יישום של קרינת לייזר

לייזר - מחולל קוונטי (מגבר) של קרינה קוהרנטית בטווח האופטי. המונח «לייזר» נוצר מהאותיות הראשונות של השם האנגלי הגברה של אור על ידי פליטת קרינה מגורה. בהתאם לסוג החומר הפעיל, מבחינים בין לייזרים במצב מוצק, לייזר גז ונוזל.

מבין הלייזרים מהסוג הראשון, רובי הוא הנחקר ביותר. אחד הדגמים המוקדמים ביותר של לייזר כזה משתמש במעברי אנרגיה של יון הכרום המשולש Cr3+ בגביש אודם מונוליטי (Cr2O3, A12O3). בפעולת שאיבת קרינה (באורך גל בסדר גודל של 5600 A) עובר יון Cr3+ מרמה 1 לרמה 3, ממנה יתכנו מעברים כלפי מטה לרמות 2 ו-1. אם שולטים מעברים לרמה מט-יציבה 2 ואם שאיבה מספקת פוסט, היפוך האוכלוסייה ברמות 1 ו-2, ואז האוכלוסייה ברמה 2 תעלה על האוכלוסייה ברמה 1.

במקרה של מעבר ספונטני של אחד מה-Cr-ions3+, פוטון עם תדירות נפלט מרמה 2 לרמה 1 e12, שמתחיל להתפשט על גביש האודם.כאשר פוטון זה נתקל ביוני Cr3+ נרגשים מ-d-red, גורם לקרינה שכבר מושרה קוהרנטית עם הפוטון הראשוני.

בשל השתקפויות רבות מהשוליים המלוטשים והכסופים של הקריסטל החד-אודם, עוצמת הקרינה בגביש גדלה ברציפות. זה קורה רק עם אותם פוטונים, כיוון ההתפשטות הוא komotorykh עושה זווית קטנה עם ציר הגביש. קרינת הפלדה עוזבת את הגביש דרך משטח הצד ואינה משתתפת ביצירת קרן הקרינה. קרן הקרינה יוצאת דרך אחד הקצוות, שהיא מראה שקופה.

התקדמות גדולה בשיפור הטכנולוגיה בתעשיות שונות קשורה בשימוש במחוללי קוונטים אופטיים (לייזרים). כידוע, קרינת הלייזר שונה באופן משמעותי מקרינה של מקורות אור אחרים שאינם לייזר (תרמית, פריקת גז וכו'). הבדלים אלו הובילו לשימוש נרחב בלייזרים בתחומי מדע וטכנולוגיה שונים.

שקול את העיצוב הבסיסי של לייזרים.

באופן כללי, דיאגרמת הבלוק של מחולל קוונטי אופטי (OQC) מוצג באיור. 1 (במקרים מסוימים כוננים 4-7 עשויים להיות חסרים).

בחומר הפעיל 1, בפעולת השאיבה, מוגברת הקרינה העוברת דרכו עקב קרינה מושרה (הנגרמת על ידי שדה אלקטרומגנטי חיצוני) של אלקטרונים העוברת מרמות האנרגיה העליונות לנמוכות. במקרה זה, המאפיינים של החומר הפעיל קובעים את תדירות פליטת הלייזר.

כחומר פעיל, ניתן להשתמש במדיה גבישית או אמורפית, שבה מוכנסות כמויות קטנות של זיהומים של יסודות פעילים (בלייזרים במצב מוצק); גזים או אדים של מתכות (בלייזרי גז); תמיסות נוזליות של צבעים אורגניים (בלייזרים נוזליים).

אורז. 1. דיאגרמת בלוקים של מחולל קוונטי אופטי

בעזרת מערכת משאבת הלייזר 3 נוצרים תנאים בחומר הפעיל המאפשרים להגביר את הקרינה. לשם כך יש צורך ליצור היפוך (חלוקה מחדש) של האוכלוסיות של רמות האנרגיה של אטומי האלקטרונים, שבה אוכלוסיית הרמות העליונות גדולה מזו של התחתונים. כמערכות שאיבה, הם משמשים בלייזרים במצב מוצק - מנורות פריקת גז, בלייזרי גז - מקורות זרם ישר, מחוללי HF ומיקרוגל, ובלייזרים נוזליים - LAGs.

החומר הפעיל של הלייזר ממוקם במהוד אופטי 2, שהוא מערכת מראות, שאחת מהן היא שקוף ומשמשת לסילוק קרינת לייזר מהתהודה.

הפונקציות של המהוד האופטי מגוונות למדי: יצירת משוב חיובי במחולל, יצירת הספקטרום של קרינת לייזר וכו '.

מכשיר 5 לבחירת מצב וייצוב תדר נועד לשפר את איכות הספקטרום של קרינת הפלט של הלייזר, כלומר לקרב אותו לספקטרום התנודות המונוכרומטיות.

בלייזרים נוזליים, מערכת 6 משיגה טווח רחב של כוונון תדר תנודות. במידת הצורך, ניתן להשיג אפנון משרעת או פאזה של הקרינה בלייזר. אפנון חיצוני משמש בדרך כלל עם מכשיר 7.

סוגי לייזר

ניתן לסווג לייזרים מודרניים על פי קריטריונים שונים:

• לפי סוג החומר הפעיל המשמש בהם,

• לפי מצב הפעלה (הפקה מתמשכת או דופק, מצב Q-switched),

• על ידי תכונות ספקטרליות של הקרינה (לייזרים מרובי מצבים, חד-מודים, חד-תדרים) וכו'.

הנפוץ ביותר הוא הראשון מבין הסיווגים שהוזכרו.

לייזרים במצב מוצק

לייזרים אלה משתמשים במדיה גבישית ואמורפית כחומר הפעיל. ללייזרים במצב מוצק יש מספר יתרונות:

• ערכים גבוהים של הרווח הליניארי של המדיום, המאפשרים להשיג לייזר עם ממדים צירים קטנים של הלייזר;

• אפשרות להשיג ערכי הספק מוצא גבוהים במיוחד במצב דופק.

הסוגים העיקריים של לייזרים במצב מוצק הם:

1. לייזרים רובי שבהם יוני כרום הם המרכז הפעיל. הקווים היוצרים נמצאים באזור האדום של הספקטרום (λ = 0.69 מיקרומטר). הספק המוצא של הקרינה במצב רציף הוא מספר וואט, האנרגיה במצב פולס היא כמה מאות ג'אול עם משך פולס בסדר גודל של 1 ms;

2. לייזרים המבוססים על יוני מתכת נדירים (בעיקר יוני ניאודימיום). יתרון חשוב של לייזרים אלו הוא היכולת לשמש במצב רציף בטמפרטורת החדר. קו היצור העיקרי של לייזרים אלו נמצא באזור האינפרא אדום (λ = 1.06 מיקרומטר). רמת הספק המוצא במצב רציף מגיעה ל-100-200 W ביעילות של 1-2%.

לייזר גז

היפוך אוכלוסייה בלייזרי גז מושגת הן בעזרת פריקות והן בעזרת סוגי שאיבה אחרים: כימיים, תרמיים וכו'.

בהשוואה ללייזרי גז במצב מוצק, יש להם מספר יתרונות:

• מכסה טווח רחב ביותר של אורכי גל 0.2-400 מיקרון;

• פליטת לייזר גז היא מאוד מונוכרומטית וכיוונית;

• לאפשר השגת רמות הספק גבוהות מאוד בהפעלה רציפה.

הסוגים העיקריים של לייזר גז:

1.לייזרים ניאון הליום... אורך הגל העיקרי נמצא בחלק הנראה של הספקטרום (λ = 0.63 מיקרומטר). הספק המוצא הוא בדרך כלל פחות מ-100 mW. בהשוואה לכל סוגי הלייזרים האחרים, לייזרים הליום-ניאון מספקים את הדרגה הגבוהה ביותר של קוהרנטיות פלט.

2. לייזרים אדי נחושת... הדור העיקרי של קרינה נוצר בשני קווים, אחד מהם בחלק הירוק של הספקטרום (λ = 0.51 מיקרומטר) והשני בצהוב (λ = 0.58 מיקרומטר). הספק הפולס בלייזרים כאלה מגיע ל-200 קילוואט בהספק ממוצע של כ-40 וואט.

3. לייזרים גז יונים... הלייזרים הנפוצים ביותר מסוג זה הם לייזר ארגון (λ = 0.49 — 0.51 מיקרומטר) ולייזרי הליום-קדמיום (λ = 0.44 מיקרומטר).

4. לייזרים מולקולריים CO2... הדור החזק ביותר מושג ב-λ = 10.6 מיקרומטר. הספק המוצא במצב cw של לייזרים CO2 גבוה במיוחד ומגיע ל-10 קילוואט ומעלה ביעילות גבוהה מספיק של 15-30% בהשוואה לכל סוגי הלייזרים האחרים. הספקים של פולסים = 10 MW מושגים עם משך הפולסים המופקים בסדר גודל של 10-100 ms.

לייזרים נוזליים

לייזרים נוזליים מאפשרים כוונון על פני טווח רחב של תדר התנודה שנוצר (מ- λ = 0.3 מיקרומטר ל- λ = 1.3 מיקרון). ככלל, בלייזרים כאלה, החומר הפעיל הוא תמיסות נוזליות של צבעים אורגניים (לדוגמה, תמיסת rhodamine).

פרמטרים של לייזר

לְכִידוּת

מאפיין ייחודי של קרינת לייזר הוא הקוהרנטיות שלה.

קוהרנטיות מובנת כמהלך מתואם של תהליכי גל בזמן ובמרחב.קוהרנטיות מרחבית - הקוהרנטיות בין שלבי הגלים הנפלטים בו-זמנית מנקודות שונות במרחב, לבין קוהרנטיות זמנית - הקוהרנטיות בין שלבי הגלים הנפלטים מנקודה אחת ברגעי הפסקה בזמן.

תנודות אלקטרומגנטיות קוהרנטיות - תנודות של שני מקורות או יותר עם אותם תדרים והפרש פאזה קבוע. בהנדסת רדיו, מושג הקוהרנטיות משתרע גם על מקורות תנודות שהתדרים שלהם אינם שווים. לדוגמה, התנודות של 2 מקורות נחשבות לקוהרנטיות אם התדרים שלהם f1 ו-e2 נמצאים בקשר רציונלי, כלומר. f1 / f2 = n / m, כאשר n ו-m הם מספרים שלמים.

מקורות תנודות שבמרווח התצפית יש להם תדרים כמעט שווים וכמעט אותו הפרש פאזה, או מקורות תנודות שיחס התדר שלהם שונה מעט מזה הרציונלי, נקראים מקורות של תנודות כמעט קוהרנטיות.

היכולת להתערב היא אחד המאפיינים העיקריים של תנודה קוהרנטית. יש לציין שרק גלים קוהרנטיים יכולים להפריע. בהמשך יוצג כי מספר תחומי יישום של מקורות קרינה אופטיים מבוססים בדיוק על תופעת ההפרעות.

הִסתַעֲפוּת

הקוהרנטיות המרחבית הגבוהה של קרינת הלייזר מובילה לסטייה נמוכה של קרינה זו, התלויה באורך הגל λ ובפרמטרים של החלל האופטי המשמש בלייזר.

עבור מקורות אור רגילים, גם כאשר נעשה שימוש במראות מיוחדות, זווית ההפרדה גדולה בערך בסדרי גודל אחד עד שניים מזו של לייזרים.

ההתרחקות הנמוכה של קרינת הלייזר פותחת את האפשרות להשיג צפיפות שטף גבוהה של אנרגיית אור באמצעות עדשות מיקוד קונבנציונליות.

הכיווניות הגבוהה של קרינת הלייזר מאפשרת לבצע ניתוחים, מדידות והשפעות מקומיות (בפועל ברגע נתון) על חומר נתון.

בנוסף, הריכוז המרחבי הגבוה של קרינת הלייזר מוביל לתופעות לא ליניאריות בולטות, שבהן אופי התהליכים המתמשכים תלוי בעוצמת ההקרנה. כדוגמה, ניתן להצביע על קליטת מולטיפוטונים, אשר נצפית רק בעת שימוש במקורות לייזר ומובילה לעלייה בספיגת האנרגיה על ידי חומר בהספקי פולט גבוהים.

מונוכרום

מידת המונוכרומטיות של הקרינה קובעת את טווח התדרים בו מצוי עיקר הכוח של הפולט. לפרמטר זה חשיבות רבה בעת שימוש במקורות קרינה אופטית והוא נקבע כולו על פי מידת הקוהרנטיות הזמנית של הקרינה.

בלייזרים, כל כוח הקרינה מרוכז בקווים ספקטרליים צרים במיוחד. הרוחב הקטן של קו הפליטה מושג על ידי שימוש במהוד אופטי בלייזר והוא נקבע בעיקר על ידי יציבות תדר התהודה של האחרון.

קיטוב

במספר מכשירים, תפקיד מסוים ממלא את הקיטוב של הקרינה, המאפיין את הכיוון השולט של הווקטור של השדה החשמלי של הגל.

מקורות נפוצים שאינם לייזר מאופיינים בקיטוב כאוטי. קרינת הלייזר מקוטבת בצורה מעגלית או ליניארית. בפרט, עם קיטוב ליניארי ניתן להשתמש במכשירים מיוחדים כדי לסובב את מישור הקיטוב. בהקשר זה, יש לציין כי עבור מספר מוצרי מזון מקדם ההשתקפות בתוך פס הקליטה תלוי באופן משמעותי בכיוון מישור הקיטוב של הקרינה.

משך הדופק. השימוש בלייזרים מאפשר גם לקבל קרינה בצורת פולסים של משך זמן קצר מאוד (tp = 10-8-10-9 שניות). זה מושג בדרך כלל על ידי אפנון של פקטור ה-Q של המהוד, נעילת מצבים וכו'.

בסוגים אחרים של מקורות קרינה, משך הפולס המינימלי גבוה בכמה סדרי גודל, אשר, במיוחד, הוא אם כן רוחב הקו הספקטרלי.

השפעות של קרינת לייזר על עצמים ביולוגיים

קרינת לייזר עם צפיפות אנרגיה גבוהה בשילוב עם מונוכרומטיות וקוהרנטיות היא גורם ייחודי המשפיע על עצמים ביולוגיים. מונוכרומטיות מאפשרת להשפיע באופן סלקטיבי על מבנים מולקולריים מסוימים של עצמים, וקוהרנטיות וקיטוב, בשילוב עם דרגת ארגון גבוהה של מערכות מוקרנות, קובעים אפקט מצטבר (תהודה) ספציפי, שגם ברמות קרינה נמוכות יחסית מוביל לפוטוסטימולציה חזקה. של תהליכים בתאים, לפוטו-מוטגנזה.

כאשר אובייקטים ביולוגיים נחשפים לקרינת לייזר, חלק מהקשרים המולקולריים נהרסים או מתרחשת טרנספורמציה מבנית של מולקולות, ותהליכים אלה הם סלקטיביים, כלומר, חלק מהקשרים נהרסים לחלוטין בהקרנה, בעוד שאחרים למעשה אינם משתנים. אופי תהודה בולט כזה של האינטראקציה של קרינת לייזר עם מולקולות פותח את האפשרות של קטליזה סלקטיבית של תגובות מטבוליות מסוימות, כלומר, תגובות מטבוליות, בקרת אור של תגובות אלה. במקרה זה, קרינת לייזר ממלאת תפקיד של אנזים.

השימוש במאפיינים כאלה של מקורות אור לייזר פותח אפשרויות רחבות לשיפור הביוסינתזה התעשייתית.

הקרנת שמרים בלייזר יכולה לשמש לביו-סינתזה ממוקדת של, למשל, קרוטנואידים וליפידים, ובאופן רחב יותר, להשגת זני שמרים מוטנטים חדשים עם אוריינטציה ביו-סינתטית שונה.

במספר תעשיות מזון ניתן להשתמש ביכולת לשלוט, באמצעות הקרנת לייזר, ביחס הפעילות של אנזימים המפרקים מולקולות חלבון לשברי פוליפפטיד ומייצרים את השברים הללו לחומצות אמינו.

בייצור תעשייתי של חומצת לימון, גירוי בלייזר משיג עלייה של 60% בתפוקת המוצר ובמקביל מפחית את תכולת תוצרי הלוואי. פוטוסטימולציה בלייזר של ליפוגנזה בפטריות מאפשרת ייצור שומנים אכילים וטכניים במהלך עיבוד חומרי גלם של פטריות בלתי אכילות. כמו כן, התקבלו נתונים על גירוי בלייזר של היווצרות אברי רבייה בפטריות המשמשות בתעשייה המיקרוביולוגית.

יש לציין שבניגוד למקורות אור קונבנציונליים, הלייזר מסוגל לעקר מיצים בחלק הגלוי של הספקטרום, מה שפותח אפשרות לעיקור באמצעות לייזרים ישירות דרך זכוכית הבקבוק.

מאפיין מעניין של עיקור לייזר צוין. אם ברמת הספק נמוכה עקומות ההישרדות של תאים מיקרוביאליים עבור קרינת לייזר והקרנה עם מקור אור קונבנציונלי כמעט חופפות, אז כאשר ההספק הספציפי של קרינת לייזר הוא כ-100 קילוואט / ס"מ, יש עלייה חדה ביעילות של הלייזר. פעולת עיקור של קרינת לייזר, כלומר. כדי להשיג את אותה האפקט של מוות תאי נדרש הרבה פחות אנרגיה מאשר שימוש במקור כוח נמוך.

כאשר מוקרנים במקור אור לא קוהרנטי, השפעה זו אינה נראית. לדוגמה, כאשר התאים מוארים בדופק חזק, מספיק הבזק אחד כדי שהלייזר רובי יפגע עד 50% מהתאים, בעוד שאותה אנרגיה, הנספגת לאורך זמן, לא רק שאינה גורמת נזק , אך גם מוביל להעצמת תהליכי פוטוסינתזה במיקרואורגניזמים.

ניתן להסביר את ההשפעה המתוארת בכך שבתנאים רגילים, מולקולות הנכנסות לתגובה פוטוכימית קולטות קוואנטים אחד של אור (קליטה של ​​פוטון אחד), מה שמגביר את התגובתיות שלהן. ברמות גבוהות של קרינה פוגעת, ההסתברות לשתי- ספיגת הפוטונים עולה, שבה מולקולה קולטת שני פוטונים בו זמנית. במקרה זה, היעילות של טרנספורמציות כימיות עולה בחדות ומבנה המולקולות נפגע ביעילות רבה יותר.

כאשר נחשפים לקרינת לייזר עוצמתית, מתרחשות השפעות לא ליניאריות אחרות שאינן נצפות בעת שימוש במקורות אור קונבנציונליים. אחת ההשפעות הללו היא המרה של חלק מעוצמת הקרינה של תדר f לקרינה של תדרים 2f, 3f וכו'. (דור של הרמוניות אופטיות). השפעה זו נובעת מהתכונות הלא ליניאריות של התווך המוקרן ברמות קרינה גבוהות.

מכיוון שידוע שעצמים ביולוגיים רגישים ביותר לפעולת קרינת UV, אפקט העיקור של הרמוניות יהיה היעיל ביותר. יחד עם זאת, אם חפץ מוקרן ישירות במקור של קרינת UV, רוב הכוח הפוגע של הפולט ייבלע בשכבות פני השטח. במקרה המתואר, קרינת ה-UV נוצרת בתוך האובייקט עצמו, מה שמוביל לאופי הנפחי של אפקט העיקור. ברור שבמקרה זה ניתן לצפות ליעילות רבה יותר של תהליך העיקור.

מידת המונוכרומטיות הגבוהה של קרינת הלייזר יכולה לאפשר לעקר סוג אחד של חיידקים, תוך גירוי צמיחת מיקרואורגניזמים מסוג אחר במערכות חיידקיות בינאריות, כלומר לייצר עיקור "סלקטיבי" ממוקד.

בנוסף לתחומי יישום אלו, משתמשים בלייזרים גם למדידת כמויות שונות - ספקטרוסקופיה, תזוזות של עצמים (שיטת הפרעות), רעידות, מהירויות זרימה (מדדי רוח בלייזר), אי-הומוגניות במדיה שקופה אופטית. בעזרת לייזרים ניתן לנטר את איכות פני השטח, לחקור את התלות של התכונות האופטיות של חומר נתון בגורמים חיצוניים, למדוד את זיהום הסביבה במיקרואורגניזמים וכו'.