Ứng dụng bức xạ laze

Laser — một máy phát lượng tử (bộ khuếch đại) của bức xạ kết hợp trong dải quang học. Thuật ngữ «laser» được hình thành từ các chữ cái đầu tiên của tên tiếng Anh khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ kích thích. Tùy thuộc vào loại vật liệu hoạt động, có sự phân biệt giữa laser trạng thái rắn, laser khí và lỏng.

Trong số các loại laser đầu tiên, ruby ​​​​được nghiên cứu nhiều nhất. Một trong những mô hình sớm nhất của loại laser như vậy sử dụng sự chuyển đổi năng lượng của ion crom hóa trị ba Cr3+ trong tinh thể hồng ngọc nguyên khối (Cr2O3, A12O3). Dưới tác dụng của bức xạ bơm (có bước sóng cỡ 5600 A), ion Cr3+ chuyển từ mức 1 lên mức 3, từ đó có thể chuyển dịch xuống mức 2 và 1. Nếu quá trình chuyển lên mức siêu bền 2 chiếm ưu thế và nếu bơm cung cấp bài, nghịch đảo quần thể cấp 1 và 2, khi đó quần thể cấp 2 sẽ vượt quần thể cấp 1.

Trong trường hợp chuyển đổi tự phát của một trong các ion Cr-3+, một photon có tần số được phát ra từ cấp 2 đến cấp 1 e12, photon này bắt đầu lan truyền trên tinh thể hồng ngọc.Gặp ion Cr3+ bị kích thích d -đỏ, photon này gây ra bức xạ cảm ứng kết hợp với photon sơ cấp.

Do có nhiều phản xạ từ các cạnh được đánh bóng và tráng bạc của tinh thể đơn ruby, cường độ bức xạ trong tinh thể liên tục tăng lên. Điều này chỉ xảy ra với những photon đó, hướng truyền là komotorykh tạo một góc nhỏ với trục của tinh thể. Bức xạ thép rời khỏi tinh thể qua bề mặt bên và không tham gia vào sự hình thành chùm bức xạ. Chùm bức xạ thoát ra qua một trong hai đầu là gương mờ.

Một bước tiến lớn trong việc cải tiến công nghệ trong các ngành công nghiệp khác nhau có liên quan đến việc sử dụng các máy phát lượng tử quang học (laser). Như bạn đã biết, bức xạ laser khác biệt đáng kể so với bức xạ của các nguồn sáng không phải laser khác (nhiệt, phóng khí, v.v.). Những khác biệt này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi laser trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

Hãy xem xét thiết kế cơ bản của laser.

Nói chung, sơ đồ khối của bộ tạo lượng tử quang học (OQC) được hiển thị trong Hình. 1 (trong một số trường hợp có thể thiếu ổ 4-7).

Trong hoạt chất 1, dưới tác dụng của bơm, bức xạ đi qua nó được tăng cường do bức xạ cảm ứng (do trường điện từ bên ngoài gây ra) của các electron truyền từ các mức năng lượng trên xuống các mức năng lượng thấp hơn. Trong trường hợp này, đặc tính của hoạt chất xác định tần số phát xạ laser.

Môi trường tinh thể hoặc vô định hình có thể được sử dụng làm chất hoạt tính, trong đó một lượng nhỏ tạp chất của các nguyên tố hoạt tính được đưa vào (trong laser trạng thái rắn); khí hoặc hơi kim loại (trong laser khí); dung dịch lỏng của thuốc nhuộm hữu cơ (trong laser lỏng).

Cơm. 1. Sơ đồ khối của máy phát lượng tử quang

Với sự trợ giúp của hệ thống bơm laser 3, các điều kiện được tạo ra trong hoạt chất giúp khuếch đại bức xạ. Đối với điều này, cần phải tạo ra một sự đảo ngược (phân phối lại) dân số của các mức năng lượng của các nguyên tử electron, trong đó dân số của các cấp trên lớn hơn của các mức năng lượng thấp hơn. Là hệ thống bơm, chúng được sử dụng trong laser trạng thái rắn - đèn phóng điện khí, trong laser khí - nguồn dòng một chiều, xung, máy phát HF và vi sóng, và trong laser lỏng - LAG.

Hoạt chất của tia laser được đặt trong bộ cộng hưởng quang học 2, là một hệ thống các gương, một trong số đó trong mờ và dùng để loại bỏ bức xạ laser khỏi bộ cộng hưởng.

Các chức năng của bộ cộng hưởng quang khá đa dạng: tạo phản hồi dương trong máy phát, tạo phổ bức xạ laser, v.v.

Thiết bị 5 để chọn chế độ và ổn định tần số được thiết kế để cải thiện chất lượng phổ của bức xạ đầu ra của laser, tức là đưa nó đến gần hơn với phổ của các dao động đơn sắc.

Trong laser lỏng, Hệ thống 6 đạt được phạm vi điều chỉnh tần số dao động rộng. Nếu cần thiết, có thể đạt được sự điều chế biên độ hoặc pha của bức xạ trong laser. Điều chế bên ngoài thường được sử dụng với thiết bị 7.

các loại laze

Laser hiện đại có thể được phân loại theo các tiêu chí khác nhau:

• theo loại hoạt chất được sử dụng trong chúng,

• theo chế độ vận hành (tạo xung hoặc liên tục, chế độ Q-switched),

• theo tính chất quang phổ của bức xạ (laser đa mode, đơn mode, đơn tần), v.v.

Phổ biến nhất là phân loại đầu tiên được đề cập.

Laser trạng thái rắn

Những tia laser này sử dụng môi trường tinh thể và vô định hình làm hoạt chất. Laser trạng thái rắn có một số ưu điểm:

• giá trị cao của mức tăng tuyến tính của môi trường, giúp có thể thu được tia laser có kích thước trục nhỏ của tia laser;

• khả năng thu được giá trị công suất đầu ra cực cao ở chế độ xung.

Các loại laser trạng thái rắn chính là:

1. laze hồng ngọc trong đó ion crom là trung tâm hoạt động. Các vạch tạo ra nằm trong vùng màu đỏ của quang phổ (λ = 0,69 μm). Công suất đầu ra của bức xạ ở chế độ liên tục là vài watt, năng lượng ở chế độ xung là vài trăm joules với thời lượng xung là 1 ms;

2. laser dựa trên các ion kim loại đất hiếm (chủ yếu là các ion neodymium). Một lợi thế quan trọng của các tia laser này là khả năng được sử dụng ở chế độ liên tục ở nhiệt độ phòng. Dòng phát chính của các laze này nằm trong vùng hồng ngoại (λ = 1,06 μm). Mức công suất đầu ra ở chế độ liên tục đạt 100-200 W với hiệu suất 1-2%.

laze khí

Sự đảo ngược dân số trong laser khí đạt được cả với sự trợ giúp của phóng điện và với sự trợ giúp của các loại bơm khác: hóa chất, nhiệt, v.v.

So với laser khí trạng thái rắn, chúng có một số ưu điểm:

• bao phủ dải bước sóng cực rộng 0,2-400 micron;

• sự phát xạ của laze khí có tính đơn sắc và định hướng cao;

• cho phép đạt được mức công suất đầu ra rất cao trong hoạt động liên tục.

Các loại laser khí chính:

1.Laser neon helium… Bước sóng chính nằm trong phần nhìn thấy của quang phổ (λ = 0,63 μm). Công suất đầu ra thường nhỏ hơn 100 mW. So với tất cả các loại laze khác, laze helium-neon cung cấp mức độ kết hợp đầu ra cao nhất.

2. Laser hơi đồng… Sự tạo ra bức xạ chính được tạo ra trên hai vạch, một vạch nằm trong phần màu lục của quang phổ (λ = 0,51 μm) và vạch còn lại màu vàng (λ = 0,58 μm). Công suất xung trong các tia laser như vậy đạt 200 kW với công suất trung bình khoảng 40 W.

3. Laser khí ion... Các loại laser phổ biến nhất thuộc loại này là laser argon (λ = 0,49 — 0,51 µm) và laser helium-cadmium (λ = 0,44 µm).

4. Laser CO2 phân tử... Thế hệ mạnh nhất đạt được ở λ = 10,6 μm. Công suất đầu ra ở chế độ cw của laser CO2 cực kỳ cao và đạt tới 10 kW trở lên với hiệu suất đủ cao từ 15-30% so với tất cả các loại laser khác. Công suất xung = 10 MW đạt được với thời lượng của các xung được tạo theo thứ tự 10-100 ms.

laze lỏng

Laser lỏng cho phép điều chỉnh trên một dải rộng tần số dao động được tạo ra (từ λ = 0,3 µm đến λ = 1,3 µm). Theo quy định, trong các tia laser như vậy, hoạt chất là dung dịch lỏng của thuốc nhuộm hữu cơ (ví dụ: dung dịch rhodamine).

thông số laser

mạch lạc

Một tính năng đặc biệt của bức xạ laser là sự kết hợp của nó.

Sự kết hợp được hiểu là một quá trình phối hợp của các quá trình sóng trong thời gian và không gian. trong những khoảnh khắc của một sự phá vỡ trong thời gian.

Dao động điện từ kết hợp - dao động của hai hay nhiều nguồn có cùng tần số và hiệu số pha không đổi. Trong kỹ thuật vô tuyến, khái niệm kết hợp cũng mở rộng cho các nguồn dao động có tần số không bằng nhau. Ví dụ, dao động của 2 nguồn được coi là kết hợp nếu tần số f1 và e2 của chúng có mối quan hệ hữu tỉ, tức là f1/f2 = n/m, trong đó n và m là các số nguyên.

Các nguồn dao động trong khoảng quan sát có tần số gần như bằng nhau và độ lệch pha gần như bằng nhau, hoặc các nguồn dao động có tỉ số tần số khác nhau một chút so với tỉ số hữu tỉ, được gọi là các nguồn dao động gần như kết hợp.

Khả năng giao thoa là một trong những đặc điểm chính của dao động kết hợp. Cần lưu ý rằng chỉ có sóng kết hợp mới có thể giao thoa. Sau đây, sẽ chỉ ra rằng một số lĩnh vực ứng dụng của các nguồn bức xạ quang chính xác dựa trên hiện tượng giao thoa.

phân kỳ

Sự kết hợp không gian cao của bức xạ laser dẫn đến độ phân kỳ thấp của bức xạ này, điều này phụ thuộc vào bước sóng λ và các thông số của hộp quang được sử dụng trong laser.

Đối với các nguồn sáng thông thường, ngay cả khi sử dụng các gương đặc biệt, góc phân kỳ lớn hơn góc phân kỳ của laser khoảng một đến hai bậc độ lớn.

Sự phân kỳ thấp của bức xạ laser mở ra khả năng thu được mật độ năng lượng ánh sáng thông lượng cao bằng cách sử dụng các thấu kính hội tụ thông thường.

Tính định hướng cao của bức xạ laze cho phép thực hiện các phân tích, phép đo và hiệu ứng cục bộ (thực tế tại một thời điểm nhất định) đối với một chất nhất định.

Ngoài ra, nồng độ cao trong không gian của bức xạ laser dẫn đến hiện tượng phi tuyến rõ rệt, trong đó bản chất của các quá trình đang diễn ra phụ thuộc vào cường độ của bức xạ. Ví dụ, chúng ta có thể chỉ ra sự hấp thụ đa photon, hiện tượng này chỉ được quan sát thấy khi sử dụng các nguồn laze và dẫn đến sự gia tăng khả năng hấp thụ năng lượng của vật chất ở công suất phát cao.

đơn sắc

Mức độ đơn sắc của bức xạ xác định dải tần trong đó phần chính của công suất của bộ phát được chứa. Tham số này có tầm quan trọng lớn khi sử dụng các nguồn bức xạ quang học và hoàn toàn được xác định bởi mức độ kết hợp theo thời gian của bức xạ.

Trong laze, tất cả năng lượng bức xạ tập trung trong các vạch quang phổ cực hẹp. Độ rộng nhỏ của vạch phát xạ đạt được bằng cách sử dụng bộ cộng hưởng quang học trong laser và chủ yếu được xác định bởi độ ổn định của tần số cộng hưởng của laser.

phân cực

Trong một số thiết bị, sự phân cực của bức xạ đóng một vai trò nhất định, đặc trưng cho hướng chủ yếu của vectơ điện trường của sóng.

Các nguồn phi laze phổ biến được đặc trưng bởi sự phân cực hỗn loạn. Bức xạ laser được phân cực tròn hoặc tuyến tính. Đặc biệt, với phân cực tuyến tính, các thiết bị đặc biệt có thể được sử dụng để xoay mặt phẳng phân cực. Về vấn đề này, cần lưu ý rằng đối với một số sản phẩm thực phẩm, hệ số phản xạ trong dải hấp thụ phụ thuộc đáng kể vào hướng của mặt phẳng phân cực của bức xạ.

Thời lượng xung. Việc sử dụng laze cũng cho phép thu được bức xạ dưới dạng các xung có thời gian rất ngắn (tp = 10-8-10-9 s). Điều này thường đạt được bằng cách điều chỉnh hệ số Q của bộ cộng hưởng, khóa chế độ, v.v.

Trong các loại nguồn bức xạ khác, thời lượng xung tối thiểu cao hơn vài bậc độ lớn, cụ thể là độ rộng của vạch quang phổ.

Ảnh hưởng của bức xạ laser lên các vật thể sinh học

Bức xạ laser với mật độ năng lượng cao kết hợp với tính đơn sắc và tính kết hợp là một yếu tố độc nhất ảnh hưởng đến các đối tượng sinh học. Tính đơn sắc cho phép ảnh hưởng có chọn lọc đến một số cấu trúc phân tử nhất định của các vật thể, đồng thời tính kết hợp và phân cực, kết hợp với mức độ tổ chức cao của các hệ thống chiếu xạ, xác định hiệu ứng tích lũy (cộng hưởng) cụ thể, thậm chí ở mức độ bức xạ tương đối thấp dẫn đến sự kích thích quang hóa mạnh của các quá trình trong tế bào, để quang đột biến.

Khi các vật thể sinh học tiếp xúc với bức xạ laser, một số liên kết phân tử bị phá hủy hoặc sự biến đổi cấu trúc của các phân tử xảy ra và các quá trình này có tính chọn lọc, nghĩa là một số liên kết bị phá hủy hoàn toàn bởi bức xạ, trong khi những liên kết khác thực tế không thay đổi. Đặc tính cộng hưởng rõ rệt như vậy của sự tương tác giữa bức xạ laser với các phân tử mở ra khả năng xúc tác chọn lọc cho một số phản ứng trao đổi chất, đó là phản ứng trao đổi chất, kiểm soát ánh sáng của các phản ứng này. Trong trường hợp này, bức xạ laser đóng vai trò của một enzym.

Việc sử dụng các tính chất như vậy của nguồn sáng laser mở ra nhiều khả năng để tăng cường quá trình sinh tổng hợp công nghiệp.

Chiếu xạ laser lên men có thể được sử dụng cho mục tiêu sinh tổng hợp, ví dụ, caroten và lipid, và rộng hơn, để thu được các chủng nấm men đột biến mới với định hướng sinh tổng hợp đã thay đổi.

Trong một số ngành công nghiệp thực phẩm, có thể sử dụng khả năng kiểm soát, sử dụng chiếu xạ laser, tỷ lệ hoạt động của các enzyme phân hủy các phân tử protein thành các đoạn polypeptide và thủy phân các đoạn này thành axit amin.

Trong sản xuất công nghiệp axit citric, kích thích bằng laser giúp tăng 60% năng suất sản phẩm, đồng thời làm giảm hàm lượng sản phẩm phụ. Quá trình quang hóa bằng laser của quá trình tạo mỡ ở nấm cho phép sản xuất chất béo kỹ thuật và ăn được trong quá trình chế biến nguyên liệu nấm không ăn được. Dữ liệu cũng thu được về sự kích thích bằng laser đối với sự hình thành các cơ quan sinh sản ở nấm được sử dụng trong ngành công nghiệp vi sinh.

Cần lưu ý rằng, không giống như các nguồn sáng thông thường, tia laser có thể khử trùng nước trái cây trong phần quang phổ nhìn thấy được, điều này mở ra khả năng khử trùng bằng tia laser trực tiếp qua thủy tinh của chai.

Một tính năng thú vị của khử trùng bằng laser đã được ghi nhận. Nếu ở mức năng lượng thấp, các đường cong sống sót của tế bào vi sinh vật đối với chiếu xạ laser và chiếu xạ bằng nguồn sáng thông thường gần như trùng khớp với nhau, thì khi công suất riêng của chiếu xạ laser là khoảng 100 kW / cm2, hiệu quả của tia laser sẽ tăng lên rõ rệt. hành động khử trùng của bức xạ laser, tức là để đạt được hiệu ứng chết tế bào tương tự cần ít năng lượng hơn nhiều so với việc sử dụng nguồn năng lượng thấp.

Khi chiếu xạ bằng nguồn sáng không kết hợp, hiệu ứng này không được quan sát thấy. Chẳng hạn, khi các tế bào được chiếu xung mạnh, một tia chớp là đủ để tia laser hồng ngọc chiếu tới 50% tế bào, trong khi cùng một năng lượng, hấp thụ trong thời gian dài, không những không gây sát thương. , mà còn dẫn đến việc tăng cường các quá trình quang hợp ở vi sinh vật.

Hiệu ứng được mô tả có thể được giải thích bởi thực tế là, trong điều kiện bình thường, các phân tử tham gia phản ứng quang hóa sẽ hấp thụ một lượng tử ánh sáng (sự hấp thụ một photon), làm tăng khả năng phản ứng của chúng. hấp thụ photon tăng lên, trong đó một phân tử hấp thụ đồng thời hai photon. Trong trường hợp này, hiệu quả của các quá trình biến đổi hóa học tăng mạnh và cấu trúc của các phân tử bị phá hủy với hiệu quả cao hơn.

Khi tiếp xúc với bức xạ laze mạnh, các hiệu ứng phi tuyến tính khác xảy ra mà không quan sát được khi sử dụng các nguồn sáng thông thường. Một trong những hiệu ứng này là sự biến đổi một phần công suất bức xạ có tần số f thành bức xạ có tần số 2f, 3f, v.v. (tạo ra sóng hài quang học). Hiệu ứng này là do tính chất phi tuyến tính của môi trường chiếu xạ ở mức chiếu xạ cao.

Vì người ta biết rằng các vật thể sinh học nhạy cảm nhất với tác động của bức xạ UV, nên tác dụng khử trùng của sóng hài sẽ có hiệu quả nhất. Đồng thời, nếu một vật thể được chiếu trực tiếp bằng nguồn bức xạ UV, phần lớn năng lượng tới của nguồn phát sẽ được hấp thụ trong các lớp bề mặt. Trong trường hợp được mô tả, bức xạ UV được tạo ra bên trong vật thể, dẫn đến tính chất thể tích của hiệu ứng khử trùng. Rõ ràng, trong trường hợp này, có thể mong đợi hiệu quả cao hơn của quá trình khử trùng.

Mức độ đơn sắc cao của bức xạ laser có thể giúp khử trùng một loại vi khuẩn, đồng thời kích thích sự phát triển của loại vi sinh vật khác trong hệ thống vi khuẩn nhị phân, tức là tạo ra khả năng khử trùng "chọn lọc" có mục tiêu.

Ngoài các lĩnh vực ứng dụng này, laser còn được sử dụng để đo các đại lượng khác nhau - quang phổ, chuyển vị của vật thể (phương pháp giao thoa), rung động, vận tốc dòng chảy (máy đo gió laser), tính không đồng nhất trong môi trường trong suốt quang học. Với sự trợ giúp của tia laser, có thể theo dõi chất lượng bề mặt, nghiên cứu sự phụ thuộc của các tính chất quang học của một chất nhất định vào các yếu tố bên ngoài, để đo mức độ ô nhiễm của môi trường với vi sinh vật, v.v.