No Image

Почему в качестве источника излучения используется лазер

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
12 декабря 2019

Читайте также:

  1. N Ионизирующее излучение
  2. Ионизирующее излучение и его характеристики.
  3. Лазерное излучение.
  4. Лазерное проплавление материалов. Испарение под действием лазерного излучения.
  5. Лазерное рекламное шоу
  6. Лазерное рекламное шоу
  7. Лазерное шоу
  8. Нагрев поверхностного слоя в отсутствие фазового перехода непре-рывным излучением. Нагрев тонких металлических листов.
  9. Объёмное дымовое лазерное шоу // laser beam show
  10. Пифагор изливает свои сокровища. Он становится светящимся, сияющим чадом божьим. Преодолев страсти, он стал источником высшей, божественно духовной силы— он сам дает излучение
  11. Сварка материалов непрерывным лазерным излучением.

Лекция 8

«Лазер» — аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Лазер (оптический квантовый генератор) — генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, которое формируется в (лазерах) с длиной волны 0,2-1000мкм: 0,2…0,4 мкм — ультрафиолетовая, 0,4…0,75 мкм — видимого света, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10 2 мкм.

Отличительная особенность лазерных излучений является: монохромность излучения (строго одной длины волны); когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе); острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерное излучение различают по виду излучения на

прямое (заключенное в ограниченном телесном угле)

рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч)

зеркально-отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения)

диффузно-отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям)

Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов:

активной среды

резонатора

системы накачки.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO2 и др.); жидкостные; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используются параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда.

Накачка, т.е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Классификацию лазеров можно представить в следующем виде (рис):

По степени опасности генерируемого излучения классифицируются лазеры согласноГОСТ 12.1.041-83 (1996):

— класс 1 (безопасные)— выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

— класс II (малоопасные) — выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркальныо-отраженным излучением;

— класс III (среднеопасные) – опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно-отраженное излучение;

— класс IV (высокоопасные) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отраженной поверхности.

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временны́х, энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и предельно допустимых уровней лазерного излучения.

Технические характеристики лазера: длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса ,с; частота повторения импульсов,Гц.

Лазеры получили широкое применение в научных целях, в практической медицине, а также в различных областях техники. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения:

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е, энергии импульса Еи, плотности мощности (энергии) Wp (We), времени облучения t, длины волны l, длительности импульса t, частоты повторения импульсов f, потока излучения Ф, поверхностной плотности излучения Еэ, интенсивности излучения I.

Характеризуемый объект Показатель Обозначение Единица измерения
Пучок лазерного излучения Энергия лазерного излучения Е Дж
Энергия импульса лазерного излучения Еи Дж
Мощность лазерного излучения Р Вт
Плотность энергии (мощности) лазерного излучения We , Wp Дж/см 2 (Вт/см 2 )
Поле излучения Поток излучения Ф, F, Р Вт
Поверхностная плотность потока излучения Еэ Вт/м 2
Интенсивность излучения I, S Вт/м 2
Источник излучения Излучательная способность Rэ Вт/м 2
Энергетическая сила излучения Iэ Вт/ср
Энергетическая яркость Le Вт/м 2 ·ср
Приемник излучения Облученность (энергетическая освещенность) Ee Вт/м 2
Энергетическое количество освещения He Дж/м 2

Под воздействием лазерного излучения нарушается жизнедеятельность, как отдельных органов, так и организма в целом. В настоящее время установлено специфическое действие лазерных излучений на биологические объекты, отличающееся от действия других опасных производственных физических и химических факторов. При воздействии лазерного излучения на сплошную биологическую структуру (например, на организм человека) различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии (физической) происходят взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей тканей, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, переход энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, в результате которого происходит свертывание белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При импульсном режиме (с длительностью импульсов -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На второй стадии (физико-химической) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии (химической) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом. Схематически основные факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения, можно представить следующим образом:

Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тканей, которые непосредственно поглощают излучение, поэтому с позиций потенциальной опасности воздействия и возможности защиты от лазерного излучения рассматривают в основном глаза и кожу.

Высокой чувствительностью к электромагнитным излучениям обладают роговица и хрусталик глаза, причем оптическая система глаза способна на несколько порядков увеличивать плотность энергии видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне по отношению к роговице.

Длительное действие лазерного излучения видимого диапазона (не на много меньше ожогового порога) на сетчатку глаза может вызвать необратимые изменения в ней, а в ближнем инфракрасном диапазоне может привести к помутнению хрусталика. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Действие лазерного излучения на кожу в зависимости от первоначальной поглощенной энергии приводит к различным поражениям: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном итоге, образования глубоких дефектов кожи.

Различают 6 видов воздействия ЛИ на живой организм:

1) термическое (тепловое) действие. При фокусировании лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2) энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты.;

3) фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4) механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме.

5) электрострикция – деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6) образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) облучения приняты энергетические экспозиции. Для ПДУ непрерывного лазерного излучения выбирают энергетическую экспозицию наименьшей величины, не вызывающей первичных и вторичных биологических эффектов (с учетом длины волны и длительности воздействия). Для импульсно-периодического излучения, ПДУ облучения рассчитывают с учетом частоты повторения и воздействия серии импульсов.

При эксплуатации лазеров, помимо лазерного излучения, возникают и другие виды опасностей. Это – выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

| следующая лекция ==>
| УЧАСТКИ ПРИЕМА, ВЫДАЧИ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Дата добавления: 2015-06-27 ; Просмотров: 5578 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Термин «лазер» («laser») составлен из начальных букв пяти слов «Light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе с английского означает « Усиление света путем его вынужденного излучения». В сущности, лазер представляет собой источник света, в котором путем внешнего освещения достигается возбуждение атомов определенного вещества. И когда эти атомы под воздействием внешнего электромагнитного излучения возвращаются в исходное состояние, происходит вынужденное излучение света.

Читайте также:  Очиститель засохшей монтажной пены

Принцип действия лазера

Принцип действия лазера сложен. Согласно планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком Э.Резерфордом (1871-1937), в атомах различных веществ электроны движутся вокруг ядра по определенным энергетическим орбитам. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. В обычном, невозбужденном, состоянии электроны атома занимают более низкие энергетические уровни. Они способны только поглощать падающее на них излучение. В результате взаимодействия с излучением атом приобретает дополнительное количество энергии, и тогда один или несколько его электронов переходят в отдаленные от ядра орбиты, то есть на более высокие энергетические уровни. В таких случаях говорят, что атом перешел в возбужденное состояние. Поглощение энергии происходит строго определенными порциями — квантами. Избыточное количество энергии, полученное атомом, не может в нем оставаться бесконечно долго — атом стремится избавиться от излишка энергии.

Возбужденный атом при определенных условиях будет отдавать полученную энергию так же строго определенными порциями, в процессе его электроны возвращаются на прежние энергетические уровни. При этом образуются кванты света (фотоны), энергия которых равна разности энергии двух уровней. Происходит самопроизвольное, или спонтанное излучение энергии. Возбужденные атомы способны излучать не только сами по себе, но и под действием падающего на них излучения, при этом излученный квант и квант, «породивший» его, похожи друг на друга. В результате индуцированное (вызванное) имеет ту же длину волны, что и вызвавшая его волна. Вероятность индуцированного излучения будет нарастать при увеличении количества электронов, перешедших на верхние энергетические уровни. Существуют так называемые инверсные системы атомов, где происходит накопление электронов преимущественно на более высоких энергетических уровнях. В них процессы излучения квантов преобладают над процессами поглощения.

Инверсные системы используются при создании оптических квантовых генераторов — лазеров. Подобную активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий из двух параллельных высококачественных зеркал, размещенных по обе стороны от активной среды. Кванты излучения, попавшие в эту среду, многократно отражаясь от зеркал бесчисленное количество раз пересекают активную среду. При этом каждый квант вызывает появление одного или нескольких таких же квантов за счет излучения атомов, находящихся на более высоких уровнях.

Рассмотрим принцип работы лазера на кристалле рубина. Рубин — природный минерал кристаллического строения, исключительно твердый (почти как алмаз). Внешние кристаллы рубина очень красивы. Их цвет зависит от содержания хрома имеет различные оттенки: от светло-розового до темно-красного. По химической структуре рубин — окись алюминия с примесью (0,5%) хрома. Атомы хрома — активное вещество рубинового кристалла. Именно они являются усилителями волн видимого света и источником лазерного излучения. Возможное энергетическое состояние ионов хрома можно представить в виде трех уровней (I, II и III). Чтобы активизировать рубин и привести атомы хрома в «рабочее» состояние, на кристалл навивают спиральную лампу — накачку, работающую в импульсном режиме и дающую мощное зеленое излучение света. Эти «зеленые» кванты тотчас поглощаются электронами хрома, находящимися на нижнем энергетическом уровне (I). Возбужденным электронам достаточно поглощенной энергии для перехода на верхний (III) энергетический уровень. Возвратиться в основное состояние электроны атомов хрома могут либо непосредственно с третьего уровня на первый, либо через промежуточный (II) уровень. Вероятность перехода их на второй уровень больше, чем на первый.

Большая часть поглощенной энергии переходит на промежуточный (II) уровень. При наличии достаточного интенсивного возбуждающего излучения представляется возможность получить на втором уровне больше электронов, чем осталось на основном. Если теперь осветить активизированный кристалл рубина слабым красным светом (этот фотон соответствует переходу со II в I основное состояние), то «красные» кванты как бы подтолкнут возбужденные ионы хрома, и они со второго энергетического уровня перейдут на первый. Рубин при этом излучит красный свет. Так как кристалл рубина представляет собой стержень, торцевые поверхности которого изготавливаются в виде двух отражающих зеркал, то отразившись от торцов рубина, «красная» волна вновь пройдет через кристалл и на своем пути всякий раз будет вовлекать в процесс излучения все большее число новых частиц, находящихся на втором энергетическом уровне. Таким образом, в кристалле рубина непрерывно накапливается световая энергия, которая выходит через его границы через одну из торцевых полупрозрачных зеркальных поверхностей в виде испепеляющего красного луча в миллион раз превосходящего по яркости луч Солнца.

Помимо рубина, в качестве активного вещества применят и другие кристаллы, например, твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла), газовые лазеры (активным веществом являются газ — смесь аргона и кислорода, гелия и неона, окись углерода), лазеры на красителях, химические лазеры, полупроводниковые лазеры.

В зависимости от устройства лазера его излучение может происходить в виде молниеносных отдельных импульсов («выстрелов»), либо непрерывно. Поэтому различают лазеры импульсного и непрерывного действия. К первым относится рубиновый лазер, а ко вторым — газовые. Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Лазерное излучение имеет свои характеристические черты. Это когерентность, монохроматичность и направленность.

Монохроматический — значит одноцветный. Благодаря этому свойству луч лазера представляет собой колебания одной длины волны, например, обычный солнечный свет — это излучение широкого спектра, состоящее из волн различной длины и различного цвета. Лазеры имеют свою, строго определенную длину волны. Излучение гелий-неонового лазера — красное, аргонового — зеленое, гелий кадмиевого — синее, неодимового — невидимое (инфракрасное).

Монохроматичность лазерного света придает ему уникальное свойство. Вызывает недоумение тот факт, что лазерный луч определенной энергии способен пробить стальную пластину, но на коже человека не оставляет почти никакого следа. Это объясняется избирательностью действия лазерного излучения. Цвет лазера вызывает изменения лишь в той среде, которая его поглощает, а степень поглощения зависит от оптических свойств материала. Обычно каждый материал максимально поглощает излучение лишь определенной длины волны.

Избирательное действие лазерных лучей наглядно демонстрирует опыт с двойным воздушным шаром. Если вложить зеленый резиновый шар внутрь шара из бесцветной резины, то получится двойной воздушный шар. При выстреле рубиновым лазером разрывается только внутренняя (зеленая) оболочка шара, которая хорошо поглощает красное лазерное излучение. Прозрачный наружный шар остается целым.

Красный свет рубинового лазера интенсивно поглощается зелеными растениями, разрушая их ткани. Наоборот, зеленое излучение аргонового лазера слабо абсорбируется листьями растений, но активно поглощается красными кровяными тельцами (эритроцитами) и быстро повреждает их.

Второй отличительной чертой лазерного излучения является его когерентность. Когерентность, в переводе с английского языка (coherency), означает связь, согласованность. А это значит, что в различных точках пространства в одно и то же время или в одной и той же точке в различные отрезки времени световые колебания координированы между собой. В обычных световых источниках кванты света выпускаются беспорядочно, хаотически, Несогласованно, то есть некогерентно. В лазере излучение носит вынужденный характер, поэтому генерация фотонов происходит согласованно и по направлению и по фазе. Когерентность лазерного излучения обусловливает его строгую направленность — распространение светового потока узким пучком в пределах очень маленького угла. Для света лазеров угол расходиомсти может быть меньше 0,01 минуты, а это значит, что лазерные лучи распространяются практически параллельно. Если сине-зеленый луч лазера направить на поверхность Луны, которая находится на расстоянии 400000 км. От Земли, то диаметр светового пятна на Луне будет не больше 3 км. То есть на дистанции 130 км. Лазерный луч расходится меньше, чем на 1 м. При использовании телескопов лазерный луч можно было бы увидеть на расстоянии 0,1 светового года (1 световой год =10 в 13 степени км.).

Если мы попробуем сконцентрировать с помощью собирающей линзы свет обыкновенной электролампочки. То не сможем получить точечное пятно. Это связано с тем, что преломляющая способность волн различной длины, из которых состоит свет, различно, и лучи волн с одинаковой длиной собираются в отдельный фокус. Поэтому пятно получается размытым. Уникальное свойство лазерного излучения ( монохроматичность и малая расходимость) позволяют с помощью системы линз сфокусировать его на очень малую площадь. Эта площадь может быть уменьшена настолько, что по размерам будет равна длине волны фокусируемого света. Так, для рубинового лазера наименьший диаметр светового пятна составляет примерно 0,7 мкм. Таким образом можно создать чрезвычайно высокую плотность излучения. То есть максимально сконцентрировать энергию. Лазер с энергией в 100 джоулей дает такие же вспышки, как и электрическая лампочка мощность в 100 ватт при горении в течение одних суток. Однако вспышка лазера длится миллионные доли секунды и, следовательно, та же энергия оказывается спрессованной в миллион раз. Вот почему в узком спектральном диапазоне яркость вспышки мощных лазеров может превышать яркость Солнца в биллионы раз. С помощью лазеров можно достигнуть плотности энергии излучения около 10 в 15 степени ватт на метр квадратный, в то время, как плотность излучения Солнца составляет только порядка 10 в 7 степени ватт на метр квадратный. Благодаря такой огромной плотности энергии в месте фокусировки пучка мгновенно испаряется любое вещество.

Читайте также:  Нож из ленточной пилы по дереву

В процессе изготовления, испытания и эксплуатации лазерных изделий на обслуживающий персонал могут воздействовать физические, химические и психофизиологические опасные и вредные факторы.

К физическим факторам относятся:

  • · Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или диффузно отраженное);
  • · Высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания лазера (лазерных установок);
  • · Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации от импульсных ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок в рабочей зоне;
  • · Повышенная яркость света от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом мишени;
  • · Повышенный шум и вибрация на рабочем месте, возникающие при работе лазера (лазерной установки);
  • · Повышенный уровень ионизирующего рентгеновского излучения от газоразрядных трубок и др. элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;
  • · Повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ — и СВЧ — диапазонов в рабочей зоне;
  • · Повышенный уровень инфракрасной радиации в рабочей зоне;
  • · Повышенная температура поверхностей оборудования;
  • · Взрывоопасность в системах накачки лазеров;
  • · Возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

К химическим факторам относятся:

  • · Загрязнение воздуха рабочей зоны продуктами взаимодействия лазерного излучения с мишенью и радиолиза воздуха (озон, окислы азота и др);
  • · Токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой хладагентов и др.

Психофизиологические факторы — это:

  • · Монотония, гипокинезия, эмоциональная напряженность, психологический дискомфорт;
  • · Локальные нагрузки на мышцы и кисти предплечья; напряженность анализаторных функций (зрение, слух).

Лазер — квантовый генератор (усилитель) когерентного излучения оптического диапазона. Термин «laser» образован первыми буквами английского названия light amplification by stimulated emission of radiation — «усиление света с помощью индуцированного излучения». В зависимости от рода активного материала различают лазеры на основе твердого тела, газовые и жидкостные.

Из лазеров первого типа наиболее изучен рубиновый. В одной из ранних моделей такого лазера для получения индуцированного излучения используются энергетические переходы трехвалентного иона хрома Сг 3+ в монокристалле рубина (Сг2О3, А12О3). Под действием излучения подкачки (с длиной волны порядка 5600А) ион Сг 3+ переходит с уровня 1 на уровень 3, с которого возможны переходы вниз на уровни 2 и 1. Если переходы на метастабильный уровень 2 преобладают и если подкачка обеспечивает пост, инверсию населенностей уровней 1 и 2, то населенность уровня 2 станет больше населенности уровня 1.

При спонтанном переходе одного из ионов Сг 3+ с уровня 2 на уровень 1 излучается фотон частоты f 12, который начинает распространяться по кристаллу рубина . В стречаясь с др угими возбужденными ионами Сг 3+ , этот фотон вызывает уже индуцированное излучение, когерентное с первичным фотоном.

За счет многократного отражения от шлифованных и посеребренных торцов монокристалла рубина интенсивность излучения в кристалле непрерывно увеличивается. Это происходит только с теми фотонами, направление распространения к ото рых составляет небольшой угол с осью кристалла . О стальное же излучение покидает кристалл через боковую поверхность и не принимает участия в формировании пучка излучения. Пучок излучения выходит через один из торцов, являющийся полупрозрачным зеркалом.

Большие успехи в совершенствовании технологии различных производств связаны с использованием оптических квантовых генераторов (лазеров). Как известно, лазерное излучение существенно отличается от излучения прочих нелазерных источников света (тепловых, газоразрядных и т. п.). Эти отличия обусловили широкое применение лазеров в различных областях науки и техники.

Рассмотрим принципиальное устройство лазеров.

В наиболее общем виде блок-схема оптического квантового генератора (ОКХ) представлена на рис. 1 (в ряде случаев устройства 4—7 могут отсутствовать).

В активном веществе 1 под воздействием накачки осуществляется усиление проходящего через него излучения за счет индуцированного (вызванного внешним электромагнитным полем) излучения электронов, переходящих с верхних энергетических уровней на нижние. При этом свойства активного вещества определяют частоту излучения ОКГ.

В качестве активного вещества могут быть использованы кристаллические или аморфные среды, в которые вводятся в небольших количествах примеси активных элементов (в твердотельных лазерах); газы или пары металлов (в газовых лазерах); жидкие растворы органических красителей (в жидкостных лазерах).

Рис. 1. Блок-схема оптического квантового генератора

С помощью системы накачки ОКГ 3 в активном веществе создаются условия, обусловливающие возможность усиления излучения. Для этого необходимо создать инверсию (перераспределение) населенностей энергетических уровней атомов электронами, при которой населенность верхних уровней больше, чем нижних. В качестве систем накачки используются в твердотельных лазерах — газоразрядные лампы, в газовых — источники постоянного тока, импульсные, ВЧ- и СВЧ-генераторы и в жидкостных — ОКГ.

Активное вещество лазера помещается в оптический резонатор 2, который представляет собой систему зеркал, одно из которых выполняется полупрозрачным и служит для вывода из резонатора излучения ОКГ.

Функции оптического резонатора довольно разнообразны: создание в генераторе положительной обратной связи, формирование спектра излучения ОКГ и т. д.

Устройство селекции мод и стабилизации частоты 5 предназначены для улучшения качества спектра выходного излучения ОКГ, т. е. приближения его к спектру монохроматического колебания.

В жидкостных лазерах с помощью системы 6 достигается перестройка частоты генерации в широких пределах. При необходимости в ОКГ может быть достигнута амплитудная или фазовая модуляция излучения. Внешняя модуляция используется, как правило, с помощью устройства 7.

Современные лазеры могут классифицироваться по различным признакам:

• по типу используемого в них активного вещества,

• по режиму работы (непрерывной или импульсной генерации, режим работы с модулированной добротностью),

• по спектральным свойствам излучения (многомодовые, одномодовые, одночастотные лазеры) и т. д.

Наиболее распространенной является первая из названных классификаций.

В этих лазерах в качестве активного вещества используются кристаллические и аморфные среды. Твердотельные лазеры обладают рядом преимуществ:

• высокими значениями погонного усиления среды, позволяющими получать генерацию при небольших осевых размерах ОКГ;

• возможностью получать чрезвычайно высокие значения выходной мощности в импульсном режиме.

Основные типы твердотельных лазеров:

1. рубиновые лазеры, в которых активным центром являются ионы хрома. Линии генерации лежат в красной области спектра (λ= 0,69 мкм). Выходная мощность излучения в непрерывном режиме — единицы ватт, энергия в импульсном режиме — не¬сколько сот джоулей при длительности импульса порядка 1 мс;

2. лазеры на ионах редкоземельных металлов (в основном на ионах неодима). Важным достоинством этих лазеров является возможность использования их в непрерывном режиме при комнатной температуре окружающей среды. Основная линия генерации этих лазеров лежит в ИК-области (λ= 1,06 мкм). Уровень выходной мощности в непрерывном режиме достигает 100—200 Вт при КПД 1—2%.

Инверсия населенностей в газовых лазерах достигается как с помощью разрядов, так и с помощью других видов накачки: химической, тепловой и т. д.

По сравнению с твердотельными газовые лазеры обладают рядом преимуществ:

• перекрывают чрезвычайно широкий диапазон длин волн 0,2—400 мкм;

• излучение газовых лазеров обладает высокой монохроматичностью и направленностью;

• позволяют получать в непрерывном режиме очень высокие уровни выходной мощности.

Основные типы газовых лазеров:

1. Гелий-неоновые лазеры . Основная длина волны лежит в видимой части спектра (λ=0,63 мкм). Выходная мощность, как правило, не превышает 100 мВт. По сравнению со всеми другими типами лазеров гелий-неоновые лазеры обеспечивают наиболее высокую степень когерентности выходного излучения.

2. Лазеры на парах меди . Основная генерация излучения создается на двух линиях, одна из которых лежит в зеленой части спектра (λ=0,51 мкм), другая — в желтой (λ = 0,58 мкм). Импульсная мощность в таких лазерах достигает 200 кВт при средней мощности порядка 40 Вт.

3. Ионные газовые лазеры . Наиболее распространенными ОКГ этого типа являются аргоновые лазеры (λ = 0,49 — 0,51 мкм) и гелий-кадмиевые лазеры (λ = 0,44 мкм).

4. Молекулярные СО2 -лазеры . Наиболее мощная генерация достигается на λ = 10,6 мкм.. Выходная мощность в непрерывном режиме С02-лазеров чрезвычайно велика и доходит до 10 кВт и более при достаточно высоком по сравнению со всеми другими типами лазеров КПД =15—30%. Импульсные мощности = 10 МВт достигают при длительностях генерируемых импульсов порядка 10—100 мс.

Читайте также:  Обрешётка для стеновых панелей мдф

Жидкостные лазеры позволяют осуществлять перестройку в широких пределах частоты генерируемых колебаний (от λ = 0,3 мкм до λ = 1,3 мкм). Как правило, в подобных лазерах активным веществом являются жидкие растворы органических красителей (например, раствор родамина).

Параметры лазерного излучения

Отличительными свойствами лазерного излучения является его когерентность.

Под когерентностью понимают согласованное протекание волновых процессов во времени и в пространстве. Условно различают пространственную когерентность — согласованность между фазами волн, испускаемыми одновременно разными точками пространства и временную когерентность — согласованность между фазами волн, испускаемыми одной точкой в разрыве моменты времени.

Когерентные электромагнитные колебания — колебания двух или нескольких источников, имеющие равные частоты и постоянную разность фаз. В радиотехнике понятие когерентности распространяется и на источники колебаний, частоты которых не равны. Например, колебания 2 источников считаются когерентными, если их частоты f1 и f 2 находятся в рациональном отношении, т. е. f1/f2 = n/m , где n и m — целые числа.

Источники колебаний, которые в интервале наблюдения имеют почти равные частоты и почти равную разность фаз либо источники колебаний, отношение частот которых мало отличается от рационального, называются источниками почти когерентного колебания.

Способность интерферировать является одной из главных особенностей когерентного колебания. Следует отметить, что интерферировать могут лишь когерентные волны. В дальнейшем будет показано, что ряд областей применения источников оптического излучения основан именно на явлении интерференции.

Высокая пространственная когерентность лазерного излучения приводит к малой расходимости этого излучения, которая зависит от длины волны λ и параметров используемого в лазере оптического резонатора.

У обычных источников света даже при использовании специальных зеркал угол расходимости примерно на один-два порядка выше, чем у лазеров.

Малая расходимость лазерного излучения открывает возможность получения большой плотности потока световой энергии при использовании обычных фокусирующих линз.

Высокая направленность лазерного излучения позволяет проводить локальные (практически в точке) анализы, измерения, воздействия на вещество.

Кроме того, высокая пространственная концентрация лазерного излучения приводит к явно выраженным нелинейным явлениям, при которых характер протекающих процессов зависит от интенсивности облучения. В качестве примера можно привести многофотонное поглощение, наблюдаемое только при использовании лазерных источников и приводящее к увеличению поглощения энергии веществом при больших мощностях излучателя.

Степень монохроматичности излучения определяет область частот, в которой заключена основная часть мощности излучателя. Этот параметр имеет большое значение при использовании источников оптического излучения и полностью определяется степенью временной когерентности излучения.

В лазерах вся мощность излучения сосредоточена в чрезвычайно узких спектральных линиях. Малая ширина линии излучения достигается применением в лазере оптического резонатора и определяется в основном стабильностью резонансной частоты последнего.

В ряде устройств определенную роль играет поляризация излучения, которая характеризует преимущественную ориентацию вектора напряженности электрического поля волны.

Для обычных нелазерных источников характерна хаотическая поляризация. Лазерное излучение обладает круговой или линейной поляризацией. В частности, при линейной поляризации с помощью специальных устройств можно осуществить поворот плоскости поляризации. В связи с этим следует отметить, что для ряда пищевых продуктов коэффициент отражения в пределах полосы поглощения существенно зависит от направления плоскости поляризации излучения.

Длительность импульса. Использование лазеров позволяет также получать излучение в виде импульсов очень малой длительности (tи = 10-8—10-9 с). Это достигается обычно за счет модуляции добротности резонатора, синхронизации мод и т. п.

В других типах источников излучения минимальная длительность импульсов на несколько порядков выше, что, в частности, Таким образом, лазерное излучение существенно превосходит по своим основным параметрам излучение, создаваемое нелазерными источниками, а именно обладает более высокими когерентностью, направленностью и плотностью потока энергии и малой, шириной спектральной линии.

Воздействие лазерного излучения на биологические объекты

Лазерное излучение, обладающее высокой плотностью энергии в сочетании с монохроматичностью и когерентностью, представляет собой уникальный фактор воздействия на биологические объекты. Монохроматичность позволяет избирательно воздействовать на определенные молекулярные структуры объектов, а когерентность и поляризация в сочетании с высокой степенью организованности облучаемых систем обусловливают специфическое кумулятивное (резонансное) действие, которое даже при сравнительно небольших уровнях излучения приводит к сильной фотостимуляции процессов в клетках, вплоть до фотомутагенеза.

При воздействии лазерного излучения на биологические объекты происходит разрыв определенных молекулярных связей или структурное преобразование молекул, причем эти процессы являются селективными, т. е. одни связи полностью разрушаются при облучении, в то время как другие практически не изменяются. Такой явно выраженной резонансный характер взаимодействия лазерного излучения с молекулами открывает возможность селективного катализа некоторых метаболических реакций, т. е. реакций обмена веществ, светового управления этими реакциями. При этом лазерное излучение играет роль фермента.

Использование подобных свойств лазерных источников света открывает широкие возможности интенсификации промышленного биосинтеза.

Лазерное облучение дрожжей может быть использовано для направленного биосинтеза, например, каротиноидов и липидов, а в более широком смысле для получения новых мутантных штаммов дрожжей с измененной биосинтетической направленностью.

В ряде пищевых производств может быть использована возможность управления с помощью лазерного облучения соотношением активности ферментов, расщепляющих молекулы белков на полипептидные фрагменты и гидролизирующих эти фрагменты до аминокислот.

При промышленном производстве лимонной кислоты лазерной стимуляцией добиваются увеличения выхода продукции на 60% и одновременно снижают содержание побочных продуктов. Лазерная фотостимуляция липогенеза у грибов позволяет получать пищевые и технические жиры при переработке грибами непищевого сырья. Получены также данные о лазерной стимуляции образования репродуктивных органов у грибов, используемых в микробиологической промышленности.

Следует отметить, что в отличие от обычных источников света лазер способен стерилизовать соки в видимой части спектра, что открывает возможность проводить стерилизацию с помощью лазеров непосредственно через бутылочное стекло.

Отмечена интересная особенность лазерной стерилизации. Если при малом уровне мощности кривые выживаемости клеток микроорганизмов для лазерного облучения и облучения с помощью обычного источника света практически совпадают, то при достижении удельной мощности лазерного облучения порядка 100 кВт/см2 происходит резкое увеличение эффективности стерилизующего действия лазерного излучения, т. е. для достижения одного и того же эффекта гибели клеток необходима значительно меньшая энергия, чем при использовании маломощного источника.

При облучении же с помощью источника некогерентного света подобный эффект не наблюдается. Например, при освещении клеток мощным импульсом, рубинового лазера достаточно одной вспышки, чтобы поразить до 50% клеток, в то время, как та же энергия, поглощенная в течение длительного времени, не только не вызывает повреждений, но и приводит к интенсификации процессов фотосинтеза у микроорганизмов.

Описанный эффект можно объяснить тем, что в обычных условиях молекулы, вступая в фотохимическую реакцию, поглощают один квант света (однофотонное поглощение), что увеличивает их реакционную способность. При высоких уровнях падающего излучения возрастает вероятность двухфотонного поглощения, при котором молекула поглощает одновременно два фотона. При этом резко повышается эффективность химических превращений и с большей эффективностью повреждается структура молекул.

При воздействии мощного лазерного излучения возникают и другие нелинейные эффекты, не наблюдаемые при использовании обычных источников света. Одним из таких эффектов является преобразование части мощности облучения, имеющего частоту f в излучение с частотами 2 f, 3 f и т. д. (генерация оптических гармоник). Этот эффект обусловлен нелинейными свойствами облучаемой среды при высоких уровнях облучения.

Ввиду того что биообьекты, как известно, наиболее чувствительны к действию УФ-излучения, стерилизующее действие гармоник будет наиболее эффективным. В то же время, если облучать объект непосредственно с помощью источника УФ-излучения основная доля падающей мощности излучателя будет поглощаться в поверхностных слоях. В описываемом же случае УФ-излучение образуется внутри самого объекта, что приводит к объемному характеру стерилизующего эффекта. Очевидно при этом можно ожидать большей эффективности процесса стерилизации.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения может позволить производить стерилизацию одного типа бактерий при одновременной стимуляции роста микроорганизмов другого типа в бинарных бактериальных системах, т. е. производить направленную «избирательную» стерилизацию.

Кроме указанных областей применения, лазеры используют также для измерения различных величин — спектроскопии, перемещений объектов (интерференционный метод), вибраций, скоростей потоков (лазерные анемометры), неоднородностей в оптически прозрачных средах. С помощью лазеров можно осуществить контроль за качеством поверхности, исследовать зависимости оптических свойств вещества от внешних факторов, измерить обсемененность среды микроорганизмами и др.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector