تطبيق أشعة الليزر
الليزر - مولد كمي (مكبر للصوت) للإشعاع المتماسك في النطاق البصري. يتكون مصطلح «الليزر» من الأحرف الأولى من الاسم الإنجليزي تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المستحث للإشعاع. اعتمادًا على نوع المادة الفعالة ، يتم التمييز بين ليزر الحالة الصلبة والغاز والليزر السائل.
من بين أنواع الليزر من النوع الأول ، يعتبر الياقوت الأكثر دراسة. يستخدم أحد النماذج الأولى لمثل هذا الليزر انتقالات الطاقة لأيون الكروم ثلاثي التكافؤ Cr3 + في بلورة ياقوت متجانسة (Cr2O3 ، A12O3). تحت تأثير ضخ الإشعاع (بطول موجة يبلغ 5600 ألف) ، يمر أيون Cr3 + من المستوى 1 إلى المستوى 3 ، والذي يمكن من خلاله الانتقال إلى المستوى 2 و 1. إذا سادت التحولات إلى المستوى 2 الثابت وإذا يوفر الضخ بعدًا ، وانعكاس السكان عند المستويين 1 و 2 ، ثم سيتجاوز عدد السكان في المستوى 2 السكان في المستوى 1.
في حالة الانتقال التلقائي لأحد الأيونات Cr3 + ، ينبعث فوتون بتردد من المستوى 2 إلى المستوى 1 e12 ، والذي يبدأ بالانتشار على بلورة الياقوت.يواجه هذا الفوتون أيونات Cr3 + المثارة d -red ، مما يسبب بالفعل إشعاعًا متماسكًا مع الفوتون الأساسي.
بسبب الانعكاسات العديدة من الحواف المصقولة والفضية لبلورة الياقوت الأحادية ، تزداد كثافة الإشعاع في البلورة باستمرار. يحدث هذا فقط مع تلك الفوتونات ، واتجاه الانتشار هو komotorykh يصنع زاوية صغيرة مع محور البلورة. يترك الإشعاع الفولاذي البلورة عبر السطح الجانبي ولا يشارك في تكوين حزمة الإشعاع. يخرج شعاع الإشعاع من خلال إحدى النهايتين ، وهي مرآة نصف شفافة.
يرتبط التقدم الكبير في تحسين التكنولوجيا في مختلف الصناعات باستخدام مولدات الكم البصرية (الليزر). كما تعلم ، يختلف إشعاع الليزر اختلافًا كبيرًا عن إشعاع مصادر الضوء الأخرى غير الليزر (الحرارة ، تفريغ الغاز ، إلخ). أدت هذه الاختلافات إلى انتشار استخدام الليزر في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا.
ضع في اعتبارك التصميم الأساسي لليزر.
بشكل عام ، يظهر الرسم التخطيطي لمولد الكم البصري (OQC) في الشكل. 1 (في بعض الحالات قد تكون محركات الأقراص 4-7 مفقودة).
في المادة الفعالة 1 ، تحت تأثير الضخ ، يتم تعزيز الإشعاع الذي يمر عبره بسبب الإشعاع المستحث (الناجم عن المجال الكهرومغناطيسي الخارجي) للإلكترونات التي تنتقل من مستويات الطاقة العليا إلى المستويات السفلية. في هذه الحالة ، تحدد خصائص المادة الفعالة تردد انبعاث الليزر.
كمادة فعالة ، يمكن استخدام الوسائط البلورية أو غير المتبلورة ، حيث يتم إدخال كميات صغيرة من الشوائب من العناصر النشطة (في ليزر الحالة الصلبة) ؛ غازات أو أبخرة المعادن (في الليزر الغازي) ؛ المحاليل السائلة للأصباغ العضوية (في الليزر السائل).
أرز. 1. مخطط كتلة لمولد الكم البصري
بمساعدة نظام مضخة الليزر 3 ، يتم إنشاء ظروف في المادة الفعالة ، مما يجعل من الممكن تضخيم الإشعاع. لهذا ، من الضروري إنشاء انعكاس (إعادة توزيع) لمجموعات مستويات الطاقة لذرات الإلكترونات ، حيث يكون عدد السكان في المستويات العليا أكبر من المستويات السفلية. كأنظمة ضخ ، يتم استخدامها في ليزر الحالة الصلبة - مصابيح تفريغ الغاز ، في ليزر الغاز - مصادر التيار المباشر ، مولدات النبض ، HF والميكروويف ، وفي الليزر السائل - LAGs.
يتم وضع المادة الفعالة لليزر في مرنان بصري 2 ، وهو عبارة عن نظام من المرايا ، أحدها شبه شفاف ويعمل على إزالة إشعاع الليزر من الرنان.
تتنوع وظائف الرنان البصري تمامًا: إنشاء ردود فعل إيجابية في المولد ، وتشكيل طيف إشعاع الليزر ، وما إلى ذلك.
تم تصميم الجهاز 5 لاختيار الوضع وتثبيت التردد لتحسين جودة طيف إشعاع خرج الليزر ، أي تقريبه من طيف التذبذبات أحادية اللون.
في الليزر السائل ، يحقق النظام 6 نطاقًا واسعًا من ضبط تردد التذبذب. إذا لزم الأمر ، يمكن تحقيق تعديل السعة أو الطور للإشعاع في الليزر. عادةً ما يتم استخدام التعديل الخارجي مع الجهاز 7.
أنواع الليزر
يمكن تصنيف الليزر الحديث وفقًا لمعايير مختلفة:
• حسب نوع المادة الفعالة المستخدمة فيها ،
• عن طريق وضع التشغيل (التوليد المستمر أو النبضي ، وضع Q-switched) ،
• حسب الخصائص الطيفية للإشعاع (ليزر متعدد الأوضاع ، أحادي التردد ، ليزر أحادي التردد) ، إلخ.
الأكثر شيوعًا هو الأول من التصنيفات المذكورة.
ليزر الحالة الصلبة
تستخدم هذه الليزرات وسائط بلورية وغير متبلورة كمادة فعالة. تتمتع ليزر الحالة الصلبة بعدد من المزايا:
• القيم العالية للكسب الخطي للوسيط ، مما يجعل من الممكن الحصول على ليزر بأبعاد محورية صغيرة من الليزر ؛
• إمكانية الحصول على قيم خرج عالية للغاية في وضع النبض.
الأنواع الرئيسية لليزر الحالة الصلبة هي:
1. ليزر الياقوت الذي تكون فيه أيونات الكروم المركز النشط. تقع خطوط التوليد في المنطقة الحمراء من الطيف (λ = 0.69 ميكرومتر). الطاقة الناتجة للإشعاع في الوضع المستمر هي عدة واط ، والطاقة في الوضع النبضي هي عدة مئات من الجول مع مدة نبضة تصل إلى 1 مللي ثانية ؛
2. الليزر القائم على أيونات المعادن الأرضية النادرة (بشكل رئيسي أيونات النيوديميوم). من المزايا المهمة لهذه الليزر القدرة على استخدامها في الوضع المستمر في درجة حرارة الغرفة. يقع خط التوليد الرئيسي لهذه الليزرات في منطقة الأشعة تحت الحمراء (λ = 1.06 ميكرومتر). يصل مستوى طاقة الخرج في الوضع المستمر إلى 100-200 واط بكفاءة تصل إلى 1-2٪.
ليزر الغاز
يتم تحقيق الانعكاس السكاني في ليزر الغاز بمساعدة التصريفات وبمساعدة أنواع الضخ الأخرى: الكيميائية والحرارية وما إلى ذلك.
بالمقارنة مع ليزر الغازات الصلبة ، فإن لها عددًا من المزايا:
• يغطي نطاقًا واسعًا للغاية من الأطوال الموجية 0.2-400 ميكرون ؛
• انبعاث الليزر الغازي أحادي اللون للغاية واتجاهي.
• تمكن من تحقيق مستويات طاقة خرج عالية جدًا في التشغيل المستمر.
الأنواع الرئيسية لليزر الغازي:
1.ليزر نيون الهيليوم ... الطول الموجي الرئيسي موجود في الجزء المرئي من الطيف (λ = 0.63 ميكرومتر). عادة ما تكون طاقة الخرج أقل من 100 ميغاواط. بالمقارنة مع جميع أنواع الليزر الأخرى ، توفر ليزرات الهيليوم والنيون أعلى درجة من تماسك الإخراج.
2. ليزر بخار النحاس ... يتكون الجيل الرئيسي من الإشعاع على سطرين ، أحدهما في الجزء الأخضر من الطيف (λ = 0.51 ميكرومتر) والآخر باللون الأصفر (λ = 0.58 ميكرومتر). تصل قوة النبض في مثل هذه الليزرات إلى 200 كيلو وات بمتوسط طاقة يبلغ حوالي 40 وات.
3. ليزر غاز الأيونات ... أكثر أنواع الليزر شيوعًا من هذا النوع هي ليزر الأرجون (λ = 0.49 - 0.51 ميكرومتر) وليزر الهيليوم والكادميوم (λ = 0.44 ميكرومتر).
4. ليزر ثاني أكسيد الكربون الجزيئي ... يتم تحقيق أقوى جيل عند λ = 10.6 ميكرومتر. طاقة الخرج في وضع cw لليزر ثاني أكسيد الكربون عالية للغاية وتصل إلى 10 كيلو واط أو أكثر بكفاءة عالية بما يكفي من 15 إلى 30٪ مقارنة بجميع أنواع الليزر الأخرى. يتم تحقيق قوى النبض = 10 ميغاواط مع مدة النبضات المولدة بترتيب 10-100 مللي ثانية.
الليزر السائل
تسمح أشعة الليزر السائلة بضبط نطاق واسع من تردد التذبذب المتولد (من λ = 0.3 ميكرومتر إلى λ = 1.3 ميكرومتر). كقاعدة عامة ، في مثل هذه الليزرات ، تكون المادة الفعالة عبارة عن محاليل سائلة للأصباغ العضوية (على سبيل المثال ، محلول رودامين).
معلمات الليزر
منطق
السمة المميزة لإشعاع الليزر هو تماسكه.
يُفهم التماسك على أنه مسار منسق لعمليات الموجة في الزمان والمكان. التماسك المكاني - التماسك بين مراحل الموجات المنبعثة في وقت واحد من نقاط مختلفة في الفضاء ، والتماسك الزمني - التماسك بين مراحل الموجات المنبعثة من نقطة واحدة في لحظات انقطاع الزمن.
التذبذبات الكهرومغناطيسية المتماسكة - التذبذبات لمصدرين أو أكثر بنفس الترددات وفرق طور ثابت. في الهندسة الراديوية ، يمتد مفهوم التماسك أيضًا إلى مصادر التذبذبات التي لا تتساوى تردداتها. على سبيل المثال ، تعتبر تذبذبات مصدرين متماسكة إذا كانت تردداتهما f1 و e2 في علاقة منطقية ، أي f1 / f2 = n / m ، حيث n و m أعداد صحيحة.
تسمى مصادر التذبذبات التي لها ترددات متساوية تقريبًا في فترة المراقبة ونفس فرق الطور تقريبًا ، أو مصادر التذبذبات التي تختلف نسبة ترددها قليلاً عن النسبة المنطقية ، بمصادر التذبذبات المتماسكة تقريبًا.
القدرة على التدخل هي إحدى الخصائص الرئيسية للتذبذب المتماسك. وتجدر الإشارة إلى أن الموجات المتماسكة فقط هي التي يمكن أن تتدخل. في ما يلي ، سوف يتضح أن عددًا من مجالات تطبيق مصادر الإشعاع الضوئي تستند تحديدًا إلى ظاهرة التداخل.
تشعب
يؤدي التماسك المكاني العالي لإشعاع الليزر إلى انخفاض تباعد هذا الإشعاع ، والذي يعتمد على الطول الموجي λ ومعلمات التجويف البصري المستخدم في الليزر.
بالنسبة لمصادر الإضاءة العادية ، حتى عند استخدام المرايا الخاصة ، فإن زاوية التباعد أكبر بحوالي مرة أو مرتين من حيث الحجم من أشعة الليزر.
يفتح الاختلاف المنخفض لإشعاع الليزر إمكانية الحصول على كثافة تدفق عالية من طاقة الضوء باستخدام عدسات التركيز التقليدية.
تتيح الاتجاهية العالية لإشعاع الليزر إجراء تحليلات وقياسات وتأثيرات محلية (عمليًا في لحظة معينة) على مادة معينة.
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي التركيز المكاني العالي لإشعاع الليزر إلى ظواهر غير خطية واضحة ، حيث تعتمد طبيعة العمليات الجارية على شدة الإشعاع. كمثال ، يمكننا أن نشير إلى امتصاص متعدد الفوتونات ، والذي يتم ملاحظته فقط عند استخدام مصادر الليزر ويؤدي إلى زيادة امتصاص الطاقة بواسطة المادة عند قوى الباعث العالية.
أحادي اللون
تحدد درجة أحادية اللون للإشعاع نطاق التردد الذي يتم فيه احتواء الجزء الرئيسي من قوة الباعث. هذه المعلمة لها أهمية كبيرة عند استخدام مصادر الإشعاع الضوئي ويتم تحديدها بالكامل حسب درجة التماسك الزمني للإشعاع.
في الليزر ، تتركز كل طاقة الإشعاع في خطوط طيفية ضيقة للغاية. يتم تحقيق العرض الصغير لخط الانبعاث باستخدام مرنان بصري في الليزر ويتم تحديده بشكل أساسي من خلال ثبات تردد الرنين لهذا الأخير.
الاستقطاب
في عدد من الأجهزة ، يلعب استقطاب الإشعاع دورًا معينًا ، والذي يميز الاتجاه السائد لمتجه المجال الكهربائي للموجة.
تتميز المصادر الشائعة غير الليزر بالاستقطاب الفوضوي. إشعاع الليزر مستقطب دائريًا أو خطيًا. على وجه الخصوص ، مع الاستقطاب الخطي ، يمكن استخدام أجهزة خاصة لتدوير مستوى الاستقطاب. في هذا الصدد ، تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة لعدد من المنتجات الغذائية ، يعتمد معامل الانعكاس داخل نطاق الامتصاص بشكل كبير على اتجاه مستوى استقطاب الإشعاع.
مدة النبض. يتيح استخدام الليزر أيضًا الحصول على الإشعاع على شكل نبضات قصيرة جدًا (tp = 10-8-10-9 s). يتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق تعديل عامل Q للرنان ، قفل الوضع ، إلخ.
في الأنواع الأخرى من مصادر الإشعاع ، يكون الحد الأدنى لمدة النبضة أعلى بعدة مرات من حيث الحجم ، وهو على وجه الخصوص عرض الخط الطيفي.
آثار إشعاع الليزر على الأجسام البيولوجية
يعد إشعاع الليزر ذو الكثافة العالية للطاقة جنبًا إلى جنب مع أحادية اللون والتماسك عاملاً فريدًا يؤثر على الكائنات البيولوجية. تجعل أحادية اللون من الممكن التأثير بشكل انتقائي على بعض الهياكل الجزيئية للأجسام ، كما أن التماسك والاستقطاب ، جنبًا إلى جنب مع درجة عالية من تنظيم الأنظمة المشععة ، يحددان تأثيرًا تراكميًا (رنينًا) محددًا ، والذي يؤدي حتى عند المستويات المنخفضة نسبيًا من الإشعاع إلى تحفيز ضوئي قوي من العمليات في الخلايا ، إلى التوليد الضوئي.
عندما تتعرض الأجسام البيولوجية لإشعاع الليزر ، يتم تدمير بعض الروابط الجزيئية أو يحدث التحول الهيكلي للجزيئات ، وهذه العمليات انتقائية ، أي أن بعض الروابط يتم تدميرها تمامًا عن طريق التشعيع ، بينما لا يتغير البعض الآخر عمليًا. تفتح مثل هذه الخاصية الرنينية الواضحة لتفاعل إشعاع الليزر مع الجزيئات إمكانية التحفيز الانتقائي لبعض التفاعلات الأيضية ، أي التفاعلات الأيضية ، والتحكم في الضوء في هذه التفاعلات. في هذه الحالة ، يلعب إشعاع الليزر دور الإنزيم.
إن استخدام مثل هذه الخصائص لمصادر ضوء الليزر يفتح إمكانيات واسعة لتعزيز التخليق الحيوي الصناعي.
يمكن استخدام تشعيع الخميرة بالليزر في التخليق الحيوي المستهدف ، على سبيل المثال ، الكاروتينات والدهون ، وعلى نطاق أوسع ، للحصول على سلالات خميرة طافرة جديدة ذات توجه صناعي حيوي متغير.
في عدد من الصناعات الغذائية ، يمكن استخدام القدرة على التحكم ، باستخدام إشعاع الليزر ، نسبة نشاط الإنزيمات التي تكسر جزيئات البروتين إلى شظايا متعددة الببتيد وتتحلل هذه الأجزاء إلى أحماض أمينية.
في الإنتاج الصناعي لحمض الستريك ، يحقق التحفيز بالليزر زيادة في إنتاجية المنتج بنسبة 60٪ وفي نفس الوقت يقلل من محتوى المنتجات الثانوية. التحفيز الضوئي بالليزر لتكوين الدهون في الفطريات يتيح إنتاج الدهون الصالحة للأكل والتقنية أثناء معالجة المواد الخام للفطر غير الصالحة للأكل. كما تم الحصول على بيانات عن التحفيز بالليزر لتشكيل الأعضاء التناسلية في الفطريات المستخدمة في صناعة الأحياء الدقيقة.
وتجدر الإشارة إلى أنه على عكس مصادر الضوء التقليدية ، فإن الليزر قادر على تعقيم العصائر في الجزء المرئي من الطيف ، مما يفتح إمكانية التعقيم باستخدام الليزر مباشرة من خلال زجاج الزجاجة.
وقد لوحظت خاصية مثيرة للاهتمام للتعقيم بالليزر. إذا كانت منحنيات بقاء الخلايا الميكروبية للإشعاع بالليزر والتشعيع بمصدر ضوء تقليدي عند مستوى طاقة منخفض تتطابق عمليًا ، فعندما تكون الطاقة المحددة لإشعاع الليزر حوالي 100 كيلو واط / سم 2 ، هناك زيادة حادة في فعالية عمل تعقيم لأشعة الليزر ، أي لتحقيق نفس تأثير موت الخلايا يتطلب طاقة أقل بكثير من استخدام مصدر طاقة منخفض.
عند التشعيع بمصدر ضوء غير متماسك ، لا يتم ملاحظة هذا التأثير. على سبيل المثال ، عندما تضيء الخلايا بنبض قوي ، يكفي ومضة واحدة ليصطدم ليزر الياقوت بنسبة تصل إلى 50٪ من الخلايا ، في حين أن نفس الطاقة ، التي يتم امتصاصها لفترة طويلة ، لا تسبب الضرر فقط. ، ولكنه يؤدي أيضًا إلى تكثيف عمليات التمثيل الضوئي في الكائنات الحية الدقيقة.
يمكن تفسير التأثير الموصوف من خلال حقيقة أنه ، في ظل الظروف العادية ، تمتص الجزيئات التي تدخل في تفاعل كيميائي ضوئي كمية واحدة من الضوء (امتصاص فوتون واحد) ، مما يزيد من تفاعلها. يزداد امتصاص الفوتون ، حيث يمتص الجزيء فوتونين في وقت واحد. في هذه الحالة ، تزداد كفاءة التحولات الكيميائية بشكل حاد ويتلف هيكل الجزيئات بكفاءة أكبر.
عند التعرض لإشعاع ليزر قوي ، تحدث تأثيرات غير خطية أخرى لا يتم ملاحظتها عند استخدام مصادر الضوء التقليدية. أحد هذه التأثيرات هو تحويل جزء من قوة إشعاع التردد f إلى إشعاع من الترددات 2f ، 3f ، إلخ. (توليد التوافقيات الضوئية). يرجع هذا التأثير إلى الخصائص غير الخطية للوسط المشعع عند مستويات الإشعاع العالية.
نظرًا لأنه من المعروف أن الكائنات البيولوجية هي الأكثر حساسية لتأثير الأشعة فوق البنفسجية ، فإن تأثير التعقيم للتوافقيات سيكون أكثر فاعلية. في الوقت نفسه ، إذا تعرض جسم ما للإشعاع مباشرة بمصدر للأشعة فوق البنفسجية ، فسيتم امتصاص معظم الطاقة الساقطة للباعث في طبقات السطح. في الحالة الموصوفة ، يتم توليد الأشعة فوق البنفسجية داخل الجسم نفسه ، مما يؤدي إلى الطبيعة الحجمية لتأثير التعقيم. من الواضح ، في هذه الحالة ، يمكن توقع كفاءة أكبر لعملية التعقيم.
يمكن أن تجعل الدرجة العالية من أحادية اللون لإشعاع الليزر من الممكن تعقيم نوع واحد من البكتيريا ، مع تحفيز نمو الكائنات الحية الدقيقة من نوع آخر في الأنظمة البكتيرية الثنائية ، أي لإنتاج التعقيم "الانتقائي" المستهدف.
بالإضافة إلى مجالات التطبيق هذه ، يتم استخدام الليزر أيضًا لقياس الكميات المختلفة - التحليل الطيفي ، وتهجير الكائنات (طريقة التداخل) ، والاهتزازات ، وسرعات التدفق (أجهزة قياس شدة الليزر) ، وعدم التجانس في الوسائط الشفافة بصريًا. بمساعدة الليزر ، من الممكن مراقبة جودة السطح ، ودراسة اعتماد الخصائص البصرية لمادة معينة على العوامل الخارجية ، وقياس تلوث البيئة بالكائنات الحية الدقيقة ، إلخ.