Lazerio spinduliuotės taikymas

Lazeris – koherentinės spinduliuotės optiniame diapazone kvantinis generatorius (stiprintuvas). Terminas „lazeris“ yra sudarytas iš pirmųjų angliško pavadinimo „amplification of light by stimulated emission of light“ raidžių. Priklausomai nuo aktyviosios medžiagos tipo, skiriami kietojo kūno lazeriai, dujiniai ir skystieji lazeriai.

Iš pirmojo tipo lazerių labiausiai ištirtas rubinas. Viename iš ankstyviausių tokio lazerio modelių naudojami trivalenčio chromo jono Cr3+ energijos perėjimai monolitiniame rubino kristale (Cr2O3, A12O3). Veikiant siurbiamajai spinduliuotei (kurios bangos ilgis yra 5600 A), Cr3+ jonas pereina iš 1 lygio į 3 lygį, iš kurio galimi perėjimai žemyn į 2 ir 1 lygius. Jei vyrauja perėjimai į metastabilų 2 lygį ir jei siurbimas suteikia postą, 1 ir 2 lygių populiacijos inversija, tada 2 lygio populiacija viršys 1 lygio populiaciją.

Spontaniško vieno iš Cr-jonų3+ perėjimo atveju fotonas su dažniu išspinduliuojamas nuo 2 lygio iki 1 lygio e12, kuris pradeda sklisti ant rubino kristalo.Susidūręs su d-raudonaisiais sužadintais Cr3+ jonais, šis fotonas sukelia jau indukuotą spinduliuotę, koherentišką su pirminiu fotonu.

Dėl daugybės atspindžių nuo poliruotų ir sidabruotų rubino vieno kristalo briaunų radiacijos intensyvumas kristale nuolat didėja. Taip atsitinka tik su tais fotonais, sklidimo kryptis komotorykh daro nedidelį kampą su kristalo ašimi. Plieninė spinduliuotė palieka kristalą per šoninį paviršių ir nedalyvauja formuojant spinduliuotės pluoštą. Spinduliuotės spindulys išeina per vieną iš galų, kuris yra permatomas veidrodis.

Didelė pažanga tobulinant technologijas įvairiose pramonės šakose yra susijusi su optinių kvantinių generatorių (lazerių) naudojimu. Kaip žinia, lazerio spinduliuotė labai skiriasi nuo kitų ne lazerinių šviesos šaltinių (šilumos, dujų išlydžio ir kt.) spinduliuotės. Dėl šių skirtumų lazeriai plačiai naudojami įvairiose mokslo ir technologijų srityse.

Apsvarstykite pagrindinį lazerių dizainą.

Apskritai optinio kvantinio generatoriaus (OQC) blokinė schema parodyta Fig. 1 (kai kuriais atvejais gali trūkti 4–7 diskų).

Veikliojoje medžiagoje 1, veikiant siurbimui, per ją einanti spinduliuotė sustiprėja dėl indukuotos (išorinio elektromagnetinio lauko sukeltos) elektronų spinduliuotės, pereinančios iš viršutinių energijos lygių į apatinius. Šiuo atveju veikliosios medžiagos savybės lemia lazerio spinduliavimo dažnį.

Kaip veiklioji medžiaga gali būti naudojama kristalinė arba amorfinė terpė, į kurią įvedami nedideli aktyvių elementų priemaišų kiekiai (kietojo kūno lazeriuose); metalų dujos arba garai (dujiniuose lazeriuose); skysti organinių dažiklių tirpalai (skystuose lazeriuose).

Ryžiai. 1. Optinio kvantinio generatoriaus blokinė schema

Lazerinio siurblio sistemos 3 pagalba veikliojoje medžiagoje sukuriamos sąlygos, kurios leidžia sustiprinti spinduliuotę. Tam reikia sukurti elektronų atomų energijos lygių populiacijų inversiją (perskirstymą), kurioje viršutinių lygių populiacija yra didesnė nei žemesniųjų. Kaip siurbimo sistemos, jos naudojamos kietojo kūno lazeriuose – dujų išlydžio lempose, dujų lazeriuose – nuolatinės srovės šaltiniuose, impulsiniuose, HF ir mikrobangų generatoriuose bei skystuose lazeriuose – VVG.

Lazerio veiklioji medžiaga yra patalpinta į optinį rezonatorių 2, kuris yra veidrodžių sistema, iš kurių vienas yra permatomas ir skirtas pašalinti lazerio spinduliuotę iš rezonatoriaus.

Optinio rezonatoriaus funkcijos yra gana įvairios: sukuria teigiamą grįžtamąjį ryšį generatoriuje, formuoja lazerio spinduliuotės spektrą ir kt.

Režimo pasirinkimo ir dažnio stabilizavimo įtaisas 5 skirtas pagerinti lazerio išėjimo spinduliuotės spektro kokybę, t.y. priartinti jį prie monochromatinių virpesių spektro.

Skystuose lazeriuose System 6 pasiekia platų virpesių dažnio derinimo diapazoną. Jei reikia, lazeriu galima pasiekti spinduliuotės amplitudės arba fazės moduliavimą. Išorinis moduliavimas dažniausiai naudojamas su 7 įrenginiu.

Lazerių tipai

Šiuolaikiniai lazeriai gali būti klasifikuojami pagal skirtingus kriterijus:

• pagal juose naudojamos veikliosios medžiagos tipą,

• pagal darbo režimą (nuolatinis arba impulsinis generavimas, Q perjungimo režimas),

• pagal spinduliuotės spektrines savybes (daugiamodiai, vienmodžiai, vieno dažnio lazeriai) ir kt.

Labiausiai paplitusi yra pirmoji iš minėtų klasifikacijų.

Kietojo kūno lazeriai

Šiuose lazeriuose kaip veiklioji medžiaga naudojama kristalinė ir amorfinė terpė. Kietojo kūno lazeriai turi keletą privalumų:

• didelės terpės tiesinio stiprinimo vertės, leidžiančios gauti lazerį su mažais ašiniais lazerio matmenimis;

• galimybė gauti itin dideles išėjimo galios vertes impulsiniu režimu.

Pagrindiniai kietojo kūno lazerių tipai yra šie:

1. rubino lazeriai, kurių aktyvusis centras yra chromo jonai. Generuojančios linijos yra raudonojoje spektro srityje (λ = 0,69 μm). Nepertraukiamo režimo spinduliuotės išėjimo galia yra keli vatai, energija impulsiniu režimu yra keli šimtai džaulių, kurių impulso trukmė yra 1 ms;

2. lazeriai, kurių pagrindą sudaro retųjų žemių metalų jonai (daugiausia neodimio jonai). Svarbus šių lazerių privalumas yra galimybė juos naudoti nuolatiniu režimu kambario temperatūroje. Pagrindinė šių lazerių generavimo linija yra infraraudonųjų spindulių srityje (λ = 1,06 μm). Nepertraukiamo režimo išėjimo galios lygis siekia 100-200 W, o efektyvumas 1-2%.

Dujiniai lazeriai

Dujiniuose lazeriuose populiacijos inversija pasiekiama tiek išlydžių pagalba, tiek kitų rūšių siurbimo pagalba: cheminiu, terminiu ir kt.

Palyginti su kietojo kūno dujų lazeriais, jie turi keletą privalumų:

• apima itin platų bangų ilgių diapazoną 0,2-400 mikronų;

• dujinių lazerių spinduliavimas yra labai vienspalvis ir kryptingas;

• leidžia pasiekti labai aukštus išėjimo galios lygius nuolat veikiant.

Pagrindiniai dujinių lazerių tipai:

1.Helio neoniniai lazeriai… Pagrindinis bangos ilgis yra matomoje spektro dalyje (λ = 0,63 μm). Išėjimo galia paprastai yra mažesnė nei 100 mW. Palyginti su visų kitų tipų lazeriais, helio-neoniniai lazeriai užtikrina aukščiausią išvesties nuoseklumą.

2. Vario garų lazeriai... Pagrindinė spinduliuotės generacija sukuriama dviejose linijose, kurių viena yra žaliojoje spektro dalyje (λ = 0,51 μm), kita – geltonojoje (λ = 0,58 μm). Tokių lazerių impulsų galia siekia 200 kW, o vidutinė galia apie 40 W.

3. Joninių dujų lazeriai... Dažniausiai pasitaikantys tokio tipo lazeriai yra argono lazeriai (λ = 0,49 — 0,51 µm) ir helio-kadmio lazeriai (λ = 0,44 µm).

4. Molekuliniai CO2 lazeriai... Galingiausia generacija pasiekiama esant λ = 10,6 μm. CO2 lazerių išėjimo galia cw režimu yra itin didelė ir siekia 10 kW ar daugiau su pakankamai aukštu 15-30% efektyvumu lyginant su visų kitų tipų lazeriais. Impulsų galia = 10 MW pasiekiama, kai generuojamų impulsų trukmė yra 10-100 ms.

Skystieji lazeriai

Skystieji lazeriai leidžia reguliuoti plačiame generuojamo virpesių dažnio diapazone (nuo λ = 0,3 µm iki λ = 1,3 µm). Paprastai tokiuose lazeriuose veiklioji medžiaga yra skysti organinių dažiklių tirpalai (pavyzdžiui, rodamino tirpalas).

Lazerio parametrai

Darna

Išskirtinis lazerio spinduliuotės bruožas yra jo darnumas.

Darna suprantama kaip suderinta bangų procesų eiga laike ir erdvėje Erdvinė darna – iš skirtingų erdvės taškų vienu metu skleidžiamų bangų fazių darna, o laiko darna – iš vieno taško skleidžiamų bangų fazių darna. laiko pertraukos akimirkomis.

koherentiniai elektromagnetiniai virpesiai – dviejų ar daugiau šaltinių svyravimai vienodais dažniais ir pastoviu fazių skirtumu. Radijo inžinerijoje koherentiškumo sąvoka taip pat apima virpesių šaltinius, kurių dažniai nėra vienodi. Pavyzdžiui, 2 šaltinių svyravimai laikomi koherentiniais, jeigu jų dažniai f1 ir e2 yra racionaliame santykyje, t.y. f1 / f2 = n / m, kur n ir m yra sveikieji skaičiai.

Beveik koherentinių virpesių šaltiniais vadinami virpesių šaltiniai, kurie stebėjimo intervale turi beveik vienodus dažnius ir beveik vienodą fazių skirtumą, arba svyravimų šaltiniai, kurių dažnių santykis mažai skiriasi nuo racionalaus.

Gebėjimas trukdyti yra viena iš pagrindinių koherentinio svyravimo savybių. Reikėtų pažymėti, kad trukdyti gali tik koherentinės bangos. Toliau bus parodyta, kad daugelis optinės spinduliuotės šaltinių taikymo sričių yra pagrįstos būtent trukdžių reiškiniu.

Divergencija

Didelė lazerio spinduliuotės erdvinė koherencija lemia mažą šios spinduliuotės divergenciją, kuri priklauso nuo bangos ilgio λ ir lazeryje naudojamos optinės ertmės parametrų.

Įprastų šviesos šaltinių atveju, net kai naudojami specialūs veidrodžiai, nuokrypio kampas yra maždaug viena ar dviem eilėmis didesnis nei lazerių.

Maža lazerio spinduliuotės divergencija atveria galimybę gauti didelį šviesos energijos srauto tankį naudojant įprastus fokusuojančius lęšius.

Didelis lazerio spinduliuotės kryptingumas leidžia atlikti vietines (praktiškai tam tikru momentu) tam tikros medžiagos analizes, matavimus ir poveikį.

Be to, didelė lazerio spinduliuotės erdvinė koncentracija lemia ryškius netiesinius reiškinius, kurių metu vykstančių procesų pobūdis priklauso nuo švitinimo intensyvumo. Kaip pavyzdį galime nurodyti daugiafotonų absorbciją, kuri stebima tik naudojant lazerinius šaltinius ir padidina medžiagos energijos absorbciją esant didelėms emiterio galioms.

Vienspalvis

Spinduliuotės monochromatiškumo laipsnis lemia dažnių diapazoną, kuriame yra pagrindinė emiterio galios dalis. Šis parametras yra labai svarbus naudojant optinės spinduliuotės šaltinius ir yra visiškai nulemtas spinduliuotės laiko koherentiškumo laipsnio.

Lazeriuose visa spinduliuotės galia sutelkta itin siaurose spektrinėse linijose. Mažas emisijos linijos plotis pasiekiamas naudojant lazeryje esantį optinį rezonatorių ir daugiausia lemia pastarojo rezonanso dažnio stabilumas.

Poliarizacija

Daugelyje prietaisų tam tikrą vaidmenį atlieka spinduliuotės poliarizacija, kuri apibūdina vyraujančią bangos elektrinio lauko vektoriaus orientaciją.

Dažni ne lazeriniai šaltiniai pasižymi chaotiška poliarizacija. Lazerio spinduliuotė yra žiedinė arba tiesinė poliarizuota. Visų pirma, naudojant tiesinę poliarizaciją, poliarizacijos plokštumai pasukti gali būti naudojami specialūs įtaisai. Šiuo atžvilgiu reikia pažymėti, kad kai kurių maisto produktų atspindžio koeficientas absorbcijos juostoje labai priklauso nuo spinduliuotės poliarizacijos plokštumos krypties.

Pulso trukmė. Lazerių naudojimas taip pat leidžia gauti spinduliuotę labai trumpos trukmės impulsų pavidalu (tp = 10-8-10-9 s). Paprastai tai pasiekiama moduliuojant rezonatoriaus Q koeficientą, režimo blokavimą ir kt.

Kitų tipų spinduliuotės šaltiniuose minimali impulso trukmė yra keliomis eilėmis didesnė, o tai visų pirma yra spektrinės linijos plotis.

Lazerio spinduliuotės poveikis biologiniams objektams

Didelio energijos tankio lazerio spinduliuotė kartu su monochromatiškumu ir koherentiškumu yra unikalus veiksnys, turintis įtakos biologiniams objektams. Monochromatiškumas leidžia selektyviai paveikti tam tikras objektų molekulines struktūras, o koherentiškumas ir poliarizacija kartu su aukštu apšvitintų sistemų organizavimo laipsniu lemia specifinį kumuliacinį (rezonansinį) efektą, kuris net esant santykinai žemam radiacijos lygiui sukelia stiprią fotostimuliaciją. procesų ląstelėse, fotomutagenezei.

Biologinius objektus veikiant lazerio spinduliuote, suardomi kai kurie molekuliniai ryšiai arba vyksta molekulių struktūrinė transformacija, ir šie procesai yra selektyvūs, tai yra, kai kurie ryšiai visiškai suardomi švitinant, o kiti praktiškai nekinta. Toks ryškus lazerio spinduliuotės sąveikos su molekulėmis rezonansinis pobūdis atveria galimybę selektyviai katalizuoti tam tikras metabolines reakcijas, tai yra, metabolines reakcijas, šių reakcijų šviesos valdymą. Šiuo atveju lazerio spinduliuotė atlieka fermento vaidmenį.

Tokių lazerinių šviesos šaltinių savybių panaudojimas atveria plačias galimybes sustiprinti pramoninę biosintezę.

Mielių apšvitinimas lazeriu gali būti naudojamas tikslinei, pavyzdžiui, karotinoidų ir lipidų biosintezei, o plačiau – norint gauti naujas mutantines mielių padermes su pakeista biosintezės orientacija.

Daugelyje maisto pramonės šakų gali būti panaudota galimybė, naudojant lazerinį švitinimą, kontroliuoti fermentų, skaidančių baltymų molekules į polipeptidų fragmentus ir hidrolizuojančių šiuos fragmentus į aminorūgštis, aktyvumo santykį.

Pramoninėje citrinų rūgšties gamyboje stimuliuojant lazeriu produkto išeiga padidėja 60% ir tuo pačiu sumažinamas šalutinių produktų kiekis. Grybų lipogenezės fotostimuliacija lazeriu leidžia gaminti valgomuosius ir techninius riebalus perdirbant nevalgomas grybų žaliavas. Taip pat gauti duomenys apie mikrobiologinėje pramonėje naudojamų grybų reprodukcinių organų formavimosi stimuliavimą lazeriu.

Pažymėtina, kad skirtingai nei įprasti šviesos šaltiniai, lazeris gali sterilizuoti sultis matomoje spektro dalyje, o tai atveria galimybę sterilizuoti lazeriais tiesiai per buteliuko stiklą.

Pastebėta įdomi sterilizavimo lazeriu savybė. Jei esant mažam galios lygiui, mikrobų ląstelių išgyvenamumo kreivės švitinant lazeriu ir švitinant įprastu šviesos šaltiniu praktiškai sutampa, tai kai specifinė lazerio švitinimo galia yra apie 100 kW / cm2, staigiai padidėja lazerio efektyvumas. sterilizuojantis lazerio spinduliuotės veiksmas , t.y. Norint pasiekti tą patį ląstelių mirties efektą, reikia daug mažiau energijos nei naudojant mažos galios šaltinį.

Švitinant nenuosekliu šviesos šaltiniu, šis poveikis nepastebimas. Pavyzdžiui, kai ląstelės apšviečiamos galingu impulsu, pakanka vieno blyksnio, kad rubino lazeris pataikytų iki 50% ląstelių, o ta pati energija, sugerta ilgą laiką, ne tik nepadaro žalos. , bet ir lemia fotosintezės procesų suaktyvėjimą mikroorganizmuose.

Aprašytą poveikį galima paaiškinti tuo, kad normaliomis sąlygomis molekulės, patenkančios į fotocheminę reakciją, sugeria vieną šviesos kvantą (vieno fotono sugertis), o tai padidina jų reaktyvumą. Esant dideliam krentančios spinduliuotės lygiui, atsiranda dviejų. padidėja fotonų sugertis, kai molekulė vienu metu sugeria du fotonus. Tokiu atveju smarkiai padidėja cheminių virsmų efektyvumas, o molekulių struktūra pažeidžiama didesniu efektyvumu.

Veikiant galingai lazerio spinduliuotei, atsiranda kitų netiesinių efektų, kurių nepastebima naudojant įprastus šviesos šaltinius. Vienas iš šių efektų yra dalies f dažnio spinduliuotės galios pavertimas 2f, 3f dažnių spinduliuote ir kt. (optinių harmonikų generavimas). Šis poveikis atsiranda dėl netiesinių apšvitintos terpės savybių esant dideliam švitinimo lygiui.

Kadangi yra žinoma, kad biologiniai objektai yra jautriausi UV spindulių poveikiui, harmonikų sterilizuojantis poveikis bus efektyviausias. Tuo pačiu metu, jei objektas yra tiesiogiai apšvitinamas UV spinduliuotės šaltiniu, didžioji dalis sklindančios spinduliuotės galios bus sugerta paviršiniuose sluoksniuose. Aprašytu atveju UV spinduliuotė sukuriama pačiame objekte, o tai lemia tūrinį sterilizavimo efektą. Akivaizdu, kad tokiu atveju galima tikėtis didesnio sterilizavimo proceso efektyvumo.

Didelis lazerio spinduliuotės monochromatiškumo laipsnis leidžia sterilizuoti vienos rūšies bakterijas, tuo pačiu skatinant kito tipo mikroorganizmų augimą dvejetainėse bakterijų sistemose, ty atlikti tikslinę „selektyvinę“ sterilizaciją.

Be šių taikymo sričių, lazeriais matuojami ir įvairūs dydžiai – spektroskopija, objektų poslinkiai (interferencinis metodas), virpesiai, srauto greičiai (lazeriniai anemometrai), nehomogeniškumas optiškai skaidriose terpėse. Lazerių pagalba galima stebėti paviršiaus kokybę, tirti tam tikros medžiagos optinių savybių priklausomybę nuo išorinių veiksnių, matuoti aplinkos užterštumą mikroorganizmais ir kt.