Lasersäteilyn käyttö

Laser - optisella alueella koherentin säteilyn kvanttigeneraattori (vahvistin). Termi "laser" muodostuu englanninkielisen nimen "amplification of light by stimulated säteilyemissio" alkukirjaimista. Aktiivisen materiaalin tyypistä riippuen erotetaan toisistaan ​​solid-state laserit, kaasu- ja nestelaserit.

Ensimmäisen tyypin lasereista rubiini on tutkituin. Yksi tällaisen laserin varhaisimmista malleista käyttää kolmiarvoisen kromi-ionin Cr3+ energiasiirtymiä monoliittisessa rubiinikiteessä (Cr2O3, A12O3). Pumppaavan säteilyn vaikutuksesta (aallonpituudella 5600 A) Cr3+-ioni siirtyy tasolta 1 tasolle 3, josta on mahdollista siirtyä alaspäin tasoille 2 ja 1. Jos siirtymät metastabiilille tasolle 2 ovat vallitsevia ja jos pumppaus tarjoaa postin, populaation inversion tasoilla 1 ja 2, silloin tason 2 populaatio ylittää tason 1 populaation.

Yhden Cr-ionin3+ spontaanin siirtymän tapauksessa taajuudella varustettu fotoni säteilee tasolta 2 tasolle 1 e12, joka alkaa levitä rubiinikiteellä.Tämä fotoni kohdatessaan d-punaisen virittyneen Cr3+-ionin aiheuttaa jo indusoitua säteilyä, joka on koherentti primäärifotonin kanssa.

Rubiiniyksittäiskiteen kiillotetuista ja hopeoiduista reunoista tulevista lukuisista heijastuksista johtuen kiteen säteilyn intensiteetti kasvaa jatkuvasti. Tämä tapahtuu vain niillä fotoneilla, etenemissuunta on komotorykh tekee pienen kulman kiteen akselin kanssa. Terässäteily lähtee kiteestä sivupinnan kautta eikä osallistu säteilysäteen muodostukseen. Säteilysäde poistuu yhdestä päästä, joka on läpikuultava peili.

Suuri edistysaskel teknologian kehittämisessä eri toimialoilla liittyy optisten kvanttigeneraattoreiden (laserien) käyttöön. Kuten tiedätte, lasersäteily eroaa merkittävästi muiden ei-laservalonlähteiden säteilystä (lämpö, ​​kaasupurkaus jne.). Nämä erot ovat johtaneet lasereiden laajaan käyttöön tieteen ja teknologian eri aloilla.

Harkitse laserien perusrakennetta.

Yleensä optisen kvanttigeneraattorin (OQC) lohkokaavio on esitetty kuvassa. 1 (joissakin tapauksissa asemat 4-7 saattavat puuttua).

Vaikuttavassa aineessa 1 pumppauksen vaikutuksesta sen läpi kulkeva säteily lisääntyy ylemmiltä energiatasoilta alemmille siirtyvien elektronien indusoidun (ulkoisen sähkömagneettisen kentän aiheuttaman) säteilyn vuoksi. Tässä tapauksessa vaikuttavan aineen ominaisuudet määräävät laseremissiotaajuuden.

Vaikuttavana aineena voidaan käyttää kiteistä tai amorfista väliainetta, johon lisätään pieniä määriä aktiivisten alkuaineiden epäpuhtauksia (solid-state lasereissa); metallikaasut tai -höyryt (kaasulasereissa); orgaanisten väriaineiden nestemäiset liuokset (nestemäisissä lasereissa).

Riisi. 1. Optisen kvanttigeneraattorin lohkokaavio

Laserpumppujärjestelmän 3 avulla vaikuttavaan aineeseen luodaan olosuhteet, jotka mahdollistavat säteilyn vahvistamisen. Tätä varten on tarpeen luoda elektronien atomien energiatasojen populaatioiden inversio (uudelleenjakauma), jossa ylempien tasojen populaatio on suurempi kuin alempien. Pumppausjärjestelminä niitä käytetään solid-state lasereissa — kaasupurkauslampuissa, kaasulasereissa — tasavirtalähteissä, pulssi-, HF- ja mikroaaltogeneraattoreissa sekä nestelasereissa — LAG:issa.

Laserin aktiivinen aine sijoitetaan optiseen resonaattoriin 2, joka on peilijärjestelmä, joista yksi on läpikuultava ja poistaa lasersäteilyä resonaattorista.

Optisen resonaattorin toiminnot ovat melko monipuolisia: positiivisen palautteen luominen generaattorissa, lasersäteilyn spektrin muodostaminen jne.

Laite 5 moodin valintaa ja taajuuden stabilointia varten on suunniteltu parantamaan laserin lähtösäteilyn spektrin laatua, eli tuomaan se lähemmäksi monokromaattisten värähtelyjen spektriä.

Nestelasereissa System 6 saavuttaa laajan valikoiman värähtelytaajuuden viritystä. Tarvittaessa laserissa voidaan saada aikaan säteilyn amplitudi- tai vaihemodulaatio. Ulkoista modulaatiota käytetään yleensä laitteen 7 kanssa.

Lasertyypit

Nykyaikaiset laserit voidaan luokitella eri kriteerien mukaan:

• niissä käytetyn vaikuttavan aineen tyypin mukaan,

• käyttötavan mukaan (jatkuva tai pulssituotanto, Q-kytkentätila),

• säteilyn spektriominaisuuksien perusteella (monimuoto-, yksimuoto-, yksitaajuiset laserit) jne.

Yleisin on ensimmäinen mainituista luokitteluista.

Solid state laserit

Nämä laserit käyttävät vaikuttavana aineena kiteistä ja amorfista väliainetta. Solid-state laserilla on useita etuja:

• väliaineen lineaarisen vahvistuksen korkeat arvot, jotka mahdollistavat laserin, jolla on pienet laserin aksiaaliset mitat;

• mahdollisuus saada erittäin korkeita lähtötehoarvoja pulssitilassa.

Puolijohdelaserien päätyypit ovat:

1. rubiinilaserit, joissa kromi-ionit ovat aktiivinen keskus. Generointiviivat sijaitsevat spektrin punaisella alueella (λ = 0,69 μm). Säteilyn lähtöteho jatkuvassa tilassa on useita watteja, pulssitilassa energia useita satoja jouleita pulssin keston luokkaa 1 ms;

2. harvinaisiin maametalli-ioneihin (pääasiassa neodyymi-ioneihin) perustuvat laserit. Näiden lasereiden tärkeä etu on kyky käyttää jatkuvassa tilassa huoneenlämmössä. Näiden lasereiden päätuotantolinja on infrapuna-alueella (λ = 1,06 μm). Lähtötehotaso jatkuvassa tilassa saavuttaa 100-200 W hyötysuhteella 1-2%.

Kaasu laserit

Kaasulasereissa väestön inversio saavutetaan sekä purkausten että muuntyyppisten pumppausten avulla: kemiallinen, lämpö jne.

Puolijohdekaasulasereihin verrattuna niillä on useita etuja:

• kattaa erittäin laajan aallonpituusalueen 0,2-400 mikronia;

• kaasulaserien emissio on erittäin yksiväristä ja suuntautuvaa;

• mahdollistaa erittäin korkeiden lähtötehotasojen saavuttamisen jatkuvassa käytössä.

Kaasulaserien päätyypit:

1.Heliumneonlaserit… Pääaallonpituus on spektrin näkyvässä osassa (λ = 0,63 μm). Lähtöteho on yleensä alle 100 mW. Verrattuna kaikkiin muihin lasertyyppeihin helium-neonlaserit tarjoavat korkeimman tuloksen koherenssin.

2. Kuparihöyrylaserit… Säteilyn päätuote syntyy kahdelle viivalle, joista toinen on spektrin vihreässä osassa (λ = 0,51 μm) ja toinen keltaisessa (λ = 0,58 μm). Tällaisten lasereiden pulssiteho saavuttaa 200 kW keskitehon ollessa noin 40 W.

3. Ionikaasulaserit... Yleisimmät tämän tyyppiset laserit ovat argonlaserit (λ = 0,49 - 0,51 µm) ja helium-kadmiumlaserit (λ = 0,44 µm).

4. Molekyyliset CO2-laserit... Tehokkain tuotanto saavutetaan λ = 10,6 μm:ssä. CO2-laserien lähtöteho cw-tilassa on erittäin korkea ja saavuttaa 10 kW tai enemmän riittävän korkealla 15-30% hyötysuhteella verrattuna kaikkiin muihin laserlajeihin. Pulssitehot = 10 MW saavutetaan generoitujen pulssien kestolla luokkaa 10-100 ms.

Nestemäiset laserit

Nestelaserit mahdollistavat virityksen laajalla generoidun värähtelytaajuuden alueella (λ = 0,3 µm - λ = 1,3 µm). Yleensä tällaisissa lasereissa vaikuttava aine on orgaanisten väriaineiden nestemäiset liuokset (esimerkiksi rodamiiniliuos).

Laserparametrit

Johdonmukaisuus

Lasersäteilyn erottuva piirre on sen koherenssi.

Koherenssi ymmärretään aaltoprosessien koordinoituna kulkuna ajassa ja tilassa Spatiaalinen koherenssi — avaruuden eri pisteistä samanaikaisesti lähetettyjen aaltojen vaiheiden välinen koherenssi ja ajallinen koherenssi — yhdestä pisteestä lähtevien aaltojen vaiheiden välinen koherenssi. tauon hetkinä.

Koherentit sähkömagneettiset värähtelyt - kahden tai useamman lähteen värähtelyt, joilla on samat taajuudet ja jatkuva vaihe-ero. Radiotekniikassa koherenssin käsite ulottuu myös värähtelylähteisiin, joiden taajuudet eivät ole samat. Esimerkiksi 2 lähteen värähtelyjä pidetään koherenteina, jos niiden taajuudet f1 ja e2 ovat rationaalisessa suhteessa, ts. f1 / f2 = n / m, missä n ja m ovat kokonaislukuja.

Värähtelyn lähteitä, joilla on havaintovälillä lähes samat taajuudet ja lähes sama vaihe-ero, tai värähtelyn lähteitä, joiden taajuussuhde poikkeaa vähän rationaalisesta, kutsutaan lähes koherenttien värähtelyjen lähteiksi.

Kyky häiritä on yksi koherentin värähtelyn pääominaisuuksista. On huomattava, että vain koherentit aallot voivat häiritä. Seuraavassa osoitetaan, että monet optisen säteilyn lähteiden sovellusalueet perustuvat juuri häiriöilmiöön.

Eroaminen

Lasersäteilyn korkea spatiaalinen koherenssi johtaa tämän säteilyn pieneen divergenssiin, joka riippuu aallonpituudesta λ ja laserissa käytetyn optisen ontelon parametreista.

Tavallisissa valonlähteissä, jopa käytettäessä erikoispeilejä, hajontakulma on noin yhdestä kahteen suuruusluokkaa suurempi kuin lasereilla.

Lasersäteilyn alhainen hajoavuus avaa mahdollisuuden saada suuri valoenergian vuotiheys käyttämällä tavanomaisia ​​tarkennuslinssejä.

Lasersäteilyn korkea suuntaavuus mahdollistaa paikallisten (käytännöllisesti katsoen tietyllä hetkellä) analyysien, mittausten ja vaikutusten tekemisen tietylle aineelle.

Lisäksi lasersäteilyn korkea spatiaalinen pitoisuus johtaa voimakkaisiin epälineaarisiin ilmiöihin, joissa käynnissä olevien prosessien luonne riippuu säteilyn voimakkuudesta. Esimerkkinä voidaan mainita monifotoninen absorptio, joka havaitaan vain laserlähteitä käytettäessä ja joka johtaa aineen energiaabsorption lisääntymiseen suurilla emitteritehoilla.

Yksivärinen

Säteilyn monokromaattisuus määrittää taajuusalueen, jolla suurin osa emitterin tehosta on. Tällä parametrilla on suuri merkitys käytettäessä optisen säteilyn lähteitä, ja se määräytyy kokonaan säteilyn ajallisen koherenssin asteen mukaan.

Lasereissa kaikki säteilyteho on keskittynyt erittäin kapeisiin spektrilinjoihin. Emissioviivan pieni leveys saavutetaan käyttämällä laserissa optista resonaattoria, ja sen määrää pääasiassa jälkimmäisen resonanssitaajuuden stabiilius.

Polarisaatio

Useissa laitteissa tietty rooli on säteilyn polarisaatiolla, joka luonnehtii aallon sähkökentän vektorin hallitsevaa suuntausta.

Tavallisille ei-laserlähteille on ominaista kaoottinen polarisaatio. Lasersäteily on ympyrä- tai lineaarisesti polarisoitunutta. Erityisesti lineaarisella polarisaatiolla voidaan käyttää erikoislaitteita polarisaatiotason kiertämiseen. Tässä suhteessa on huomattava, että useiden elintarvikkeiden heijastuskerroin absorptiokaistalla riippuu merkittävästi säteilyn polarisaatiotason suunnasta.

Pulssin kesto. Lasereiden käyttö mahdollistaa myös säteilyn saamisen hyvin lyhytkestoisten pulssien muodossa (tp = 10-8-10-9 s). Tämä saavutetaan yleensä moduloimalla resonaattorin Q-kerrointa, tilalukitusta jne.

Muissa säteilylähteissä pulssin minimikesto on useita suuruusluokkia suurempi, mikä on siis erityisesti spektriviivan leveys.

Lasersäteilyn vaikutukset biologisiin kohteisiin

Korkean energiatiheyden omaava lasersäteily yhdistettynä monokromaattisuuteen ja koherenssiin on ainutlaatuinen biologisiin esineisiin vaikuttava tekijä. Monokromaattisuus mahdollistaa selektiivisen vaikutuksen tiettyihin esineiden molekyylirakenteisiin, ja koherenssi ja polarisaatio yhdistettynä säteilytettyjen järjestelmien korkeaan organisoitumisasteeseen määräävät erityisen kumulatiivisen (resonanssi)vaikutuksen, joka jopa suhteellisen alhaisilla säteilytasoilla johtaa voimakkaaseen fotostimulaatioon. solujen prosesseista fotomutageneesiin.

Kun biologiset esineet altistetaan lasersäteilylle, jotkut molekyylisidokset tuhoutuvat tai molekyylien rakenteellinen muutos tapahtuu, ja nämä prosessit ovat selektiivisiä, toisin sanoen jotkut sidokset tuhoutuvat kokonaan säteilytyksen vaikutuksesta, kun taas toiset eivät käytännössä muutu. Tällainen selvä resonanssiluonne lasersäteilyn vuorovaikutuksessa molekyylien kanssa avaa mahdollisuuden tiettyjen metabolisten reaktioiden selektiiviseen katalysointiin, toisin sanoen metabolisiin reaktioihin, näiden reaktioiden valon hallintaan. Tässä tapauksessa lasersäteily toimii entsyyminä.

Tällaisten laservalonlähteiden ominaisuuksien käyttö avaa laajat mahdollisuudet teollisen biosynteesin tehostamiseen.

Hiivan lasersäteilytystä voidaan käyttää esimerkiksi karotenoidien ja lipidien kohdennettuun biosynteesiin ja laajemmin uusien mutanttihiivakantojen saamiseksi, joilla on muuttunut biosynteettinen orientaatio.

Useilla elintarviketeollisuudella voidaan käyttää kykyä kontrolloida lasersäteilyn avulla niiden entsyymien aktiivisuussuhdetta, jotka hajottavat proteiinimolekyylejä polypeptidifragmenteiksi ja hydrolysoivat nämä fragmentit aminohapoiksi.

Sitruunahapon teollisessa tuotannossa laserstimulaatiolla saavutetaan 60 %:n lisäys tuotteen saantoon ja samalla vähennetään sivutuotteiden pitoisuutta. Sienten lipogeneesin laserfotostimulaatio mahdollistaa syötävien ja teknisten rasvojen tuotannon syötäväksi kelpaamattomien sieniraaka-aineiden käsittelyn aikana. Tietoja saatiin myös mikrobiologisessa teollisuudessa käytettyjen sienien lisääntymiselinten muodostumisen laserstimulaatiosta.

On huomattava, että toisin kuin perinteiset valonlähteet, laser pystyy steriloimaan mehuja spektrin näkyvässä osassa, mikä avaa mahdollisuuden sterilointiin lasereilla suoraan pullon lasin läpi.

Lasersteriloinnin mielenkiintoinen piirre on havaittu. Jos pienellä tehotasolla mikrobisolujen eloonjäämiskäyrät lasersäteilytykseen ja säteilytykseen tavanomaisella valonlähteellä ovat käytännössä samat, niin kun lasersäteilyn ominaisteho on noin 100 kW / cm2, lasersäteilyn tehokkuus kasvaa jyrkästi. lasersäteilyn steriloiva vaikutus, ts. saman solukuoleman vaikutuksen saavuttaminen vaatii paljon vähemmän energiaa kuin alhaisen teholähteen käyttäminen.

Kun säteilytetään epäkoherentilla valonlähteellä, tätä vaikutusta ei havaita. Esimerkiksi kun soluja valaistaan ​​voimakkaalla pulssilla, yksi välähdys riittää, jotta rubiinilaser osuu jopa 50 prosenttiin soluista, kun taas sama energia, joka imeytyy pitkään, ei vain aiheuta vahinkoa. , mutta johtaa myös mikro-organismien fotosynteesiprosessien voimistumiseen.

Kuvattu vaikutus selittyy sillä, että normaaleissa olosuhteissa fotokemialliseen reaktioon tulevat molekyylit absorboivat yhden kvantin valoa (yhden fotonin absorptio), mikä lisää niiden reaktiivisuutta. fotonien absorptio kasvaa, jolloin molekyyli absorboi kaksi fotonia samanaikaisesti. Tässä tapauksessa kemiallisten muutosten tehokkuus kasvaa jyrkästi ja molekyylien rakenne vaurioituu tehokkaammin.

Kun se altistuu voimakkaalle lasersäteilylle, esiintyy muita epälineaarisia vaikutuksia, joita ei havaita käytettäessä tavanomaisia ​​valonlähteitä. Yksi näistä vaikutuksista on taajuuden f säteilytehon osan muuntaminen taajuuksiksi 2f, 3f jne. (optisten harmonisten sukupolvi). Tämä vaikutus johtuu säteilytetyn väliaineen epälineaarisista ominaisuuksista korkeilla säteilytasoilla.

Koska tiedetään, että biologiset esineet ovat herkimpiä UV-säteilyn vaikutukselle, yliaaltojen steriloiva vaikutus on tehokkain. Samanaikaisesti, jos kohde säteilytetään suoraan UV-säteilyn lähteellä, suurin osa emitterin tulevasta tehosta absorboituu pintakerroksiin. Kuvatussa tapauksessa UV-säteilyä syntyy itse kohteen sisällä, mikä johtaa steriloivan vaikutuksen volyymilliseen luonteeseen. On selvää, että tässä tapauksessa sterilointiprosessin tehokkuutta voidaan odottaa.

Lasersäteilyn korkea monokromaattisuus voi mahdollistaa yhden tyyppisten bakteerien steriloinnin, samalla kun se stimuloi toisen tyyppisten mikro-organismien kasvua binaarisissa bakteerijärjestelmissä, eli tuottaa kohdennettua "selektiivistä" sterilointia.

Näiden käyttöalueiden lisäksi lasereilla mitataan myös erilaisia ​​suureita — spektroskopiaa, esineiden siirtymiä (häiriömenetelmä), värähtelyjä, virtausnopeuksia (laseranemometrit), epähomogeenisuuksia optisesti läpinäkyvissä väliaineissa. Lasereiden avulla voidaan seurata pinnan laatua, tutkia tietyn aineen optisten ominaisuuksien riippuvuutta ulkoisista tekijöistä, mitata ympäristön saastumista mikro-organismeilla jne.