Lazer radyasyonu uygulaması

Lazer - optik aralıkta tutarlı radyasyonun bir kuantum üreteci (yükseltici). "Lazer" terimi, uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışığın amplifikasyonunun İngilizce adının ilk harflerinden oluşturulmuştur. Aktif malzemenin türüne bağlı olarak, katı hal lazerleri, gaz ve sıvı lazerler arasında bir ayrım yapılır.

Birinci tip lazerlerden en çok çalışılan yakuttur. Böyle bir lazerin en eski modellerinden biri, yekpare bir yakut kristalinde (Cr2O3, A12O3) üç değerlikli krom iyonu Cr3+'nın enerji geçişlerini kullanır. Pompalama radyasyonunun etkisi altında (5600 A civarında bir dalga boyuna sahip), Cr3+ iyonu seviye 1'den seviye 3'e geçer, buradan seviye 2 ve 1'e aşağı doğru geçişler mümkündür.Yarı kararlı seviye 2'ye geçişler baskınsa ve eğer pompalama post sağlar, 1. ve 2. seviyedeki popülasyonun tersine çevrilmesi, ardından 2. seviyedeki popülasyon 1. seviyedeki popülasyonu aşacaktır.

Cr-ion3+'lardan birinin kendiliğinden geçişi durumunda, yakut kristali üzerinde yayılmaya başlayan, 2. seviyeden 1. seviyeye e12 frekanslı bir foton yayılır.d -kırmızısı ile uyarılmış Cr3+ iyonları ile karşılaşan bu foton, birincil foton ile uyumlu zaten indüklenmiş radyasyona neden olur.

Yakut tek kristalin parlatılmış ve gümüşlenmiş kenarlarından sayısız yansıma nedeniyle, kristaldeki radyasyon yoğunluğu sürekli olarak artar. Bu sadece fotonlarda olur, yayılma yönü komotorykh kristalin ekseni ile küçük bir açı yapar. Çelik ışınımı kristali yan yüzeyden terk eder ve ışınım ışınının oluşumuna katılmaz. Radyasyon ışını, yarı saydam bir ayna olan uçlardan birinden çıkar.

Çeşitli endüstrilerdeki teknolojinin iyileştirilmesindeki büyük bir ilerleme, optik kuantum üreteçlerinin (lazerler) kullanımıyla ilgilidir. Bildiğiniz gibi, lazer radyasyonu diğer lazer olmayan ışık kaynaklarının (termal, gaz deşarjı vb.) radyasyonundan önemli ölçüde farklıdır. Bu farklılıklar lazerlerin bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmasına yol açmıştır.

Lazerlerin temel tasarımını düşünün.

Genel olarak, bir optik kuantum üretecinin (OQC) blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. 1 (bazı durumlarda 4-7 arası sürücüler eksik olabilir).

Aktif madde 1'de, pompalama etkisi altında, içinden geçen radyasyon, üst enerji seviyelerinden alt seviyelere geçen elektronların indüklenmiş (dış bir elektromanyetik alanın neden olduğu) radyasyonu nedeniyle artar. Bu durumda aktif maddenin özellikleri lazer emisyon frekansını belirler.

Aktif bir madde olarak, içine aktif elementlerin küçük miktarlarda safsızlıklarının dahil edildiği (katı hal lazerlerinde) kristalli veya amorf ortam kullanılabilir; metallerin gazları veya buharları (gaz lazerlerinde); organik boyaların sıvı çözeltileri (sıvı lazerlerde).

Pirinç. 1. Bir optik kuantum üretecinin blok diyagramı

Lazer pompa sistemi 3'ün yardımıyla, aktif maddede radyasyonu güçlendirmeyi mümkün kılan koşullar yaratılır. Bunun için, üst seviyelerin popülasyonunun alt seviyelerden daha fazla olduğu elektron atomlarının enerji seviyelerinin popülasyonlarının bir tersini (yeniden dağıtılmasını) oluşturmak gerekir. Pompalama sistemleri olarak, katı hal lazerlerinde - gaz deşarj lambaları, gaz lazerlerinde - doğru akım kaynaklarında, darbeli, HF ve mikrodalga jeneratörlerinde ve sıvı lazerlerde - LAG'lerde kullanılırlar.

Lazerin aktif maddesi, biri yarı saydam olan ve rezonatörden lazer radyasyonunu uzaklaştırmaya yarayan bir aynalar sistemi olan bir optik rezonatöre (2) yerleştirilir.

Optik rezonatörün işlevleri oldukça çeşitlidir: jeneratörde pozitif geri besleme oluşturmak, lazer radyasyonu spektrumunu oluşturmak vb.

Mod seçimi ve frekans stabilizasyonu için cihaz 5, lazerin çıkış radyasyonunun spektrumunun kalitesini iyileştirmek, yani onu monokromatik salınımların spektrumuna yaklaştırmak için tasarlanmıştır.

Sıvı lazerlerde System 6, çok çeşitli salınım frekansı ayarına ulaşır. Gerekirse, lazerde radyasyonun genlik veya faz modülasyonu sağlanabilir. Harici modülasyon genellikle cihaz 7 ile birlikte kullanılır.

Lazer türleri

Modern lazerler farklı kriterlere göre sınıflandırılabilir:

• İçlerinde kullanılan etkin maddenin cinsine göre,

• çalışma moduna göre (sürekli veya darbeli üretim, Q-anahtarlı mod),

• radyasyonun spektral özelliklerine göre (çok modlu, tek modlu, tek frekanslı lazerler), vb.

En yaygın olanı, belirtilen sınıflandırmalardan ilkidir.

Katı hal lazerleri

Bu lazerler, aktif madde olarak kristal ve amorf ortam kullanır. Katı hal lazerlerinin bir dizi avantajı vardır:

• lazerin küçük eksenel boyutlarına sahip bir lazer elde etmeyi mümkün kılan, ortamın doğrusal kazancının yüksek değerleri;

• darbe modunda son derece yüksek çıkış gücü değerleri elde etme imkanı.

Başlıca katı hal lazer türleri şunlardır:

1. krom iyonlarının aktif merkez olduğu yakut lazerler. Üreten çizgiler, spektrumun kırmızı bölgesinde bulunur (λ = 0,69 μm). Radyasyonun sürekli moddaki çıkış gücü birkaç watt'tır, darbeli moddaki enerji birkaç yüz joule'dür ve darbe süresi 1 ms civarındadır;

2. Nadir toprak metal iyonlarına (esas olarak neodimyum iyonları) dayalı lazerler. Bu lazerlerin önemli bir avantajı oda sıcaklığında sürekli modda kullanılabilmesidir. Bu lazerlerin ana üretim çizgisi kızılötesi bölgededir (λ = 1,06 μm). Sürekli modda çıkış gücü seviyesi, %1-2 verimlilikle 100-200 W'a ulaşır.

Gaz lazerleri

Gaz lazerlerinde popülasyon inversiyonu, hem deşarjların yardımıyla hem de diğer pompalama türlerinin yardımıyla elde edilir: kimyasal, termal, vb.

Katı hal gaz lazerleriyle karşılaştırıldığında, bir takım avantajları vardır:

• 0,2-400 mikron gibi çok geniş bir dalga boyu aralığını kapsar;

• gaz lazerlerinin emisyonu oldukça tek renkli ve yönlüdür;

• sürekli çalışmada çok yüksek çıkış gücü seviyelerinin elde edilmesini sağlar.

Başlıca gaz lazer türleri:

1.Helyum neon lazerler… Ana dalga boyu spektrumun görünen kısmındadır (λ = 0,63 μm). Çıkış gücü genellikle 100 mW'tan azdır. Diğer tüm lazer türleriyle karşılaştırıldığında, helyum-neon lazerler en yüksek düzeyde çıktı tutarlılığı sağlar.

2. Bakır buharlı lazerler… Radyasyonun ana oluşumu, biri spektrumun yeşil kısmında (λ = 0,51 μm) ve diğeri sarı kısmında (λ = 0,58 μm) olmak üzere iki çizgi üzerinde oluşturulur. Bu tür lazerlerdeki darbe gücü, ortalama 40 W'lık bir güçle 200 kW'a ulaşır.

3. İyon gaz lazerleri... Bu tipteki en yaygın lazerler argon lazerler (λ = 0,49 — 0,51 µm) ve helyum-kadmiyum lazerlerdir (λ = 0,44 µm).

4. Moleküler CO2 lazerleri... En güçlü üretim λ = 10,6 μm'de elde edilir. CO2 lazerlerin cw modundaki çıkış gücü son derece yüksektir ve diğer tüm lazer türlerine kıyasla %15-30 gibi yeterince yüksek bir verimlilikle 10 kW veya daha fazlasına ulaşır. Darbe güçleri = 10 MW, 10-100 ms mertebesinde üretilen darbelerin süresi ile elde edilir.

sıvı lazerler

Sıvı lazerler, üretilen salınım frekansının geniş bir aralığında (λ = 0,3 µm ila λ = 1,3 µm) ayarlamaya izin verir. Kural olarak, bu tür lazerlerde aktif madde, organik boyaların sıvı çözeltileridir (örneğin, rodamin çözeltisi).

Lazer parametreleri

Tutarlılık

Lazer radyasyonunun ayırt edici bir özelliği tutarlılığıdır.

Tutarlılık, zaman ve uzayda dalga süreçlerinin koordineli bir seyri olarak anlaşılmaktadır. zamanın koptuğu anlarda.

Tutarlı elektromanyetik salınımlar - aynı frekanslara ve sabit bir faz farkına sahip iki veya daha fazla kaynağın salınımları. Radyo mühendisliğinde tutarlılık kavramı, frekansları eşit olmayan salınım kaynaklarını da kapsar. Örneğin, f1 ve e2 frekansları rasyonel bir ilişki içindeyse, 2 kaynağın salınımları tutarlı kabul edilir, yani f1 / f2 = n / m, burada n ve m tam sayılardır.

Gözlem aralığında neredeyse eşit frekanslara ve hemen hemen aynı faz farkına sahip salınım kaynakları veya frekans oranı rasyonel olandan çok az farklı olan salınım kaynakları, neredeyse uyumlu salınım kaynakları olarak adlandırılır.

Müdahale yeteneği, tutarlı salınımın ana özelliklerinden biridir. Yalnızca tutarlı dalgaların müdahale edebileceğine dikkat edilmelidir. Aşağıda, optik radyasyon kaynaklarının bir dizi uygulama alanının tam olarak girişim olgusuna dayandığı gösterilecektir.

uyuşmazlık

Lazer radyasyonunun yüksek uzamsal tutarlılığı, bu radyasyonun dalga boyuna (λ) ve lazerde kullanılan optik boşluğun parametrelerine bağlı olarak düşük bir sapmaya yol açar.

Sıradan ışık kaynakları için, özel aynalar kullanılsa bile, sapma açısı lazerlerinkinden yaklaşık bir ila iki kat daha büyüktür.

Lazer radyasyonunun düşük sapması, geleneksel odaklama mercekleri kullanılarak yüksek akış yoğunluğunda ışık enerjisi elde etme olasılığını açar.

Lazer radyasyonunun yüksek yönlülüğü, belirli bir madde üzerinde yerel (pratik olarak belirli bir anda) analizler, ölçümler ve etkiler gerçekleştirmeyi mümkün kılar.

Ek olarak, lazer radyasyonunun yüksek uzamsal konsantrasyonu, devam eden süreçlerin doğasının ışınlamanın yoğunluğuna bağlı olduğu belirgin doğrusal olmayan fenomenlere yol açar. Örnek olarak, yalnızca lazer kaynakları kullanıldığında gözlemlenen ve yüksek emitör güçlerinde madde tarafından enerji emiliminde artışa yol açan multifoton absorpsiyonunu gösterebiliriz.

tek renkli

Radyasyonun tek renklilik derecesi, yayıcının gücünün ana kısmının bulunduğu frekans aralığını belirler. Bu parametre, optik radyasyon kaynakları kullanılırken büyük önem taşır ve tamamen radyasyonun zamansal tutarlılık derecesi tarafından belirlenir.

Lazerlerde, tüm radyasyon gücü son derece dar spektral çizgilerde yoğunlaşmıştır. Emisyon hattının küçük genişliği, lazerde bir optik rezonatör kullanılarak elde edilir ve esas olarak ikincisinin rezonans frekansının kararlılığı ile belirlenir.

polarizasyon

Bir dizi cihazda, dalganın elektrik alanı vektörünün baskın yönelimini karakterize eden radyasyonun polarizasyonu belirli bir rol oynar.

Lazer olmayan yaygın kaynaklar, kaotik polarizasyon ile karakterize edilir. Lazer radyasyonu dairesel veya doğrusal olarak polarize edilmiştir. Özellikle lineer polarizasyon ile polarizasyon düzlemini döndürmek için özel cihazlar kullanılabilir. Bu bağlamda, bazı gıda ürünleri için absorpsiyon bandı içindeki yansıma katsayısının önemli ölçüde radyasyonun polarizasyon düzleminin yönüne bağlı olduğuna dikkat edilmelidir.

Nabız süresi. Lazerlerin kullanımı ayrıca çok kısa süreli (tp = 10-8-10-9 s) atımlar şeklinde radyasyon elde etmeyi mümkün kılar. Bu genellikle rezonatörün Q faktörünün modüle edilmesi, mod kilitleme vb. ile elde edilir.

Diğer radyasyon kaynağı türlerinde, minimum darbe süresi birkaç kat daha yüksektir, bu nedenle özellikle spektral çizginin genişliğidir.

Lazer radyasyonunun biyolojik nesneler üzerindeki etkileri

Tek renklilik ve tutarlılık ile birlikte yüksek enerji yoğunluğuna sahip lazer radyasyonu, biyolojik nesneleri etkileyen benzersiz bir faktördür. Tek renklilik, nesnelerin belirli moleküler yapılarını seçici olarak etkilemeyi mümkün kılar ve ışınlanmış sistemlerin yüksek derecede organizasyonu ile birlikte tutarlılık ve polarizasyon, nispeten düşük radyasyon seviyelerinde bile güçlü bir fotostimülasyona yol açan belirli bir kümülatif (rezonans) etki belirler. hücrelerdeki süreçlerin, fotomutagenez.

Biyolojik nesneler lazer radyasyonuna maruz kaldığında, bazı moleküler bağlar yok edilir veya moleküllerin yapısal dönüşümü gerçekleşir ve bu işlemler seçicidir, yani bazı bağlar ışınlama ile tamamen yok edilirken diğerleri pratik olarak değişmez. Lazer radyasyonunun moleküllerle etkileşiminin böylesine belirgin bir rezonans karakteri, belirli metabolik reaksiyonların, yani metabolik reaksiyonların, bu reaksiyonların ışık kontrolünün seçici katalizinin olasılığını açar. Bu durumda, lazer radyasyonu bir enzimin rolünü oynar.

Lazer ışık kaynaklarının bu tür özelliklerinin kullanılması, endüstriyel biyosentezi geliştirmek için geniş olanaklar sunmaktadır.

Mayanın lazerle ışınlanması, örneğin karotenoidlerin ve lipidlerin hedeflenen biyosentezi için ve daha geniş olarak, değiştirilmiş biyosentetik oryantasyona sahip yeni mutant maya suşları elde etmek için kullanılabilir.

Bir dizi gıda endüstrisinde, protein moleküllerini polipeptit fragmanlarına parçalayan ve bu fragmanları amino asitlere hidrolize eden enzimlerin aktivite oranını lazer ışınlaması kullanarak kontrol etme yeteneği kullanılabilir.

Endüstriyel sitrik asit üretiminde, lazer stimülasyonu ürün veriminde %60'lık bir artış sağlar ve aynı zamanda yan ürün içeriğini azaltır. Mantarlarda lipogenezin lazerle fotostimülasyonu, yenmeyen mantar ham maddelerinin işlenmesi sırasında yenilebilir ve teknik yağların üretilmesini sağlar. Mikrobiyoloji endüstrisinde kullanılan mantarlarda üreme organlarının oluşumunun lazerle uyarılmasıyla ilgili veriler de elde edildi.

Geleneksel ışık kaynaklarından farklı olarak, lazerin, spektrumun görünür kısmında meyve sularını sterilize edebildiğine dikkat edilmelidir, bu da lazerleri kullanarak doğrudan şişenin camından sterilizasyon olasılığını açar.

Lazer sterilizasyonun ilginç bir özelliği not edilmiştir. Düşük bir güç seviyesinde, lazer ışınlaması ve geleneksel bir ışık kaynağıyla ışınlama için mikrobiyal hücrelerin hayatta kalma eğrileri pratik olarak çakışırsa, o zaman lazer ışınlamasının özgül gücü yaklaşık 100 kW / cm2 olduğunda, lazer ışınımının etkinliğinde keskin bir artış olur. lazer radyasyonunun sterilize edici etkisi, yani hücre ölümüyle aynı etkiyi elde etmek, düşük güç kaynağı kullanmaktan çok daha az enerji gerektirir.

Tutarsız bir ışık kaynağı ile ışınlandığında bu etki gözlenmez. Örneğin, hücreler güçlü bir darbe ile aydınlatıldığında, yakut lazerin hücrelerin% 50'sine kadar vurması için bir flaş yeterlidir, aynı enerji uzun süre emilir, sadece hasara neden olmaz , aynı zamanda mikroorganizmalarda fotosentez işlemlerinin yoğunlaşmasına da yol açar.

Tanımlanan etki, normal koşullar altında, bir fotokimyasal reaksiyona giren moleküllerin, reaktivitelerini artıran bir kuantum ışık (bir foton absorpsiyonu) absorbe etmesi gerçeğiyle açıklanabilir. Bir molekülün aynı anda iki fotonu soğurduğu foton emilimi artar. Bu durumda, kimyasal dönüşümlerin etkinliği keskin bir şekilde artar ve moleküllerin yapısı daha büyük bir verimlilikle zarar görür.

Güçlü lazer radyasyonuna maruz kaldığında, geleneksel ışık kaynakları kullanıldığında gözlemlenmeyen diğer doğrusal olmayan etkiler meydana gelir. Bu etkilerden biri, f frekansındaki radyasyon gücünün bir kısmının 2f, 3f, vb. frekanslardaki radyasyona dönüştürülmesidir. (optik harmonik üretimi). Bu etki, yüksek ışınlama seviyelerinde ışınlanmış ortamın doğrusal olmayan özelliklerinden kaynaklanmaktadır.

Biyolojik nesnelerin UV radyasyonunun etkisine en duyarlı olduğu bilindiğinden, harmoniklerin sterilize edici etkisi en etkili olacaktır. Aynı zamanda, bir nesne doğrudan bir UV radyasyon kaynağı ile ışınlanırsa, yayıcının gelen gücünün çoğu yüzey katmanlarında emilecektir. Açıklanan durumda, UV radyasyonu nesnenin içinde üretilir ve bu da sterilizasyon etkisinin hacimsel doğasına yol açar. Açıktır ki, bu durumda, sterilizasyon işleminin daha verimli olması beklenebilir.

Lazer radyasyonunun yüksek derecede monokromatikliği, bir bakteri türünü sterilize etmeyi mümkün kılarken, ikili bakteri sistemlerinde başka bir türdeki mikroorganizmaların büyümesini uyarır, yani hedeflenen "seçici" sterilizasyon sağlar.

Bu uygulama alanlarına ek olarak, lazerler ayrıca çeşitli nicelikleri ölçmek için kullanılır - spektroskopi, nesnelerin yer değiştirmeleri (girişim yöntemi), titreşimler, akış hızları (lazer anemometreler), optik olarak şeffaf ortamdaki homojensizlikler. Lazerlerin yardımıyla yüzey kalitesini izlemek, belirli bir maddenin optik özelliklerinin dış etkenlere bağımlılığını incelemek, ortamın mikroorganizmalarla kirlenmesini ölçmek vb.