Applicazione della radiazione laser

Laser: un generatore quantico (amplificatore) di radiazione coerente nel campo ottico. Il termine «laser» è formato dalle prime lettere del nome inglese amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione. A seconda del tipo di materiale attivo, si distingue tra laser a stato solido, laser a gas e laser a liquido.

Dei laser del primo tipo, il rubino è il più studiato. Uno dei primi modelli di tale laser utilizza le transizioni energetiche dello ione cromo trivalente Cr3+ in un cristallo di rubino monolitico (Cr2O3, A12O3). Sotto l'azione della radiazione di pompaggio (con una lunghezza d'onda dell'ordine di 5600 A), lo ione Cr3+ passa dal livello 1 al livello 3, dal quale sono possibili transizioni discendenti ai livelli 2 e 1. Se predominano le transizioni al livello 2 metastabile e se il pompaggio fornisce post, l'inversione della popolazione ai livelli 1 e 2, quindi la popolazione al livello 2 supererà la popolazione al livello 1.

Nel caso di una transizione spontanea di uno degli ioni Cr3+, viene emesso un fotone con frequenza dal livello 2 al livello 1 e12, che inizia a propagarsi sul cristallo di rubino.Incontrando ioni Cr3+ eccitati d-red, questo fotone provoca una radiazione già indotta coerente con il fotone primario.

A causa dei numerosi riflessi dei bordi lucidi e argentati del monocristallo di rubino, l'intensità della radiazione nel cristallo aumenta continuamente. Questo accade solo con quei fotoni, la direzione di propagazione è komotorykh fa un piccolo angolo con l'asse del cristallo. La radiazione dell'acciaio lascia il cristallo attraverso la superficie laterale e non partecipa alla formazione del raggio di radiazione. Il raggio di radiazione esce attraverso una delle estremità, che è uno specchio traslucido.

Un importante progresso nel miglioramento della tecnologia in vari settori è legato all'uso di generatori quantistici ottici (laser). Come sapete, la radiazione laser differisce in modo significativo dalla radiazione di altre sorgenti luminose non laser (termica, scarica di gas, ecc.). Queste differenze hanno portato all'uso diffuso dei laser in vari campi della scienza e della tecnologia.

Considera il design di base dei laser.

In generale, lo schema a blocchi di un generatore quantistico ottico (OQC) è mostrato in Fig. 1 (in alcuni casi potrebbero mancare le unità 4-7).

Nella sostanza attiva 1, sotto l'azione del pompaggio, la radiazione che la attraversa viene potenziata a causa della radiazione indotta (causata da un campo elettromagnetico esterno) di elettroni che passano dai livelli energetici superiori a quelli inferiori. In questo caso, le proprietà della sostanza attiva determinano la frequenza di emissione laser.

Come sostanza attiva possono essere utilizzati mezzi cristallini o amorfi, in cui vengono introdotte piccole quantità di impurezze di elementi attivi (nei laser a stato solido); gas o vapori di metalli (nei laser a gas); soluzioni liquide di coloranti organici (nei laser liquidi).

Riso. 1. Schema a blocchi di un generatore di quantistica ottica

Con l'aiuto del sistema di pompa laser 3, vengono create le condizioni nella sostanza attiva, che consente di amplificare la radiazione. Per questo è necessario creare un'inversione (ridistribuzione) delle popolazioni dei livelli energetici degli atomi di elettroni, in cui la popolazione dei livelli superiori è maggiore di quella dei livelli inferiori. Come sistemi di pompaggio, vengono utilizzati nei laser a stato solido - lampade a scarica di gas, nei laser a gas - sorgenti di corrente continua, generatori di impulsi, HF e microonde e nei laser liquidi - LAG.

Il principio attivo del laser è posto in un risonatore ottico 2, che è un sistema di specchi, uno dei quali è traslucido e serve a rimuovere la radiazione laser dal risonatore.

Le funzioni del risonatore ottico sono piuttosto diverse: creare un feedback positivo nel generatore, formare lo spettro della radiazione laser, ecc.

Il dispositivo 5 per la selezione della modalità e la stabilizzazione della frequenza è progettato per migliorare la qualità dello spettro della radiazione di uscita del laser, cioè per avvicinarlo allo spettro delle oscillazioni monocromatiche.

Nei laser liquidi, System 6 raggiunge un'ampia gamma di sintonizzazione della frequenza di oscillazione. Se necessario, è possibile ottenere nel laser una modulazione di ampiezza o di fase della radiazione. La modulazione esterna viene solitamente utilizzata con il dispositivo 7.

Tipi di laser

I laser moderni possono essere classificati secondo diversi criteri:

• dal tipo di principio attivo utilizzato in essi,

• per modalità operativa (generazione continua o pulsata, modalità Q-switched),

• dalle proprietà spettrali della radiazione (laser multimodali, monomodali, monofrequenza), ecc.

La più comune è la prima delle suddette classificazioni.

Laser a stato solido

Questi laser utilizzano mezzi cristallini e amorfi come sostanza attiva. I laser a stato solido presentano una serie di vantaggi:

• valori elevati del guadagno lineare del mezzo, che consentono di ottenere un laser con piccole dimensioni assiali del laser;

• possibilità di ottenere valori di potenza di uscita estremamente elevati in modalità impulsiva.

I principali tipi di laser a stato solido sono:

1. laser a rubino in cui gli ioni cromo sono il centro attivo. Le linee generatrici si trovano nella regione rossa dello spettro (λ = 0,69 μm). La potenza di uscita della radiazione in modalità continua è di diversi watt, l'energia in modalità pulsata è di diverse centinaia di joule con una durata dell'impulso dell'ordine di 1 ms;

2. laser basati su ioni di metalli delle terre rare (principalmente ioni di neodimio). Un importante vantaggio di questi laser è la possibilità di essere utilizzati in modalità continua a temperatura ambiente. La principale linea di generazione di questi laser si trova nella regione dell'infrarosso (λ = 1,06 μm). Il livello di potenza in uscita in modalità continua raggiunge i 100-200 W con un'efficienza dell'1-2%.

Laser a gas

L'inversione della popolazione nei laser a gas si ottiene sia con l'ausilio di scarichi che con l'ausilio di altri tipi di pompaggio: chimico, termico, ecc.

Rispetto ai laser a gas a stato solido, presentano una serie di vantaggi:

• copre una gamma estremamente ampia di lunghezze d'onda 0,2-400 micron;

• l'emissione dei laser a gas è altamente monocromatica e direzionale;

• consentono di raggiungere livelli di potenza di uscita molto elevati in funzionamento continuo.

I principali tipi di laser a gas:

1.Laser al neon elio... La lunghezza d'onda principale è nella parte visibile dello spettro (λ = 0,63 μm). La potenza di uscita è generalmente inferiore a 100 mW. Rispetto a tutti gli altri tipi di laser, i laser a elio-neon forniscono il più alto grado di coerenza dell'output.

2. Laser a vapori di rame… La principale generazione di radiazione viene creata su due linee, una delle quali è nella parte verde dello spettro (λ = 0,51 μm) e l'altra nella parte gialla (λ = 0,58 μm). La potenza dell'impulso in tali laser raggiunge i 200 kW con una potenza media di circa 40 W.

3. Laser a gas ionico... I laser più comuni di questo tipo sono i laser ad argon (λ = 0,49 - 0,51 µm) e i laser ad elio-cadmio (λ = 0,44 µm).

4. Laser molecolari a CO2... La generazione più potente si ottiene a λ = 10,6 μm. La potenza di uscita in modalità cw dei laser CO2 è estremamente elevata e raggiunge i 10 kW o più con un'efficienza sufficientemente elevata del 15-30% rispetto a tutti gli altri tipi di laser. Si ottengono potenze di impulso = 10 MW con una durata degli impulsi generati dell'ordine di 10-100 ms.

Laser liquidi

I laser liquidi consentono la sintonizzazione su un'ampia gamma della frequenza di oscillazione generata (da λ = 0,3 µm a λ = 1,3 µm). Di norma, in tali laser, il principio attivo è costituito da soluzioni liquide di coloranti organici (ad esempio, soluzione di rodamina).

Parametri laser

Coerenza

Una caratteristica distintiva della radiazione laser è la sua coerenza.

La coerenza è intesa come un corso coordinato dei processi ondulatori nel tempo e nello spazio Coerenza spaziale - la coerenza tra le fasi delle onde emesse simultaneamente da diversi punti nello spazio e coerenza temporale - la coerenza tra le fasi delle onde emesse da un punto nei momenti di una pausa nel tempo.

Oscillazioni elettromagnetiche coerenti: oscillazioni di due o più sorgenti con le stesse frequenze e una differenza di fase costante. In radioingegneria il concetto di coerenza si estende anche a sorgenti di oscillazioni le cui frequenze non sono uguali. Ad esempio, le oscillazioni di 2 sorgenti sono considerate coerenti se le loro frequenze f1 ed e2 sono in una relazione razionale, cioè f1 / f2 = n / m, dove n e m sono numeri interi.

Sorgenti di oscillazioni che nell'intervallo di osservazione hanno frequenze quasi uguali e quasi la stessa differenza di fase, o sorgenti di oscillazioni il cui rapporto di frequenza differisce poco da quello razionale, sono chiamate sorgenti di oscillazioni quasi coerenti.

La capacità di interferire è una delle principali caratteristiche dell'oscillazione coerente. Va notato che solo le onde coerenti possono interferire. Nel seguito si dimostrerà che alcuni campi di applicazione delle sorgenti di radiazione ottica si basano proprio sul fenomeno dell'interferenza.

Divergenza

L'elevata coerenza spaziale della radiazione laser porta a una bassa divergenza di questa radiazione, che dipende dalla lunghezza d'onda λ e dai parametri della cavità ottica utilizzata nel laser.

Per le sorgenti luminose ordinarie, anche quando si utilizzano specchi speciali, l'angolo di divergenza è di circa uno o due ordini di grandezza maggiore di quello dei laser.

La bassa divergenza della radiazione laser offre la possibilità di ottenere un'elevata densità di flusso di energia luminosa utilizzando lenti di focalizzazione convenzionali.

L'elevata direttività della radiazione laser consente di effettuare analisi, misurazioni ed effetti locali (praticamente in un determinato momento) su una determinata sostanza.

Inoltre, l'elevata concentrazione spaziale della radiazione laser porta a fenomeni non lineari pronunciati, in cui la natura dei processi in corso dipende dall'intensità dell'irradiazione. Ad esempio, possiamo indicare l'assorbimento multifotone, che si osserva solo quando si utilizzano sorgenti laser e porta ad un aumento dell'assorbimento di energia da parte della materia ad alte potenze di emettitore.

Monocromo

Il grado di monocromaticità della radiazione determina l'intervallo di frequenze in cui è contenuta la maggior parte della potenza dell'emettitore. Questo parametro è di grande importanza quando si utilizzano sorgenti di radiazione ottica ed è interamente determinato dal grado di coerenza temporale della radiazione.

Nei laser, tutta la potenza della radiazione è concentrata in righe spettrali estremamente strette. La piccola larghezza della linea di emissione è ottenuta utilizzando un risonatore ottico nel laser ed è principalmente determinata dalla stabilità della frequenza di risonanza di quest'ultimo.

Polarizzazione

In un certo numero di dispositivi, un certo ruolo è svolto dalla polarizzazione della radiazione, che caratterizza l'orientamento predominante del vettore del campo elettrico dell'onda.

Le comuni sorgenti non laser sono caratterizzate da una polarizzazione caotica. La radiazione laser è polarizzata circolarmente o linearmente. In particolare, con la polarizzazione lineare si possono utilizzare appositi dispositivi per ruotare il piano di polarizzazione. A questo proposito, va notato che per alcuni prodotti alimentari il coefficiente di riflessione all'interno della banda di assorbimento dipende in modo significativo dalla direzione del piano di polarizzazione della radiazione.

Durata dell'impulso. L'utilizzo dei laser consente inoltre di ottenere radiazioni sotto forma di impulsi di brevissima durata (tp = 10-8-10-9 s). Ciò si ottiene solitamente modulando il fattore Q del risonatore, il blocco della modalità, ecc.

In altri tipi di sorgenti di radiazioni, la durata minima dell'impulso è di diversi ordini di grandezza superiore, che, in particolare, è quindi la larghezza della riga spettrale.

Effetti della radiazione laser su oggetti biologici

La radiazione laser ad alta densità di energia in combinazione con la monocromaticità e la coerenza è un fattore unico che influenza gli oggetti biologici. La monocromaticità consente di influenzare selettivamente determinate strutture molecolari di oggetti e la coerenza e la polarizzazione, combinate con un alto grado di organizzazione dei sistemi irradiati, determinano uno specifico effetto cumulativo (risonanza), che anche a livelli di radiazione relativamente bassi porta a una forte fotostimolazione dei processi nelle cellule, alla fotomutagenesi.

Quando gli oggetti biologici sono esposti alla radiazione laser, alcuni legami molecolari vengono distrutti o si verifica la trasformazione strutturale delle molecole, e questi processi sono selettivi, cioè alcuni legami vengono completamente distrutti dall'irradiazione, mentre altri praticamente non cambiano. Un carattere di risonanza così pronunciato dell'interazione della radiazione laser con le molecole apre la possibilità di una catalisi selettiva di alcune reazioni metaboliche, cioè reazioni metaboliche, controllo della luce di queste reazioni. In questo caso, la radiazione laser svolge il ruolo di un enzima.

L'uso di tali proprietà delle sorgenti di luce laser apre ampie possibilità per migliorare la biosintesi industriale.

L'irradiazione laser del lievito può essere utilizzata per la biosintesi mirata, ad esempio, di carotenoidi e lipidi e, più in generale, per ottenere nuovi ceppi mutanti di lievito con orientamento biosintetico alterato.

In un certo numero di industrie alimentari, è possibile utilizzare la capacità di controllare, utilizzando l'irradiazione laser, il rapporto di attività degli enzimi che scompongono le molecole proteiche in frammenti polipeptidici e idrolizzano questi frammenti in amminoacidi.

Nella produzione industriale di acido citrico, la stimolazione laser ottiene un aumento della resa del prodotto del 60% e allo stesso tempo riduce il contenuto di sottoprodotti. La fotostimolazione laser della lipogenesi nei funghi consente la produzione di grassi commestibili e tecnici durante la lavorazione di materie prime di funghi non commestibili. Sono stati inoltre ottenuti dati sulla stimolazione laser della formazione di organi riproduttivi nei funghi utilizzati nell'industria microbiologica.

Va notato che, a differenza delle sorgenti luminose convenzionali, il laser è in grado di sterilizzare i succhi nella parte visibile dello spettro, il che apre la possibilità di sterilizzazione mediante laser direttamente attraverso il vetro della bottiglia.

È stata notata una caratteristica interessante della sterilizzazione laser. Se a basso livello di potenza le curve di sopravvivenza delle cellule microbiche per l'irradiazione laser e l'irradiazione con una sorgente luminosa convenzionale praticamente coincidono, allora quando la potenza specifica dell'irradiazione laser è di circa 100 kW / cm2, si verifica un forte aumento dell'efficacia del azione sterilizzante della radiazione laser, cioè per ottenere lo stesso effetto della morte cellulare è necessaria molta meno energia rispetto all'utilizzo di una fonte a bassa potenza.

Quando irradiato con una sorgente luminosa incoerente, questo effetto non si osserva. Ad esempio, quando le celle vengono illuminate con un potente impulso, basta un lampo perché il laser a rubino colpisca fino al 50% delle celle, mentre la stessa energia, assorbita a lungo, non solo non provoca danni , ma porta anche all'intensificazione dei processi di fotosintesi nei microrganismi.

L'effetto descritto può essere spiegato dal fatto che, in condizioni normali, le molecole che entrano in una reazione fotochimica assorbono un quanto di luce (assorbimento di un fotone), che aumenta la loro reattività.Ad alti livelli di radiazione incidente, la probabilità di due- aumenta l'assorbimento di fotoni, in cui una molecola assorbe due fotoni contemporaneamente. In questo caso, l'efficienza delle trasformazioni chimiche aumenta notevolmente e la struttura delle molecole viene danneggiata con maggiore efficienza.

Se esposti a potenti radiazioni laser, si verificano altri effetti non lineari che non si osservano quando si utilizzano sorgenti luminose convenzionali. Uno di questi effetti è la conversione di parte della potenza di radiazione di frequenza f in radiazione di frequenze 2f, 3f, ecc. (generazione di armoniche ottiche). Questo effetto è dovuto alle proprietà non lineari del mezzo irradiato ad alti livelli di irradiazione.

Poiché è noto che gli oggetti biologici sono più sensibili all'azione della radiazione UV, l'effetto sterilizzante delle armoniche sarà più efficace. Allo stesso tempo, se un oggetto viene irradiato direttamente con una sorgente di radiazione UV, la maggior parte della potenza incidente dell'emettitore verrà assorbita negli strati superficiali. Nel caso descritto, la radiazione UV viene generata all'interno dell'oggetto stesso, il che porta alla natura volumetrica dell'effetto sterilizzante. Ovviamente, in questo caso, è prevedibile una maggiore efficienza del processo di sterilizzazione.

L'elevato grado di monocromaticità della radiazione laser può rendere possibile la sterilizzazione di un tipo di batteri, stimolando la crescita di microrganismi di altro tipo in sistemi batterici binari, ovvero di produrre mirate sterilizzazioni "selettive".

Oltre a queste aree di applicazione, i laser vengono utilizzati anche per misurare varie grandezze: spettroscopia, spostamenti di oggetti (metodo dell'interferenza), vibrazioni, velocità di flusso (anemometri laser), disomogeneità in mezzi otticamente trasparenti. Con l'ausilio dei laser è possibile monitorare la qualità della superficie, studiare la dipendenza delle proprietà ottiche di una determinata sostanza da fattori esterni, misurare la contaminazione dell'ambiente con microrganismi, ecc.