Anwendung von Laserstrahlung

Laser – ein Quantengenerator (Verstärker) kohärenter Strahlung im optischen Bereich. Der Begriff „Laser“ setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnung „Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“ zusammen. Je nach Art des Aktivmaterials unterscheidet man Festkörperlaser, Gas- und Flüssigkeitslaser.

Von den Lasern des ersten Typs ist Rubin der am besten untersuchte. Eines der frühesten Modelle eines solchen Lasers nutzt Energieübergänge des dreiwertigen Chromions Cr3+ in einem monolithischen Rubinkristall (Cr2O3, A12O3). Unter der Einwirkung von Pumpstrahlung (mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 5600 A) gelangt das Cr3+-Ion von der Stufe 1 zur Stufe 3, von wo aus Abwärtsübergänge zu den Stufen 2 und 1 möglich sind. Wenn Übergänge zur metastabilen Stufe 2 vorherrschen und wenn Durch das Pumpen wird die Bevölkerung auf den Ebenen 1 und 2 umgedreht, sodass die Bevölkerung auf Ebene 2 die Bevölkerung auf Ebene 1 übersteigt.

Bei einem spontanen Übergang eines der Cr-Ionen3+ wird ein Photon mit der Frequenz von Level 2 auf Level 1 e12 emittiert, das sich auf dem Rubinkristall auszubreiten beginnt.Beim Auftreffen auf d-rot angeregte Cr3+-Ionen verursacht dieses Photon bereits induzierte Strahlung, die mit dem Primärphoton kohärent ist.

Durch zahlreiche Reflexionen an den polierten und versilberten Kanten des Rubin-Einkristalls wird die Strahlungsintensität im Kristall kontinuierlich erhöht. Dies geschieht nur bei solchen Photonen, deren Ausbreitungsrichtung komotorisch ist und einen kleinen Winkel mit der Achse des Kristalls bildet. Die Stahlstrahlung verlässt den Kristall durch die Seitenfläche und ist nicht an der Bildung des Strahlungsbündels beteiligt. Der Strahlungsstrahl tritt durch eines der Enden aus, bei dem es sich um einen durchscheinenden Spiegel handelt.

Ein großer Fortschritt bei der Verbesserung der Technologie in verschiedenen Branchen ist mit der Verwendung optischer Quantengeneratoren (Laser) verbunden. Wie Sie wissen, unterscheidet sich Laserstrahlung erheblich von der Strahlung anderer Nicht-Laser-Lichtquellen (Thermo-, Gasentladungs- usw.). Diese Unterschiede haben zu einem weit verbreiteten Einsatz von Lasern in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie geführt.

Betrachten Sie den grundlegenden Aufbau von Lasern.

Im Allgemeinen ist das Blockdiagramm eines optischen Quantengenerators (OQC) in Abb. dargestellt. 1 (in einigen Fällen fehlen möglicherweise die Laufwerke 4-7).

Im Wirkstoff 1 wird unter der Pumpwirkung die durch ihn hindurchtretende Strahlung durch die induzierte (durch ein äußeres elektromagnetisches Feld verursachte) Strahlung von Elektronen verstärkt, die von den oberen zu den niedrigeren Energieniveaus gelangen. In diesem Fall bestimmen die Eigenschaften des Wirkstoffs die Laseremissionsfrequenz.

Als Wirkstoff können kristalline oder amorphe Medien verwendet werden, in die geringe Mengen an Verunreinigungen aktiver Elemente eingebracht sind (bei Festkörperlasern); Gase oder Dämpfe von Metallen (in Gaslasern); flüssige Lösungen organischer Farbstoffe (in Flüssigkeitslasern).

Reis. 1. Blockschaltbild eines optischen Quantengenerators

Mit Hilfe des Laserpumpsystems 3 werden im Wirkstoff Bedingungen geschaffen, die eine Verstärkung der Strahlung ermöglichen. Dazu ist es notwendig, eine Umkehrung (Umverteilung) der Besetzungen der Energieniveaus der Elektronenatome zu erzeugen, bei der die Besetzung der oberen Niveaus größer ist als die der unteren. Als Pumpsysteme werden sie in Festkörperlasern – Gasentladungslampen, in Gaslasern – Gleichstromquellen, Puls-, HF- und Mikrowellengeneratoren und in Flüssigkeitslasern – LAGs – eingesetzt.

Die aktive Substanz des Lasers befindet sich in einem optischen Resonator 2, einem System aus Spiegeln, von denen einer lichtdurchlässig ist und dazu dient, Laserstrahlung aus dem Resonator zu entfernen.

Die Funktionen des optischen Resonators sind sehr vielfältig: Erzeugen einer positiven Rückkopplung im Generator, Formen des Spektrums der Laserstrahlung usw.

Die Vorrichtung 5 zur Modenauswahl und Frequenzstabilisierung soll die Qualität des Spektrums der Ausgangsstrahlung des Lasers verbessern, d. h. sie dem Spektrum monochromatischer Schwingungen näher bringen.

Bei Flüssigkeitslasern erreicht System 6 einen weiten Bereich der Schwingungsfrequenzabstimmung. Bei Bedarf kann im Laser eine Amplituden- oder Phasenmodulation der Strahlung erreicht werden. Die externe Modulation wird üblicherweise mit Gerät 7 verwendet.

Lasertypen

Moderne Laser können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

• nach der Art des darin verwendeten Wirkstoffs,

• nach Betriebsart (kontinuierliche oder gepulste Erzeugung, gütegeschalteter Modus),

• durch spektrale Eigenschaften der Strahlung (Multimode-, Singlemode-, Single-Frequency-Laser) usw.

Am gebräuchlichsten ist die erste der genannten Klassifikationen.

Festkörperlaser

Als Wirkstoff nutzen diese Laser kristalline und amorphe Medien. Festkörperlaser haben eine Reihe von Vorteilen:

• hohe Werte der linearen Verstärkung des Mediums, die es ermöglichen, einen Laser mit kleinen axialen Abmessungen des Lasers zu erhalten;

• Möglichkeit, im Pulsmodus extrem hohe Ausgangsleistungswerte zu erzielen.

Die wichtigsten Arten von Festkörperlasern sind:

1. Rubinlaser, bei denen Chromionen das aktive Zentrum sind. Die erzeugenden Linien liegen im roten Bereich des Spektrums (λ = 0,69 μm). Die Ausgangsleistung der Strahlung im kontinuierlichen Modus beträgt mehrere Watt, die Energie im gepulsten Modus beträgt mehrere hundert Joule bei einer Pulsdauer in der Größenordnung von 1 ms;

2. Laser auf Basis von Seltenerdmetallionen (hauptsächlich Neodymionen). Ein wichtiger Vorteil dieser Laser ist die Möglichkeit, im Dauerbetrieb bei Raumtemperatur eingesetzt zu werden. Die Haupterzeugungslinie dieser Laser liegt im Infrarotbereich (λ = 1,06 μm). Die Ausgangsleistung im Dauerbetrieb erreicht 100–200 W bei einem Wirkungsgrad von 1–2 %.

Gaslaser

Die Besetzungsinversion in Gaslasern wird sowohl mit Hilfe von Entladungen als auch mit Hilfe anderer Pumparten erreicht: chemisch, thermisch usw.

Im Vergleich zu Festkörper-Gaslasern haben sie eine Reihe von Vorteilen:

• deckt einen extrem breiten Wellenlängenbereich von 0,2 bis 400 Mikrometer ab;

• die Emission von Gaslasern ist stark monochromatisch und gerichtet;

• ermöglichen die Erzielung sehr hoher Ausgangsleistungen im Dauerbetrieb.

Die wichtigsten Arten von Gaslasern:

1.Helium-Neon-Laser… Die Hauptwellenlänge liegt im sichtbaren Teil des Spektrums (λ = 0,63 μm). Die Ausgangsleistung beträgt üblicherweise weniger als 100 mW. Im Vergleich zu allen anderen Lasertypen bieten Helium-Neon-Laser den höchsten Grad an Ausgangskohärenz.

2. Kupferdampflaser… Die Hauptstrahlungserzeugung erfolgt auf zwei Linien, von denen eine im grünen Teil des Spektrums (λ = 0,51 μm) und die andere im gelben Teil (λ = 0,58 μm) liegt. Die Pulsleistung in solchen Lasern erreicht 200 kW bei einer durchschnittlichen Leistung von etwa 40 W.

3. Ionengaslaser... Die gebräuchlichsten Laser dieser Art sind Argonlaser (λ = 0,49 – 0,51 µm) und Helium-Cadmium-Laser (λ = 0,44 µm).

4. Molekulare CO2-Laser... Die stärkste Generation wird bei λ = 10,6 μm erreicht. Die Ausgangsleistung im CW-Modus von CO2-Lasern ist extrem hoch und erreicht 10 kW oder mehr bei einem ausreichend hohen Wirkungsgrad von 15-30 % im Vergleich zu allen anderen Lasertypen. Pulsleistungen = 10 MW werden bei einer Dauer der erzeugten Pulse in der Größenordnung von 10-100 ms erreicht.

Flüssigkeitslaser

Flüssigkeitslaser ermöglichen die Abstimmung über einen weiten Bereich der erzeugten Schwingungsfrequenz (von λ = 0,3 µm bis λ = 1,3 µm). In solchen Lasern handelt es sich in der Regel um flüssige Lösungen organischer Farbstoffe (z. B. Rhodaminlösung) als Wirkstoff.

Laserparameter

Kohärenz

Eine Besonderheit der Laserstrahlung ist ihre Kohärenz.

Unter Kohärenz versteht man einen koordinierten Verlauf von Wellenprozessen in Zeit und Raum. Räumliche Kohärenz – die Kohärenz zwischen den Phasen der gleichzeitig von verschiedenen Punkten im Raum ausgesendeten Wellen, und zeitliche Kohärenz – die Kohärenz zwischen den Phasen der von einem Punkt ausgesendeten Wellen in den Momenten eines Zeitbruchs.

Kohärente elektromagnetische Schwingungen – Schwingungen zweier oder mehrerer Quellen mit gleichen Frequenzen und konstanter Phasendifferenz. In der Funktechnik erstreckt sich der Begriff der Kohärenz auch auf Schwingungsquellen, deren Frequenzen nicht gleich sind. Beispielsweise gelten die Schwingungen zweier Quellen als kohärent, wenn ihre Frequenzen f1 und e2 in einem rationalen Verhältnis stehen, d. h. f1 / f2 = n / m, wobei n und m ganze Zahlen sind.

Schwingungsquellen, die im Beobachtungsintervall nahezu gleiche Frequenzen und nahezu gleiche Phasendifferenz aufweisen, oder Schwingungsquellen, deren Frequenzverhältnis sich kaum vom rationalen unterscheidet, werden als Quellen nahezu kohärenter Schwingungen bezeichnet.

Die Fähigkeit zur Interferenz ist eines der Hauptmerkmale der kohärenten Schwingung. Es ist zu beachten, dass nur kohärente Wellen interferieren können. Im Folgenden soll gezeigt werden, dass eine Reihe von Einsatzgebieten optischer Strahlungsquellen gerade auf dem Phänomen der Interferenz beruhen.

Abweichungen

Die hohe räumliche Kohärenz der Laserstrahlung führt zu einer geringen Divergenz dieser Strahlung, die von der Wellenlänge λ und den Parametern des im Laser verwendeten optischen Hohlraums abhängt.

Bei gewöhnlichen Lichtquellen ist der Divergenzwinkel selbst bei Verwendung spezieller Spiegel etwa ein bis zwei Größenordnungen größer als bei Lasern.

Die geringe Divergenz der Laserstrahlung eröffnet die Möglichkeit, mit herkömmlichen Fokussierlinsen eine hohe Flussdichte der Lichtenergie zu erzielen.

Die hohe Richtwirkung der Laserstrahlung ermöglicht die Durchführung lokaler (praktisch zu einem bestimmten Zeitpunkt) Analysen, Messungen und Auswirkungen auf einen bestimmten Stoff.

Darüber hinaus führt die hohe räumliche Konzentration der Laserstrahlung zu ausgeprägten nichtlinearen Phänomenen, bei denen die Art der ablaufenden Prozesse von der Intensität der Strahlung abhängt. Als Beispiel können wir die Multiphotonenabsorption nennen, die nur bei der Verwendung von Laserquellen beobachtet wird und bei hohen Emitterleistungen zu einer Erhöhung der Energieabsorption durch Materie führt.

Einfarbig

Der Grad der Monochromatizität der Strahlung bestimmt den Frequenzbereich, in dem der Hauptteil der Leistung des Emitters enthalten ist. Dieser Parameter ist bei der Verwendung optischer Strahlungsquellen von großer Bedeutung und wird ausschließlich vom Grad der zeitlichen Kohärenz der Strahlung bestimmt.

Bei Lasern ist die gesamte Strahlungsleistung in extrem schmalen Spektrallinien konzentriert. Die geringe Breite der Emissionslinie wird durch die Verwendung eines optischen Resonators im Laser erreicht und wird hauptsächlich durch die Stabilität der Resonanzfrequenz des Lasers bestimmt.

Polarisation

Bei einer Reihe von Geräten spielt die Polarisation der Strahlung eine gewisse Rolle, die die vorherrschende Ausrichtung des Vektors des elektrischen Feldes der Welle charakterisiert.

Gewöhnliche Nicht-Laserquellen zeichnen sich durch chaotische Polarisation aus. Laserstrahlung ist zirkular oder linear polarisiert. Insbesondere bei linearer Polarisation können spezielle Vorrichtungen verwendet werden, um die Polarisationsebene zu drehen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass bei einer Reihe von Lebensmitteln der Reflexionskoeffizient innerhalb der Absorptionsbande maßgeblich von der Richtung der Polarisationsebene der Strahlung abhängt.

Pulsdauer. Durch den Einsatz von Lasern ist es auch möglich, Strahlung in Form von Impulsen sehr kurzer Dauer (tp = 10-8-10-9 s) zu erhalten. Dies wird normalerweise durch Modulation des Q-Faktors des Resonators, Modenkopplung usw. erreicht.

Bei anderen Arten von Strahlungsquellen liegt die minimale Pulsdauer um mehrere Größenordnungen höher, was insbesondere der Breite der Spektrallinie entspricht.

Auswirkungen von Laserstrahlung auf biologische Objekte

Laserstrahlung mit hoher Energiedichte in Kombination mit Monochromatizität und Kohärenz ist ein einzigartiger Einflussfaktor auf biologische Objekte. Monochromatizität ermöglicht die selektive Beeinflussung bestimmter molekularer Strukturen von Objekten, und Kohärenz und Polarisation, gepaart mit einem hohen Organisationsgrad der bestrahlten Systeme, bewirken einen spezifischen kumulativen (Resonanz-)Effekt, der bereits bei relativ geringen Strahlungsniveaus zu einer starken Photostimulation führt von Prozessen in Zellen bis hin zur Photomutagenese.

Wenn biologische Objekte Laserstrahlung ausgesetzt werden, werden einige molekulare Bindungen zerstört oder es kommt zu einer Strukturumwandlung von Molekülen, und diese Prozesse sind selektiv, das heißt, einige Bindungen werden durch die Bestrahlung vollständig zerstört, während andere sich praktisch nicht verändern. Ein solch ausgeprägter Resonanzcharakter der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Molekülen eröffnet die Möglichkeit der selektiven Katalyse bestimmter Stoffwechselreaktionen, also Stoffwechselreaktionen, Lichtsteuerung dieser Reaktionen. In diesem Fall übernimmt Laserstrahlung die Rolle eines Enzyms.

Die Nutzung dieser Eigenschaften von Laserlichtquellen eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Verbesserung der industriellen Biosynthese.

Die Laserbestrahlung von Hefe kann zur gezielten Biosynthese von beispielsweise Carotinoiden und Lipiden und allgemeiner zur Gewinnung neuer mutierter Hefestämme mit veränderter Biosyntheseorientierung eingesetzt werden.

In einer Reihe von Lebensmittelindustrien kann die Fähigkeit genutzt werden, mithilfe von Laserbestrahlung das Aktivitätsverhältnis von Enzymen zu steuern, die Proteinmoleküle in Polypeptidfragmente abbauen und diese Fragmente in Aminosäuren hydrolysieren.

Bei der industriellen Herstellung von Zitronensäure wird durch Laserstimulation eine Steigerung der Produktausbeute um 60 % erreicht und gleichzeitig der Gehalt an Nebenprodukten reduziert. Die Laserphotostimulation der Lipogenese in Pilzen ermöglicht die Produktion von essbaren und technischen Fetten bei der Verarbeitung ungenießbarer Pilzrohstoffe. Es wurden auch Daten zur Laserstimulation der Bildung von Fortpflanzungsorganen bei Pilzen erhoben, die in der mikrobiologischen Industrie eingesetzt werden.

Es ist zu beachten, dass der Laser im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen Säfte im sichtbaren Teil des Spektrums sterilisieren kann, was die Möglichkeit einer Sterilisation mit Lasern direkt durch das Glas der Flasche eröffnet.

Es wurde ein interessantes Merkmal der Lasersterilisation festgestellt. Wenn bei einem niedrigen Leistungsniveau die Überlebenskurven mikrobieller Zellen bei Laserbestrahlung und Bestrahlung mit einer herkömmlichen Lichtquelle praktisch übereinstimmen, steigt die Wirksamkeit der Laserbestrahlung stark an, wenn die spezifische Leistung der Laserbestrahlung etwa 100 kW / cm2 beträgt sterilisierende Wirkung der Laserstrahlung, d.h. Um den gleichen Effekt des Zelltods zu erzielen, ist viel weniger Energie erforderlich als bei der Verwendung einer Quelle mit geringer Leistung.

Bei Bestrahlung mit einer inkohärenten Lichtquelle wird dieser Effekt nicht beobachtet. Wenn beispielsweise die Zellen mit einem starken Impuls beleuchtet werden, reicht ein Blitz aus, damit der Rubinlaser bis zu 50 % der Zellen trifft, während die gleiche Energie, über einen langen Zeitraum absorbiert, nicht nur keinen Schaden anrichtet , sondern führt auch zur Intensivierung der Photosyntheseprozesse in Mikroorganismen.

Der beschriebene Effekt lässt sich dadurch erklären, dass Moleküle, die eine photochemische Reaktion eingehen, unter normalen Bedingungen ein Lichtquant absorbieren (Einphotonenabsorption), was ihre Reaktivität erhöht. Bei hoher einfallender Strahlung ist die Wahrscheinlichkeit zweier Die Photonenabsorption nimmt zu, wobei ein Molekül zwei Photonen gleichzeitig absorbiert. In diesem Fall steigt die Effizienz chemischer Umwandlungen stark an und die Struktur von Molekülen wird effizienter geschädigt.

Bei starker Laserstrahlung treten weitere nichtlineare Effekte auf, die bei Verwendung herkömmlicher Lichtquellen nicht beobachtet werden. Einer dieser Effekte ist die Umwandlung eines Teils der Strahlungsleistung der Frequenz f in Strahlung der Frequenzen 2f, 3f usw. (Erzeugung optischer Harmonischer). Dieser Effekt ist auf die nichtlinearen Eigenschaften des bestrahlten Mediums bei hohen Bestrahlungsstärken zurückzuführen.

Da bekannt ist, dass biologische Objekte am empfindlichsten auf die Einwirkung von UV-Strahlung reagieren, ist die sterilisierende Wirkung von Harmonischen am wirksamsten. Wenn gleichzeitig ein Objekt direkt mit einer UV-Strahlungsquelle bestrahlt wird, wird der größte Teil der einfallenden Leistung des Emitters in den Oberflächenschichten absorbiert. Im beschriebenen Fall wird die UV-Strahlung im Inneren des Objekts selbst erzeugt, was zum volumetrischen Charakter der sterilisierenden Wirkung führt. Offensichtlich ist in diesem Fall eine höhere Effizienz des Sterilisationsprozesses zu erwarten.

Der hohe Grad an Monochromatizität der Laserstrahlung kann es ermöglichen, eine Art von Bakterien zu sterilisieren und gleichzeitig das Wachstum von Mikroorganismen einer anderen Art in binären Bakteriensystemen zu stimulieren, also eine gezielte „selektive“ Sterilisation zu bewirken.

Neben diesen Einsatzgebieten werden Laser auch zur Messung verschiedener Größen eingesetzt – Spektroskopie, Verschiebungen von Objekten (Interferenzverfahren), Vibrationen, Strömungsgeschwindigkeiten (Laseranemometer), Inhomogenitäten in optisch transparenten Medien. Mit Hilfe von Lasern ist es möglich, die Qualität der Oberfläche zu überwachen, die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften eines bestimmten Stoffes von äußeren Faktoren zu untersuchen, die Kontamination der Umgebung mit Mikroorganismen zu messen usw.