Лазер - квантовий генератор (підсилювач) когерентного випромінювання оптичного діапазону. Термін «laser» утворений першими буквами англійської назви light amplification by stimulated emission of radiation - «посилення світла за допомогою індукованого випромінювання». Залежно від роду активного матеріалу розрізняють лазери на основі твердого тіла, газові та рідинні.
З лазерів першого типу найбільш вивчений рубіновий. В одній з ранніх моделей такого лазера для отримання індукованого випромінювання використовуються енергетичні переходи тривалентного іона хрому Сг3 + в монокристалі рубіна (Сг2О3, А12О3). Під дією випромінювання підкачки (з довжиною хвилі порядку 5600А) іон Сг3 + переходить з рівня 1 на рівень 3, з якого можливі переходи вниз на рівні 2 і 1. Якщо переходи на метастабільний рівень 2 переважають і якщо підкачка забезпечує пост, інверсію заселеність рівнів 1 і 2, то населеність рівня 2 побільшає населеності рівня 1.
При спонтанному переході одного з іонів Сг3 + з рівня 2 на рівень 1 випромінюється фотон частоти f 12, який починає поширюватися по кристалу рубіна. У Стреч з ін угімі збудженими іонами Сг3 +, цей фотон викликає вже вимушене випромінювання, когерентне з первинним фотоном.
За рахунок багаторазового відбиття від шліфованих і посріблених торців монокристалла рубіна інтенсивність випромінювання в кристалі безперервно збільшується. Це відбувається тільки з тими фотонами, напрям поширення до ото яких становить невеликий кут з віссю кристала. Про сталеве ж випромінювання залишає кристал через бічну поверхню і не приймає участі у формуванні пучка випромінювання. Пучок випромінювання виходить через один з торців, що є напівпрозорим дзеркалом.
Великих успіхів в удосконаленні технології різних виробництв пов'язані з використанням оптичних квантових генераторів (лазерів). Як відомо, лазерне випромінювання істотно відрізняється від випромінювання інших нелазерних джерел світла (теплових, газорозрядних і т. П.). Ці відмінності зумовили широке застосування лазерів в різних областях науки і техніки.
Розглянемо принципову будову лазерів.
У найбільш загальному вигляді блок-схема оптичного квантового генератора (ОКХ) представлена на рис. 1 (в ряді випадків пристрої 4-7 можуть бути відсутніми).
В активній речовині 1 під впливом накачування здійснюється посилення проходить через нього випромінювання за рахунок індукованого (викликаного зовнішнім електромагнітним полем) випромінювання електронів, що переходять з верхніх енергетичних рівнів на нижні. При цьому властивості активної речовини визначають частоту випромінювання ОКГ.
Як активна речовина можуть бути використані кристалічні або аморфні середовища, в які вводяться в невеликих кількостях домішки активних елементів (в твердотільних лазерах); гази або пари металів (в газових лазерах); рідкі розчини органічних барвників (в рідинних лазерах).
Рис. 1. Блок-схема оптичного квантового генератора
За допомогою системи накачування ОКГ 3 в активній речовині створюються умови, що зумовлюють можливість посилення випромінювання. Для цього необхідно створити інверсію (перерозподіл) заселеність енергетичних рівнів атомів електронами, при якій населеність верхніх рівнів більше, ніж нижніх. Як систем накачування використовуються в твердотільних лазерах - газорозрядні лампи, в газових - джерела постійного струму, імпульсні, ВЧ і СВЧ-генератори і в рідинних - ОКГ.
Активна речовина лазера поміщається в оптичний резонатор 2, який являє собою систему дзеркал, одне з яких виконується напівпрозорим і служить для виведення з резонатора випромінювання ОКГ.
Функції оптичного резонатора досить різноманітні: створення в генераторі позитивного зворотного зв'язку, формування спектра випромінювання ОКГ і т. Д.
Пристрій селекції мод і стабілізації частоти 5 призначені для поліпшення якості спектру вихідного випромінювання ОКГ, т. Е. Наближення його до спектру монохроматического коливання.
У рідинних лазерах за допомогою системи 6 досягається перебудова частоти генерації в широких межах. При необхідності в ОКГ може бути досягнута амплітудна або фазова модуляція випромінювання. Зовнішня модуляція використовується, як правило, за допомогою пристрою 7.
типи лазерів
Сучасні лазери можуть класифікуватися за різними ознаками:
• за типом використовуваного в них активної речовини,
• по режиму роботи (безперервної або імпульсної генерації, режим роботи з модульованої добротністю),
• по спектральним властивостям випромінювання (багатомодові, одномодові, одночастотні лазери) і т. Д.
Найбільш поширеною є перша з названих класифікацій.
твердотільні лазери
У цих лазерах в якості активної речовини використовуються кристалічні і аморфні середовища. Твердотільні лазери мають ряд переваг:
• високими значеннями погонного посилення середовища, що дозволяють отримувати генерацію при невеликих осьових розмірах ОКГ;
• можливістю отримувати надзвичайно високі значення вихідної потужності в імпульсному режимі.
Основні типи твердотільних лазерів:
1. рубінові лазери, в яких активним центром є іони хрому. Лінії генерації лежать в червоній області спектра (λ = 0,69 мкм). Вихідна потужність випромінювання в безперервному режимі - одиниці ватів, енергія в імпульсному режимі - не ¬ сколько сот джоулів при тривалості імпульсу порядку 1 мс;
2. лазери на іони рідкісноземельних металів (в основному на іони неодиму). Важливою перевагою цих лазерів є можливість використання їх в безперервному режимі при кімнатній температурі навколишнього середовища. Основна лінія генерації цих лазерів лежить в ІК-області (λ = 1,06 мкм). Рівень вихідної потужності в безперервному режимі досягає 100-200 Вт при ККД 1-2%.
газові лазери
Інверсія заселеність в газових лазерах досягається як за допомогою розрядів, так і за допомогою інших видів накачування: хімічної, теплової та т. Д.
У порівнянні з твердотільними газові лазери мають ряд переваг:
• перекривають надзвичайно широкий діапазон довжин хвиль 0,2-400 мкм;
• випромінювання газових лазерів має високоюмонохроматичністю і спрямованістю;
• дозволяють отримувати в безперервному режимі дуже високі рівні вихідної потужності.
Основні типи газових лазерів:
1. Гелій-неонові лазери. Основна довжина хвилі лежить у видимій частині спектру (λ = 0,63 мкм). Вихідна потужність, як правило, не перевищує 100 мВт. У порівнянні з усіма іншими типами лазерів гелій-неонові лазери забезпечують найбільш високий ступінь когерентності вихідного випромінювання.
2. Лазери на парах міді. Основна генерація випромінювання створюється на двох лініях, одна з яких лежить в зеленій частині спектра (λ = 0,51 мкм), інша - в жовтій (λ = 0,58 мкм). Імпульсна потужність в таких лазерах досягає 200 кВт при середній потужності порядку 40 Вт.
3. Іонні газові лазери. Найбільш поширеними ОКГ цього типу є аргонові лазери (λ = 0,49 - 0,51 мкм) і гелій-кадмієві лазери (λ = 0,44 мкм).
4. Молекулярні СО2-лазери. Найбільш потужна генерація досягається на λ = 10,6 мкм .. Вихідна потужність в безперервному режимі 02-лазерів надзвичайно велика і доходить до 10 кВт і більше при досить високому в порівнянні з усіма іншими типами лазерів ККД = 15-30%. Імпульсні потужності = 10 МВт досягають при тривалості генеруються імпульсів порядку 10-100 мс.
рідинні лазери
Рідинні лазери дозволяють здійснювати перебудову в широких межах частоти генерованих коливань (від λ = 0,3 мкм до λ = 1,3 мкм). Як правило, в подібних лазерах активною речовиною є рідкі розчини органічних барвників (наприклад, розчин родаміну).
Параметри лазерного випромінювання
когерентність
Відмінними властивостями лазерного випромінювання є його когерентність.
Під когерентністю розуміють узгоджене перебіг хвильових процесів в часі і в просторі. Умовно розрізняють просторову когерентність - узгодженість між фазами хвиль, що випускаються одночасно різними точками простору і тимчасову когерентність - узгодженість між фазами хвиль, що випускаються однією точкою в розриві моменти часу.
Когерентні електромагнітні коливання - коливання двох або кількох джерел, які мають рівні частоти і постійну різницю фаз. У радіотехніці поняття когерентності поширюється і на джерела коливань, частоти яких не рівні. Наприклад, коливання 2 джерел вважаються когерентними, якщо їх частоти f1 і f 2 знаходяться в раціональному відношенні, т. Е. F1 / f2 = n / m, де n і m -метою числа.
Джерела коливань, які в інтервалі спостереження мають майже рівні частоти і майже рівну різницю фаз або джерела коливань, ставлення частот яких мало відрізняється від раціонального, називаються джерелами майже когерентного коливання.
Здатність интерферировать є однією з головних особливостей когерентного коливання. Слід зазначити, що интерферировать можуть лише когерентні хвилі. Надалі буде показано, що ряд областей застосування джерел оптичного випромінювання заснований саме на явищі інтерференції.
розбіжність
Висока просторова когерентність лазерного випромінювання призводить до малої розбіжність цього випромінювання, яка залежить від довжини хвилі λ і параметрів використовуваного в лазері оптичного резонатора.
У звичайних джерел світла навіть при використанні спеціальних дзеркал кут розходження приблизно на один-два порядки вище, ніж у лазерів.
Мала розбіжність лазерного випромінювання відкриває можливість отримання великої щільності потоку світлової енергії при використанні звичайних фокусирующих лінз.
Висока спрямованість лазерного випромінювання дозволяє проводити локальні (практично в точці) аналізи, вимірювання, впливу на речовину.
Крім того, висока просторова концентрація лазерного випромінювання призводить до явно вираженим нелінійних явищ, при яких характер процесів, що протікають залежить від інтенсивності опромінення. Як приклад можна привести многофотонной поглинання, що спостерігається тільки при використанні лазерних джерел і приводить до збільшення поглинання енергії речовиною при великих потужностях випромінювача.
монохроматичність
Ступінь монохроматичности випромінювання визначає область частот, в якій міститься основна частина потужності випромінювача. Цей параметр має велике значення при використанні джерел оптичного випромінювання і повністю визначається ступенем тимчасової когерентності випромінювання.
У лазерах вся потужність випромінювання зосереджена в надзвичайно вузьких спектральних лініях. Мала ширина лінії випромінювання досягається застосуванням в лазері оптичного резонатора і визначається в основному стабільністю резонансної частоти останнього.
поляризація
У ряді пристроїв певну роль грає поляризація випромінювання, яка характеризує переважну орієнтацію вектора напруженості електричного поля хвилі.
Для звичайних нелазерних джерел характерна хаотична поляризація. Лазерне випромінювання має кругової або лінійної поляризацією. Зокрема, при лінійної поляризації за допомогою спеціальних пристроїв можна здійснити поворот площини поляризації. У зв'язку з цим слід зазначити, що для ряду харчових продуктів коефіцієнт відображення в межах смуги поглинання істотно залежить від напрямку площини поляризації випромінювання.
Тривалість імпульсу. Використання лазерів дозволяє також отримувати випромінювання у вигляді імпульсів дуже малої тривалості (tи = 10-8-10-9 с). Це досягається передусім за рахунок модуляції добротності резонатора, синхронізації мод і т. П.
В інших типах джерел випромінювання мінімальна тривалість імпульсів на кілька порядків вище, що, зокрема, Таким чином, лазерне випромінювання істотно перевершує за своїми основними параметрами випромінювання, що створюється нелазерних джерелами, а саме володіє вищими когерентністю, спрямованістю і щільністю потоку енергії і малої, шириною спектральної лінії.
Вплив лазерного випромінювання на біологічні об'єкти
Лазерне випромінювання, що володіє високою щільністю енергії в поєднанні з монохроматичністю і когерентністю, являє собою унікальний фактор впливу на біологічні об'єкти. Монохроматичність дозволяє вибірково впливати на певні молекулярні структури об'єктів, а когерентність і поляризація в поєднанні з високим ступенем організованості опромінюються систем обумовлюють специфічне кумулятивне (резонансне) дію, яке навіть при порівняно невеликих рівнях випромінювання призводить до сильної фотостимуляції процесів в клітинах, аж до фотомутагенеза.
При впливі лазерного випромінювання на біологічні об'єкти відбувається розрив певних молекулярних зв'язків або структурне перетворення молекул, причому ці процеси є селективними, т. Е. Одні зв'язку повністю руйнуються при опроміненні, в той час як інші практично не змінюються. Такий явно вираженою резонансний характер взаємодії лазерного випромінювання з молекулами відкриває можливість селективного каталізу деяких метаболічних реакцій, т. Е. Реакцій обміну речовин, світлового управління цими реакціями. При цьому лазерне випромінювання грає роль ферменту.
Використання подібних властивостей лазерних джерел світла відкриває широкі можливості інтенсифікації промислового біосинтезу.
Лазерне опромінення дріжджів може бути використано для спрямованого біосинтезу, наприклад, каротиноїдів і ліпідів, а в більш широкому сенсі для отримання нових мутантних штамів дріжджів зі зміненою биосинтетической спрямованістю.
У ряді харчових виробництв може бути використана можливість управління за допомогою лазерного опромінення співвідношенням активності ферментів, що розщеплюють молекули білків на поліпептидні фрагменти і гідролізується ці фрагменти до амінокислот.
При промисловому виробництві лимонної кислоти лазерної стимуляцією наполягають на збільшенні виходу продукції на 60% і одночасно знижують вміст побічних продуктів. Лазерна фотостимуляція липогенеза у грибів дозволяє отримувати харчові та технічні жири при переробці грибами нехарчової сировини. Отримано також дані про лазерної стимуляції утворення репродуктивних органів у грибів, які використовуються в мікробіологічної промисловості.
Слід зазначити, що на відміну від звичайних джерел світла лазер здатний стерилізувати соки у видимій частині спектру, що відкриває можливість проводити стерилізацію за допомогою лазерів безпосередньо через пляшкове скло.
Відзначено цікава особливість лазерної стерилізації. Якщо при малому рівні потужності криві виживання клітин мікроорганізмів для лазерного опромінення та опромінення за допомогою звичайного джерела світла практично збігаються, то при досягненні питомої потужності лазерного опромінення порядку 100 кВт / см2 відбувається різке збільшення ефективності стерилізуючого дії лазерного випромінювання, т. Е. Для досягнення одного і того ж ефекту загибелі клітин необхідна значно менша енергія, ніж при використанні малопотужного джерела.
При опроміненні ж за допомогою джерела некогерентного світла подібний ефект не спостерігається. Наприклад, при освітленні клітин потужним імпульсом, рубінового лазера досить однієї спалаху, щоб вразити до 50% клітин, в той час, як та ж енергія, поглинена протягом тривалого часу, не тільки не викликає пошкоджень, а й призводить до інтенсифікації процесів фотосинтезу у мікроорганізмів.
Описаний ефект можна пояснити тим, що в звичайних умовах молекули, вступаючи в фотохимическую реакцію, поглинають один квант світла (однофотонна поглинання), що збільшує їх реакційну здатність. При високих рівнях падаючого випромінювання зростає ймовірність двухфотонного поглинання, при якому молекула поглинає одночасно два фотона. При цьому різко підвищується ефективність хімічних перетворень і з більшою ефективністю пошкоджується структура молекул.
При впливі потужного лазерного випромінювання виникають і інші нелінійні ефекти, які не спостерігаються при використанні звичайних джерел світла. Одним з таких ефектів є перетворення частини потужності опромінення, що має частоту f в випромінювання з частотами 2 f, 3 f і т. Д. (Генерація оптичних гармонік). Цей ефект обумовлений нелінійними властивостями середовища, що опромінюється при високих рівнях опромінення.
З Огляду на ті что біообьекті, як відомо, найбільш чутліві до Дії УФ-випромінювання, стерілізуючій дію гармонік буде найбільш ефективна. У той же час, якщо опромінювати об'єкт безпосередньо за допомогою джерела УФ-випромінювання основна частка падаючої потужності випромінювача буде поглинатися в поверхневих шарах. В описуваному ж випадку УФ-випромінювання утворюється усередині самого об'єкта, що призводить до об'ємного характеру ефекту, що стерилізує. Очевидно при цьому можна очікувати більшої ефективності процесу стерилізації.
Високий ступінь монохроматичности лазерного випромінювання може дозволити виробляти стерилізацію одного типу бактерій при одночасній стимуляції росту мікроорганізмів іншого типу в бінарних бактеріальних системах, т. Е. Виробляти спрямовану «виборчу» стерилізацію.
Крім зазначених областей застосування, лазери використовують також для вимірювання різних величин - спектроскопії, переміщень об'єктів (інтерференційний метод), вібрацій, швидкостей потоків (лазерні анемометри), неоднорідностей в оптично прозорих середовищах. За допомогою лазерів можна здійснити контроль за якістю поверхні, досліджувати залежності оптичних властивостей речовини від зовнішніх чинників, виміряти забрудненість середовища мікроорганізмами та ін.
