Penggunaan sinaran laser

Laser — penjana kuantum (penguat) sinaran koheren dalam julat optik. Istilah «laser» terbentuk daripada huruf pertama nama Inggeris amplifikasi cahaya oleh pancaran radiasi yang dirangsang. Bergantung pada jenis bahan aktif, perbezaan dibuat antara laser keadaan pepejal, gas dan laser cecair.

Daripada laser jenis pertama, delima adalah yang paling banyak dikaji. Salah satu model terawal laser sedemikian menggunakan peralihan tenaga bagi ion kromium trivalen Cr3+ dalam kristal rubi monolitik (Cr2O3, A12O3). Di bawah tindakan mengepam sinaran (dengan panjang gelombang tertib 5600 A), ion Cr3+ melepasi dari tahap 1 ke tahap 3, dari mana peralihan ke bawah ke tahap 2 dan 1 adalah mungkin. Jika peralihan ke tahap metastabil 2 mendominasi dan jika pengepaman menyediakan pos, penyongsangan populasi pada tahap 1 dan 2, maka populasi pada tahap 2 akan melebihi populasi pada tahap 1.

Dalam kes peralihan spontan salah satu daripada Cr-ion3+, foton dengan frekuensi dipancarkan dari tahap 2 ke tahap 1 e12, yang mula merambat pada kristal delima.Bertemu dengan ion Cr3+ yang teruja d-merah, foton ini menyebabkan sinaran teraruh yang koheren dengan foton primer.

Disebabkan oleh banyak pantulan dari tepi yang digilap dan berwarna perak bagi kristal tunggal delima, keamatan sinaran dalam kristal terus meningkat. Ini berlaku hanya dengan foton tersebut, arah penyebaran adalah komotorykh membuat sudut kecil dengan paksi kristal. Sinaran keluli meninggalkan kristal melalui permukaan sisi dan tidak mengambil bahagian dalam pembentukan rasuk sinaran. Rasuk sinaran keluar melalui salah satu hujungnya, iaitu cermin lut sinar.

Kemajuan besar dalam peningkatan teknologi dalam pelbagai industri adalah berkaitan dengan penggunaan penjana kuantum optik (laser). Seperti yang anda ketahui, sinaran laser berbeza dengan ketara daripada sinaran sumber cahaya bukan laser yang lain (terma, pelepasan gas, dll.). Perbezaan ini telah menyebabkan penggunaan laser secara meluas dalam pelbagai bidang sains dan teknologi.

Pertimbangkan reka bentuk asas laser.

Secara umum, gambarajah blok penjana kuantum optik (OQC) ditunjukkan dalam Rajah. 1 (dalam beberapa kes pemacu 4-7 mungkin hilang).

Dalam bahan aktif 1, di bawah tindakan pengepaman, sinaran yang melaluinya dipertingkatkan disebabkan oleh sinaran teraruh (disebabkan oleh medan elektromagnet luaran) elektron yang melewati dari paras tenaga atas ke yang lebih rendah. Dalam kes ini, sifat bahan aktif menentukan kekerapan pelepasan laser.

Sebagai bahan aktif, media kristal atau amorfus boleh digunakan, di mana sejumlah kecil kekotoran unsur aktif diperkenalkan (dalam laser keadaan pepejal); gas atau wap logam (dalam laser gas); larutan cecair pewarna organik (dalam laser cecair).

nasi. 1. Gambar rajah blok penjana kuantum optik

Dengan bantuan sistem pam laser 3, keadaan dicipta dalam bahan aktif, yang memungkinkan untuk menguatkan sinaran. Untuk ini, adalah perlu untuk mencipta penyongsangan (pengagihan semula) populasi tahap tenaga atom elektron, di mana populasi peringkat atas lebih besar daripada yang lebih rendah. Sebagai sistem pengepaman, ia digunakan dalam laser keadaan pepejal - lampu nyahcas gas, dalam laser gas - sumber arus terus, berdenyut, penjana HF dan gelombang mikro, dan dalam laser cecair - LAG.

Bahan aktif laser diletakkan dalam resonator optik 2, iaitu sistem cermin, salah satunya adalah lut sinar dan berfungsi untuk mengeluarkan sinaran laser daripada resonator.

Fungsi resonator optik agak pelbagai: mencipta maklum balas positif dalam penjana, membentuk spektrum sinaran laser, dsb.

Peranti 5 untuk pemilihan mod dan penstabilan frekuensi direka untuk meningkatkan kualiti spektrum sinaran keluaran laser, iaitu untuk membawanya lebih dekat kepada spektrum ayunan monokromatik.

Dalam laser cecair, Sistem 6 mencapai pelbagai penalaan frekuensi ayunan. Jika perlu, modulasi amplitud atau fasa sinaran boleh dicapai dalam laser. Modulasi luaran biasanya digunakan dengan peranti 7.

Jenis laser

Laser moden boleh dikelaskan mengikut kriteria yang berbeza:

• mengikut jenis bahan aktif yang digunakan di dalamnya,

• dengan mod pengendalian (penjanaan berterusan atau berdenyut, mod Q-switched),

• oleh sifat spektrum sinaran (berbilang mod, mod tunggal, laser frekuensi tunggal), dsb.

Yang paling biasa ialah yang pertama daripada klasifikasi yang disebutkan.

Laser keadaan pepejal

Laser ini menggunakan media kristal dan amorfus sebagai bahan aktif. Laser keadaan pepejal mempunyai beberapa kelebihan:

• nilai tinggi keuntungan linear medium, yang memungkinkan untuk mendapatkan laser dengan dimensi paksi kecil laser;

• kemungkinan mendapatkan nilai kuasa keluaran yang sangat tinggi dalam mod nadi.

Jenis utama laser keadaan pepejal ialah:

1. laser ruby ​​​​di mana ion kromium adalah pusat aktif. Garis penjanaan terletak di kawasan merah spektrum (λ = 0.69 μm). Kuasa keluaran sinaran dalam mod berterusan ialah beberapa watt, tenaga dalam mod berdenyut adalah beberapa ratus joule dengan tempoh nadi urutan 1 ms;

2. laser berdasarkan ion logam nadir bumi (terutamanya ion neodymium). Kelebihan penting laser ini ialah keupayaan untuk digunakan dalam mod berterusan pada suhu bilik. Barisan penjanaan utama laser ini adalah di kawasan inframerah (λ = 1.06 μm). Tahap kuasa output dalam mod berterusan mencapai 100-200 W dengan kecekapan 1-2%.

Laser gas

Penyongsangan populasi dalam laser gas dicapai dengan bantuan pelepasan dan dengan bantuan jenis pengepaman lain: kimia, haba, dll.

Berbanding dengan laser gas keadaan pepejal, mereka mempunyai beberapa kelebihan:

• meliputi julat panjang gelombang yang sangat luas 0.2-400 mikron;

• pelepasan laser gas sangat monokromatik dan berarah;

• membolehkan tahap kuasa keluaran yang sangat tinggi dicapai dalam operasi berterusan.

Jenis utama laser gas:

1.Laser neon helium… Panjang gelombang utama adalah dalam bahagian spektrum yang boleh dilihat (λ = 0.63 μm). Kuasa keluaran biasanya kurang daripada 100 mW. Berbanding dengan semua jenis laser lain, laser helium-neon memberikan tahap koheren keluaran tertinggi.

2. Laser wap kuprum… Penjanaan sinaran utama dicipta pada dua baris, satu daripadanya berada di bahagian hijau spektrum (λ = 0.51 μm) dan satu lagi dalam warna kuning (λ = 0.58 μm). Kuasa nadi dalam laser sedemikian mencapai 200 kW dengan kuasa purata kira-kira 40 W.

3. Laser gas ion... Laser yang paling biasa jenis ini ialah laser argon (λ = 0.49 — 0.51 µm) dan laser helium-kadmium (λ = 0.44 µm).

4. Laser CO2 molekul... Penjanaan paling berkuasa dicapai pada λ = 10.6 μm. Kuasa keluaran dalam mod cw laser CO2 adalah sangat tinggi dan mencapai 10 kW atau lebih dengan kecekapan yang cukup tinggi iaitu 15-30% berbanding semua jenis laser lain. Kuasa nadi = 10 MW dicapai dengan tempoh denyutan yang dijana mengikut urutan 10-100 ms.

Laser cecair

Laser cecair membenarkan penalaan pada julat luas frekuensi ayunan yang dijana (dari λ = 0.3 µm hingga λ = 1.3 µm). Sebagai peraturan, dalam laser sedemikian, bahan aktif adalah larutan cecair pewarna organik (contohnya, larutan rhodamine).

Parameter laser

Kesepaduan

Ciri khas sinaran laser ialah koherennya.

Koheren difahamkan sebagai proses selaras proses gelombang dalam masa dan ruang. Koheren ruang — koheren antara fasa gelombang yang dipancarkan secara serentak dari titik yang berbeza dalam ruang, dan koheren temporal — koheren antara fasa gelombang yang dipancarkan dari satu titik di saat-saat rehat dalam masa.

Ayunan elektromagnet koheren — ayunan dua atau lebih sumber dengan frekuensi yang sama dan perbezaan fasa malar. Dalam kejuruteraan radio, konsep koheren juga meluas kepada sumber ayunan yang frekuensinya tidak sama. Sebagai contoh, ayunan 2 sumber dianggap koheren jika frekuensinya f1 dan e2 berada dalam hubungan rasional, i.e. f1 / f2 = n / m, dengan n dan m adalah integer.

Sumber ayunan yang dalam selang cerapan mempunyai frekuensi yang hampir sama dan perbezaan fasa yang hampir sama, atau sumber ayunan yang nisbah frekuensinya sedikit berbeza daripada yang rasional, dipanggil sumber ayunan yang hampir koheren.

Keupayaan untuk mengganggu adalah salah satu ciri utama ayunan koheren. Perlu diingatkan bahawa hanya gelombang koheren yang boleh mengganggu. Dalam perkara berikut, ia akan ditunjukkan bahawa beberapa bidang penggunaan sumber sinaran optik adalah berdasarkan tepat pada fenomena gangguan.

Perbezaan

Koheren spatial sinaran laser yang tinggi membawa kepada perbezaan yang rendah bagi sinaran ini, yang bergantung pada panjang gelombang λ dan parameter rongga optik yang digunakan dalam laser.

Untuk sumber cahaya biasa, walaupun cermin khas digunakan, sudut perbezaan adalah kira-kira satu hingga dua urutan magnitud lebih besar daripada laser.

Perbezaan sinaran laser yang rendah membuka kemungkinan untuk mendapatkan ketumpatan fluks tenaga cahaya yang tinggi menggunakan kanta fokus konvensional.

Kearaharah sinaran laser yang tinggi membolehkan anda menjalankan analisis, pengukuran dan kesan setempat (secara praktikal pada masa tertentu) pada bahan tertentu.

Di samping itu, kepekatan spatial sinaran laser yang tinggi membawa kepada fenomena tak linear yang jelas, di mana sifat proses yang berterusan bergantung kepada keamatan penyinaran. Sebagai contoh, kita boleh menunjuk kepada penyerapan multifoton, yang diperhatikan hanya apabila menggunakan sumber laser dan membawa kepada peningkatan dalam penyerapan tenaga oleh bahan pada kuasa pemancar yang tinggi.

Monokrom

Tahap monokromatik sinaran menentukan julat frekuensi di mana bahagian utama kuasa pemancar terkandung. Parameter ini sangat penting apabila menggunakan sumber sinaran optik dan sepenuhnya ditentukan oleh tahap keselarasan temporal sinaran.

Dalam laser, semua kuasa sinaran tertumpu pada garis spektrum yang sangat sempit. Lebar kecil garis pelepasan dicapai dengan menggunakan resonator optik dalam laser dan terutamanya ditentukan oleh kestabilan frekuensi resonans yang terakhir.

Polarisasi

Dalam beberapa peranti, peranan tertentu dimainkan oleh polarisasi sinaran, yang mencirikan orientasi utama vektor medan elektrik gelombang.

Sumber bukan laser biasa dicirikan oleh polarisasi huru-hara. Sinaran laser adalah terkutub bulat atau linear. Khususnya, dengan polarisasi linear peranti khas boleh digunakan untuk memutar satah polarisasi. Dalam hal ini, perlu diambil perhatian bahawa untuk beberapa produk makanan, pekali pantulan dalam jalur penyerapan bergantung dengan ketara pada arah satah polarisasi sinaran.

Tempoh nadi. Penggunaan laser juga memungkinkan untuk mendapatkan sinaran dalam bentuk denyutan dalam tempoh yang sangat singkat (tp = 10-8-10-9 s). Ini biasanya dicapai dengan memodulasi faktor Q resonator, penguncian mod, dsb.

Dalam jenis sumber sinaran lain, tempoh nadi minimum adalah beberapa susunan magnitud yang lebih tinggi, yang, khususnya, adalah lebar garis spektrum.

Kesan sinaran laser pada objek biologi

Sinaran laser dengan ketumpatan tenaga tinggi dalam kombinasi dengan monokromatik dan koheren adalah faktor unik yang mempengaruhi objek biologi. Monokromatisiti memungkinkan untuk secara selektif mempengaruhi struktur molekul objek tertentu, dan keselarasan dan polarisasi, digabungkan dengan tahap organisasi sistem penyinaran yang tinggi, menentukan kesan kumulatif (resonans) tertentu, yang walaupun pada tahap radiasi yang agak rendah membawa kepada rangsangan foto yang kuat proses dalam sel, kepada photomutagesis.

Apabila objek biologi terdedah kepada sinaran laser, beberapa ikatan molekul dimusnahkan atau transformasi struktur molekul berlaku, dan proses ini adalah selektif, iaitu, beberapa ikatan dimusnahkan sepenuhnya oleh penyinaran, manakala yang lain secara praktikal tidak berubah. Watak resonans yang jelas dari interaksi sinaran laser dengan molekul membuka kemungkinan pemangkinan selektif tindak balas metabolik tertentu, iaitu tindak balas metabolik, kawalan cahaya tindak balas ini. Dalam kes ini, sinaran laser memainkan peranan enzim.

Penggunaan sifat sumber cahaya laser sedemikian membuka kemungkinan luas untuk meningkatkan biosintesis industri.

Penyinaran laser yis boleh digunakan untuk biosintesis yang disasarkan, contohnya, karotenoid dan lipid, dan secara lebih meluas, untuk mendapatkan strain yis mutan baharu dengan orientasi biosintetik yang diubah.

Dalam beberapa industri makanan, keupayaan untuk mengawal, menggunakan penyinaran laser, nisbah aktiviti enzim yang memecahkan molekul protein kepada serpihan polipeptida dan menghidrolisis serpihan ini menjadi asid amino boleh digunakan.

Dalam pengeluaran industri asid sitrik, rangsangan laser mencapai peningkatan dalam hasil produk sebanyak 60% dan pada masa yang sama mengurangkan kandungan produk sampingan. Fotostimulasi laser lipogenesis dalam kulat membolehkan pengeluaran lemak yang boleh dimakan dan teknikal semasa pemprosesan bahan mentah cendawan yang tidak boleh dimakan. Data juga diperolehi mengenai rangsangan laser pembentukan organ pembiakan dalam kulat yang digunakan dalam industri mikrobiologi.

Perlu diingatkan bahawa, tidak seperti sumber cahaya konvensional, laser mampu mensterilkan jus di bahagian spektrum yang boleh dilihat, yang membuka kemungkinan pensterilan menggunakan laser terus melalui kaca botol.

Ciri menarik pensterilan laser telah diperhatikan. Jika pada tahap kuasa rendah lengkung kelangsungan hidup sel mikrob untuk penyinaran laser dan penyinaran dengan sumber cahaya konvensional boleh dikatakan bertepatan, maka apabila kuasa khusus penyinaran laser adalah kira-kira 100 kW / cm2, terdapat peningkatan mendadak dalam keberkesanan tindakan pensterilan sinaran laser, i.e. untuk mencapai kesan kematian sel yang sama memerlukan lebih sedikit tenaga daripada menggunakan sumber kuasa yang rendah.

Apabila disinari dengan sumber cahaya yang tidak koheren, kesan ini tidak diperhatikan. Sebagai contoh, apabila sel-sel diterangi dengan nadi yang kuat, satu denyar sudah cukup untuk laser delima untuk memukul sehingga 50% daripada sel, manakala tenaga yang sama, diserap untuk masa yang lama, bukan sahaja tidak menyebabkan kerosakan. , tetapi juga membawa kepada peningkatan proses fotosintesis dalam mikroorganisma.

Kesan yang diterangkan boleh dijelaskan oleh fakta bahawa, dalam keadaan biasa, molekul yang memasuki tindak balas fotokimia menyerap satu kuantum cahaya (penyerapan satu foton), yang meningkatkan kereaktifannya. Pada tahap sinaran kejadian yang tinggi, kebarangkalian dua- penyerapan foton meningkat, di mana molekul menyerap dua foton secara serentak. Dalam kes ini, kecekapan transformasi kimia meningkat secara mendadak dan struktur molekul rosak dengan kecekapan yang lebih besar.

Apabila terdedah kepada sinaran laser yang berkuasa, kesan tak linear lain berlaku yang tidak diperhatikan apabila menggunakan sumber cahaya konvensional. Salah satu daripada kesan ini ialah penukaran sebahagian daripada kuasa sinaran frekuensi f kepada sinaran frekuensi 2f, 3f, dsb. (penjanaan harmonik optik). Kesan ini disebabkan oleh sifat tidak linear medium penyinaran pada tahap penyinaran tinggi.

Memandangkan diketahui bahawa objek biologi paling sensitif terhadap tindakan sinaran UV, kesan pensterilan harmonik akan menjadi paling berkesan. Pada masa yang sama, jika objek disinari secara langsung dengan sumber sinaran UV, kebanyakan kuasa kejadian pemancar akan diserap dalam lapisan permukaan. Dalam kes yang diterangkan, sinaran UV dijana di dalam objek itu sendiri, yang membawa kepada sifat isipadu kesan pensterilan. Jelas sekali, dalam kes ini, kecekapan yang lebih tinggi dalam proses pensterilan boleh dijangkakan.

Tahap monokromatik sinaran laser yang tinggi boleh memungkinkan untuk mensterilkan satu jenis bakteria, sambil merangsang pertumbuhan mikroorganisma jenis lain dalam sistem bakteria binari, iaitu, untuk menghasilkan pensterilan "selektif" yang disasarkan.

Sebagai tambahan kepada bidang aplikasi ini, laser juga digunakan untuk mengukur pelbagai kuantiti — spektroskopi, anjakan objek (kaedah gangguan), getaran, halaju aliran (anemometer laser), ketidakhomogenan dalam media telus optik. Dengan bantuan laser, adalah mungkin untuk memantau kualiti permukaan, untuk mengkaji pergantungan sifat optik bahan tertentu pada faktor luaran, untuk mengukur pencemaran alam sekitar dengan mikroorganisma, dsb.