Primjena laserskog zračenja
Laser — kvantni generator (pojačivač) koherentnog zračenja u optičkom rasponu. Pojam «laser» nastao je od prvih slova engleskog naziva amplification of light by stimulated emission of radiation. Ovisno o vrsti aktivnog materijala, razlikuju se laseri u čvrstom stanju, plinski i tekući laseri.
Od lasera prvog tipa, rubin je najviše proučavan. Jedan od najranijih modela takvog lasera koristi energetske prijelaze trovalentnog iona kroma Cr3+ u monolitnom kristalu rubina (Cr2O3, A12O3). Pod djelovanjem pumpnog zračenja (valne duljine reda 5600 A) ion Cr3+ prelazi s razine 1 na razinu 3, s koje su mogući prijelazi prema dolje na razine 2 i 1. Ako prevladavaju prijelazi na metastabilnu razinu 2 i ako pumpanje osigurava post, inverziju populacije na razinama 1 i 2, tada će populacija na razini 2 premašiti populaciju na razini 1.
U slučaju spontanog prijelaza jednog od Cr-iona3+, foton s frekvencijom emitira se s razine 2 na razinu 1 e12, koji se počinje širiti na kristalu rubina.Susrećući d -red pobuđene Cr3+ ione, ovaj foton uzrokuje već inducirano zračenje koherentno s primarnim fotonom.
Zbog brojnih refleksija od poliranih i posrebrenih rubova monokristala rubina, intenzitet zračenja u kristalu se kontinuirano povećava. To se događa samo s onim fotonima čiji je smjer širenja komotorykh pod malim kutom s osi kristala. Zračenje čelika napušta kristal kroz bočnu površinu i ne sudjeluje u formiranju snopa zračenja. Zraka zračenja izlazi kroz jedan od krajeva, koji je prozirno zrcalo.
Veliki napredak u poboljšanju tehnologije u raznim industrijama vezan je za korištenje optičkih kvantnih generatora (lasera). Kao što znate, lasersko zračenje značajno se razlikuje od zračenja drugih nelaserskih izvora svjetlosti (toplinsko, plinsko pražnjenje itd.). Te su razlike dovele do široke uporabe lasera u raznim područjima znanosti i tehnologije.
Razmotrite osnovni dizajn lasera.
Općenito, blok dijagram optičkog kvantnog generatora (OQC) prikazan je na sl. 1 (u nekim slučajevima mogu nedostajati pogoni 4-7).
U aktivnoj tvari 1, pod djelovanjem pumpanja, zračenje koje prolazi kroz nju pojačava se zbog induciranog (uzrokovanog vanjskim elektromagnetskim poljem) zračenja elektrona koji prelaze s viših energetskih razina na donje. U ovom slučaju, svojstva aktivne tvari određuju frekvenciju laserske emisije.
Kao aktivna tvar mogu se koristiti kristalni ili amorfni mediji u koje se unose male količine nečistoća aktivnih elemenata (u laserima čvrstog stanja); plinovi ili pare metala (u plinskim laserima); tekuće otopine organskih boja (u tekućim laserima).
Riža. 1. Blok dijagram optičkog kvantnog generatora
Uz pomoć sustava laserske pumpe 3 stvaraju se uvjeti u aktivnoj tvari koji omogućavaju pojačanje zračenja. Za to je potrebno stvoriti inverziju (preraspodjelu) naseljenosti energetskih razina atoma elektrona, pri čemu je naseljenost gornjih razina veća od one donjih. Kao pumpni sustavi koriste se u laserima u čvrstom stanju - žaruljama s izbojem u plinu, u plinskim laserima - izvorima istosmjerne struje, impulsnim, HF i mikrovalnim generatorima, te u tekućim laserima - LAG-ovima.
Aktivna tvar lasera smještena je u optički rezonator 2 koji predstavlja sustav zrcala od kojih je jedno prozirno i služi za uklanjanje laserskog zračenja iz rezonatora.
Funkcije optičkog rezonatora vrlo su raznolike: stvaranje pozitivne povratne sprege u generatoru, formiranje spektra laserskog zračenja itd.
Uređaj 5 za odabir moda i stabilizaciju frekvencije dizajniran je da poboljša kvalitetu spektra izlaznog zračenja lasera, tj. da ga približi spektru monokromatskih oscilacija.
U tekućim laserima, System 6 postiže širok raspon podešavanja frekvencije oscilacije. Ako je potrebno, u laseru se može postići amplitudna ili fazna modulacija zračenja. Vanjska modulacija obično se koristi s uređajem 7.
Vrste lasera
Moderni laseri mogu se klasificirati prema različitim kriterijima:
• prema vrsti djelatne tvari koja se u njima koristi,
• prema načinu rada (kontinuirana ili pulsna proizvodnja, Q-sklopka),
• spektralnim svojstvima zračenja (višemodni, jednomodni, jednofrekventni laseri) itd.
Najčešća je prva od navedenih klasifikacija.
Solid state laseri
Ovi laseri kao aktivnu tvar koriste kristalni i amorfni medij. Solid-state laseri imaju brojne prednosti:
• visoke vrijednosti linearnog pojačanja medija, koje omogućuju dobivanje lasera s malim aksijalnim dimenzijama lasera;
• mogućnost dobivanja iznimno visokih vrijednosti izlazne snage u pulsnom načinu rada.
Glavne vrste lasera čvrstog stanja su:
1. rubinski laseri u kojima su ioni kroma aktivni centar. Generirajuće linije leže u crvenom području spektra (λ = 0,69 μm). Izlazna snaga zračenja u kontinuiranom načinu rada je nekoliko vata, energija u pulsirajućem načinu rada je nekoliko stotina džula s trajanjem impulsa reda veličine 1 ms;
2. laseri temeljeni na ionima rijetkih zemnih metala (uglavnom na ionima neodija). Važna prednost ovih lasera je mogućnost korištenja u kontinuiranom načinu rada na sobnoj temperaturi. Glavna generacijska linija ovih lasera je u infracrvenom području (λ = 1,06 μm). Razina izlazne snage u kontinuiranom načinu rada doseže 100-200 W s učinkovitošću od 1-2%.
Plinski laseri
Inverzija naseljenosti u plinskim laserima postiže se i uz pomoć pražnjenja i uz pomoć drugih vrsta pumpanja: kemijskog, toplinskog itd.
U usporedbi s plinskim laserima u čvrstom stanju, oni imaju niz prednosti:
• pokriva iznimno širok raspon valnih duljina 0,2-400 mikrona;
• emisija plinskih lasera je izrazito monokromatska i usmjerena;
• omogućuju postizanje vrlo visokih razina izlazne snage u kontinuiranom radu.
Glavne vrste plinskih lasera:
1.Helij neonski laseri… Glavna valna duljina je u vidljivom dijelu spektra (λ = 0,63 μm). Izlazna snaga je obično manja od 100 mW. U usporedbi sa svim drugim vrstama lasera, helij-neonski laseri pružaju najveći stupanj izlazne koherencije.
2. Laseri na bakrenoj pari… Glavna generacija zračenja stvara se na dvije linije, od kojih je jedna u zelenom dijelu spektra (λ = 0,51 μm), a druga u žutom (λ = 0,58 μm). Snaga impulsa u takvim laserima doseže 200 kW s prosječnom snagom od oko 40 W.
3. Ionski plinski laseri... Najčešći laseri ove vrste su argonski (λ = 0,49 — 0,51 µm) i helij-kadmijevi laseri (λ = 0,44 µm).
4. Molekularni CO2 laseri... Najsnažnija generacija postiže se na λ = 10,6 μm. Izlazna snaga u cw načinu rada CO2 lasera je izuzetno visoka i doseže 10 kW ili više uz dovoljno visoku učinkovitost od 15-30% u usporedbi sa svim ostalim vrstama lasera. Snage impulsa = 10 MW postižu se uz trajanje generiranih impulsa reda 10-100 ms.
Tekući laseri
Tekući laseri omogućuju ugađanje u širokom rasponu generirane frekvencije oscilacija (od λ = 0,3 µm do λ = 1,3 µm). U pravilu, u takvim laserima aktivna tvar su tekuće otopine organskih boja (na primjer, otopina rodamina).
Parametri lasera
Koherentnost
Posebnost laserskog zračenja je njegova koherencija.
Pod koherencijom se podrazumijeva usklađen tijek valnih procesa u vremenu i prostoru. Prostorna koherencija — koherencija između faza valova emitiranih istodobno iz različitih točaka u prostoru i vremenska koherencija — koherencija između faza valova emitiranih iz jedne točke u trenucima prekida vremena.
Koherentne elektromagnetske oscilacije — titraji dvaju ili više izvora s istim frekvencijama i konstantnom faznom razlikom. U radiotehnici se pojam koherencije proširuje i na izvore oscilacija čije frekvencije nisu jednake. Na primjer, oscilacije 2 izvora smatraju se koherentnima ako su njihove frekvencije f1 i e2 u racionalnom odnosu, tj. f1 / f2 = n / m, gdje su n i m cijeli brojevi.
Izvori oscilacija koji u intervalu promatranja imaju gotovo jednake frekvencije i gotovo jednaku faznu razliku, ili izvori oscilacija čiji se omjer frekvencija malo razlikuje od racionalnog, nazivaju se izvorima gotovo koherentnih oscilacija.
Sposobnost interferiranja jedna je od glavnih karakteristika koherentnih oscilacija. Treba napomenuti da samo koherentni valovi mogu interferirati. U nastavku će se pokazati da se brojna područja primjene izvora optičkog zračenja temelje upravo na fenomenu interferencije.
Divergencija
Visoka prostorna koherencija laserskog zračenja dovodi do male divergencije ovog zračenja, što ovisi o valnoj duljini λ i parametrima optičke šupljine koja se koristi u laseru.
Za obične izvore svjetlosti, čak i kada se koriste posebna zrcala, kut divergencije je oko jedan do dva reda veličine veći nego kod lasera.
Mala divergencija laserskog zračenja otvara mogućnost dobivanja visoke gustoće toka svjetlosne energije korištenjem konvencionalnih leća za fokusiranje.
Visoka usmjerenost laserskog zračenja omogućuje provođenje lokalnih (praktički u određenom trenutku) analiza, mjerenja i djelovanja na određenu tvar.
Osim toga, visoka prostorna koncentracija laserskog zračenja dovodi do izraženih nelinearnih pojava, u kojima priroda procesa koji se odvijaju ovisi o intenzitetu zračenja. Kao primjer možemo navesti višefotonsku apsorpciju, koja se uočava samo pri korištenju laserskih izvora i dovodi do povećanja apsorpcije energije tvari pri velikim snagama emitera.
Jednobojni
Stupanj monokromatičnosti zračenja određuje frekvencijsko područje u kojem je sadržan glavni dio snage emitera. Ovaj parametar je od velike važnosti kod korištenja izvora optičkog zračenja i u potpunosti je određen stupnjem vremenske koherencije zračenja.
U laserima je sva snaga zračenja koncentrirana u ekstremno uskim spektralnim linijama. Mala širina linije emisije postiže se korištenjem optičkog rezonatora u laseru i uglavnom je određena stabilnošću rezonantne frekvencije potonjeg.
Polarizacija
U nizu uređaja određenu ulogu igra polarizacija zračenja, koja karakterizira prevladavajuću orijentaciju vektora električnog polja vala.
Uobičajene nelaserske izvore karakterizira kaotična polarizacija. Lasersko zračenje je cirkularno ili linearno polarizirano. Konkretno, s linearnom polarizacijom mogu se koristiti posebni uređaji za rotiranje ravnine polarizacije. S tim u vezi, treba napomenuti da za niz prehrambenih proizvoda koeficijent refleksije unutar apsorpcijskog pojasa značajno ovisi o smjeru ravnine polarizacije zračenja.
Trajanje pulsa. Primjenom lasera također je moguće dobiti zračenje u obliku impulsa vrlo kratkog trajanja (tp = 10-8-10-9 s). To se obično postiže moduliranjem Q-faktora rezonatora, zaključavanjem moda itd.
U drugim vrstama izvora zračenja, minimalno trajanje impulsa je nekoliko redova veličine veće, što je posebno širina spektralne linije.
Učinci laserskog zračenja na biološke objekte
Lasersko zračenje visoke gustoće energije u kombinaciji s monokromatičnosti i koherencijom jedinstven je čimbenik koji utječe na biološke objekte. Monokromatičnost omogućuje selektivno djelovanje na određene molekularne strukture objekata, a koherencija i polarizacija, u kombinaciji s visokim stupnjem organiziranosti ozračenih sustava, određuju specifičan kumulativni (rezonantni) učinak, koji čak i pri relativno niskim razinama zračenja dovodi do jake fotostimulacije. procesa u stanicama, do fotomutageneze.
Pri izlaganju bioloških objekata laserskom zračenju dolazi do razaranja nekih molekularnih veza ili do strukturne transformacije molekula, a ti su procesi selektivni, odnosno neke se veze zračenjem potpuno uništavaju, dok se druge praktički ne mijenjaju. Ovako izražen rezonantni karakter interakcije laserskog zračenja s molekulama otvara mogućnost selektivne katalize određenih metaboličkih reakcija, odnosno metaboličkih reakcija, svjetlosne kontrole tih reakcija. U ovom slučaju lasersko zračenje igra ulogu enzima.
Korištenje takvih svojstava laserskih izvora svjetlosti otvara široke mogućnosti za poboljšanje industrijske biosinteze.
Lasersko zračenje kvasca može se koristiti za ciljanu biosintezu, primjerice, karotenoida i lipida, i šire, za dobivanje novih mutantnih sojeva kvasca s promijenjenom biosintetskom orijentacijom.
U brojnim prehrambenim industrijama može se koristiti mogućnost kontrole, korištenjem laserskog zračenja, omjera aktivnosti enzima koji razgrađuju proteinske molekule u polipeptidne fragmente i hidroliziraju te fragmente u aminokiseline.
U industrijskoj proizvodnji limunske kiseline laserskom stimulacijom postiže se povećanje prinosa produkta za 60% te se istovremeno smanjuje sadržaj nusproizvoda. Laserska fotostimulacija lipogeneze kod gljiva omogućuje proizvodnju jestivih i tehničkih masti tijekom prerade nejestivih sirovina gljiva. Također su dobiveni podaci o laserskoj stimulaciji stvaranja reproduktivnih organa kod gljiva koje se koriste u mikrobiološkoj industriji.
Treba napomenuti da, za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti, laser može sterilizirati sokove u vidljivom dijelu spektra, što otvara mogućnost sterilizacije laserom izravno kroz staklo boce.
Zapažena je zanimljiva značajka laserske sterilizacije. Ako se na niskoj razini snage krivulje preživljavanja mikrobnih stanica za lasersko zračenje i zračenje s konvencionalnim izvorom svjetlosti praktički podudaraju, tada kada je specifična snaga laserskog zračenja oko 100 kW / cm2, dolazi do naglog povećanja učinkovitosti sterilizirajuće djelovanje laserskog zračenja tj. da bi se postigao isti učinak stanične smrti potrebno je puno manje energije nego korištenjem izvora niske snage.
Kada se ozrači nekoherentnim izvorom svjetlosti, ovaj se učinak ne opaža. Na primjer, kada su stanice osvijetljene snažnim pulsom, dovoljan je jedan bljesak da rubin laser pogodi do 50% stanica, dok ista energija, apsorbirana dugo vremena, ne samo da ne uzrokuje štetu , ali također dovodi do intenziviranja procesa fotosinteze u mikroorganizmima.
Opisani učinak može se objasniti činjenicom da, u normalnim uvjetima, molekule koje ulaze u fotokemijsku reakciju apsorbiraju jedan kvant svjetlosti (jednofotonska apsorpcija), što povećava njihovu reaktivnost. Pri visokim razinama upadnog zračenja, vjerojatnost dvo- povećava se apsorpcija fotona, pri čemu molekula apsorbira dva fotona istovremeno. U ovom slučaju, učinkovitost kemijskih transformacija naglo raste i struktura molekula se oštećuje s većom učinkovitošću.
Pri izlaganju snažnom laserskom zračenju javljaju se drugi nelinearni efekti koji se ne opažaju pri korištenju konvencionalnih izvora svjetlosti. Jedan od tih učinaka je pretvorba dijela snage zračenja frekvencije f u zračenje frekvencija 2f, 3f itd. (generiranje optičkih harmonika). Ovaj učinak je posljedica nelinearnih svojstava ozračenog medija pri visokim razinama ozračenja.
Kako je poznato da su biološki objekti najosjetljiviji na djelovanje UV zračenja, sterilizacijski učinak harmonika bit će najučinkovitiji. Istodobno, ako se objekt ozrači izravno izvorom UV zračenja, većina upadne snage emitera bit će apsorbirana u površinskim slojevima. U opisanom slučaju, UV zračenje se stvara unutar samog predmeta, što dovodi do volumetrijske prirode sterilizirajućeg učinka. Očito se u ovom slučaju može očekivati veća učinkovitost procesa sterilizacije.
Visoki stupanj monokromatičnosti laserskog zračenja može omogućiti sterilizaciju jedne vrste bakterija, a poticati rast mikroorganizama druge vrste u binarnim bakterijskim sustavima, odnosno postići ciljanu "selektivnu" sterilizaciju.
Osim ovih područja primjene, laseri se koriste i za mjerenje raznih veličina — spektroskopija, pomaci objekata (metoda interferencije), vibracije, brzine strujanja (laserski anemometri), nehomogenosti u optički prozirnim medijima. Uz pomoć lasera moguće je pratiti kvalitetu površine, proučavati ovisnost optičkih svojstava određene tvari o vanjskim čimbenicima, mjeriti kontaminaciju okoliša mikroorganizmima itd.