Aplicació de la radiació làser

Làser: un generador quàntic (amplificador) de radiació coherent en el rang òptic. El terme «làser» es forma a partir de les primeres lletres del nom anglès amplification of light per emissió estimulada de radiació. Segons el tipus de material actiu, es distingeix entre làsers d'estat sòlid, làsers de gas i líquids.

Dels làsers del primer tipus, el robí és el més estudiat. Un dels primers models d'aquest làser utilitza transicions energètiques de l'ió crom trivalent Cr3+ en un cristall de robí monolític (Cr2O3, A12O3). Sota l'acció de bombeig de radiació (amb una longitud d'ona de l'ordre de 5600 A), l'ió Cr3+ passa del nivell 1 al nivell 3, des del qual són possibles les transicions descendents als nivells 2 i 1. Si predominen les transicions al nivell metaestable 2 i si el bombeig proporciona post, la inversió de la població als nivells 1 i 2, llavors la població al nivell 2 superarà la població al nivell 1.

En el cas d'una transició espontània d'un dels ions Cr3+, s'emet un fotó amb freqüència del nivell 2 al nivell 1 e12, que comença a propagar-se sobre el cristall de robí.En trobar-se amb ions Cr3+ excitats d-vermell, aquest fotó provoca una radiació ja induïda coherent amb el fotó primari.

A causa dels nombrosos reflexos de les vores polides i platejades del cristall únic de robí, la intensitat de la radiació al cristall augmenta contínuament. Això només passa amb els fotons, la direcció de propagació és komotorykh fa un petit angle amb l'eix del cristall. La radiació d'acer deixa el cristall per la superfície lateral i no participa en la formació del feix de radiació. El feix de radiació surt per un dels extrems, que és un mirall translúcid.

Un avenç important en la millora de la tecnologia en diverses indústries està relacionat amb l'ús de generadors quàntics òptics (làsers). Com sabeu, la radiació làser difereix significativament de la radiació d'altres fonts de llum no làser (tèrmica, descàrrega de gas, etc.). Aquestes diferències han donat lloc a l'ús generalitzat dels làsers en diversos camps de la ciència i la tecnologia.

Considereu el disseny bàsic dels làsers.

En general, el diagrama de blocs d'un generador quàntic òptic (OQC) es mostra a la Fig. 1 (en alguns casos poden faltar les unitats 4-7).

En la substància activa 1, sota l'acció del bombeig, la radiació que la travessa es veu potenciada a causa de la radiació induïda (provocada per un camp electromagnètic extern) d'electrons que passen dels nivells d'energia superiors als inferiors. En aquest cas, les propietats de la substància activa determinen la freqüència d'emissió del làser.

Com a substància activa es poden utilitzar medis cristal·lins o amorfs, en els quals s'introdueixen petites quantitats d'impureses d'elements actius (en làsers d'estat sòlid); gasos o vapors de metalls (en làsers de gas); solucions líquides de colorants orgànics (en làsers líquids).

Arròs. 1. Diagrama de blocs d'un generador quàntic òptic

Amb l'ajuda del sistema de bomba làser 3, es creen condicions a la substància activa, cosa que permet amplificar la radiació. Per a això, cal crear una inversió (redistribució) de les poblacions dels nivells d'energia dels àtoms d'electrons, en la qual la població dels nivells superiors sigui més gran que la dels inferiors. Com a sistemes de bombeig, s'utilitzen en làsers d'estat sòlid - làsers de descàrrega de gas, en làsers de gas - fonts de corrent continu, generadors de pols, HF i microones, i en làsers líquids - LAG.

La substància activa del làser es col·loca en un ressonador òptic 2, que és un sistema de miralls, un dels quals és translúcid i serveix per eliminar la radiació làser del ressonador.

Les funcions del ressonador òptic són força diverses: crear retroalimentació positiva al generador, formar l'espectre de radiació làser, etc.

El dispositiu 5 per a la selecció de modes i l'estabilització de freqüència està dissenyat per millorar la qualitat de l'espectre de la radiació de sortida del làser, és a dir, per apropar-lo a l'espectre d'oscil·lacions monocromàtiques.

En làsers líquids, System 6 aconsegueix una àmplia gamma d'ajust de freqüència d'oscil·lació. Si cal, es pot aconseguir una modulació d'amplitud o fase de la radiació al làser. La modulació externa s'utilitza normalment amb el dispositiu 7.

Tipus de làser

Els làsers moderns es poden classificar segons diferents criteris:

• pel tipus de substància activa utilitzada en ells,

• per mode de funcionament (generació contínua o polsada, mode Q-switched),

• per propietats espectrals de la radiació (làsers multimode, monomode, monofreqüència), etc.

La més habitual és la primera de les classificacions esmentades.

Làsers d'estat sòlid

Aquests làsers utilitzen medis cristal·lins i amorfs com a substància activa. Els làsers d'estat sòlid tenen una sèrie d'avantatges:

• alts valors del guany lineal del medi, que permeten obtenir un làser amb petites dimensions axials del làser;

• possibilitat d'obtenir valors de potència de sortida extremadament elevats en mode d'impuls.

Els principals tipus de làsers d'estat sòlid són:

1. làsers de robí en què els ions de crom són el centre actiu. Les línies generadores es troben a la regió vermella de l'espectre (λ = 0,69 μm). La potència de sortida de la radiació en mode continu és de diversos watts, l'energia en mode polsat és de diversos centenars de joules amb una durada de pols de l'ordre d'1 ms;

2. làsers basats en ions de metalls de terres rares (principalment ions de neodimi). Un avantatge important d'aquests làsers és la possibilitat d'utilitzar-se en mode continu a temperatura ambient. La línia de generació principal d'aquests làsers es troba a la regió infraroja (λ = 1,06 μm). El nivell de potència de sortida en mode continu arriba als 100-200 W amb una eficiència de l'1-2%.

Làsers de gas

La inversió de població en làsers de gas s'aconsegueix tant amb l'ajuda de descàrregues com amb l'ajuda d'altres tipus de bombeig: químic, tèrmic, etc.

En comparació amb els làsers de gas d'estat sòlid, tenen una sèrie d'avantatges:

• cobreix un rang extremadament ampli de longituds d'ona de 0,2 a 400 micres;

• l'emissió de làsers de gas és altament monocromàtica i direccional;

• permeten assolir nivells de potència de sortida molt elevats en funcionament continu.

Els principals tipus de làsers de gas:

1.Làsers d'heli neó... La longitud d'ona principal es troba a la part visible de l'espectre (λ = 0,63 μm). La potència de sortida sol ser inferior a 100 mW. En comparació amb tots els altres tipus de làsers, els làsers d'heli-neó proporcionen el grau més alt de coherència de sortida.

2. Làsers de vapor de coure... La generació principal de radiació es crea en dues línies, una de les quals es troba a la part verda de l'espectre (λ = 0,51 μm) i l'altra a la groga (λ = 0,58 μm). La potència de pols en aquests làsers arriba als 200 kW amb una potència mitjana d'uns 40 W.

3. Làsers de gas iònic... Els làsers més comuns d'aquest tipus són els làsers d'argó (λ = 0,49 — 0,51 µm) i els làsers d'heli-cadmi (λ = 0,44 µm).

4. Làsers de CO2 molecular... La generació més potent s'aconsegueix a λ = 10,6 μm. La potència de sortida en el mode cw dels làsers de CO2 és extremadament alta i arriba als 10 kW o més amb una eficiència prou alta del 15-30% en comparació amb tots els altres tipus de làsers. S'aconsegueixen potències d'impuls = 10 MW amb una durada dels polsos generats de l'ordre de 10-100 ms.

Làsers líquids

Els làsers líquids permeten ajustar en un ampli rang de la freqüència d'oscil·lació generada (des de λ = 0,3 µm fins a λ = 1,3 µm). Com a regla general, en aquests làsers, la substància activa és solucions líquides de colorants orgànics (per exemple, solució de rodamina).

Paràmetres làser

Coherència

Una característica distintiva de la radiació làser és la seva coherència.

La coherència s'entén com un curs coordinat de processos ondulatoris en el temps i l'espai Coherència espacial: la coherència entre les fases de les ones emeses simultàniament des de diferents punts de l'espai, i la coherència temporal: la coherència entre les fases de les ones emeses des d'un punt. en els moments d'una ruptura en el temps.

Oscil·lacions electromagnètiques coherents: oscil·lacions de dues o més fonts amb les mateixes freqüències i una diferència de fase constant. En enginyeria de ràdio, el concepte de coherència també s'estén a les fonts d'oscil·lacions les freqüències de les quals no són iguals. Per exemple, les oscil·lacions de 2 fonts es consideren coherents si les seves freqüències f1 i e2 estan en una relació racional, és a dir. f1 / f2 = n / m, on n i m són nombres enters.

Les fonts d'oscil·lacions que en l'interval d'observació tenen freqüències gairebé iguals i gairebé la mateixa diferència de fase, o fonts d'oscil·lacions la relació de freqüències de les quals difereix poc de la racional, s'anomenen fonts d'oscil·lacions gairebé coherents.

La capacitat d'interferir és una de les característiques principals de l'oscil·lació coherent. Cal tenir en compte que només les ones coherents poden interferir. A continuació, es mostrarà que una sèrie de camps d'aplicació de les fonts de radiació òptica es basen precisament en el fenomen de la interferència.

Divergència

L'alta coherència espacial de la radiació làser condueix a una baixa divergència d'aquesta radiació, que depèn de la longitud d'ona λ i dels paràmetres de la cavitat òptica utilitzada en el làser.

Per a fonts de llum ordinàries, fins i tot quan s'utilitzen miralls especials, l'angle de divergència és d'un a dos ordres de magnitud més gran que el dels làsers.

La baixa divergència de la radiació làser obre la possibilitat d'obtenir una alta densitat de flux d'energia lumínica mitjançant lents d'enfocament convencionals.

L'alta directivitat de la radiació làser permet realitzar anàlisis, mesures i efectes locals (pràcticament en un moment determinat) sobre una determinada substància.

A més, l'elevada concentració espacial de radiació làser condueix a fenòmens no lineals pronunciats, en els quals la naturalesa dels processos en curs depèn de la intensitat de la irradiació. A tall d'exemple, podem assenyalar l'absorció multifotònica, que només s'observa quan s'utilitzen fonts làser i comporta un augment de l'absorció d'energia per part de la matèria a grans potències emissores.

Monocrom

El grau de monocromaticitat de la radiació determina el rang de freqüències en què es troba la part principal de la potència de l'emissor. Aquest paràmetre és de gran importància quan s'utilitzen fonts de radiació òptica i està totalment determinat pel grau de coherència temporal de la radiació.

Als làsers, tota la potència de radiació es concentra en línies espectrals extremadament estretes. La petita amplada de la línia d'emissió s'aconsegueix mitjançant l'ús d'un ressonador òptic al làser i està determinada principalment per l'estabilitat de la freqüència de ressonància d'aquest últim.

Polarització

En una sèrie de dispositius, la polarització de la radiació té un paper determinat, que caracteritza l'orientació predominant del vector del camp elèctric de l'ona.

Les fonts comunes no làser es caracteritzen per una polarització caòtica. La radiació làser està polaritzada circular o linealment. En particular, amb la polarització lineal es poden utilitzar dispositius especials per girar el pla de polarització. En aquest sentit, cal assenyalar que per a una sèrie de productes alimentaris el coeficient de reflexió dins de la banda d'absorció depèn significativament de la direcció del pla de polarització de la radiació.

Durada del pols. L'ús de làsers també permet obtenir radiacions en forma de polsos de molt curta durada (tp = 10-8-10-9 s). Això s'aconsegueix generalment mitjançant la modulació del factor Q del ressonador, el bloqueig del mode, etc.

En altres tipus de fonts de radiació, la durada mínima del pols és uns quants ordres de magnitud superior, que, en particular, és per tant l'amplada de la línia espectral.

Efectes de la radiació làser sobre objectes biològics

La radiació làser amb alta densitat d'energia en combinació amb monocromaticitat i coherència és un factor únic que afecta els objectes biològics. La monocromaticitat permet afectar de manera selectiva determinades estructures moleculars dels objectes, i la coherència i la polarització, combinades amb un alt grau d'organització dels sistemes irradiats, determinen un efecte acumulat (ressonància) específic, que fins i tot a nivells relativament baixos de radiació condueix a una forta fotoestimulació. de processos a les cèl·lules, fins a la fotomutagènesi.

Quan els objectes biològics estan exposats a la radiació làser, alguns enllaços moleculars es destrueixen o es produeix la transformació estructural de les molècules, i aquests processos són selectius, és a dir, alguns enllaços es destrueixen completament per irradiació, mentre que d'altres pràcticament no canvien. Un caràcter de ressonància tan pronunciat de la interacció de la radiació làser amb molècules obre la possibilitat de catàlisi selectiva de determinades reaccions metabòliques, és a dir, reaccions metabòliques, control de la llum d'aquestes reaccions. En aquest cas, la radiació làser té el paper d'un enzim.

L'ús d'aquestes propietats de fonts de llum làser obre àmplies possibilitats per millorar la biosíntesi industrial.

La irradiació làser de llevats es pot utilitzar per a la biosíntesi dirigida de, per exemple, carotenoides i lípids, i més àmpliament, per obtenir noves soques de llevats mutants amb una orientació biosintètica alterada.

En diverses indústries alimentàries, es pot utilitzar la capacitat de controlar, mitjançant la irradiació làser, la relació d'activitat dels enzims que descomponen les molècules de proteïnes en fragments de polipèptids i hidrolitzen aquests fragments en aminoàcids.

En la producció industrial d'àcid cítric, l'estimulació làser aconsegueix un augment del rendiment del producte en un 60% i alhora redueix el contingut de subproductes. La fotoestimulació làser de la lipogènesi en fongs permet la producció de greixos comestibles i tècnics durant el processament de matèries primeres de bolets no comestibles. També es van obtenir dades sobre l'estimulació làser de la formació d'òrgans reproductors en fongs utilitzats en la indústria microbiològica.

Cal destacar que, a diferència de les fonts de llum convencionals, el làser és capaç d'esterilitzar sucs a la part visible de l'espectre, la qual cosa obre la possibilitat d'esterilització mitjançant làsers directament a través del vidre de l'ampolla.

S'ha observat una característica interessant de l'esterilització làser. Si a un nivell de potència baix, les corbes de supervivència de les cèl·lules microbianes per a la irradiació làser i la irradiació amb una font de llum convencional pràcticament coincideixen, llavors quan la potència específica de la irradiació làser és d'uns 100 kW / cm2, hi ha un fort augment de l'eficàcia de la acció esterilitzant de la radiació làser, és a dir. per aconseguir el mateix efecte de la mort cel·lular requereix molta menys energia que utilitzar una font d'energia baixa.

Quan s'irradia amb una font de llum incoherent, aquest efecte no s'observa. Per exemple, quan les cèl·lules s'il·luminen amb un pols potent, un flaix és suficient perquè el làser de robí colpeja fins al 50% de les cèl·lules, mentre que la mateixa energia, absorbida durant molt de temps, no només no causa danys. , però també condueix a la intensificació dels processos de fotosíntesi en els microorganismes.

L'efecte descrit es pot explicar pel fet que, en condicions normals, les molècules que entren en una reacció fotoquímica absorbeixen una quantitat de llum (absorció d'un fotó), la qual cosa augmenta la seva reactivitat. A nivells elevats de radiació incident, la probabilitat de dos- Augmenta l'absorció de fotons, en la qual una molècula absorbeix dos fotons simultàniament. En aquest cas, l'eficiència de les transformacions químiques augmenta bruscament i l'estructura de les molècules es veu danyada amb major eficiència.

Quan s'exposa a una radiació làser potent, es produeixen altres efectes no lineals que no s'observen quan s'utilitzen fonts de llum convencionals. Un d'aquests efectes és la conversió d'una part de la potència de radiació de freqüència f en radiació de freqüències 2f, 3f, etc. (generació d'harmònics òptics). Aquest efecte es deu a les propietats no lineals del medi irradiat a alts nivells d'irradiació.

Com que se sap que els objectes biològics són més sensibles a l'acció de la radiació UV, l'efecte esterilitzant dels harmònics serà el més efectiu. Al mateix temps, si un objecte s'irradia directament amb una font de radiació UV, la major part de la potència incident de l'emissor s'absorbirà a les capes superficials. En el cas descrit, la radiació UV es genera a l'interior del propi objecte, la qual cosa condueix a la naturalesa volumètrica de l'efecte esterilitzant. Òbviament, en aquest cas, es pot esperar una major eficiència del procés d'esterilització.

L'alt grau de monocromaticitat de la radiació làser pot permetre esterilitzar un tipus de bacteris, alhora que estimula el creixement de microorganismes d'un altre tipus en sistemes bacterians binaris, és a dir, produir una esterilització "selectiva" dirigida.

A més d'aquestes àrees d'aplicació, els làsers també s'utilitzen per mesurar diverses magnituds: espectroscòpia, desplaçaments d'objectes (mètode d'interferència), vibracions, velocitats de flux (anemòmetres làser), deshomogeneïtats en medis òpticament transparents. Amb l'ajuda de làsers, és possible controlar la qualitat de la superfície, estudiar la dependència de les propietats òptiques d'una determinada substància de factors externs, mesurar la contaminació del medi amb microorganismes, etc.