Application ng laser radiation

Laser — isang quantum generator (amplifier) ​​ng magkakaugnay na radiation sa optical range. Ang terminong "laser" ay nabuo mula sa mga unang titik ng English name amplification of light sa pamamagitan ng stimulated emission of radiation. Depende sa uri ng aktibong materyal, ang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng solid-state laser, gas at liquid laser.

Sa mga laser ng unang uri, ang ruby ​​​​ang pinaka pinag-aralan. Ang isa sa mga pinakaunang modelo ng naturang laser ay gumagamit ng mga paglipat ng enerhiya ng trivalent chromium ion Cr3+ sa isang monolithic ruby ​​​​crystal (Cr2O3, A12O3). Sa ilalim ng pagkilos ng pumping radiation (na may wavelength ng pagkakasunud-sunod na 5600 A), ang Cr3+ ion ay pumasa mula sa antas 1 hanggang sa antas 3, kung saan posible ang pababang paglipat sa mga antas 2 at 1. Kung ang mga paglipat sa metastable na antas 2 ay nangingibabaw at kung Ang pumping ay nagbibigay ng post, ang pagbabaligtad ng populasyon sa antas 1 at 2, pagkatapos ang populasyon sa antas 2 ay lalampas sa populasyon sa antas 1.

Sa kaso ng isang kusang paglipat ng isa sa mga Cr-ions3+, ang isang photon na may dalas ay ibinubuga mula sa antas 2 hanggang sa antas 1 e12, na nagsisimulang magpalaganap sa ruby ​​​​crystal.Nakatagpo ng d -red na nasasabik na mga Cr3+ ions, ang photon na ito ay nagdudulot ng na-induced radiation na magkakaugnay sa pangunahing photon.

Dahil sa maraming mga pagmuni-muni mula sa pinakintab at pilak na mga gilid ng ruby ​​​​isang kristal, ang intensity ng radiation sa kristal ay patuloy na tumataas. Nangyayari lamang ito sa mga photon na iyon, ang direksyon ng pagpapalaganap ay ang komotorykh ay gumagawa ng isang maliit na anggulo sa axis ng kristal. Ang radiation ng bakal ay umalis sa kristal sa pamamagitan ng gilid na ibabaw at hindi nakikilahok sa pagbuo ng radiation beam. Ang radiation beam ay lumalabas sa isa sa mga dulo, na isang translucent na salamin.

Ang isang malaking pagsulong sa pagpapabuti ng teknolohiya sa iba't ibang industriya ay nauugnay sa paggamit ng optical quantum generators (lasers). Tulad ng alam mo, ang radiation ng laser ay naiiba nang malaki mula sa radiation ng iba pang mga mapagkukunan ng liwanag na hindi laser (thermal, gas discharge, atbp.). Ang mga pagkakaibang ito ay humantong sa malawakang paggamit ng mga laser sa iba't ibang larangan ng agham at teknolohiya.

Isaalang-alang ang pangunahing disenyo ng mga laser.

Sa pangkalahatan, ang block diagram ng isang optical quantum generator (OQC) ay ipinapakita sa Fig. 1 (sa ilang mga kaso, ang mga drive na 4-7 ay maaaring nawawala).

Sa aktibong sangkap 1, sa ilalim ng pagkilos ng pumping, ang radiation na dumadaan dito ay pinahusay dahil sa sapilitan (sanhi ng isang panlabas na electromagnetic field) radiation ng mga electron na dumadaan mula sa itaas na antas ng enerhiya hanggang sa mas mababang mga. Sa kasong ito, tinutukoy ng mga katangian ng aktibong sangkap ang dalas ng paglabas ng laser.

Bilang isang aktibong sangkap, ang mala-kristal o amorphous na media ay maaaring gamitin, kung saan ang maliit na halaga ng mga impurities ng mga aktibong elemento ay ipinakilala (sa solid-state lasers); mga gas o singaw ng mga metal (sa mga gas laser); mga likidong solusyon ng mga organikong tina (sa mga likidong laser).

kanin. 1. Block diagram ng isang optical quantum generator

Sa tulong ng laser pump system 3, ang mga kondisyon ay nilikha sa aktibong sangkap, na ginagawang posible na palakasin ang radiation. Para sa mga ito, kinakailangan upang lumikha ng isang pagbabaligtad (muling pamamahagi) ng mga populasyon ng mga antas ng enerhiya ng mga atomo ng mga electron, kung saan ang populasyon ng mga mas mataas na antas ay mas malaki kaysa sa mga mas mababa. Bilang mga pumping system, ginagamit ang mga ito sa solid-state laser — mga gas discharge lamp, sa mga gas laser — direct current sources, pulsed, HF at microwave generators, at sa mga liquid laser — LAG.

Ang aktibong sangkap ng laser ay inilalagay sa isang optical resonator 2, na isang sistema ng mga salamin, ang isa ay translucent at nagsisilbing alisin ang laser radiation mula sa resonator.

Ang mga pag-andar ng optical resonator ay medyo magkakaibang: paglikha ng positibong feedback sa generator, na bumubuo ng spectrum ng laser radiation, atbp.

Ang aparato 5 para sa pagpili ng mode at pag-stabilize ng dalas ay idinisenyo upang mapabuti ang kalidad ng spectrum ng output radiation ng laser, ibig sabihin, upang ilapit ito sa spectrum ng mga monochromatic oscillations.

Sa mga likidong laser, ang System 6 ay nakakamit ng malawak na hanay ng oscillation frequency tuning. Kung kinakailangan, ang amplitude o phase modulation ng radiation ay maaaring makamit sa laser. Karaniwang ginagamit ang panlabas na modulasyon kasama ang device 7.

Mga uri ng laser

Ang mga modernong laser ay maaaring maiuri ayon sa iba't ibang pamantayan:

• ayon sa uri ng aktibong sangkap na ginagamit sa kanila,

• sa pamamagitan ng operating mode (continuous o pulsed generation, Q-switched mode),

• sa pamamagitan ng spectral properties ng radiation (multi-mode, single-mode, single-frequency lasers), atbp.

Ang pinakakaraniwan ay ang una sa mga nabanggit na klasipikasyon.

Solid state lasers

Ang mga laser na ito ay gumagamit ng mala-kristal at amorphous na media bilang aktibong sangkap. Ang mga solid-state laser ay may ilang mga pakinabang:

• mataas na halaga ng linear gain ng medium, na ginagawang posible na makakuha ng laser na may maliit na axial na dimensyon ng laser;

• posibilidad na makakuha ng napakataas na output power values ​​sa pulse mode.

Ang mga pangunahing uri ng solid state lasers ay:

1. ruby ​​​​lasers kung saan ang mga chromium ions ang aktibong sentro. Ang pagbuo ng mga linya ay nasa pulang rehiyon ng spectrum (λ = 0.69 μm). Ang lakas ng output ng radiation sa tuloy-tuloy na mode ay ilang watts, ang enerhiya sa pulsed mode ay ilang daang joules na may tagal ng pulso ng pagkakasunud-sunod ng 1 ms;

2. mga laser batay sa mga rare earth metal ions (pangunahin ang mga neodymium ions). Ang isang mahalagang bentahe ng mga laser na ito ay ang kakayahang magamit sa tuluy-tuloy na mode sa temperatura ng silid. Ang pangunahing linya ng henerasyon ng mga laser na ito ay nasa infrared na rehiyon (λ = 1.06 μm). Ang antas ng kapangyarihan ng output sa tuloy-tuloy na mode ay umabot sa 100-200 W na may kahusayan na 1-2%.

Mga laser ng gas

Ang pagbaligtad ng populasyon sa mga gas laser ay nakamit kapwa sa tulong ng mga discharge at sa tulong ng iba pang mga uri ng pumping: kemikal, thermal, atbp.

Kung ikukumpara sa solid-state gas lasers, mayroon silang ilang mga pakinabang:

• sumasaklaw sa napakalawak na hanay ng mga wavelength na 0.2-400 microns;

• ang paglabas ng mga gas laser ay lubos na monochromatic at direksyon;

• paganahin ang napakataas na antas ng kapangyarihan ng output na makamit sa patuloy na operasyon.

Ang mga pangunahing uri ng gas laser:

1.Helium neon lasers… Ang pangunahing wavelength ay nasa nakikitang bahagi ng spectrum (λ = 0.63 μm). Karaniwang mas mababa sa 100 mW ang output power. Kung ikukumpara sa lahat ng iba pang uri ng laser, ang helium-neon lasers ay nagbibigay ng pinakamataas na antas ng output coherence.

2. Copper vapor lasers… Ang pangunahing henerasyon ng radiation ay nilikha sa dalawang linya, ang isa ay nasa berdeng bahagi ng spectrum (λ = 0.51 μm) at ang isa ay nasa dilaw (λ = 0.58 μm). Ang lakas ng pulso sa naturang mga laser ay umabot sa 200 kW na may average na kapangyarihan na halos 40 W.

3. Ion gas lasers... Ang pinakakaraniwang laser ng ganitong uri ay argon lasers (λ = 0.49 — 0.51 µm) at helium-cadmium lasers (λ = 0.44 µm).

4. Molecular CO2 lasers... Ang pinakamalakas na henerasyon ay nakamit sa λ = 10.6 μm. Ang output power sa cw mode ng CO2 lasers ay napakataas at umabot sa 10 kW o higit pa na may sapat na mataas na kahusayan na 15-30% kumpara sa lahat ng iba pang uri ng laser. Ang mga lakas ng pulso = 10 MW ay nakakamit na may tagal ng nabuong mga pulso sa pagkakasunud-sunod na 10-100 ms.

Mga likidong laser

Pinapayagan ng mga likidong laser ang pag-tune sa malawak na hanay ng nabuong dalas ng oscillation (mula λ = 0.3 µm hanggang λ = 1.3 µm). Bilang isang patakaran, sa naturang mga laser, ang aktibong sangkap ay mga likidong solusyon ng mga organikong tina (halimbawa, rhodamine solution).

Mga parameter ng laser

Pagkakaugnay-ugnay

Ang isang natatanging katangian ng laser radiation ay ang pagkakaugnay nito.

Ang pagkakaugnay ay nauunawaan bilang isang pinag-ugnay na kurso ng mga proseso ng alon sa oras at espasyo. Spatial na pagkakaugnay — ang pagkakaugnay-ugnay sa pagitan ng mga yugto ng mga alon na ibinubuga nang sabay-sabay mula sa iba't ibang mga punto sa espasyo, at temporal na pagkakaugnay - ang pagkakaugnay sa pagitan ng mga yugto ng mga alon na ibinubuga mula sa isang punto sa mga sandali ng pahinga sa oras.

Mga magkakaugnay na electromagnetic oscillations - mga oscillations ng dalawa o higit pang mga mapagkukunan na may parehong mga frequency at isang pare-parehong pagkakaiba sa phase. Sa radio engineering, ang konsepto ng coherence ay umaabot din sa mga pinagmumulan ng oscillations na ang mga frequency ay hindi pantay. Halimbawa, ang mga oscillations ng 2 source ay itinuturing na magkakaugnay kung ang kanilang mga frequency f1 at e2 ay nasa isang makatwirang relasyon, i.e. f1 / f2 = n / m, kung saan ang n at m ay mga integer.

Ang mga pinagmumulan ng mga oscillations na sa pagitan ng pagmamasid ay may halos pantay na mga frequency at halos magkaparehong bahagi ng pagkakaiba, o mga pinagmumulan ng mga oscillations na ang ratio ng dalas ay naiiba nang kaunti mula sa nakapangangatwiran, ay tinatawag na mga mapagkukunan ng halos magkakaugnay na mga oscillations.

Ang kakayahang makagambala ay isa sa mga pangunahing katangian ng magkakaugnay na oscillation. Dapat pansinin na ang magkakaugnay na alon lamang ang maaaring makagambala. Sa mga sumusunod, ipapakita na ang isang bilang ng mga larangan ng aplikasyon ng mga pinagmumulan ng optical radiation ay tiyak na nakabatay sa phenomenon ng interference.

Divergence

Ang mataas na spatial coherence ng laser radiation ay humahantong sa isang mababang divergence ng radiation na ito, na nakasalalay sa wavelength λ at ang mga parameter ng optical cavity na ginamit sa laser.

Para sa mga ordinaryong pinagmumulan ng liwanag, kahit na gumamit ng mga espesyal na salamin, ang anggulo ng divergence ay halos isa hanggang dalawang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa mga laser.

Ang mababang divergence ng laser radiation ay nagbubukas ng posibilidad na makakuha ng mataas na flux density ng light energy gamit ang conventional focusing lens.

Ang mataas na direktiba ng laser radiation ay ginagawang posible na magsagawa ng mga lokal na pagsusuri, mga sukat at epekto sa isang partikular na sangkap.

Bilang karagdagan, ang mataas na spatial na konsentrasyon ng laser radiation ay humahantong sa binibigkas na nonlinear phenomena, kung saan ang likas na katangian ng mga patuloy na proseso ay nakasalalay sa intensity ng pag-iilaw. Bilang isang halimbawa, maaari nating ituro ang multiphoton absorption, na sinusunod lamang kapag gumagamit ng mga pinagmumulan ng laser at humahantong sa pagtaas ng pagsipsip ng enerhiya ng bagay sa mataas na kapangyarihan ng emitter.

Monochrome

Ang antas ng monochromaticity ng radiation ay tumutukoy sa frequency range kung saan ang pangunahing bahagi ng kapangyarihan ng emitter ay nakapaloob. Napakahalaga ng parameter na ito kapag gumagamit ng mga mapagkukunan ng optical radiation at ganap na tinutukoy ng antas ng temporal na pagkakaugnay ng radiation.

Sa mga laser, ang lahat ng kapangyarihan ng radiation ay puro sa napakakitid na parang multo na mga linya. Ang maliit na lapad ng linya ng paglabas ay nakakamit sa pamamagitan ng paggamit ng isang optical resonator sa laser at higit sa lahat ay tinutukoy ng katatagan ng dalas ng resonance ng huli.

Polarisasyon

Sa isang bilang ng mga aparato, ang isang tiyak na papel ay nilalaro ng polariseysyon ng radiation, na nagpapakilala sa nangingibabaw na oryentasyon ng vector ng electric field ng alon.

Ang mga karaniwang mapagkukunan na hindi laser ay nailalarawan sa pamamagitan ng magulong polariseysyon. Ang laser radiation ay pabilog o linearly polarized. Sa partikular, na may linear polarization, ang mga espesyal na aparato ay maaaring gamitin upang paikutin ang eroplano ng polariseysyon. Sa pagsasaalang-alang na ito, dapat tandaan na para sa isang bilang ng mga produktong pagkain ang koepisyent ng pagmuni-muni sa loob ng banda ng pagsipsip ay nakasalalay nang malaki sa direksyon ng eroplano ng polariseysyon ng radiation.

Ang tagal ng pulso. Ang paggamit ng mga laser ay ginagawang posible na makakuha ng radiation sa anyo ng mga pulso ng napakaikling tagal (tp = 10-8-10-9 s). Ito ay kadalasang nakakamit sa pamamagitan ng modulate ng Q-factor ng resonator, mode locking, atbp.

Sa iba pang mga uri ng mga mapagkukunan ng radiation, ang pinakamababang tagal ng pulso ay ilang mga order ng magnitude na mas mataas, na, sa partikular, ay kaya ang lapad ng parang multo na linya.

Mga epekto ng laser radiation sa mga biological na bagay

Ang radiation ng laser na may mataas na density ng enerhiya kasama ang monochromaticity at pagkakaugnay ay isang natatanging kadahilanan na nakakaapekto sa mga biological na bagay. Ginagawang posible ng monochromaticity na piliing makaapekto sa ilang molekular na istruktura ng mga bagay, at pagkakaugnay-ugnay at polariseysyon, na sinamahan ng isang mataas na antas ng organisasyon ng mga irradiated system, matukoy ang isang tiyak na pinagsama-samang (resonance) na epekto, na kahit na sa medyo mababang antas ng radiation ay humahantong sa malakas na photostimulation ng mga proseso sa mga cell, sa photomutagesis.

Kapag ang mga biyolohikal na bagay ay nalantad sa radiation ng laser, ang ilang mga molekular na bono ay nawasak o ang pagbabago ng istruktura ng mga molekula ay nangyayari, at ang mga prosesong ito ay pumipili, iyon ay, ang ilang mga bono ay ganap na nawasak sa pamamagitan ng pag-iilaw, habang ang iba ay halos hindi nagbabago. Ang nasabing isang binibigkas na resonance character ng pakikipag-ugnayan ng laser radiation na may mga molekula ay nagbubukas ng posibilidad ng pumipili na catalysis ng ilang mga metabolic na reaksyon, iyon ay, metabolic reaksyon, light control ng mga reaksyong ito. Sa kasong ito, ang laser radiation ay gumaganap ng papel ng isang enzyme.

Ang paggamit ng naturang mga katangian ng mga pinagmumulan ng ilaw ng laser ay nagbubukas ng malawak na posibilidad para sa pagpapahusay ng biosynthesis ng industriya.

Maaaring gamitin ang laser irradiation ng yeast para sa target na biosynthesis ng, halimbawa, carotenoids at lipids, at mas malawak, para makakuha ng mga bagong mutant yeast strain na may binagong biosynthetic na oryentasyon.

Sa isang bilang ng mga industriya ng pagkain, ang kakayahang kontrolin, gamit ang laser irradiation, ang ratio ng aktibidad ng mga enzyme na nagbabagsak ng mga molekula ng protina sa mga polypeptide fragment at nag-hydrolyze ng mga fragment na ito sa mga amino acid ay maaaring gamitin.

Sa pang-industriya na produksyon ng citric acid, ang laser stimulation ay nakakamit ng isang pagtaas sa ani ng produkto ng 60% at sa parehong oras ay binabawasan ang nilalaman ng mga by-product. Ang laser photostimulation ng lipogenesis sa fungi ay nagbibigay-daan sa paggawa ng mga nakakain at teknikal na taba sa panahon ng pagproseso ng hindi nakakain na hilaw na materyales ng kabute. Ang data ay nakuha din sa laser stimulation ng pagbuo ng mga reproductive organ sa fungi na ginagamit sa microbiological industry.

Dapat pansinin na, hindi tulad ng maginoo na pinagmumulan ng liwanag, ang laser ay nagagawang isterilisado ang mga juice sa nakikitang bahagi ng spectrum, na nagbubukas ng posibilidad ng isterilisasyon gamit ang mga laser nang direkta sa pamamagitan ng baso ng bote.

Ang isang kagiliw-giliw na tampok ng laser sterilization ay nabanggit. Kung sa isang mababang antas ng kapangyarihan ang mga curve ng kaligtasan ng buhay ng mga microbial cell para sa pag-iilaw ng laser at pag-iilaw na may isang maginoo na pinagmumulan ng liwanag ay halos nag-tutugma, kung gayon kapag ang tiyak na kapangyarihan ng pag-iilaw ng laser ay halos 100 kW / cm2, mayroong isang matalim na pagtaas sa pagiging epektibo ng isterilisasyon ng pagkilos ng laser radiation, i.e. upang makamit ang parehong epekto ng pagkamatay ng cell ay nangangailangan ng mas kaunting enerhiya kaysa sa paggamit ng mababang mapagkukunan ng kuryente.

Kapag na-irradiated sa isang incoherent na pinagmumulan ng liwanag, ang epektong ito ay hindi sinusunod. Halimbawa, kapag ang mga cell ay iluminado ng isang malakas na pulso, ang isang flash ay sapat na para sa ruby ​​​​laser na tumama ng hanggang sa 50% ng mga cell, habang ang parehong enerhiya, na hinihigop ng mahabang panahon, ay hindi lamang nagdudulot ng pinsala. , ngunit humahantong din sa pagtindi ng mga proseso ng photosynthesis sa mga microorganism.

Ang inilarawan na epekto ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na, sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang mga molecule na pumapasok sa isang photochemical reaction ay sumisipsip ng isang quantum ng liwanag (one-photon absorption), na nagpapataas ng kanilang reaktibiti. Sa mataas na antas ng incident radiation, ang posibilidad ng dalawang- tumataas ang pagsipsip ng photon, kung saan ang isang molekula ay sumisipsip ng dalawang photon nang sabay-sabay. Sa kasong ito, ang kahusayan ng mga pagbabagong kemikal ay tumataas nang husto at ang istraktura ng mga molekula ay nasira na may higit na kahusayan.

Kapag nalantad sa malakas na radyasyon ng laser, nangyayari ang iba pang mga nonlinear na epekto na hindi nakikita kapag gumagamit ng kumbensyonal na pinagmumulan ng liwanag. Ang isa sa mga epektong ito ay ang pag-convert ng bahagi ng kapangyarihan ng radiation ng frequency f sa radiation ng mga frequency na 2f, 3f, atbp. (generation ng optical harmonics). Ang epektong ito ay dahil sa mga di-linear na katangian ng irradiated medium sa mataas na antas ng irradiation.

Dahil alam na ang mga biological na bagay ay pinaka-sensitibo sa pagkilos ng UV radiation, ang sterilizing effect ng harmonics ay magiging pinaka-epektibo. Kasabay nito, kung ang isang bagay ay direktang na-irradiated na may pinagmumulan ng UV radiation, karamihan sa kapangyarihan ng insidente ng emitter ay masisipsip sa mga layer sa ibabaw. Sa inilarawan na kaso, ang UV radiation ay nabuo sa loob mismo ng bagay, na humahantong sa volumetric na katangian ng sterilizing effect. Malinaw, sa kasong ito, ang higit na kahusayan ng proseso ng isterilisasyon ay maaaring asahan.

Ang mataas na antas ng monochromaticity ng laser radiation ay maaaring gawing posible na isterilisado ang isang uri ng bakterya, habang pinasisigla ang paglaki ng mga microorganism ng ibang uri sa binary bacterial system, iyon ay, upang makabuo ng naka-target na "pumipili" na isterilisasyon.

Bilang karagdagan sa mga lugar na ito ng aplikasyon, ang mga laser ay ginagamit din upang sukatin ang iba't ibang dami — spectroscopy, displacements ng mga bagay (paraan ng interference), vibrations, flow velocities (laser anemometers), inhomogeneities sa optically transparent media. Sa tulong ng mga laser, posible na subaybayan ang kalidad ng ibabaw, pag-aralan ang pag-asa ng mga optical na katangian ng isang naibigay na sangkap sa mga panlabas na kadahilanan, upang masukat ang kontaminasyon ng kapaligiran sa mga mikroorganismo, atbp.