Lézersugárzás alkalmazása

Lézer - az optikai tartományban lévő koherens sugárzás kvantumgenerátora (erősítője). A „lézer” kifejezés az angol „amplification of light by stimulated emission of light” elnevezés első betűiből származik. Az aktív anyag típusától függően megkülönböztetünk szilárdtestlézereket, gáz- és folyékony lézereket.

Az első típusú lézerek közül a rubint a leginkább tanulmányozták. Az ilyen lézerek egyik legkorábbi modellje a háromértékű krómion Cr3+ energiaátmeneteit használja monolitikus rubinkristályban (Cr2O3, A12O3). A szivattyúzó sugárzás hatására (5600 A nagyságrendű hullámhosszal) a Cr3+ ion az 1-es szintről a 3-as szintre lép át, ahonnan a 2-es és 1-es szintre lefelé történő átmenetek lehetségesek. a szivattyúzás biztosítja a posztot, az 1. és 2. szintű populáció megfordítását, akkor a 2. szintű populáció meghaladja az 1. szintű populációt.

Az egyik Cr-ion3+ spontán átmenete esetén a 2. szintről az 1. szintre e12 frekvenciájú fotont bocsátanak ki, amely elkezd terjedni a rubinkristályon.A d-vörös gerjesztett Cr3+ ionokkal találkozva ez a foton már indukált sugárzást okoz, amely koherens az elsődleges fotonnal.

A rubin egykristály polírozott és ezüstözött éleiből származó számos visszaverődés miatt a kristály sugárzási intenzitása folyamatosan növekszik. Ez csak azokkal a fotonokkal történik, a terjedési irány a komotorykh kis szöget zár be a kristály tengelyével. Az acélsugárzás az oldalfelületen keresztül hagyja el a kristályt, és nem vesz részt a sugárnyaláb kialakításában. A sugárnyaláb az egyik végén, egy áttetsző tükörön keresztül lép ki.

A technológia fejlesztésében a különböző iparágakban jelentős előrelépés az optikai kvantumgenerátorok (lézerek) használatához kapcsolódik. Mint ismeretes, a lézersugárzás jelentősen eltér a többi nem lézeres fényforrás sugárzásától (termikus, gázkisülés stb.). Ezek a különbségek a lézerek széles körű elterjedéséhez vezettek a tudomány és a technológia különböző területein.

Fontolja meg a lézerek alapvető kialakítását.

Általánosságban elmondható, hogy az optikai kvantumgenerátor (OQC) blokkdiagramja az ábrán látható. 1 (egyes esetekben a 4-7 meghajtó hiányzik).

Az 1. hatóanyagban a pumpálás hatására a rajta áthaladó sugárzás fokozódik a felső energiaszintekről az alsóbbak felé haladó elektronok indukált (külső elektromágneses tér által okozott) sugárzása miatt. Ebben az esetben a hatóanyag tulajdonságai határozzák meg a lézer emissziós frekvenciáját.

Hatóanyagként kristályos vagy amorf közeg használható, amelybe csekély mennyiségű aktív elem szennyeződést vezetnek be (szilárdtest lézerekben); fémgázok vagy gőzök (gázlézerekben); szerves festékek folyékony oldatai (folyékony lézerekben).

Rizs. 1. Optikai kvantumgenerátor blokkvázlata

A lézerpumpa rendszer 3 segítségével a hatóanyagban olyan feltételeket teremtenek, amelyek lehetővé teszik a sugárzás felerősítését. Ehhez létre kell hozni az elektronok atomjainak energiaszintjei populációinak olyan inverzióját (újraelosztását), amelyben a felső szintek populációja nagyobb, mint az alsóké. Szivattyúrendszerként szilárdtestlézerekben – gázkisüléses lámpákban, gázlézerekben – egyenáramú forrásokban, impulzus-, HF- és mikrohullámú generátorokban, valamint folyékony lézerekben – LAG-okban használják.

A lézer hatóanyaga egy optikai rezonátorban 2 van elhelyezve, amely tükörrendszer, amelyek közül az egyik áttetsző, és a rezonátor lézersugárzásának eltávolítására szolgál.

Az optikai rezonátor funkciói meglehetősen változatosak: pozitív visszacsatolás létrehozása a generátorban, lézersugárzás spektrumának kialakítása stb.

Az üzemmódválasztó és frekvenciastabilizáló 5 eszközt úgy tervezték, hogy javítsa a lézer kimenő sugárzásának spektrumának minőségét, azaz közelebb hozza azt a monokromatikus rezgések spektrumához.

Folyékony lézereknél a System 6 az oszcillációs frekvencia hangolásának széles skáláját éri el. Szükség esetén a lézerben a sugárzás amplitúdó- vagy fázismodulációja érhető el. A külső modulációt általában a 7-es eszközzel használják.

Lézer típusok

A modern lézereket különböző szempontok szerint osztályozhatjuk:

• a bennük használt hatóanyag típusa szerint,

• üzemmód szerint (folyamatos vagy impulzusgenerálás, Q-kapcsolt üzemmód),

• a sugárzás spektrális tulajdonságai alapján (többmódusú, egymódusú, egyfrekvenciás lézerek) stb.

A leggyakoribb az említett osztályozások közül az első.

Szilárdtest lézerek

Ezek a lézerek kristályos és amorf közeget használnak hatóanyagként. A szilárdtestlézereknek számos előnye van:

• a közeg lineáris erősítésének magas értékei, amelyek lehetővé teszik a lézer kis axiális méretű lézer előállítását;

• rendkívül magas kimeneti teljesítmény értékek elérésének lehetősége impulzus üzemmódban.

A szilárdtestlézerek fő típusai a következők:

1. rubinlézerek, amelyekben a krómionok az aktív központ. A generáló vonalak a spektrum vörös tartományában helyezkednek el (λ = 0,69 μm). A sugárzás kimenő teljesítménye folyamatos üzemmódban több watt, impulzus üzemmódban az energia több száz joule, impulzus időtartama 1 ms nagyságrendű;

2. ritkaföldfém-ionokon (főleg neodímium-ionokon) alapuló lézerek. Ezeknek a lézereknek egy fontos előnye, hogy szobahőmérsékleten folyamatos üzemmódban is használhatók. Ezeknek a lézereknek a fő generációs vonala az infravörös tartományban található (λ = 1,06 μm). A kimenő teljesítményszint folyamatos üzemmódban eléri a 100-200 W-ot 1-2%-os hatásfokkal.

Gázlézerek

A gázlézerekben a populáció inverzióját mind kisülések, mind más típusú szivattyúzás segítségével érik el: vegyi, termikus stb.

A szilárdtest-gázlézerekhez képest számos előnnyel rendelkeznek:

• rendkívül széles hullámhossz-tartományt fed le 0,2-400 mikron között;

• a gázlézerek emissziója erősen monokromatikus és irányított;

• lehetővé teszi nagyon magas kimeneti teljesítmény elérését folyamatos üzemben.

A gázlézerek fő típusai:

1.Hélium neonlézerek… A fő hullámhossz a spektrum látható részén van (λ = 0,63 μm). A kimenő teljesítmény általában kevesebb, mint 100 mW. Az összes többi lézertípushoz képest a hélium-neon lézerek biztosítják a legmagasabb fokú kimeneti koherenciát.

2. Rézgőzlézerek… A sugárzás fő generációja két vonalon jön létre, amelyek közül az egyik a spektrum zöld részén (λ = 0,51 μm), a másik a sárga (λ = 0,58 μm) vonalon található. Az ilyen lézerek impulzusteljesítménye eléri a 200 kW-ot, körülbelül 40 W átlagos teljesítmény mellett.

3. Iongáz lézerek... Az ilyen típusú lézerek legelterjedtebbek az argonlézerek (λ = 0,49 — 0,51 µm) és a hélium-kadmium lézerek (λ = 0,44 µm).

4. Molekuláris CO2 lézerek... A legerősebb generálás λ = 10,6 μm mellett érhető el. A CO2 lézerek cw üzemmódjában a kimenő teljesítmény rendkívül magas, és eléri a 10 kW-ot vagy még többet is kellően magas, 15-30%-os hatásfokkal az összes többi lézertípushoz képest. Az impulzusteljesítmény = 10 MW a generált impulzusok 10-100 ms nagyságrendű időtartamával érhető el.

Folyékony lézerek

A folyékony lézerek a generált oszcillációs frekvencia széles tartományában (λ = 0,3 µm-től λ = 1,3 µm-ig) teszik lehetővé a hangolást. Általában az ilyen lézerekben a hatóanyag szerves színezékek folyékony oldata (például rodamin oldat).

Lézer paraméterek

Koherencia

A lézersugárzás megkülönböztető jellemzője a koherenciája.

A koherencián a hullámfolyamatok időben és térben történő koordinált lefutását értjük Térbeli koherencia - a tér különböző pontjaiból egyidejűleg kibocsátott hullámok fázisainak koherenciája, valamint az időbeli koherencia - az egy pontból kibocsátott hullámok fázisai közötti koherencia. az idő megszakításának pillanataiban.

Koherens elektromágneses rezgések - két vagy több forrás rezgései azonos frekvenciával és állandó fáziskülönbséggel. A rádiótechnikában a koherencia fogalma kiterjed azokra a rezgésforrásokra is, amelyek frekvenciája nem egyenlő. Például 2 forrás rezgését akkor tekintjük koherensnek, ha f1 és e2 frekvenciájuk racionális kapcsolatban van, azaz. f1 / f2 = n / m, ahol n és m egész számok.

Azokat a rezgésforrásokat, amelyeknek a megfigyelési intervallumban közel azonos frekvenciájúak és közel azonos fáziskülönbségük van, vagy azokat a rezgésforrásokat, amelyek frekvenciaaránya alig tér el a racionálistól, majdnem koherens oszcilláció forrásainak nevezzük.

Az interferencia képessége a koherens oszcilláció egyik fő jellemzője. Meg kell jegyezni, hogy csak koherens hullámok zavarhatnak. A következőkben bemutatjuk, hogy az optikai sugárforrások számos alkalmazási területe pontosan az interferencia jelenségén alapul.

Eltérés

A lézersugárzás nagy térbeli koherenciája ennek a sugárzásnak a kis divergenciájához vezet, ami a λ hullámhossztól és a lézerben használt optikai üreg paramétereitől függ.

Közönséges fényforrások esetén, még speciális tükrök használata esetén is, a divergencia szöge körülbelül egy-két nagyságrenddel nagyobb, mint a lézereké.

A lézersugárzás alacsony divergenciája lehetővé teszi a nagy fényenergia fluxussűrűség elérését hagyományos fókuszáló lencsék használatával.

A lézersugárzás nagy irányíthatósága lehetővé teszi egy adott anyagon lokális (gyakorlatilag egy adott pillanatban) elemzések, mérések, hatások elvégzését.

Ezenkívül a lézersugárzás nagy térbeli koncentrációja kifejezett nemlineáris jelenségekhez vezet, amelyekben a folyamatban lévő folyamatok jellege a besugárzás intenzitásától függ. Példaként megemlíthetjük a többfotonos abszorpciót, amely csak lézerforrások használatakor figyelhető meg, és nagy emitterteljesítmény mellett az anyag energiaelnyelésének növekedéséhez vezet.

Monokróm

A sugárzás monokromatikusságának mértéke határozza meg azt a frekvenciatartományt, amelyben az emitter teljesítményének fő része található. Ennek a paraméternek nagy jelentősége van optikai sugárforrások használatakor, és teljes mértékben a sugárzás időbeli koherenciájának mértéke határozza meg.

A lézerekben minden sugárzási teljesítmény rendkívül keskeny spektrumvonalakban összpontosul. Az emissziós vonal kis szélességét a lézerben található optikai rezonátor alkalmazásával érik el, és főként az utóbbi rezonanciafrekvenciájának stabilitása határozza meg.

Polarizáció

Számos eszközben bizonyos szerepet játszik a sugárzás polarizációja, amely a hullám elektromos mezőjének vektorának domináns orientációját jellemzi.

A gyakori nem lézeres forrásokat kaotikus polarizáció jellemzi. A lézersugárzás körkörösen vagy lineárisan polarizált. Különösen lineáris polarizáció esetén speciális eszközök használhatók a polarizációs sík elforgatására. Ezzel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy számos élelmiszer esetében az abszorpciós sávon belüli reflexiós együttható jelentősen függ a sugárzás polarizációs síkjának irányától.

Impulzus időtartam. A lézerek alkalmazása nagyon rövid időtartamú (tp = 10-8-10-9 s) impulzusok formájában történő sugárzást is lehetővé tesz. Ezt általában a rezonátor Q-tényezőjének modulálásával, üzemmódzárással stb.

Más típusú sugárforrásoknál az impulzus minimális időtartama több nagyságrenddel nagyobb, ami így különösen a spektrumvonal szélessége.

A lézersugárzás hatásai biológiai tárgyakra

A nagy energiasűrűségű lézersugárzás monokromatikussággal és koherenciával kombinálva egyedülálló, a biológiai objektumokra ható tényező. A monokromatikusság lehetővé teszi az objektumok bizonyos molekulaszerkezeteinek szelektív befolyásolását, a koherencia és polarizáció pedig a besugárzott rendszerek magas fokú szerveződésével kombinálva specifikus kumulatív (rezonancia) hatást határoz meg, amely még viszonylag alacsony sugárzási szint mellett is erős fotostimulációhoz vezet. a sejtekben zajló folyamatok, a fotomutagenezisig.

Amikor biológiai tárgyakat lézersugárzásnak tesznek ki, egyes molekuláris kötések megsemmisülnek, vagy a molekulák szerkezeti átalakulása következik be, és ezek a folyamatok szelektívek, vagyis egyes kötések a besugárzás hatására teljesen tönkremennek, míg mások gyakorlatilag nem változnak. A lézersugárzás és a molekulák kölcsönhatásának ilyen kifejezett rezonancia jellege megnyitja a lehetőséget bizonyos metabolikus reakciók szelektív katalízisére, azaz metabolikus reakciókra, ezeknek a reakcióknak a fényszabályozására. Ebben az esetben a lézersugárzás egy enzim szerepét tölti be.

A lézerfényforrások ilyen tulajdonságainak alkalmazása széles lehetőségeket nyit meg az ipari bioszintézis fokozására.

Az élesztő lézeres besugárzása felhasználható például karotinoidok és lipidek célzott bioszintézisére, és tágabb értelemben új, megváltozott bioszintetikus orientációjú mutáns élesztőtörzsek előállítására.

Számos élelmiszeriparban használható a fehérjemolekulákat polipeptid-fragmensekre bontó és ezeket aminosavakká hidrolizáló enzimek aktivitási arányának lézeres besugárzással történő szabályozásának képessége.

A citromsav ipari előállítása során a lézeres stimuláció 60%-kal növeli a termékhozamot, és egyúttal csökkenti a melléktermékek tartalmát. A gombák lipogenezisének lézeres fotostimulációja lehetővé teszi étkezési és technikai zsírok előállítását az ehetetlen gomba alapanyagok feldolgozása során. A mikrobiológiai iparban használt gombák szaporítószerve-képződésének lézeres stimulációjáról is kaptunk adatokat.

Meg kell jegyezni, hogy a hagyományos fényforrásokkal ellentétben a lézer képes a spektrum látható részén lévő lé sterilizálására, ami megnyitja a sterilizálás lehetőségét lézerekkel közvetlenül a palack üvegén keresztül.

Megfigyelték a lézeres sterilizálás egy érdekes jellemzőjét. Ha alacsony teljesítményszinten a lézeres besugárzás és a hagyományos fényforrással történő besugárzás mikrobiális sejtjeinek túlélési görbéi gyakorlatilag egybeesnek, akkor amikor a lézerbesugárzás fajlagos teljesítménye körülbelül 100 kW / cm2, a lézeres besugárzás hatékonysága meredeken növekszik. a lézersugárzás sterilizáló hatása, pl. a sejthalál azonos hatásának elérése sokkal kevesebb energiát igényel, mint egy alacsony energiaforrás használata.

Inkoherens fényforrással történő besugárzás esetén ez a hatás nem figyelhető meg. Például, amikor a sejteket erős impulzussal világítják meg, egy villanás elegendő ahhoz, hogy a rubinlézer a sejtek akár 50%-át is elérje, miközben ugyanaz az energia hosszú ideig elnyelve nemcsak hogy nem okoz kárt. , hanem a mikroorganizmusok fotoszintézis folyamatainak felerősödéséhez is vezet.

Az ismertetett hatás azzal magyarázható, hogy normál körülmények között a fotokémiai reakcióba lépő molekulák egy kvantum fényt nyelnek el (egy foton abszorpció), ami növeli reaktivitásukat Magas beeső sugárzás esetén a két- növekszik a foton abszorpciója, amelyben egy molekula egyszerre két fotont nyel el. Ebben az esetben a kémiai átalakulások hatékonysága meredeken növekszik, és nagyobb hatékonysággal károsodik a molekulák szerkezete.

Ha erős lézersugárzásnak van kitéve, más nemlineáris hatások lépnek fel, amelyek a hagyományos fényforrások használatakor nem figyelhetők meg. Az egyik ilyen hatás az f frekvenciájú sugárzási teljesítmény egy részének átalakítása 2f, 3f stb. frekvenciájú sugárzássá. (optikai harmonikusok generálása). Ez a hatás a besugárzott közeg nem lineáris tulajdonságainak köszönhető magas besugárzási szint mellett.

Mivel köztudott, hogy a biológiai tárgyak a legérzékenyebbek az UV sugárzás hatására, a harmonikusok sterilizáló hatása lesz a leghatékonyabb. Ugyanakkor, ha egy tárgyat közvetlenül UV-sugárforrással sugároznak be, az emitter beeső erejének nagy része a felületi rétegekben nyelődik el. A leírt esetben az UV-sugárzás magában a tárgyban keletkezik, ami a sterilizáló hatás térfogati jellegéhez vezet. Nyilvánvalóan ebben az esetben a sterilizálási folyamat nagyobb hatékonyságára lehet számítani.

A lézersugárzás nagyfokú monokromatikussága lehetővé teszi az egyik típusú baktérium sterilizálását, miközben a bináris bakteriális rendszerekben egy másik típusú mikroorganizmusok szaporodását serkenti, azaz célzott "szelektív" sterilizálást hoz létre.

Ezen alkalmazási területeken kívül a lézereket különféle mennyiségek mérésére is használják - spektroszkópia, tárgyak elmozdulása (interferencia módszer), rezgések, áramlási sebességek (lézeres anemométerek), inhomogenitások optikailag átlátszó közegben. A lézerek segítségével lehetőség nyílik a felület minőségének nyomon követésére, egy adott anyag optikai tulajdonságainak külső tényezőktől való függésének vizsgálatára, a környezet mikroorganizmusokkal való szennyezettségének mérésére stb.