Aplikace laserového záření

Laser — kvantový generátor (zesilovač) koherentního záření v optickém rozsahu. Termín „laser“ je tvořen z prvních písmen anglického názvu zesílení světla stimulovanou emisí záření. Podle druhu aktivního materiálu se rozlišují pevnolátkové lasery, plynové a kapalinové lasery.

Z laserů prvního typu je nejvíce studován rubín. Jeden z prvních modelů takového laseru využívá energetické přechody trojmocného iontu chrómu Cr3+ v monolitickém rubínovém krystalu (Cr2O3, A12O3). Působením čerpacího záření (o vlnové délce řádově 5600 A) přechází iont Cr3+ z úrovně 1 do úrovně 3, z níž jsou možné přechody směrem dolů do úrovní 2 a 1. Převládají-li přechody na metastabilní úroveň 2 a pokud čerpání zajišťuje post, inverzi populace na úrovních 1 a 2, pak populace na úrovni 2 překročí populaci na úrovni 1.

V případě spontánního přechodu jednoho z Cr-iontů3+ je emitován foton s frekvencí z úrovně 2 na úroveň 1 e12, který se začne šířit na rubínovém krystalu.Při setkání s d -red excitovanými ionty Cr3+ tento foton způsobí již indukované záření koherentní s primárním fotonem.

Díky četným odrazům od leštěných a postříbřených okrajů rubínového monokrystalu se intenzita záření v krystalu neustále zvyšuje. To se děje pouze u těch fotonů, směr šíření je komotorykh svírá s osou krystalu malý úhel. Ocelové záření opouští krystal bočním povrchem a nepodílí se na tvorbě paprsku záření. Paprsek záření vystupuje jedním z konců, což je průsvitné zrcadlo.

Velký pokrok ve zlepšování technologie v různých průmyslových odvětvích souvisí s používáním optických kvantových generátorů (laserů). Jak víte, laserové záření se výrazně liší od záření jiných nelaserových zdrojů světla (tepelné, plynové výboje atd.). Tyto rozdíly vedly k širokému použití laserů v různých oblastech vědy a techniky.

Zvažte základní konstrukci laserů.

Obecně je blokové schéma optického kvantového generátoru (OQC) znázorněno na Obr. 1 (v některých případech mohou chybět jednotky 4-7).

V aktivní látce 1 se působením čerpání zesiluje záření procházející přes ni v důsledku indukovaného (způsobeného vnějším elektromagnetickým polem) záření elektronů přecházejících z horních energetických hladin na nižší. V tomto případě vlastnosti aktivní látky určují frekvenci laserové emise.

Jako účinnou látku lze použít krystalická nebo amorfní média, do kterých se vnášejí malé množství nečistot aktivních prvků (u pevnolátkových laserů); plyny nebo páry kovů (v plynových laserech); kapalné roztoky organických barviv (v kapalných laserech).

Rýže. 1. Blokové schéma optického kvantového generátoru

Pomocí systému laserové pumpy 3 jsou v aktivní látce vytvořeny podmínky, které umožňují zesílení záření. K tomu je nutné vytvořit inverzi (redistribuci) populací energetických hladin atomů elektronů, ve kterých je populace horních hladin větší než populace nižších. Jako čerpací systémy se používají v pevnolátkových laserech – plynových výbojkách, v plynových laserech – zdrojích stejnosměrného proudu, pulzních, HF a mikrovlnných generátorech a v kapalinových laserech – LAG.

Aktivní látka laseru je umístěna v optickém rezonátoru 2, což je soustava zrcadel, z nichž jedno je průsvitné a slouží k odstranění laserového záření z rezonátoru.

Funkce optického rezonátoru jsou velmi rozmanité: vytváření pozitivní zpětné vazby v generátoru, vytváření spektra laserového záření atd.

Zařízení 5 pro volbu režimu a frekvenční stabilizaci je navrženo tak, aby zlepšilo kvalitu spektra výstupního záření laseru, tj. aby se přiblížilo spektru monochromatických oscilací.

V kapalinových laserech dosahuje System 6 širokého rozsahu ladění frekvence oscilací. V případě potřeby lze v laseru dosáhnout amplitudové nebo fázové modulace záření. Se zařízením 7 se obvykle používá externí modulace.

Typy laserů

Moderní lasery lze klasifikovat podle různých kritérií:

• podle typu účinné látky v nich použité,

• podle provozního režimu (kontinuální nebo pulzní generování, Q-spínaný režim),

• spektrálními vlastnostmi záření (vícevidové, jednovidové, jednofrekvenční lasery) atd.

Nejběžnější je první ze zmíněných klasifikací.

Pevné lasery

Tyto lasery používají jako aktivní látku krystalická a amorfní média. Pevné lasery mají řadu výhod:

• vysoké hodnoty lineárního zisku média, které umožňují získat laser s malými axiálními rozměry laseru;

• možnost získání extrémně vysokých hodnot výstupního výkonu v pulzním režimu.

Hlavní typy pevnolátkových laserů jsou:

1. rubínové lasery, ve kterých jsou aktivním centrem ionty chrómu. Tvořící čáry leží v červené oblasti spektra (λ = 0,69 μm). Výstupní výkon záření v kontinuálním režimu je několik wattů, energie v pulzním režimu je několik set joulů s dobou trvání pulsu řádově 1 ms;

2. lasery na bázi iontů kovů vzácných zemin (hlavně neodymových iontů). Důležitou výhodou těchto laserů je možnost použití v kontinuálním režimu při pokojové teplotě. Hlavní generační linie těchto laserů je v infračervené oblasti (λ = 1,06 μm). Úroveň výstupního výkonu v kontinuálním režimu dosahuje 100-200 W s účinností 1-2 %.

Plynové lasery

Populační inverze u plynových laserů se dosahuje jak pomocí výbojů, tak pomocí jiných typů čerpání: chemické, tepelné atd.

Ve srovnání s pevnolátkovými plynovými lasery mají řadu výhod:

• pokrývá extrémně široký rozsah vlnových délek 0,2-400 mikronů;

• emise plynových laserů je vysoce monochromatická a směrová;

• umožňují dosažení velmi vysokých úrovní výstupního výkonu v nepřetržitém provozu.

Hlavní typy plynových laserů:

1.Helium neonové lasery… Hlavní vlnová délka je ve viditelné části spektra (λ = 0,63 μm). Výstupní výkon je obvykle menší než 100 mW. Ve srovnání se všemi ostatními typy laserů poskytují helium-neonové lasery nejvyšší stupeň výstupní koherence.

2. Měděné parní lasery… Hlavní generace záření vzniká na dvou čarách, z nichž jedna je v zelené části spektra (λ = 0,51 μm) a druhá ve žluté (λ = 0,58 μm). Pulzní výkon v takových laserech dosahuje 200 kW s průměrným výkonem asi 40 W.

3. Iontové plynové lasery... Nejběžnějšími lasery tohoto typu jsou argonové lasery (λ = 0,49 — 0,51 µm) a helium-kadmiové lasery (λ = 0,44 µm).

4. Molekulární CO2 lasery... Nejvýkonnější generace se dosahuje při λ = 10,6 μm. Výstupní výkon v režimu cw CO2 laserů je extrémně vysoký a dosahuje 10 kW a více s dostatečně vysokou účinností 15-30% ve srovnání se všemi ostatními typy laserů. Impulzních výkonů = 10 MW je dosaženo s dobou trvání generovaných pulsů řádově 10-100 ms.

Kapalné lasery

Kapalinové lasery umožňují ladění v širokém rozsahu generované oscilační frekvence (od λ = 0,3 µm do λ = 1,3 µm). V takových laserech jsou aktivní látkou zpravidla kapalné roztoky organických barviv (například roztok rhodaminu).

Parametry laseru

Soudržnost

Charakteristickým rysem laserového záření je jeho koherence.

Koherence je chápána jako koordinovaný průběh vlnových procesů v čase a prostoru Prostorová koherence — koherence mezi fázemi vln vyzařovaných současně z různých bodů v prostoru a časová koherence — koherence mezi fázemi vln vyzařovaných z jednoho bodu ve chvílích zlomu v čase.

Koherentní elektromagnetické oscilace — oscilace dvou nebo více zdrojů se stejnými frekvencemi a konstantním fázovým rozdílem. V radiotechnice se pojem koherence rozšiřuje také na zdroje kmitů, jejichž frekvence nejsou stejné. Například kmity 2 zdrojů jsou považovány za koherentní, pokud jsou jejich frekvence f1 a e2 v racionálním vztahu, tzn. f1 / f2 = n / m, kde n a m jsou celá čísla.

Zdroje kmitů, které mají v pozorovacím intervalu téměř stejné frekvence a téměř stejný fázový rozdíl, nebo zdroje kmitů, jejichž poměr frekvencí se jen málo liší od racionálního, se nazývají zdroje téměř koherentních kmitů.

Schopnost rušit je jednou z hlavních charakteristik koherentní oscilace. Je třeba poznamenat, že rušit mohou pouze koherentní vlny. V následujícím bude ukázáno, že řada oblastí použití zdrojů optického záření je založena právě na jevu interference.

Divergence

Vysoká prostorová koherence laserového záření vede k nízké divergenci tohoto záření, která závisí na vlnové délce λ a parametrech optické dutiny použité v laseru.

U běžných světelných zdrojů, i když jsou použita speciální zrcadla, je úhel divergence asi o jeden až dva řády větší než u laserů.

Nízká divergence laserového záření otevírá možnost získání vysoké hustoty toku světelné energie pomocí konvenčních zaostřovacích čoček.

Vysoká směrovost laserového záření umožňuje provádět lokální (prakticky v daném okamžiku) analýzy, měření a vlivy na danou látku.

Vysoká prostorová koncentrace laserového záření navíc vede k výrazným nelineárním jevům, u nichž povaha probíhajících procesů závisí na intenzitě ozáření. Jako příklad můžeme uvést multifotonovou absorpci, která je pozorována pouze při použití laserových zdrojů a vede ke zvýšení absorpce energie hmotou při vysokých výkonech emitoru.

Černobílý

Stupeň monochromatičnosti záření určuje frekvenční rozsah, ve kterém je obsažena hlavní část výkonu zářiče. Tento parametr má velký význam při použití zdrojů optického záření a je zcela určen stupněm časové koherence záření.

V laserech je veškerá energie záření soustředěna do extrémně úzkých spektrálních čar. Malá šířka emisní čáry je dosažena použitím optického rezonátoru v laseru a je určena především stabilitou rezonanční frekvence tohoto laseru.

Polarizace

V řadě zařízení hraje určitou roli polarizace záření, která charakterizuje převažující orientaci vektoru elektrického pole vlny.

Běžné nelaserové zdroje se vyznačují chaotickou polarizací. Laserové záření je kruhově nebo lineárně polarizované. Zejména u lineární polarizace lze použít speciální zařízení k otočení roviny polarizace. V tomto ohledu je třeba poznamenat, že u řady potravinářských produktů závisí koeficient odrazu v absorpčním pásmu významně na směru roviny polarizace záření.

Doba trvání pulsu. Použití laserů také umožňuje získat záření ve formě pulzů velmi krátkého trvání (tp = 10-8-10-9 s). Toho je obvykle dosaženo modulací Q-faktoru rezonátoru, uzamčením režimu atd.

U jiných typů zdrojů záření je minimální doba trvání pulzu o několik řádů vyšší, což je zejména šířka spektrální čáry.

Účinky laserového záření na biologické objekty

Laserové záření s vysokou hustotou energie v kombinaci s monochromatičností a koherencí je jedinečným faktorem ovlivňujícím biologické objekty. Monochromatičnost umožňuje selektivně ovlivnit určité molekulární struktury objektů a koherence a polarizace v kombinaci s vysokým stupněm organizace ozařovaných systémů určují specifický kumulativní (rezonanční) efekt, který i při relativně nízkých úrovních záření vede k silné fotostimulaci. procesů v buňkách, k fotomutagenezi.

Při vystavení biologických objektů laserovému záření dochází k destrukci některých molekulárních vazeb nebo ke strukturální transformaci molekul, přičemž tyto procesy jsou selektivní, to znamená, že některé vazby jsou ozářením zcela zničeny, zatímco jiné se prakticky nemění. Takový výrazný rezonanční charakter interakce laserového záření s molekulami otevírá možnost selektivní katalýzy určitých metabolických reakcí, to znamená metabolických reakcí, světelné kontroly těchto reakcí. V tomto případě hraje laserové záření roli enzymu.

Použití takových vlastností laserových světelných zdrojů otevírá široké možnosti pro zlepšení průmyslové biosyntézy.

Laserové ozařování kvasinek lze použít pro cílenou biosyntézu například karotenoidů a lipidů a v širším měřítku pro získání nových mutantních kmenů kvasinek se změněnou biosyntetickou orientací.

V řadě potravinářských odvětví lze využít schopnosti řídit pomocí laserového ozařování poměr aktivity enzymů, které štěpí molekuly proteinů na polypeptidové fragmenty a hydrolyzují tyto fragmenty na aminokyseliny.

Při průmyslové výrobě kyseliny citronové se laserovou stimulací dosahuje zvýšení výtěžnosti produktu o 60 % a zároveň se snižuje obsah vedlejších produktů. Laserová fotostimulace lipogeneze u hub umožňuje produkci jedlých a technických tuků při zpracování nejedlých houbových surovin. Dále byla získána data o laserové stimulaci tvorby reprodukčních orgánů u hub používaných v mikrobiologickém průmyslu.

Nutno podotknout, že na rozdíl od běžných světelných zdrojů je laser schopen sterilizovat šťávy ve viditelné části spektra, což otevírá možnost sterilizace pomocí laserů přímo přes sklo lahvičky.

Byla zaznamenána zajímavá vlastnost laserové sterilizace. Pokud se při nízké hladině výkonu křivky přežití mikrobiálních buněk pro laserové ozařování a ozařování konvenčním světelným zdrojem prakticky shodují, pak při měrném výkonu laserového ozařování asi 100 kW/cm2 dochází k prudkému nárůstu účinnosti ozáření. sterilizační působení laserového záření, tzn. k dosažení stejného účinku buněčné smrti vyžaduje mnohem méně energie než použití zdroje s nízkou spotřebou energie.

Při ozařování nekoherentním světelným zdrojem není tento efekt pozorován. Například, když jsou buňky osvětleny silným pulzem, stačí jeden záblesk, aby rubínový laser zasáhl až 50% buněk, přičemž stejná energie, absorbovaná po dlouhou dobu, nejen že nezpůsobí poškození , ale také vede k zintenzivnění procesů fotosyntézy v mikroorganismech.

Popsaný efekt lze vysvětlit tím, že za normálních podmínek molekuly vstupující do fotochemické reakce absorbují jedno kvantum světla (jednofotonová absorpce), čímž se zvyšuje jejich reaktivita.Při vysokých úrovních dopadajícího záření je pravděpodobnost dvou- zvyšuje se absorpce fotonů, kdy molekula absorbuje dva fotony současně. V tomto případě se prudce zvyšuje účinnost chemických přeměn a s větší účinností se poškozuje struktura molekul.

Při vystavení silnému laserovému záření dochází k dalším nelineárním efektům, které nejsou pozorovány při použití běžných světelných zdrojů. Jedním z těchto efektů je přeměna části vyzařovacího výkonu frekvence f na záření frekvencí 2f, 3f atd. (generování optických harmonických). Tento efekt je způsoben nelineárními vlastnostmi ozařovaného média při vysokých úrovních ozáření.

Protože je známo, že biologické objekty jsou na působení UV záření nejcitlivější, sterilizační účinek harmonických bude nejúčinnější. Zároveň, pokud je předmět ozařován přímo zdrojem UV záření, většina dopadajícího výkonu zářiče se pohltí v povrchových vrstvách. V popsaném případě je UV záření generováno uvnitř samotného předmětu, což vede k objemovému charakteru sterilizačního efektu. Je zřejmé, že v tomto případě lze očekávat vyšší účinnost sterilizačního procesu.

Vysoký stupeň monochromatičnosti laserového záření může umožnit sterilizovat jeden typ bakterií a zároveň stimulovat růst mikroorganismů jiného typu v binárních bakteriálních systémech, tedy produkovat cílenou „selektivní“ sterilizaci.

Kromě těchto oblastí použití se lasery používají také k měření různých veličin — spektroskopie, posuny objektů (interferenční metoda), vibrace, rychlosti proudění (laserové anemometry), nehomogenity v opticky průhledných médiích. Pomocí laserů je možné sledovat kvalitu povrchu, studovat závislost optických vlastností dané látky na vnějších faktorech, měřit kontaminaci prostředí mikroorganismy atd.