Toepassing van laserstraling

Laser — een kwantumgenerator (versterker) van coherente straling in het optische bereik. De term «laser» is gevormd uit de eerste letters van de Engelse naam versterking van licht door gestimuleerde emissie van straling. Afhankelijk van het type actief materiaal wordt onderscheid gemaakt tussen vastestoflasers, gas- en vloeistoflasers.

Van de lasers van het eerste type is robijn het meest bestudeerd. Een van de vroegste modellen van zo'n laser maakt gebruik van energieovergangen van het driewaardige chroomion Cr3+ in een monolithisch robijnrood kristal (Cr2O3, A12O3). Onder invloed van pompende straling (met een golflengte in de orde van 5600 A) gaat het Cr3+-ion van niveau 1 naar niveau 3, van waaruit neerwaartse overgangen mogelijk zijn naar niveaus 2 en 1. Als overgangen naar metastabiel niveau 2 overheersen en als pompen zorgt voor post, de inversie van de populatie op niveau 1 en 2, dan zal de populatie op niveau 2 de populatie op niveau 1 overtreffen.

In het geval van een spontane overgang van een van de Cr-ionen3+, wordt een foton met frequentie uitgezonden van niveau 2 naar niveau 1 e12, dat zich begint voort te planten op het robijnkristal.Bij ontmoeting met d -red geëxciteerde Cr3+ ionen, veroorzaakt dit foton reeds geïnduceerde straling die coherent is met het primaire foton.

Door talrijke reflecties van de gepolijste en verzilverde randen van het robijnrode enkelvoudige kristal wordt de stralingsintensiteit in het kristal continu verhoogd. Dit gebeurt alleen met die fotonen, de voortplantingsrichting is komotorykh maakt een kleine hoek met de as van het kristal. De staalstraling verlaat het kristal via het zijoppervlak en neemt niet deel aan de vorming van de stralingsbundel. De stralingsbundel komt via een van de uiteinden naar buiten, wat een doorschijnende spiegel is.

Een belangrijke vooruitgang in de verbetering van technologie in verschillende industrieën houdt verband met het gebruik van optische kwantumgeneratoren (lasers). Zoals u weet, verschilt laserstraling aanzienlijk van de straling van andere niet-laserlichtbronnen (thermisch, gasontlading, enz.). Deze verschillen hebben geleid tot het wijdverbreide gebruik van lasers op verschillende gebieden van wetenschap en technologie.

Overweeg het basisontwerp van lasers.

In het algemeen wordt het blokschema van een optische kwantumgenerator (OQC) getoond in Fig. 1 (in sommige gevallen kunnen stations 4-7 ontbreken).

In de werkzame stof 1, onder invloed van pompen, wordt de straling die er doorheen gaat versterkt door de geïnduceerde (veroorzaakt door een extern elektromagnetisch veld) straling van elektronen die van de bovenste energieniveaus naar de lagere gaan. In dit geval bepalen de eigenschappen van de werkzame stof de laseremissiefrequentie.

Als actieve stof kunnen kristallijne of amorfe media worden gebruikt, waarin kleine hoeveelheden onzuiverheden van actieve elementen worden geïntroduceerd (in vastestoflasers); gassen of dampen van metalen (in gaslasers); vloeibare oplossingen van organische kleurstoffen (in vloeibare lasers).

Rijst. 1. Blokschema van een optische kwantumgenerator

Met behulp van het laserpompsysteem 3 worden condities gecreëerd in de werkzame stof, waardoor de straling versterkt kan worden. Hiervoor is het nodig om een ​​inversie (herverdeling) te creëren van de populaties van de energieniveaus van de atomen van elektronen, waarbij de populatie van de bovenste niveaus groter is dan die van de lagere. Als pompsystemen worden ze gebruikt in vastestoflasers - gasontladingslampen, in gaslasers - gelijkstroombronnen, gepulste, HF- en microgolfgeneratoren en in vloeistoflasers - LAG's.

De actieve substantie van de laser wordt geplaatst in een optische resonator 2, een systeem van spiegels waarvan er één doorschijnend is en dient om laserstraling uit de resonator te verwijderen.

De functies van de optische resonator zijn behoorlijk divers: het creëren van positieve feedback in de generator, het vormen van het spectrum van laserstraling, enz.

Het apparaat 5 voor modusselectie en frequentiestabilisatie is ontworpen om de kwaliteit van het spectrum van de uitgangsstraling van de laser te verbeteren, d.w.z. om het dichter bij het spectrum van monochromatische oscillaties te brengen.

In vloeistoflasers bereikt System 6 een breed scala aan oscillatiefrequentie-afstemming. Indien nodig kan in de laser amplitude- of fasemodulatie van de straling worden bereikt. Externe modulatie wordt meestal gebruikt met apparaat 7.

Laser soorten

Moderne lasers kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria:

• door het type werkzame stof dat erin wordt gebruikt,

• per bedrijfsmodus (continue of pulsgeneratie, Q-geschakelde modus),

• door spectrale eigenschappen van de straling (multi-mode, single-mode, single-frequency lasers), enz.

De meest voorkomende is de eerste van de genoemde classificaties.

Lasers in vaste toestand

Deze lasers gebruiken kristallijne en amorfe media als de werkzame stof. Solid-state lasers hebben een aantal voordelen:

• hoge waarden van de lineaire versterking van het medium, die het mogelijk maken een laser te verkrijgen met kleine axiale afmetingen van de laser;

• mogelijkheid om extreem hoge uitgangsvermogenswaarden te verkrijgen in pulsmodus.

De belangrijkste typen vastestoflasers zijn:

1. robijnrode lasers waarin chroomionen het actieve centrum zijn. De genererende lijnen liggen in het rode gebied van het spectrum (λ = 0,69 μm). Het uitgangsvermogen van de straling in continue modus is enkele watt, de energie in gepulste modus is enkele honderden joule met een pulsduur in de orde van grootte van 1 ms;

2. lasers op basis van zeldzame aardmetaalionen (hoofdzakelijk neodymiumionen). Een belangrijk voordeel van deze lasers is de mogelijkheid om continu te gebruiken bij kamertemperatuur. De belangrijkste generatielijn van deze lasers bevindt zich in het infraroodgebied (λ = 1,06 μm). Het uitgangsvermogensniveau in continue modus bereikt 100-200 W met een efficiëntie van 1-2%.

Gas lasers

Populatie-inversie in gaslasers wordt zowel bereikt met behulp van ontladingen als met behulp van andere soorten pompen: chemisch, thermisch, enz.

In vergelijking met solid-state gaslasers hebben ze een aantal voordelen:

• bestrijkt een extreem breed golflengtegebied van 0,2-400 micron;

• de emissie van gaslasers is sterk monochromatisch en directioneel;

• maken het mogelijk om zeer hoge uitgangsvermogens te bereiken bij continu gebruik.

De belangrijkste soorten gaslasers:

1.Helium-neonlasers… De hoofdgolflengte ligt in het zichtbare deel van het spectrum (λ = 0,63 μm). Het uitgangsvermogen is meestal minder dan 100 mW. In vergelijking met alle andere soorten lasers bieden helium-neonlasers de hoogste mate van uitvoercoherentie.

2. Koperdamplasers... De belangrijkste generatie straling wordt gecreëerd op twee lijnen, waarvan er één in het groene deel van het spectrum ligt (λ = 0,51 μm) en de andere in het gele (λ = 0,58 μm). Het pulsvermogen in dergelijke lasers bereikt 200 kW met een gemiddeld vermogen van ongeveer 40 W.

3. Iongaslasers... De meest voorkomende lasers van dit type zijn argonlasers (λ = 0,49 — 0,51 µm) en helium-cadmiumlasers (λ = 0,44 µm).

4. Moleculaire CO2-lasers... De krachtigste generatie wordt bereikt bij λ = 10,6 μm. Het uitgangsvermogen in de cw-modus van CO2-lasers is extreem hoog en bereikt 10 kW of meer met een voldoende hoog rendement van 15-30% in vergelijking met alle andere soorten lasers. Pulsvermogens = 10 MW worden bereikt met een duur van de opgewekte pulsen in de orde van 10-100 ms.

Vloeibare lasers

Vloeistoflasers maken afstemming mogelijk over een breed bereik van de gegenereerde oscillatiefrequentie (van λ = 0,3 µm tot λ = 1,3 µm). In dergelijke lasers is de werkzame stof in de regel vloeibare oplossingen van organische kleurstoffen (bijvoorbeeld rhodamine-oplossing).

Laserparameters

Samenhang

Een onderscheidend kenmerk van laserstraling is de coherentie.

Onder coherentie wordt verstaan ​​een gecoördineerd verloop van golfprocessen in tijd en ruimte.Ruimtelijke coherentie - de samenhang tussen de fasen van de golven die gelijktijdig vanuit verschillende punten in de ruimte worden uitgezonden, en temporele coherentie - de samenhang tussen de fasen van de golven die vanuit één punt worden uitgezonden. in de momenten van een pauze in de tijd.

Coherente elektromagnetische oscillaties - oscillaties van twee of meer bronnen met dezelfde frequenties en een constant faseverschil. In de radiotechniek strekt het concept van coherentie zich ook uit tot bronnen van oscillaties waarvan de frequenties niet gelijk zijn. De oscillaties van 2 bronnen worden bijvoorbeeld als coherent beschouwd als hun frequenties f1 en e2 in een rationele relatie staan, d.w.z. f1 / f2 = n / m, waarbij n en m gehele getallen zijn.

Trillingsbronnen die in het waarnemingsinterval bijna gelijke frequenties en bijna hetzelfde faseverschil hebben, of bronnen van oscillaties waarvan de frequentieverhouding weinig verschilt van de rationele, worden bronnen van bijna coherente oscillaties genoemd.

Het vermogen om te interfereren is een van de belangrijkste kenmerken van coherente oscillatie. Opgemerkt moet worden dat alleen coherente golven kunnen interfereren. In het navolgende zal worden aangetoond dat een aantal toepassingsgebieden van optische stralingsbronnen juist is gebaseerd op het fenomeen interferentie.

Afwijking

De hoge ruimtelijke coherentie van de laserstraling leidt tot een lage divergentie van deze straling, die afhangt van de golflengte λ en de parameters van de optische holte die in de laser wordt gebruikt.

Voor gewone lichtbronnen, zelfs wanneer speciale spiegels worden gebruikt, is de divergentiehoek ongeveer een tot twee ordes van grootte groter dan die van lasers.

De lage divergentie van de laserstraling opent de mogelijkheid om een ​​hoge fluxdichtheid van lichtenergie te verkrijgen met behulp van conventionele focusseerlenzen.

De hoge directiviteit van laserstraling maakt het mogelijk om lokaal (vrijwel op een bepaald moment) analyses, metingen en effecten op een bepaalde stof uit te voeren.

Bovendien leidt de hoge ruimtelijke concentratie van laserstraling tot uitgesproken niet-lineaire verschijnselen, waarbij de aard van de lopende processen afhangt van de intensiteit van de bestraling. Als voorbeeld kunnen we wijzen op multifotonenabsorptie, die alleen wordt waargenomen bij gebruik van laserbronnen en leidt tot een toename van energieabsorptie door materie bij hoge emittervermogens.

Monochroom

De mate van monochromaticiteit van de straling bepaalt het frequentiebereik waarin het grootste deel van het vermogen van de zender zich bevindt. Deze parameter is van groot belang bij het gebruik van optische stralingsbronnen en wordt volledig bepaald door de mate van temporele coherentie van de straling.

Bij lasers is alle stralingskracht geconcentreerd in extreem smalle spectraallijnen. De kleine breedte van de emissielijn wordt bereikt door gebruik te maken van een optische resonator in de laser en wordt voornamelijk bepaald door de stabiliteit van de resonantiefrequentie van deze laatste.

Polarisatie

In een aantal apparaten wordt een bepaalde rol gespeeld door de polarisatie van de straling, die de overheersende oriëntatie van de vector van het elektrische veld van de golf kenmerkt.

Gemeenschappelijke niet-laserbronnen worden gekenmerkt door chaotische polarisatie. Laserstraling is circulair of lineair gepolariseerd. Met name bij lineaire polarisatie kunnen speciale apparaten worden gebruikt om het polarisatievlak te roteren. Hierbij moet worden opgemerkt dat voor een aantal voedingsproducten de reflectiecoëfficiënt binnen de absorptieband sterk afhangt van de richting van het polarisatievlak van de straling.

Duur van de polsslag. Het gebruik van lasers maakt het ook mogelijk straling te verkrijgen in de vorm van pulsen van zeer korte duur (tp = 10-8-10-9 s). Dit wordt meestal bereikt door de Q-factor van de resonator te moduleren, modusvergrendeling, enz.

Bij andere typen stralingsbronnen is de minimale pulsduur enkele ordes groter, en dus met name de breedte van de spectraallijn.

Effecten van laserstraling op biologische objecten

Laserstraling met hoge energiedichtheid in combinatie met monochromaticiteit en coherentie is een unieke factor die biologische objecten beïnvloedt. Monochromaticiteit maakt het mogelijk om selectief bepaalde moleculaire structuren van objecten te beïnvloeden, en coherentie en polarisatie, gecombineerd met een hoge mate van organisatie van bestraalde systemen, bepalen een specifiek cumulatief (resonantie) effect, dat zelfs bij relatief lage stralingsniveaus tot sterke fotostimulatie leidt van processen in cellen, tot fotomutagenese.

Wanneer biologische objecten worden blootgesteld aan laserstraling, worden sommige moleculaire bindingen vernietigd of vindt de structurele transformatie van moleculen plaats, en deze processen zijn selectief, dat wil zeggen dat sommige bindingen volledig worden vernietigd door bestraling, terwijl andere praktisch niet veranderen. Een dergelijk uitgesproken resonantiekarakter van de interactie van laserstraling met moleculen opent de mogelijkheid van selectieve katalyse van bepaalde metabolische reacties, dat wil zeggen metabolische reacties, lichtcontrole van deze reacties. In dit geval speelt laserstraling de rol van een enzym.

Het gebruik van dergelijke eigenschappen van laserlichtbronnen opent brede mogelijkheden voor het verbeteren van industriële biosynthese.

Laserbestraling van gist kan worden gebruikt voor gerichte biosynthese van bijvoorbeeld carotenoïden en lipiden, en meer in het algemeen om nieuwe mutante giststammen met veranderde biosynthetische oriëntatie te verkrijgen.

In een aantal voedingsindustrieën kan het vermogen worden gebruikt om, met behulp van laserbestraling, de activiteitsverhouding te beheersen van enzymen die eiwitmoleculen afbreken tot polypeptidefragmenten en deze fragmenten hydrolyseren tot aminozuren.

Bij de industriële productie van citroenzuur zorgt laserstimulatie voor een toename van de productopbrengst met 60% en vermindert tegelijkertijd het gehalte aan bijproducten. Laserfotostimulatie van lipogenese in schimmels maakt de productie van eetbare en technische vetten mogelijk tijdens de verwerking van niet-eetbare paddestoelgrondstoffen. Er werden ook gegevens verkregen over laserstimulatie van de vorming van voortplantingsorganen in schimmels die worden gebruikt in de microbiologische industrie.

Opgemerkt moet worden dat, in tegenstelling tot conventionele lichtbronnen, de laser in staat is om sappen in het zichtbare deel van het spectrum te steriliseren, wat de mogelijkheid opent om direct door het glas van de fles te steriliseren met behulp van lasers.

Er is een interessant kenmerk van lasersterilisatie opgemerkt. Als bij een laag vermogensniveau de overlevingscurven van microbiële cellen voor laserbestraling en bestraling met een conventionele lichtbron praktisch samenvallen, dan is er een sterke toename van de effectiviteit van de laser wanneer het specifieke vermogen van laserbestraling ongeveer 100 kW / cm2 is. steriliserende werking van laserstraling, d.w.z. om hetzelfde effect van celdood te bereiken, is veel minder energie nodig dan het gebruik van een energiezuinige bron.

Bij bestraling met een onsamenhangende lichtbron wordt dit effect niet waargenomen. Wanneer de cellen bijvoorbeeld worden verlicht met een krachtige puls, is één flits genoeg voor de robijnlaser om tot 50% van de cellen te raken, terwijl dezelfde energie, langdurig geabsorbeerd, niet alleen geen schade aanricht , maar leidt ook tot de intensivering van processen van fotosynthese in micro-organismen.

Het beschreven effect kan worden verklaard door het feit dat, onder normale omstandigheden, moleculen die een fotochemische reactie aangaan één kwantum licht absorberen (één-fotonabsorptie), waardoor hun reactiviteit toeneemt. fotonenabsorptie neemt toe, waarbij een molecuul twee fotonen tegelijk absorbeert. In dit geval neemt de efficiëntie van chemische transformaties sterk toe en wordt de structuur van moleculen met grotere efficiëntie beschadigd.

Bij blootstelling aan krachtige laserstraling treden andere niet-lineaire effecten op die niet worden waargenomen bij gebruik van conventionele lichtbronnen. Een van deze effecten is de omzetting van een deel van het stralingsvermogen van frequentie f in straling van frequenties 2f, 3f etc. (generatie van optische harmonischen). Dit effect is het gevolg van de niet-lineaire eigenschappen van het bestraalde medium bij hoge bestralingsniveaus.

Aangezien bekend is dat biologische objecten het meest gevoelig zijn voor de werking van UV-straling, zal het steriliserende effect van harmonischen het meest effectief zijn. Tegelijkertijd, als een object direct wordt bestraald met een bron van UV-straling, zal het grootste deel van het invallende vermogen van de zender worden geabsorbeerd in de oppervlaktelagen. In het beschreven geval wordt de UV-straling gegenereerd in het object zelf, wat leidt tot de volumetrische aard van het steriliserende effect. Vanzelfsprekend kan in dit geval een grotere efficiëntie van het sterilisatieproces worden verwacht.

De hoge mate van monochromaticiteit van laserstraling kan het mogelijk maken om één type bacterie te steriliseren, terwijl de groei van micro-organismen van een ander type in binaire bacteriële systemen wordt gestimuleerd, dat wil zeggen om gerichte "selectieve" sterilisatie te produceren.

Naast deze toepassingsgebieden worden lasers ook gebruikt om verschillende grootheden te meten: spectroscopie, verplaatsingen van objecten (interferentiemethode), trillingen, stroomsnelheden (laseranemometers), inhomogeniteiten in optisch transparante media. Met behulp van lasers is het mogelijk om de kwaliteit van het oppervlak te bewaken, de afhankelijkheid van de optische eigenschappen van een bepaalde stof van externe factoren te bestuderen, de vervuiling van de omgeving met micro-organismen te meten, enz.