelp av laserpumpesystemet 3 skapes det forhold i virkestoffet som gjør det mulig å forsterke strålingen. For dette er det nødvendig å lage en inversjon (omfordeling) av populasjonene av energinivåene til elektronatomene, der populasjonen på de øvre nivåene er større enn de nedre. Som pumpesystemer brukes de i faststofflasere - gassutladningslamper, i gasslasere - likestrømkilder, puls-, HF- og mikrobølgegeneratorer, og i flytende lasere - LAG-er.

Den aktive substansen til laseren er plassert i en optisk resonator 2, som er et system av speil, hvorav ett er gjennomskinnelig og tjener til å fjerne laserstråling fra resonatoren.

Funksjonene til den optiske resonatoren er ganske forskjellige: skape positiv tilbakemelding i generatoren, danner spekteret av laserstråling, etc.

Anordningen 5 for modusvalg og frekvensstabilisering er designet for å forbedre kvaliteten på spekteret til utgangsstrålingen fra laseren, dvs. å bringe det nærmere spekteret av monokromatiske oscillasjoner.

I væskelasere oppnår System 6 et bredt spekter av oscillasjonsfrekvensinnstilling. Om nødvendig kan amplitude- eller fasemodulering av strålingen oppnås i laseren. Ekstern modulering brukes vanligvis med enhet 7.

Lasertyper

Moderne lasere kan klassifiseres etter forskjellige kriterier:

• etter typen virkestoff som brukes i dem,

• etter driftsmodus (kontinuerlig eller pulsert generering, Q-svitsjet modus),

• ved spektrale egenskaper til strålingen (flermodus, enkeltmodus, enkeltfrekvenslasere), etc.

Den vanligste er den første av de nevnte klassifiseringene.

Solid state lasere

Disse laserne bruker krystallinske og amorfe medier som det aktive stoffet. Solid-state lasere har en rekke fordeler:

• høye verdier av den lineære forsterkningen til mediet, som gjør det mulig å oppnå en laser med små aksiale dimensjoner av laseren;

• mulighet for å oppnå ekstremt høye utgangseffektverdier i pulsmodus.

De viktigste typene solid state lasere er:

1. rubinlasere der kromioner er det aktive senteret. Genereringslinjene ligger i det røde området av spekteret (λ = 0,69 μm). Utgangseffekten til strålingen i kontinuerlig modus er flere watt, energien i pulsert modus er flere hundre joule med en pulsvarighet i størrelsesorden 1 ms;

2. lasere basert på sjeldne jordmetallioner (hovedsakelig neodymioner). En viktig fordel med disse laserne er muligheten til å brukes i kontinuerlig modus ved romtemperatur. Hovedgenerasjonslinjen til disse laserne er i det infrarøde området (λ = 1,06 μm). Utgangseffektnivået i kontinuerlig modus når 100-200 W med en effektivitet på 1-2%.

Gasslasere

Befolkningsinversjon i gasslasere oppnås både ved hjelp av utslipp og ved hjelp av andre typer pumping: kjemisk, termisk, etc.

Sammenlignet med faststoffgasslasere har de en rekke fordeler:

• dekker et ekstremt bredt område av bølgelengder 0,2-400 mikron;

• utslippet av gasslasere er svært monokromatisk og retningsbestemt;

• gjør det mulig å oppnå svært høye utgangseffektnivåer i kontinuerlig drift.

De viktigste typene gasslasere:

1.Helium neon lasere... Hovedbølgelengden er i den synlige delen av spekteret (λ = 0,63 μm). Utgangseffekten er vanligvis mindre enn 100 mW. Sammenlignet med alle andre typer lasere gir helium-neon-lasere den høyeste graden av utgangskoherens.

2. Kobberdamplasere... Hovedgenerasjonen av stråling skapes på to linjer, hvorav den ene er i den grønne delen av spekteret (λ = 0,51 μm) og den andre i den gule (λ = 0,58 μm). Pulseffekten i slike lasere når 200 kW med en gjennomsnittlig effekt på omtrent 40 W.

3. Ionegasslasere... De vanligste lasere av denne typen er argonlasere (λ = 0,49 — 0,51 µm) og helium-kadmium-lasere (λ = 0,44 µm).

4. Molekylære CO2-lasere... Den kraftigste generasjonen oppnås ved λ = 10,6 μm. Utgangseffekten i cw-modusen til CO2-lasere er ekstremt høy og når 10 kW eller mer med en tilstrekkelig høy effektivitet på 15-30 % sammenlignet med alle andre typer lasere. Pulseffekter = 10 MW oppnås med en varighet av de genererte pulsene i størrelsesorden 10-100 ms.

Flytende lasere

Væskelasere tillater tuning over et bredt spekter av den genererte oscillasjonsfrekvensen (fra λ = 0,3 µm til λ = 1,3 µm). Som regel, i slike lasere, er det aktive stoffet flytende løsninger av organiske fargestoffer (for eksempel rhodaminløsning).

Laser parametere

Sammenheng

Et særtrekk ved laserstråling er dens sammenheng.

Koherens forstås som et koordinert forløp av bølgeprosesser i tid og rom Romlig koherens — koherensen mellom fasene til bølgene som sendes ut samtidig fra forskjellige punkter i rommet, og tidsmessig koherens — koherensen mellom fasene til bølgene som sendes ut fra ett punkt i øyeblikkene av en pause i tid.

Koherente elektromagnetiske oscillasjoner - oscillasjoner av to eller flere kilder med samme frekvenser og en konstant faseforskjell. I radioteknikk strekker begrepet koherens seg også til kilder til svingninger hvis frekvenser ikke er like. For eksempel regnes oscillasjonene til 2 kilder som koherente hvis deres frekvenser f1 og e2 er i et rasjonelt forhold, dvs. f1 / f2 = n / m, hvor n og m er heltall.

Kilder til svingninger som i observasjonsintervallet har nesten like frekvenser og nesten samme faseforskjell, eller kilder til svingninger hvis frekvensforhold skiller seg lite fra det rasjonelle, kalles kilder til nesten koherente svingninger.

Evnen til å forstyrre er en av hovedkarakteristikkene til koherent oscillasjon. Det skal bemerkes at bare koherente bølger kan forstyrre. I det følgende skal det vises at en rekke bruksområder for optiske strålingskilder er basert nettopp på fenomenet interferens.

Divergens

Den høye romlige koherensen til laserstrålingen fører til en lav divergens av denne strålingen, som avhenger av bølgelengden λ og parametrene til det optiske hulrommet som brukes i laseren.

For vanlige lyskilder, selv når spesielle speil brukes, er divergensvinkelen omtrent en til to størrelsesordener større enn for lasere.

Den lave divergensen til laserstrålingen åpner for muligheten for å oppnå en høy flukstetthet av lysenergi ved bruk av konvensjonelle fokuseringslinser.

Den høye direktiviteten til laserstråling gjør det mulig å utføre lokale (praktisk talt i et gitt øyeblikk) analyser, målinger og effekter på et gitt stoff.

I tillegg fører den høye romlige konsentrasjonen av laserstråling til uttalte ikke-lineære fenomener, der karakteren av de pågående prosessene avhenger av intensiteten av bestrålingen. Som et eksempel kan vi peke på multifotonabsorpsjon, som kun observeres ved bruk av laserkilder og fører til en økning i energiabsorpsjon av materie ved høye emitterkrefter.

Monokrom

Graden av monokromaticitet av strålingen bestemmer frekvensområdet der hoveddelen av kraften til emitteren er inneholdt. Denne parameteren er av stor betydning ved bruk av kilder til optisk stråling og er helt bestemt av graden av tidsmessig koherens av strålingen.

I lasere er all strålingskraft konsentrert i ekstremt smale spektrallinjer. Den lille bredden på emisjonslinjen oppnås ved å bruke en optisk resonator i laseren og bestemmes hovedsakelig av stabiliteten til resonansfrekvensen til sistnevnte.

Polarisering

I en rekke enheter spilles en viss rolle av polariseringen av strålingen, som karakteriserer den dominerende orienteringen av vektoren til bølgens elektriske felt.

Vanlige ikke-laserkilder er preget av kaotisk polarisering. Laserstråling er sirkulært eller lineært polarisert. Spesielt med lineær polarisering kan spesielle enheter brukes til å rotere polariseringsplanet. I denne forbindelse bør det bemerkes at for en rekke matvarer avhenger refleksjonskoeffisienten innenfor absorpsjonsbåndet betydelig av retningen til strålingens polariseringsplan.

Puls varighet. Bruk av lasere gjør det også mulig å oppnå stråling i form av pulser av svært kort varighet (tp = 10-8-10-9 s). Dette oppnås vanligvis ved å modulere Q-faktoren til resonatoren, moduslåsing osv.

I andre typer strålingskilder er minimumspulsvarigheten flere størrelsesordener høyere, som i særdeleshet dermed er bredden på spektrallinjen.

Effekter av laserstråling på biologiske objekter

Laserstråling med høy energitetthet i kombinasjon med monokromaticitet og koherens er en unik faktor som påvirker biologiske objekter. Monokromaticitet gjør det mulig å selektivt påvirke visse molekylære strukturer av objekter, og koherens og polarisering, kombinert med en høy grad av organisering av bestrålte systemer, bestemmer en spesifikk kumulativ (resonans) effekt, som selv ved relativt lave nivåer av stråling fører til sterk fotostimulering av prosesser i celler, til fotomutagenese.

Når biologiske gjenstander utsettes for laserstråling, ødelegges noen molekylære bindinger eller den strukturelle transformasjonen av molekyler skjer, og disse prosessene er selektive, det vil si at noen bindinger blir fullstendig ødelagt av bestråling, mens andre praktisk talt ikke endres. En slik uttalt resonanskarakter av interaksjonen av laserstråling med molekyler åpner muligheten for selektiv katalyse av visse metabolske reaksjoner, det vil si metabolske reaksjoner, lyskontroll av disse reaksjonene. I dette tilfellet spiller laserstråling rollen som et enzym.

Bruken av slike egenskaper til laserlyskilder åpner store muligheter for å forbedre industriell biosyntese.

Laserbestråling av gjær kan brukes til målrettet biosyntese av for eksempel karotenoider og lipider, og mer generelt for å oppnå nye mutante gjærstammer med endret biosyntetisk orientering.

I en rekke næringsmiddelindustrier kan evnen til å kontrollere, ved hjelp av laserbestråling, aktivitetsforholdet til enzymer som bryter ned proteinmolekyler til polypeptidfragmenter og hydrolysere disse fragmentene til aminosyrer brukes.

Ved industriell produksjon av sitronsyre oppnår laserstimulering en økning i produktutbytte med 60 % og reduserer samtidig innholdet av biprodukter. Laserfotostimulering av lipogenese i sopp muliggjør produksjon av spiselig og teknisk fett under bearbeiding av uspiselige soppråvarer. Det ble også innhentet data om laserstimulering av dannelsen av reproduktive organer i sopp som brukes i den mikrobiologiske industrien.

Det skal bemerkes at, i motsetning til konvensjonelle lyskilder, er laseren i stand til å sterilisere juice i den synlige delen av spekteret, noe som åpner muligheten for sterilisering ved hjelp av lasere direkte gjennom glasset i flasken.

Et interessant trekk ved lasersterilisering har blitt notert. Hvis overlevelseskurvene til mikrobielle celler for laserbestråling og bestråling med en konvensjonell lyskilde på et lavt effektnivå praktisk talt sammenfaller, så når den spesifikke effekten til laserbestråling er omtrent 100 kW / cm2, er det en kraftig økning i effektiviteten til steriliserende virkning av laserstråling , dvs. å oppnå samme effekt av celledød krever mye mindre energi enn å bruke en lav strømkilde.

Ved bestråling med en usammenhengende lyskilde observeres ikke denne effekten. For eksempel, når cellene lyses opp med en kraftig puls, er ett blits nok til at rubinlaseren treffer opptil 50 % av cellene, mens den samme energien, absorbert i lang tid, ikke bare forårsaker skade , men fører også til intensivering av prosesser for fotosyntese i mikroorganismer.

Den beskrevne effekten kan forklares ved at molekyler som går inn i en fotokjemisk reaksjon under normale forhold absorberer ett kvantum av lys (ett-fotonabsorpsjon), noe som øker deres reaktivitet Ved høye nivåer av innfallende stråling er sannsynligheten for to- fotonabsorpsjonen øker, der et molekyl absorberer to fotoner samtidig. I dette tilfellet øker effektiviteten av kjemiske transformasjoner kraftig, og strukturen til molekyler blir skadet med større effektivitet.

Ved eksponering for kraftig laserstråling oppstår andre ikke-lineære effekter som ikke observeres ved bruk av konvensjonelle lyskilder. En av disse effektene er konverteringen av en del av strålingseffekten til frekvens f til stråling av frekvensene 2f, 3f, etc. (generering av optiske harmoniske). Denne effekten skyldes de ikke-lineære egenskapene til det bestrålte mediet ved høye bestrålingsnivåer.

Siden det er kjent at biologiske objekter er mest følsomme for virkningen av UV-stråling, vil den steriliserende effekten av harmoniske være mest effektiv. Samtidig, hvis en gjenstand bestråles direkte med en kilde til UV-stråling, vil mesteparten av den innfallende kraften til emitteren bli absorbert i overflatelagene. I det beskrevne tilfellet genereres UV-strålingen inne i selve objektet, noe som fører til den volumetriske naturen til steriliseringseffekten. I dette tilfellet kan åpenbart større effektivitet av steriliseringsprosessen forventes.

Den høye graden av monokromaticitet av laserstråling kan gjøre det mulig å sterilisere én type bakterier, samtidig som man stimulerer veksten av mikroorganismer av en annen type i binære bakteriesystemer, det vil si å produsere målrettet «selektiv» sterilisering.

I tillegg til disse bruksområdene, brukes lasere også til å måle ulike mengder - spektroskopi, forskyvninger av objekter (interferensmetode), vibrasjoner, strømningshastigheter (laseranemometre), inhomogeniteter i optisk transparente medier. Ved hjelp av lasere er det mulig å overvåke kvaliteten på overflaten, å studere avhengigheten av de optiske egenskapene til et gitt stoff av eksterne faktorer, å måle forurensning av miljøet med mikroorganismer, etc.