Aplicación de radiación láser.

Láser: un generador cuántico (amplificador) de radiación coherente en el rango óptico. El término «láser» se forma a partir de las primeras letras del nombre inglés amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Según el tipo de material activo, se distingue entre láseres de estado sólido, láseres de gas y láseres líquidos.

De los láseres del primer tipo, el rubí es el más estudiado. Uno de los primeros modelos de un láser de este tipo utiliza transiciones de energía del ion de cromo trivalente Cr3+ en un cristal de rubí monolítico (Cr2O3, A12O3). Bajo la acción de la radiación de bombeo (con una longitud de onda del orden de 5600 A), el ion Cr3+ pasa del nivel 1 al nivel 3, a partir del cual son posibles las transiciones descendentes a los niveles 2 y 1. Si predominan las transiciones al nivel metaestable 2 y si bombeo proporciona post, la inversión de la población en los niveles 1 y 2, entonces la población en el nivel 2 superará a la población en el nivel 1.

En el caso de una transición espontánea de uno de los Cr-ion3+, se emite un fotón con frecuencia del nivel 2 al nivel 1 e12, que comienza a propagarse sobre el cristal de rubí.Al encontrarse con iones Cr3+ excitados por d -red, este fotón provoca una radiación ya inducida coherente con el fotón primario.

Debido a los numerosos reflejos de los bordes pulidos y plateados del monocristal de rubí, la intensidad de la radiación en el cristal aumenta continuamente. Esto sucede solo con esos fotones, la dirección de propagación es komotorykh forma un pequeño ángulo con el eje del cristal. La radiación de acero sale del cristal a través de la superficie lateral y no participa en la formación del haz de radiación. El haz de radiación sale por uno de los extremos, que es un espejo translúcido.

Un gran avance en la mejora de la tecnología en varias industrias está relacionado con el uso de generadores cuánticos ópticos (láseres). Como sabe, la radiación láser difiere significativamente de la radiación de otras fuentes de luz no láser (térmica, descarga de gas, etc.). Estas diferencias han llevado al uso generalizado de los láseres en varios campos de la ciencia y la tecnología.

Considere el diseño básico de los láseres.

En general, el diagrama de bloques de un generador cuántico óptico (OQC) se muestra en la Fig. 1 (en algunos casos pueden faltar las unidades 4-7).

En la sustancia activa 1, bajo la acción de bombeo, la radiación que la atraviesa se potencia debido a la radiación inducida (causada por un campo electromagnético externo) de electrones que pasan de los niveles de energía superiores a los inferiores. En este caso, las propiedades de la sustancia activa determinan la frecuencia de emisión del láser.

Como sustancia activa se pueden utilizar medios cristalinos o amorfos, en los que se introducen pequeñas cantidades de impurezas de elementos activos (en láseres de estado sólido); gases o vapores de metales (en láseres de gas); soluciones líquidas de colorantes orgánicos (en láseres líquidos).

Arroz. 1. Diagrama de bloques de un generador cuántico óptico

Con la ayuda del sistema de bomba láser 3, se crean condiciones en la sustancia activa que permiten amplificar la radiación. Para ello es necesario crear una inversión (redistribución) de las poblaciones de los niveles energéticos de los átomos de electrones, en la que la población de los niveles superiores es mayor que la de los inferiores. Como sistemas de bombeo, se utilizan en láseres de estado sólido (lámparas de descarga de gas), en láseres de gas (fuentes de corriente continua, generadores de pulsos, HF y microondas) y en láseres líquidos (LAG).

La sustancia activa del láser se coloca en un resonador óptico 2, que es un sistema de espejos, uno de los cuales es translúcido y sirve para eliminar la radiación láser del resonador.

Las funciones del resonador óptico son bastante diversas: crear retroalimentación positiva en el generador, formar el espectro de radiación láser, etc.

El dispositivo 5 de selección de modo y estabilización de frecuencia está diseñado para mejorar la calidad del espectro de la radiación de salida del láser, es decir, acercarlo al espectro de oscilaciones monocromáticas.

En los láseres líquidos, el Sistema 6 logra una amplia gama de sintonización de frecuencia de oscilación. Si es necesario, se puede lograr la modulación de amplitud o fase de la radiación en el láser. La modulación externa generalmente se usa con el dispositivo 7.

Tipos de láser

Los láseres modernos se pueden clasificar según diferentes criterios:

• por el tipo de principio activo utilizado en ellos,

• por modo de funcionamiento (generación continua o pulsada, modo Q-switched),

• por las propiedades espectrales de la radiación (láseres multimodo, monomodo, monofrecuencia), etc.

La más común es la primera de las clasificaciones mencionadas.

Láseres de estado sólido

Estos láseres utilizan medios cristalinos y amorfos como sustancia activa. Los láseres de estado sólido tienen una serie de ventajas:

• altos valores de la ganancia lineal del medio, que permiten obtener un láser con pequeñas dimensiones axiales del láser;

• posibilidad de obtener valores de potencia de salida extremadamente altos en modo pulso.

Los principales tipos de láseres de estado sólido son:

1. láseres de rubí en los que los iones de cromo son el centro activo. Las líneas generadoras se encuentran en la región roja del espectro (λ = 0,69 μm). La potencia de salida de la radiación en modo continuo es de varios vatios, la energía en modo pulsado es de varios cientos de julios con una duración de pulso del orden de 1 ms;

2. láseres basados ​​en iones de metales de tierras raras (principalmente iones de neodimio). Una ventaja importante de estos láseres es la capacidad de ser utilizados en modo continuo a temperatura ambiente. La principal línea de generación de estos láseres se encuentra en la región infrarroja (λ = 1,06 μm). El nivel de potencia de salida en modo continuo alcanza los 100-200 W con una eficiencia del 1-2%.

láseres de gas

La inversión de población en los láseres de gas se consigue tanto con la ayuda de descargas como con la ayuda de otros tipos de bombeo: químico, térmico, etc.

En comparación con los láseres de gas de estado sólido, tienen una serie de ventajas:

• cubre una gama extremadamente amplia de longitudes de onda de 0,2 a 400 micrones;

• la emisión de láseres de gas es altamente monocromática y direccional;

• permiten alcanzar niveles de potencia de salida muy altos en funcionamiento continuo.

Los principales tipos de láseres de gas:

1.Láseres de neón de helio… La longitud de onda principal está en la parte visible del espectro (λ = 0,63 μm). La potencia de salida suele ser inferior a 100 mW. En comparación con todos los demás tipos de láseres, los láseres de helio-neón proporcionan el mayor grado de coherencia de salida.

2. Láseres de vapor de cobre… La principal generación de radiación se crea en dos líneas, una de las cuales está en la parte verde del espectro (λ = 0,51 μm) y la otra en la amarilla (λ = 0,58 μm). La potencia de pulso en tales láseres alcanza los 200 kW con una potencia promedio de alrededor de 40 W.

3. Láseres de iones de gas... Los láseres más comunes de este tipo son los láseres de argón (λ = 0,49 — 0,51 µm) y los láseres de helio-cadmio (λ = 0,44 µm).

4. Láseres de CO2 molecular... La generación más potente se logra a λ = 10,6 μm. La potencia de salida en el modo cw de los láseres de CO2 es extremadamente alta y alcanza los 10 kW o más con una eficiencia suficientemente alta del 15-30 % en comparación con todos los demás tipos de láseres. Se consiguen potencias de pulso = 10 MW con una duración de los pulsos generados del orden de 10-100 ms.

Láseres líquidos

Los láseres líquidos permiten la sintonización en un amplio rango de la frecuencia de oscilación generada (desde λ ​​= 0,3 µm hasta λ = 1,3 µm). Como regla general, en tales láseres, la sustancia activa son soluciones líquidas de colorantes orgánicos (por ejemplo, solución de rodamina).

Parámetros láser

Coherencia

Una característica distintiva de la radiación láser es su coherencia.

La coherencia se entiende como un curso coordinado de procesos ondulatorios en el tiempo y el espacio.Coherencia espacial — la coherencia entre las fases de las ondas emitidas simultáneamente desde diferentes puntos en el espacio, y coherencia temporal — la coherencia entre las fases de las ondas emitidas desde un punto en los momentos de una ruptura en el tiempo.

Oscilaciones electromagnéticas coherentes: oscilaciones de dos o más fuentes con las mismas frecuencias y una diferencia de fase constante. En ingeniería de radio, el concepto de coherencia también se extiende a fuentes de oscilaciones cuyas frecuencias no son iguales. Por ejemplo, las oscilaciones de 2 fuentes se consideran coherentes si sus frecuencias f1 y e2 están en una relación racional, es decir f1 / f2 = n / m, donde n y m son números enteros.

Las fuentes de oscilaciones que en el intervalo de observación tienen frecuencias casi iguales y casi la misma diferencia de fase, o fuentes de oscilaciones cuya relación de frecuencia difiere poco de la racional, se denominan fuentes de oscilaciones casi coherentes.

La capacidad de interferir es una de las principales características de la oscilación coherente. Cabe señalar que solo las ondas coherentes pueden interferir. A continuación, se mostrará que una serie de campos de aplicación de las fuentes de radiación óptica se basan precisamente en el fenómeno de la interferencia.

Divergencia

La alta coherencia espacial de la radiación láser conduce a una baja divergencia de esta radiación, que depende de la longitud de onda λ y de los parámetros de la cavidad óptica utilizada en el láser.

Para fuentes de luz ordinarias, incluso cuando se utilizan espejos especiales, el ángulo de divergencia es de uno a dos órdenes de magnitud mayor que el de los láseres.

La baja divergencia de la radiación láser abre la posibilidad de obtener una alta densidad de flujo de energía luminosa utilizando lentes de enfoque convencionales.

La alta directividad de la radiación láser permite realizar análisis, medidas y efectos locales (prácticamente en un momento dado) sobre una determinada sustancia.

Además, la alta concentración espacial de la radiación láser conduce a fenómenos no lineales pronunciados, en los que la naturaleza de los procesos en curso depende de la intensidad de la irradiación. Como ejemplo, podemos señalar la absorción multifotónica, que se observa solo cuando se utilizan fuentes láser y conduce a un aumento de la absorción de energía por parte de la materia a potencias de emisor altas.

Monocromo

El grado de monocromaticidad de la radiación determina el rango de frecuencias en el que está contenida la mayor parte de la potencia del emisor. Este parámetro es de gran importancia cuando se utilizan fuentes de radiación óptica y está enteramente determinado por el grado de coherencia temporal de la radiación.

En los láseres, toda la potencia de radiación se concentra en líneas espectrales extremadamente estrechas. El pequeño ancho de la línea de emisión se logra mediante el uso de un resonador óptico en el láser y está determinado principalmente por la estabilidad de la frecuencia de resonancia de este último.

Polarización

En varios dispositivos, la polarización de la radiación juega un cierto papel, que caracteriza la orientación predominante del vector del campo eléctrico de la onda.

Las fuentes no láser comunes se caracterizan por una polarización caótica. La radiación láser se polariza circular o linealmente. En particular, con polarización lineal se pueden usar dispositivos especiales para rotar el plano de polarización. A este respecto, cabe señalar que para una serie de productos alimenticios el coeficiente de reflexión dentro de la banda de absorción depende significativamente de la dirección del plano de polarización de la radiación.

Duración del pulso. El uso de láseres también permite obtener radiación en forma de pulsos de muy corta duración (tp = 10-8-10-9 s). Esto generalmente se logra mediante la modulación del factor Q del resonador, bloqueo de modo, etc.

En otros tipos de fuentes de radiación, la duración mínima del pulso es varios órdenes de magnitud superior, que, en particular, es así el ancho de la línea espectral.

Efectos de la radiación láser en objetos biológicos

La radiación láser con alta densidad de energía en combinación con la monocromaticidad y la coherencia es un factor único que afecta a los objetos biológicos. La monocromaticidad permite afectar selectivamente ciertas estructuras moleculares de los objetos, y la coherencia y la polarización, combinadas con un alto grado de organización de los sistemas irradiados, determinan un efecto acumulativo específico (resonancia), que incluso a niveles relativamente bajos de radiación conduce a una fuerte fotoestimulación. de procesos en las células, a la fotomutagénesis.

Cuando los objetos biológicos se exponen a la radiación láser, se destruyen algunos enlaces moleculares o se produce la transformación estructural de las moléculas, y estos procesos son selectivos, es decir, algunos enlaces se destruyen completamente por la irradiación, mientras que otros prácticamente no cambian. Un carácter de resonancia tan pronunciado de la interacción de la radiación láser con las moléculas abre la posibilidad de catálisis selectiva de ciertas reacciones metabólicas, es decir, reacciones metabólicas, control de la luz de estas reacciones. En este caso, la radiación láser desempeña el papel de una enzima.

El uso de tales propiedades de las fuentes de luz láser abre amplias posibilidades para mejorar la biosíntesis industrial.

La irradiación con láser de la levadura se puede utilizar para la biosíntesis dirigida de, por ejemplo, carotenoides y lípidos y, más ampliamente, para obtener nuevas cepas de levadura mutantes con una orientación biosintética alterada.

En una serie de industrias alimentarias, se puede utilizar la capacidad de controlar, utilizando irradiación láser, la relación de actividad de las enzimas que descomponen las moléculas de proteína en fragmentos de polipéptidos e hidrolizan estos fragmentos en aminoácidos.

En la producción industrial de ácido cítrico, la estimulación láser consigue un aumento del rendimiento del producto en un 60% y al mismo tiempo reduce el contenido de subproductos. La fotoestimulación con láser de la lipogénesis en hongos permite la producción de grasas comestibles y técnicas durante el procesamiento de materias primas de hongos no comestibles. También se obtuvieron datos sobre la estimulación con láser de la formación de órganos reproductivos en hongos utilizados en la industria microbiológica.

Cabe señalar que, a diferencia de las fuentes de luz convencionales, el láser es capaz de esterilizar jugos en la parte visible del espectro, lo que abre la posibilidad de esterilización mediante láseres directamente a través del vaso de la botella.

Se ha observado una característica interesante de la esterilización por láser. Si a un nivel de potencia bajo las curvas de supervivencia de las células microbianas para la irradiación con láser y la irradiación con una fuente de luz convencional prácticamente coinciden, entonces cuando la potencia específica de la irradiación con láser es de aproximadamente 100 kW / cm2, hay un fuerte aumento en la efectividad de la acción esterilizante de la radiación láser, es decir, para lograr el mismo efecto de muerte celular se requiere mucha menos energía que usando una fuente de baja potencia.

Cuando se irradia con una fuente de luz incoherente, no se observa este efecto. Por ejemplo, cuando las celdas se iluminan con un pulso potente, un destello es suficiente para que el láser de rubí golpee hasta el 50% de las celdas, mientras que la misma energía, absorbida durante mucho tiempo, no solo no causa daño. , sino que también conduce a la intensificación de los procesos de fotosíntesis en los microorganismos.

El efecto descrito puede explicarse por el hecho de que, en condiciones normales, las moléculas que entran en una reacción fotoquímica absorben un cuanto de luz (absorción de un fotón), lo que aumenta su reactividad. aumenta la absorción de fotones, en el que una molécula absorbe dos fotones simultáneamente. En este caso, la eficiencia de las transformaciones químicas aumenta considerablemente y la estructura de las moléculas se daña con mayor eficiencia.

Cuando se expone a una potente radiación láser, se producen otros efectos no lineales que no se observan cuando se utilizan fuentes de luz convencionales. Uno de estos efectos es la conversión de parte de la potencia de radiación de frecuencia f en radiación de frecuencias 2f, 3f, etc. (generación de armónicos ópticos). Este efecto se debe a las propiedades no lineales del medio irradiado a altos niveles de irradiación.

Dado que se sabe que los objetos biológicos son más sensibles a la acción de la radiación UV, el efecto esterilizante de los armónicos será más eficaz. Al mismo tiempo, si un objeto se irradia directamente con una fuente de radiación UV, la mayor parte de la potencia incidente del emisor se absorberá en las capas superficiales. En el caso descrito, la radiación UV se genera dentro del propio objeto, lo que conduce a la naturaleza volumétrica del efecto esterilizante. Obviamente, en este caso, se puede esperar una mayor eficiencia del proceso de esterilización.

El alto grado de monocromaticidad de la radiación láser puede permitir esterilizar un tipo de bacteria, mientras estimula el crecimiento de microorganismos de otro tipo en sistemas bacterianos binarios, es decir, producir una esterilización "selectiva" dirigida.

Además de estas áreas de aplicación, los láseres también se utilizan para medir diversas cantidades: espectroscopia, desplazamientos de objetos (método de interferencia), vibraciones, velocidades de flujo (anemómetros láser), falta de homogeneidad en medios ópticamente transparentes. Con la ayuda de los láseres, es posible monitorear la calidad de la superficie, estudiar la dependencia de las propiedades ópticas de una sustancia determinada de factores externos, medir la contaminación del medio ambiente con microorganismos, etc.