Aplicação de radiação laser

Laser — um gerador quântico (amplificador) ​​de radiação coerente na faixa óptica. O termo «laser» é formado pelas primeiras letras do nome inglês amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. Dependendo do tipo de material ativo, é feita uma distinção entre lasers de estado sólido, gás e lasers líquidos.

Dos lasers do primeiro tipo, o rubi é o mais estudado. Um dos primeiros modelos desse laser usa transições de energia do íon cromo trivalente Cr3+ em um cristal rubi monolítico (Cr2O3, A12O3). Sob a ação do bombeamento de radiação (com comprimento de onda da ordem de 5600 A), o íon Cr3+ passa do nível 1 para o nível 3, a partir do qual são possíveis transições descendentes para os níveis 2 e 1. Se predominarem as transições para o nível 2 metaestável e se bombeamento fornece post, a inversão da população nos níveis 1 e 2, então a população no nível 2 excederá a população no nível 1.

No caso de uma transição espontânea de um dos íons Cr3+, um fóton com frequência é emitido do nível 2 para o nível 1 e12, que começa a se propagar no cristal rubi.Ao encontrar íons Cr3+ excitados d -red, este fóton causa uma radiação já induzida coerente com o fóton primário.

Devido a inúmeras reflexões das bordas polidas e prateadas do monocristal de rubi, a intensidade da radiação no cristal aumenta continuamente. Isso acontece apenas com esses fótons, a direção de propagação é komotorykh faz um pequeno ângulo com o eixo do cristal. A radiação do aço sai do cristal pela superfície lateral e não participa da formação do feixe de radiação. O feixe de radiação sai por uma das pontas, que é um espelho translúcido.

Um grande avanço no aprimoramento da tecnologia em diversas indústrias está relacionado ao uso de geradores quânticos ópticos (lasers). Como você sabe, a radiação do laser difere significativamente da radiação de outras fontes de luz não laser (térmica, descarga de gás, etc.). Essas diferenças levaram ao uso generalizado de lasers em vários campos da ciência e da tecnologia.

Considere o projeto básico de lasers.

Em geral, o diagrama de blocos de um gerador quântico óptico (OQC) é mostrado na Fig. 1 (em alguns casos, as unidades 4-7 podem estar ausentes).

Na substância ativa 1, sob a ação do bombeamento, a radiação que passa por ela é potencializada devido à radiação induzida (causada por um campo eletromagnético externo) de elétrons passando dos níveis de energia superiores para os inferiores. Neste caso, as propriedades da substância ativa determinam a frequência de emissão do laser.

Como substância ativa, podem ser utilizados meios cristalinos ou amorfos, nos quais são introduzidas pequenas quantidades de impurezas de elementos ativos (em lasers de estado sólido); gases ou vapores de metais (em lasers de gás); soluções líquidas de corantes orgânicos (em lasers líquidos).

Arroz. 1. Diagrama de blocos de um gerador quântico óptico

Com a ajuda do sistema de bomba de laser 3, são criadas condições na substância ativa que permitem amplificar a radiação. Para isso, é necessário criar uma inversão (redistribuição) das populações dos níveis de energia dos átomos de elétrons, em que a população dos níveis superiores é maior que a dos níveis inferiores. Como sistemas de bombeamento, são utilizados em lasers de estado sólido — lâmpadas de descarga de gás, em lasers de gás — fontes de corrente contínua, pulsadas, geradores de HF e micro-ondas e em lasers líquidos — LAGs.

A substância ativa do laser é colocada em um ressonador óptico 2, que é um sistema de espelhos, um dos quais é translúcido e serve para remover a radiação laser do ressonador.

As funções do ressonador óptico são bastante diversas: criar feedback positivo no gerador, formar o espectro da radiação laser, etc.

O dispositivo 5 para seleção de modo e estabilização de frequência é projetado para melhorar a qualidade do espectro da radiação de saída do laser, ou seja, aproximá-lo do espectro de oscilações monocromáticas.

Em lasers líquidos, o System 6 atinge uma ampla faixa de ajuste de frequência de oscilação. Se necessário, a modulação de amplitude ou fase da radiação pode ser obtida no laser. A modulação externa é geralmente usada com o dispositivo 7.

tipos de laser

Os lasers modernos podem ser classificados de acordo com diferentes critérios:

• pelo tipo de substância ativa neles utilizada,

• por modo de operação (geração contínua ou pulsada, modo Q-switched),

• pelas propriedades espectrais da radiação (lasers multimodo, monomodo, de frequência única), etc.

A mais comum é a primeira das classificações mencionadas.

Lasers de estado sólido

Esses lasers usam meios cristalinos e amorfos como substância ativa. Os lasers de estado sólido têm várias vantagens:

• altos valores de ganho linear do meio, que permitem obter um laser com pequenas dimensões axiais do laser;

• possibilidade de obter valores de potência de saída extremamente altos no modo de pulso.

Os principais tipos de lasers de estado sólido são:

1. lasers de rubi nos quais os íons de cromo são o centro ativo. As linhas geradoras estão na região vermelha do espectro (λ = 0,69 μm). A potência de saída da radiação em modo contínuo é de vários watts, a energia em modo pulsado é de várias centenas de joules com duração de pulso da ordem de 1 ms;

2. lasers baseados em íons de metais de terras raras (principalmente íons de neodímio). Uma vantagem importante desses lasers é a capacidade de serem usados ​​em modo contínuo à temperatura ambiente. A principal linha de geração desses lasers está na região do infravermelho (λ = 1,06 μm). O nível de potência de saída no modo contínuo atinge 100-200 W com uma eficiência de 1-2%.

lasers de gás

A inversão de população em lasers de gás é conseguida tanto com a ajuda de descargas como com a ajuda de outros tipos de bombeamento: químico, térmico, etc.

Comparados aos lasers de gás de estado sólido, eles têm várias vantagens:

• abrange uma faixa extremamente ampla de comprimentos de onda de 0,2 a 400 mícrons;

• a emissão dos lasers a gás é altamente monocromática e direcional;

• permite que níveis de potência de saída muito altos sejam alcançados em operação contínua.

Os principais tipos de lasers a gás:

1.Lasers de néon de hélio… O comprimento de onda principal está na parte visível do espectro (λ = 0,63 μm). A potência de saída é geralmente inferior a 100 mW. Em comparação com todos os outros tipos de lasers, os lasers de hélio-neon fornecem o mais alto grau de coerência de saída.

2. Lasers de vapor de cobre… A principal geração de radiação é criada em duas linhas, uma das quais está na parte verde do espectro (λ = 0,51 μm) e a outra na amarela (λ = 0,58 μm). A potência do pulso nesses lasers atinge 200 kW com uma potência média de cerca de 40 W.

3. Lasers de gás iônico... Os lasers mais comuns deste tipo são os lasers de argônio (λ = 0,49 — 0,51 µm) e os lasers de hélio-cádmio (λ = 0,44 µm).

4. Lasers moleculares de CO2... A geração mais poderosa é alcançada em λ = 10,6 μm. A potência de saída no modo cw dos lasers de CO2 é extremamente alta e atinge 10 kW ou mais com uma eficiência suficientemente alta de 15-30% em comparação com todos os outros tipos de lasers. Potências de pulso = 10 MW são alcançadas com uma duração dos pulsos gerados da ordem de 10-100 ms.

lasers líquidos

Os lasers líquidos permitem o ajuste em uma ampla faixa da frequência de oscilação gerada (de λ = 0,3 µm a λ = 1,3 µm). Como regra, nesses lasers, a substância ativa são soluções líquidas de corantes orgânicos (por exemplo, solução de rodamina).

Parâmetros do laser

Coerência

Uma característica distintiva da radiação laser é a sua coerência.

A coerência é entendida como um curso coordenado dos processos ondulatórios no tempo e no espaço. nos momentos de pausa no tempo.

Oscilações eletromagnéticas coerentes — oscilações de duas ou mais fontes com as mesmas frequências e uma diferença de fase constante. Na engenharia de rádio, o conceito de coerência também se estende a fontes de oscilações cujas frequências não são iguais. Por exemplo, as oscilações de 2 fontes são consideradas coerentes se suas frequências f1 e e2 estiverem em uma relação racional, ou seja, f1 / f2 = n / m, onde n e m são inteiros.

Fontes de oscilações que no intervalo de observação possuem frequências quase iguais e quase a mesma diferença de fase, ou fontes de oscilações cuja razão de frequência difere pouco da racional, são chamadas de fontes de oscilações quase coerentes.

A capacidade de interferir é uma das principais características da oscilação coerente. Deve-se notar que apenas ondas coerentes podem interferir. A seguir, será mostrado que vários campos de aplicação de fontes de radiação óptica são baseados justamente no fenômeno da interferência.

Divergência

A alta coerência espacial da radiação laser leva a uma baixa divergência dessa radiação, que depende do comprimento de onda λ e dos parâmetros da cavidade óptica utilizada no laser.

Para fontes de luz comuns, mesmo quando espelhos especiais são usados, o ângulo de divergência é cerca de uma a duas ordens de grandeza maior que o dos lasers.

A baixa divergência da radiação laser abre a possibilidade de obter uma alta densidade de fluxo de energia luminosa usando lentes de focagem convencionais.

A alta diretividade da radiação laser permite realizar análises, medições e efeitos locais (praticamente em um determinado momento) sobre uma determinada substância.

Além disso, a alta concentração espacial da radiação laser leva a fenômenos não lineares pronunciados, nos quais a natureza dos processos em andamento depende da intensidade da irradiação. Como exemplo, podemos apontar a absorção multifotônica, que é observada apenas quando se utilizam fontes de laser e leva a um aumento da absorção de energia pela matéria em altas potências de emissor.

Monocromático

O grau de monocromaticidade da radiação determina a faixa de frequência na qual está contida a parte principal da potência do emissor. Este parâmetro é de grande importância quando se utilizam fontes de radiação óptica e é inteiramente determinado pelo grau de coerência temporal da radiação.

Nos lasers, toda a potência da radiação é concentrada em linhas espectrais extremamente estreitas. A pequena largura da linha de emissão é conseguida usando um ressonador óptico no laser e é determinada principalmente pela estabilidade da frequência de ressonância deste último.

Polarização

Em vários dispositivos, um certo papel é desempenhado pela polarização da radiação, que caracteriza a orientação predominante do vetor do campo elétrico da onda.

Fontes não-laser comuns são caracterizadas por polarização caótica. A radiação do laser é circular ou linearmente polarizada. Em particular, com polarização linear, dispositivos especiais podem ser usados ​​para girar o plano de polarização. A este respeito, deve-se notar que, para vários produtos alimentícios, o coeficiente de reflexão dentro da banda de absorção depende significativamente da direção do plano de polarização da radiação.

Duração do pulso. O uso de lasers também permite obter radiação na forma de pulsos de duração muito curta (tp = 10-8-10-9 s). Isso geralmente é obtido pela modulação do fator Q do ressonador, bloqueio de modo, etc.

Em outros tipos de fontes de radiação, a duração mínima do pulso é várias ordens de grandeza maior, que, em particular, é a largura da linha espectral.

Efeitos da radiação laser em objetos biológicos

A radiação laser com alta densidade de energia em combinação com monocromaticidade e coerência é um fator único que afeta objetos biológicos. A monocromaticidade permite afetar seletivamente certas estruturas moleculares dos objetos, e a coerência e a polarização, combinadas com um alto grau de organização dos sistemas irradiados, determinam um efeito cumulativo específico (ressonância), que mesmo em níveis relativamente baixos de radiação leva a uma forte fotoestimulação de processos em células, a fotomutagênese.

Quando objetos biológicos são expostos à radiação laser, algumas ligações moleculares são destruídas ou ocorre a transformação estrutural das moléculas, e esses processos são seletivos, ou seja, algumas ligações são completamente destruídas pela irradiação, enquanto outras praticamente não mudam. Um caráter de ressonância tão pronunciado da interação da radiação laser com moléculas abre a possibilidade de catálise seletiva de certas reações metabólicas, ou seja, reações metabólicas, controle leve dessas reações. Nesse caso, a radiação laser desempenha o papel de uma enzima.

O uso de tais propriedades de fontes de luz laser abre amplas possibilidades para melhorar a biossíntese industrial.

A irradiação a laser de levedura pode ser usada para biossíntese direcionada de, por exemplo, carotenóides e lipídios e, mais amplamente, para obter novas cepas de levedura mutantes com orientação biossintética alterada.

Em várias indústrias de alimentos, pode ser usada a capacidade de controlar, usando irradiação a laser, a taxa de atividade de enzimas que quebram moléculas de proteína em fragmentos polipeptídicos e hidrolisam esses fragmentos em aminoácidos.

Na produção industrial de ácido cítrico, a estimulação a laser atinge um aumento no rendimento do produto em 60% e, ao mesmo tempo, reduz o conteúdo de subprodutos. A fotoestimulação a laser da lipogênese em fungos permite a produção de gorduras comestíveis e técnicas durante o processamento de matérias-primas de cogumelos não comestíveis. Também foram obtidos dados sobre estimulação a laser da formação de órgãos reprodutivos em fungos utilizados na indústria microbiológica.

Vale ressaltar que, diferentemente das fontes de luz convencionais, o laser é capaz de esterilizar sucos na parte visível do espectro, o que abre a possibilidade de esterilização com lasers diretamente através do vidro do frasco.

Uma característica interessante da esterilização a laser foi observada. Se em um nível de baixa potência as curvas de sobrevivência das células microbianas para irradiação a laser e irradiação com uma fonte de luz convencional praticamente coincidem, quando a potência específica da irradiação a laser é de cerca de 100 kW / cm2, há um aumento acentuado na eficácia do ação esterilizante da radiação laser, ou seja, para alcançar o mesmo efeito de morte celular requer muito menos energia do que usar uma fonte de baixa potência.

Quando irradiado com uma fonte de luz incoerente, esse efeito não é observado. Por exemplo, quando as células são iluminadas com um pulso poderoso, basta um flash para que o laser de rubi atinja até 50% das células, enquanto a mesma energia, absorvida por muito tempo, não só não causa danos , mas também leva à intensificação dos processos de fotossíntese em microorganismos.

O efeito descrito pode ser explicado pelo fato de que, em condições normais, as moléculas que entram em uma reação fotoquímica absorvem um quantum de luz (absorção de um fóton), o que aumenta sua reatividade. a absorção de fótons aumenta, em que uma molécula absorve dois fótons simultaneamente. Nesse caso, a eficiência das transformações químicas aumenta acentuadamente e a estrutura das moléculas é danificada com maior eficiência.

Quando exposto à poderosa radiação laser, ocorrem outros efeitos não lineares que não são observados ao usar fontes de luz convencionais. Um desses efeitos é a conversão de parte da potência de radiação da frequência f em radiação das frequências 2f, 3f, etc. (geração de harmônicos ópticos). Este efeito é devido às propriedades não lineares do meio irradiado em altos níveis de irradiação.

Como se sabe que os objetos biológicos são mais sensíveis à ação da radiação UV, o efeito esterilizante dos harmônicos será mais eficaz. Ao mesmo tempo, se um objeto for irradiado diretamente com uma fonte de radiação UV, a maior parte da potência incidente do emissor será absorvida nas camadas superficiais. No caso descrito, a radiação UV é gerada dentro do próprio objeto, o que leva à natureza volumétrica do efeito esterilizante. Obviamente, neste caso, pode-se esperar uma maior eficiência do processo de esterilização.

O alto grau de monocromaticidade da radiação laser pode possibilitar a esterilização de um tipo de bactéria, enquanto estimula o crescimento de microorganismos de outro tipo em sistemas bacterianos binários, ou seja, produzir esterilização "seletiva" direcionada.

Além dessas áreas de aplicação, os lasers também são usados ​​para medir várias grandezas — espectroscopia, deslocamentos de objetos (método de interferência), vibrações, velocidades de fluxo (anemômetros a laser), não homogeneidades em meios opticamente transparentes. Com a ajuda de lasers, é possível monitorar a qualidade da superfície, estudar a dependência das propriedades ópticas de uma determinada substância de fatores externos, medir a contaminação do ambiente com microorganismos, etc.