Penerapan radiasi laser

Laser — generator kuantum (penguat) radiasi koheren dalam rentang optik. Istilah «laser» dibentuk dari huruf pertama dari nama bahasa Inggris amplifikasi cahaya dengan emisi radiasi terstimulasi. Tergantung pada jenis bahan aktif, perbedaan dibuat antara laser solid-state, gas, dan laser cair.

Dari laser jenis pertama, ruby ​​\u200b\u200badalah yang paling banyak dipelajari. Salah satu model paling awal dari laser semacam itu menggunakan transisi energi ion kromium trivalen Cr3+ dalam kristal rubi monolitik (Cr2O3, A12O3). Di bawah aksi pemompaan radiasi (dengan panjang gelombang urutan 5600 A), ion Cr3+ berpindah dari level 1 ke level 3, dari mana transisi ke bawah ke level 2 dan 1 dimungkinkan. Jika transisi ke metastabil level 2 mendominasi dan jika pemompaan menyediakan pos, inversi populasi pada level 1 dan 2, maka populasi pada level 2 akan melebihi populasi pada level 1.

Dalam kasus transisi spontan salah satu ion Cr-3+, foton dengan frekuensi dipancarkan dari level 2 ke level 1 e12, yang mulai merambat pada kristal rubi.Menghadapi ion Cr3+ tereksitasi d -merah, foton ini menyebabkan radiasi yang telah diinduksi koheren dengan foton primer.

Karena banyaknya pantulan dari tepi kristal tunggal ruby ​​​​yang dipoles dan perak, intensitas radiasi dalam kristal terus meningkat. Ini hanya terjadi pada foton tersebut, arah rambatnya komotorykh membuat sudut kecil dengan sumbu kristal. Radiasi baja meninggalkan kristal melalui permukaan samping dan tidak berpartisipasi dalam pembentukan berkas radiasi. Sinar radiasi keluar melalui salah satu ujungnya, yang merupakan cermin tembus cahaya.

Kemajuan besar dalam peningkatan teknologi di berbagai industri terkait dengan penggunaan generator kuantum optik (laser). Seperti yang Anda ketahui, radiasi laser berbeda secara signifikan dari radiasi sumber cahaya non-laser lainnya (termal, pelepasan gas, dll.). Perbedaan ini telah menyebabkan meluasnya penggunaan laser di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi.

Pertimbangkan desain dasar laser.

Secara umum, diagram blok generator kuantum optik (OQC) ditunjukkan pada Gambar. 1 (dalam beberapa kasus drive 4-7 mungkin hilang).

Dalam zat aktif 1, di bawah aksi pemompaan, radiasi yang melewatinya ditingkatkan karena radiasi elektron yang diinduksi (disebabkan oleh medan elektromagnetik eksternal) yang berpindah dari tingkat energi atas ke tingkat energi yang lebih rendah. Dalam hal ini, sifat zat aktif menentukan frekuensi emisi laser.

Sebagai zat aktif, media kristal atau amorf dapat digunakan, di mana sejumlah kecil pengotor elemen aktif dimasukkan (dalam laser keadaan padat); gas atau uap logam (dalam laser gas); larutan cair pewarna organik (dalam laser cair).

Beras. 1. Blok diagram generator kuantum optik

Dengan bantuan sistem pompa laser 3, kondisi dibuat dalam zat aktif, yang memungkinkan untuk memperkuat radiasi. Untuk ini, perlu dibuat inversi (redistribusi) populasi tingkat energi atom elektron, di mana populasi tingkat atas lebih besar daripada populasi tingkat bawah. Sebagai sistem pemompaan, mereka digunakan dalam laser keadaan padat - lampu pelepasan gas, dalam laser gas - sumber arus searah, generator berdenyut, HF dan gelombang mikro, dan dalam laser cair - LAG.

Zat aktif laser ditempatkan di resonator optik 2, yaitu sistem cermin yang salah satunya tembus cahaya dan berfungsi untuk menghilangkan radiasi laser dari resonator.

Fungsi resonator optik cukup beragam: menciptakan umpan balik positif pada generator, membentuk spektrum radiasi laser, dll.

Perangkat 5 untuk pemilihan mode dan stabilisasi frekuensi dirancang untuk meningkatkan kualitas spektrum radiasi keluaran laser, yaitu untuk mendekatkannya ke spektrum osilasi monokromatik.

Dalam laser cair, Sistem 6 mencapai berbagai penyetelan frekuensi osilasi. Jika perlu, modulasi amplitudo atau fase radiasi dapat dicapai dalam laser. Modulasi eksternal biasanya digunakan dengan perangkat 7.

Jenis laser

Laser modern dapat diklasifikasikan menurut kriteria yang berbeda:

• berdasarkan jenis zat aktif yang digunakan di dalamnya,

• dengan mode operasi (generasi kontinu atau berdenyut, mode Q-switched),

• oleh sifat spektral radiasi (laser multi-mode, mode tunggal, frekuensi tunggal), dll.

Yang paling umum adalah yang pertama dari klasifikasi yang disebutkan.

Laser keadaan padat

Laser ini menggunakan media kristal dan amorf sebagai zat aktifnya. Laser solid-state memiliki sejumlah keunggulan:

• nilai tinggi gain linier media, yang memungkinkan untuk mendapatkan laser dengan dimensi aksial kecil dari laser;

• kemungkinan memperoleh nilai daya keluaran yang sangat tinggi dalam mode pulsa.

Jenis utama laser solid state adalah:

1. laser ruby ​​​​di mana ion kromium adalah pusat aktifnya. Garis pembangkit terletak di wilayah merah spektrum (λ = 0,69 μm). Daya keluaran radiasi dalam mode kontinu adalah beberapa watt, energi dalam mode pulsa adalah beberapa ratus joule dengan durasi pulsa sekitar 1 ms;

2. laser berdasarkan ion logam tanah jarang (terutama ion neodymium). Keuntungan penting dari laser ini adalah kemampuannya untuk digunakan dalam mode kontinu pada suhu kamar. Garis generasi utama laser ini berada di wilayah inframerah (λ = 1,06 μm). Level daya output dalam mode kontinu mencapai 100-200 W dengan efisiensi 1-2%.

Laser gas

Pembalikan populasi dalam laser gas dicapai baik dengan bantuan pelepasan dan dengan bantuan jenis pemompaan lainnya: bahan kimia, termal, dll.

Dibandingkan dengan laser gas padat, mereka memiliki sejumlah keunggulan:

• mencakup rentang panjang gelombang yang sangat luas 0,2-400 mikron;

• pancaran laser gas sangat monokromatik dan terarah;

• memungkinkan tingkat daya output yang sangat tinggi untuk dicapai dalam operasi yang berkelanjutan.

Jenis utama laser gas:

1.Laser helium neon… Panjang gelombang utama berada di bagian spektrum yang terlihat (λ = 0,63 μm). Daya output biasanya kurang dari 100 mW. Dibandingkan dengan semua jenis laser lainnya, laser helium-neon memberikan tingkat koherensi keluaran tertinggi.

2. Laser uap tembaga… Generasi utama radiasi dibuat pada dua garis, salah satunya di bagian hijau spektrum (λ = 0,51 μm) dan yang lainnya di kuning (λ = 0,58 μm). Daya pulsa pada laser tersebut mencapai 200 kW dengan daya rata-rata sekitar 40 W.

3. Laser gas ion... Laser yang paling umum dari jenis ini adalah laser argon (λ = 0,49 — 0,51 µm) dan laser helium-kadmium (λ = 0,44 µm).

4. Laser CO2 molekuler... Generasi paling kuat dicapai pada λ = 10,6 μm. Daya keluaran dalam mode cw laser CO2 sangat tinggi dan mencapai 10 kW atau lebih dengan efisiensi yang cukup tinggi 15-30% dibandingkan dengan semua jenis laser lainnya. Daya pulsa = 10 MW dicapai dengan durasi pulsa yang dihasilkan sekitar 10-100 ms.

Laser cair

Laser cair memungkinkan penyetelan pada rentang frekuensi osilasi yang dihasilkan (dari λ = 0,3 µm hingga λ = 1,3 µm). Biasanya, dalam laser semacam itu, zat aktifnya adalah larutan cair pewarna organik (misalnya, larutan rhodamine).

Parameter laser

Koherensi

Ciri khas radiasi laser adalah koherensinya.

Koherensi dipahami sebagai proses gelombang yang terkoordinasi dalam ruang dan waktu.Koherensi spasial - koherensi antara fase gelombang yang dipancarkan secara bersamaan dari berbagai titik dalam ruang, dan koherensi temporal - koherensi antara fase gelombang yang dipancarkan dari satu titik di saat-saat istirahat dalam waktu.

Osilasi elektromagnetik yang koheren — osilasi dari dua atau lebih sumber dengan frekuensi yang sama dan perbedaan fase yang konstan. Dalam rekayasa radio, konsep koherensi juga meluas ke sumber osilasi yang frekuensinya tidak sama. Misalnya, osilasi dari 2 sumber dianggap koheren jika frekuensinya f1 dan e2 berada dalam hubungan yang rasional, yaitu f1 / f2 = n / m, dimana n dan m adalah bilangan bulat.

Sumber osilasi yang dalam interval pengamatan memiliki frekuensi yang hampir sama dan perbedaan fase yang hampir sama, atau sumber osilasi yang rasio frekuensinya sedikit berbeda dari yang rasional disebut sumber osilasi yang hampir koheren.

Kemampuan untuk mengganggu adalah salah satu karakteristik utama dari osilasi yang koheren. Perlu dicatat bahwa hanya gelombang koheren yang dapat mengganggu. Berikut ini akan ditunjukkan bahwa sejumlah bidang penerapan sumber radiasi optik justru didasarkan pada fenomena interferensi.

Perbedaan

Koherensi spasial yang tinggi dari radiasi laser menyebabkan divergensi rendah dari radiasi ini, yang bergantung pada panjang gelombang λ dan parameter rongga optik yang digunakan dalam laser.

Untuk sumber cahaya biasa, bahkan ketika cermin khusus digunakan, sudut divergensi sekitar satu hingga dua kali lipat lebih besar daripada laser.

Divergensi radiasi laser yang rendah membuka kemungkinan memperoleh kerapatan fluks energi cahaya yang tinggi menggunakan lensa pemfokusan konvensional.

Direktivitas radiasi laser yang tinggi memungkinkan untuk melakukan analisis, pengukuran, dan efek lokal (hampir pada saat tertentu) pada zat tertentu.

Selain itu, konsentrasi radiasi laser spasial yang tinggi menyebabkan fenomena nonlinier yang nyata, di mana sifat dari proses yang sedang berlangsung bergantung pada intensitas iradiasi. Sebagai contoh, kita dapat menunjukkan penyerapan multifoton, yang hanya diamati saat menggunakan sumber laser dan mengarah pada peningkatan penyerapan energi oleh materi pada kekuatan emitor tinggi.

Satu warna

Tingkat monokromatisitas radiasi menentukan rentang frekuensi di mana bagian utama dari daya emitor terkandung. Parameter ini sangat penting saat menggunakan sumber radiasi optik dan sepenuhnya ditentukan oleh tingkat koherensi temporal radiasi.

Dalam laser, semua kekuatan radiasi terkonsentrasi pada garis spektral yang sangat sempit. Lebar kecil garis emisi dicapai dengan menggunakan resonator optik pada laser dan terutama ditentukan oleh stabilitas frekuensi resonansi yang terakhir.

Polarisasi

Dalam sejumlah perangkat, peran tertentu dimainkan oleh polarisasi radiasi, yang mencirikan orientasi dominan vektor medan listrik gelombang.

Sumber non-laser yang umum dicirikan oleh polarisasi yang kacau. Radiasi laser terpolarisasi sirkular atau linier. Secara khusus, dengan perangkat khusus polarisasi linier dapat digunakan untuk memutar bidang polarisasi. Dalam hal ini, perlu dicatat bahwa untuk sejumlah produk makanan koefisien refleksi dalam pita serapan sangat bergantung pada arah bidang polarisasi radiasi.

Durasi pulsa. Penggunaan laser juga memungkinkan diperolehnya radiasi berupa pulsa dengan durasi yang sangat singkat (tp = 10-8-10-9 s). Ini biasanya dicapai dengan memodulasi faktor-Q resonator, penguncian mode, dll.

Pada jenis sumber radiasi lain, durasi pulsa minimum beberapa kali lipat lebih tinggi, yang, khususnya, adalah lebar garis spektral.

Efek radiasi laser pada objek biologis

Radiasi laser dengan kerapatan energi tinggi dalam kombinasi dengan monokromatisitas dan koherensi merupakan faktor unik yang memengaruhi objek biologis. Monokromatisitas memungkinkan untuk secara selektif mempengaruhi struktur molekul tertentu dari objek, dan koherensi dan polarisasi, dikombinasikan dengan pengorganisasian sistem iradiasi tingkat tinggi, menentukan efek kumulatif (resonansi) tertentu, yang bahkan pada tingkat radiasi yang relatif rendah menyebabkan fotostimulasi yang kuat proses dalam sel, untuk fotomutagenesis.

Ketika objek biologis terkena radiasi laser, beberapa ikatan molekul dihancurkan atau transformasi struktural molekul terjadi, dan proses ini selektif, yaitu, beberapa ikatan dihancurkan sepenuhnya oleh iradiasi, sementara yang lain secara praktis tidak berubah. Karakter resonansi yang jelas dari interaksi radiasi laser dengan molekul membuka kemungkinan katalisis selektif dari reaksi metabolisme tertentu, yaitu reaksi metabolisme, kontrol cahaya dari reaksi ini. Dalam hal ini, radiasi laser berperan sebagai enzim.

Penggunaan sifat-sifat sumber sinar laser membuka kemungkinan besar untuk meningkatkan biosintesis industri.

Iradiasi laser ragi dapat digunakan untuk biosintesis yang ditargetkan, misalnya, karotenoid dan lipid, dan lebih luas lagi, untuk mendapatkan galur ragi mutan baru dengan orientasi biosintetik yang diubah.

Di sejumlah industri makanan, kemampuan untuk mengontrol, menggunakan iradiasi laser, rasio aktivitas enzim yang memecah molekul protein menjadi fragmen polipeptida dan menghidrolisis fragmen ini menjadi asam amino dapat digunakan.

Dalam produksi industri asam sitrat, stimulasi laser mencapai peningkatan hasil produk sebesar 60% dan pada saat yang sama mengurangi kandungan produk sampingan. Fotostimulasi laser lipogenesis pada jamur memungkinkan produksi lemak yang dapat dimakan dan teknis selama pemrosesan bahan baku jamur yang tidak dapat dimakan. Data juga diperoleh pada stimulasi laser pembentukan organ reproduksi pada jamur yang digunakan dalam industri mikrobiologi.

Perlu dicatat bahwa, tidak seperti sumber cahaya konvensional, laser mampu mensterilkan jus di bagian spektrum yang terlihat, yang membuka kemungkinan sterilisasi menggunakan laser langsung melalui kaca botol.

Fitur menarik dari sterilisasi laser telah dicatat. Jika pada tingkat daya rendah, kurva kelangsungan hidup sel mikroba untuk penyinaran laser dan penyinaran dengan sumber cahaya konvensional praktis bertepatan, maka ketika daya spesifik penyinaran laser sekitar 100 kW / cm2, terjadi peningkatan tajam dalam efektivitas tindakan sterilisasi radiasi laser , mis. untuk mencapai efek kematian sel yang sama membutuhkan energi yang jauh lebih sedikit daripada menggunakan sumber daya rendah.

Saat disinari dengan sumber cahaya yang tidak koheren, efek ini tidak teramati. Misalnya, ketika sel-sel diterangi dengan pulsa yang kuat, satu kilatan sudah cukup untuk laser ruby ​​\u200b\u200buntuk mengenai hingga 50% sel, sementara energi yang sama, diserap untuk waktu yang lama, tidak hanya tidak menyebabkan kerusakan. , tetapi juga mengarah pada intensifikasi proses fotosintesis pada mikroorganisme.

Efek yang dijelaskan dapat dijelaskan oleh fakta bahwa, dalam kondisi normal, molekul yang memasuki reaksi fotokimia menyerap satu kuantum cahaya (penyerapan satu foton), yang meningkatkan reaktivitasnya.Pada radiasi insiden tingkat tinggi, kemungkinan dua- penyerapan foton meningkat, di mana molekul menyerap dua foton secara bersamaan. Dalam hal ini, efisiensi transformasi kimia meningkat tajam dan struktur molekul rusak dengan efisiensi yang lebih besar.

Saat terkena radiasi laser yang kuat, efek nonlinier lain terjadi yang tidak diamati saat menggunakan sumber cahaya konvensional. Salah satu efek ini adalah konversi sebagian daya radiasi frekuensi f menjadi radiasi frekuensi 2f, 3f, dst. (generasi harmonik optik). Efek ini disebabkan oleh sifat nonlinier dari media yang diiradiasi pada tingkat iradiasi yang tinggi.

Karena diketahui bahwa objek biologis paling sensitif terhadap aksi radiasi UV, efek sterilisasi harmonisa akan paling efektif. Pada saat yang sama, jika suatu objek disinari langsung dengan sumber radiasi UV, sebagian besar daya insiden emitor akan diserap di lapisan permukaan. Dalam kasus yang dijelaskan, radiasi UV dihasilkan di dalam objek itu sendiri, yang mengarah pada sifat volumetrik dari efek sterilisasi. Jelas, dalam hal ini, efisiensi proses sterilisasi yang lebih besar dapat diharapkan.

Tingkat monokromatisitas radiasi laser yang tinggi memungkinkan untuk mensterilkan satu jenis bakteri, sambil merangsang pertumbuhan mikroorganisme dari jenis lain dalam sistem bakteri biner, yaitu menghasilkan sterilisasi "selektif" yang ditargetkan.

Selain bidang aplikasi ini, laser juga digunakan untuk mengukur berbagai kuantitas — spektroskopi, perpindahan objek (metode interferensi), getaran, kecepatan aliran (anemometer laser), ketidakhomogenan dalam media transparan optik. Dengan bantuan laser, dimungkinkan untuk memantau kualitas permukaan, mempelajari ketergantungan sifat optik suatu zat pada faktor eksternal, mengukur kontaminasi lingkungan dengan mikroorganisme, dll.