Application du rayonnement laser

Laser - un générateur quantique (amplificateur) ​​de rayonnement cohérent dans le domaine optique. Le terme «laser» est formé des premières lettres du nom anglais amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. Selon le type de matière active, on distingue les lasers à solide, les lasers à gaz et les lasers à liquide.

Parmi les lasers du premier type, le rubis est le plus étudié. L'un des premiers modèles d'un tel laser utilise les transitions d'énergie de l'ion chrome trivalent Cr3+ dans un cristal de rubis monolithique (Cr2O3, A12O3). Sous l'action d'un rayonnement de pompage (de longueur d'onde de l'ordre de 5600 A), l'ion Cr3+ passe du niveau 1 au niveau 3, à partir duquel des transitions descendantes vers les niveaux 2 et 1 sont possibles. Si les transitions vers le niveau 2 métastable prédominent et si le pompage fournit après, l'inversion de la population aux niveaux 1 et 2, alors la population au niveau 2 dépassera la population au niveau 1.

Dans le cas d'une transition spontanée de l'un des Cr-ions3+, un photon avec fréquence est émis du niveau 2 au niveau 1 e12, qui commence à se propager sur le cristal de rubis.En rencontrant des ions Cr3+ excités d -rouge, ce photon provoque un rayonnement déjà induit cohérent avec le photon primaire.

En raison des nombreuses réflexions des bords polis et argentés du monocristal de rubis, l'intensité du rayonnement dans le cristal est continuellement augmentée. Cela se produit uniquement avec ces photons, la direction de propagation est komotorykh fait un petit angle avec l'axe du cristal. Le rayonnement de l'acier quitte le cristal par la surface latérale et ne participe pas à la formation du faisceau de rayonnement. Le faisceau de rayonnement sort par l'une des extrémités, qui est un miroir translucide.

Une avancée majeure dans l'amélioration de la technologie dans diverses industries est liée à l'utilisation de générateurs quantiques optiques (lasers). Comme vous le savez, le rayonnement laser diffère considérablement du rayonnement d'autres sources de lumière non laser (thermique, décharge de gaz, etc.). Ces différences ont conduit à l'utilisation généralisée des lasers dans divers domaines de la science et de la technologie.

Considérez la conception de base des lasers.

En général, le schéma fonctionnel d'un générateur quantique optique (OQC) est illustré à la Fig. 1 (dans certains cas, les lecteurs 4 à 7 peuvent être manquants).

Dans la substance active 1, sous l'action du pompage, le rayonnement qui la traverse est amplifié du fait du rayonnement induit (provoqué par un champ électromagnétique externe) d'électrons passant des niveaux d'énergie supérieurs aux niveaux inférieurs. Dans ce cas, les propriétés de la substance active déterminent la fréquence d'émission du laser.

En tant que substance active, des milieux cristallins ou amorphes peuvent être utilisés, dans lesquels de petites quantités d'impuretés d'éléments actifs sont introduites (dans les lasers à solide); gaz ou vapeurs de métaux (dans les lasers à gaz); solutions liquides de colorants organiques (dans les lasers liquides).

Riz. 1. Schéma fonctionnel d'un générateur quantique optique

A l'aide du système de pompe laser 3, des conditions sont créées dans la substance active, ce qui permet d'amplifier le rayonnement. Pour cela, il est nécessaire de créer une inversion (redistribution) des populations des niveaux d'énergie des atomes d'électrons, dans laquelle la population des niveaux supérieurs est supérieure à celle des niveaux inférieurs. En tant que systèmes de pompage, ils sont utilisés dans les lasers à solide - lampes à décharge de gaz, dans les lasers à gaz - sources de courant continu, générateurs pulsés, HF et micro-ondes, et dans les lasers à liquide - LAG.

La substance active du laser est placée dans un résonateur optique 2, qui est un système de miroirs dont l'un est translucide et sert à évacuer le rayonnement laser du résonateur.

Les fonctions du résonateur optique sont assez diverses : créer une rétroaction positive dans le générateur, former le spectre du rayonnement laser, etc.

Le dispositif 5 de sélection de mode et de stabilisation de fréquence est conçu pour améliorer la qualité du spectre du rayonnement de sortie du laser, c'est-à-dire pour le rapprocher du spectre des oscillations monochromatiques.

Dans les lasers à liquide, le Système 6 atteint une large plage de réglage de la fréquence d'oscillation. Si nécessaire, une modulation d'amplitude ou de phase du rayonnement peut être réalisée dans le laser. La modulation externe est généralement utilisée avec l'appareil 7.

Type de laser

Les lasers modernes peuvent être classés selon différents critères :

• par le type de substance active qu'ils contiennent,

• par mode de fonctionnement (génération continue ou pulsée, mode Q-switch),

• par les propriétés spectrales du rayonnement (lasers multimodes, monomodes, monofréquences), etc.

La plus courante est la première des classifications mentionnées.

Lasers à solide

Ces lasers utilisent des milieux cristallins et amorphes comme substance active. Les lasers à solide présentent de nombreux avantages :

• des valeurs élevées du gain linéaire du milieu, qui permettent d'obtenir un laser avec de petites dimensions axiales du laser ;

• possibilité d'obtenir des valeurs de puissance de sortie extrêmement élevées en mode impulsionnel.

Les principaux types de lasers à solide sont :

1. lasers à rubis dans lesquels les ions chrome sont le centre actif. Les raies génératrices se situent dans la région rouge du spectre (λ = 0,69 μm). La puissance de sortie du rayonnement en mode continu est de plusieurs watts, l'énergie en mode pulsé est de plusieurs centaines de joules avec une durée d'impulsion de l'ordre de 1 ms ;

2. lasers à base d'ions de terres rares (principalement des ions néodyme). Un avantage important de ces lasers est la possibilité d'être utilisé en mode continu à température ambiante. La raie de génération principale de ces lasers se situe dans le domaine infrarouge (λ = 1,06 μm). Le niveau de puissance de sortie en mode continu atteint 100-200 W avec un rendement de 1-2 %.

Laser à gaz

L'inversion de population dans les lasers à gaz est réalisée à la fois à l'aide de décharges et à l'aide d'autres types de pompage : chimique, thermique, etc.

Par rapport aux lasers à gaz à semi-conducteurs, ils présentent un certain nombre d'avantages :

• couvre une gamme extrêmement large de longueurs d'onde de 0,2 à 400 microns ;

• l'émission des lasers à gaz est fortement monochromatique et directionnelle ;

• permettent d'atteindre des puissances de sortie très élevées en fonctionnement continu.

Les principaux types de lasers à gaz :

1.Lasers hélium néon… La longueur d'onde principale se situe dans la partie visible du spectre (λ = 0,63 μm). La puissance de sortie est généralement inférieure à 100 mW. Comparés à tous les autres types de lasers, les lasers hélium-néon offrent le plus haut degré de cohérence de sortie.

2. Les lasers à vapeur de cuivre… La génération principale de rayonnement est créée sur deux raies dont l'une se trouve dans la partie verte du spectre (λ = 0,51 μm) et l'autre dans la jaune (λ = 0,58 μm). La puissance d'impulsion dans de tels lasers atteint 200 kW avec une puissance moyenne d'environ 40 W.

3. Lasers à gaz ionique... Les lasers les plus courants de ce type sont les lasers à argon (λ = 0,49 - 0,51 µm) et les lasers à hélium-cadmium (λ = 0,44 µm).

4. Lasers CO2 moléculaires... La génération la plus puissante est atteinte à λ = 10,6 μm. La puissance de sortie en mode continu des lasers CO2 est extrêmement élevée et atteint 10 kW ou plus avec un rendement suffisamment élevé de 15 à 30 % par rapport à tous les autres types de lasers. Des puissances d'impulsion = 10 MW sont atteintes avec une durée des impulsions générées de l'ordre de 10-100 ms.

Lasers liquides

Les lasers à liquide permettent un réglage sur une large plage de fréquence d'oscillation générée (de λ = 0,3 µm à λ = 1,3 µm). En règle générale, dans de tels lasers, la substance active est constituée de solutions liquides de colorants organiques (par exemple, une solution de rhodamine).

Paramètres laser

La cohérence

Une caractéristique distinctive du rayonnement laser est sa cohérence.

La cohérence est comprise comme un cours coordonné de processus ondulatoires dans le temps et dans l'espace Cohérence spatiale - la cohérence entre les phases des ondes émises simultanément à partir de différents points de l'espace, et cohérence temporelle - la cohérence entre les phases des ondes émises à partir d'un point dans les moments de rupture dans le temps.

Oscillations électromagnétiques cohérentes - oscillations de deux sources ou plus avec les mêmes fréquences et une différence de phase constante. En ingénierie radio, le concept de cohérence s'étend également aux sources d'oscillations dont les fréquences ne sont pas égales. Par exemple, les oscillations de 2 sources sont considérées comme cohérentes si leurs fréquences f1 et e2 sont dans une relation rationnelle, c'est-à-dire f1 / f2 = n / m, où n et m sont des entiers.

Les sources d'oscillations qui, dans l'intervalle d'observation, ont des fréquences presque égales et presque la même différence de phase, ou des sources d'oscillations dont le rapport de fréquence diffère peu du rapport rationnel, sont appelées sources d'oscillations presque cohérentes.

La capacité d'interférer est l'une des principales caractéristiques de l'oscillation cohérente. Il est à noter que seules les ondes cohérentes peuvent interférer. Dans ce qui suit, on montrera qu'un certain nombre de domaines d'application des sources de rayonnement optique reposent précisément sur le phénomène d'interférence.

Divergence

La forte cohérence spatiale du rayonnement laser conduit à une faible divergence de ce rayonnement, qui dépend de la longueur d'onde λ et des paramètres de la cavité optique utilisée dans le laser.

Pour les sources lumineuses ordinaires, même lorsque des miroirs spéciaux sont utilisés, l'angle de divergence est d'environ un à deux ordres de grandeur supérieur à celui des lasers.

La faible divergence du rayonnement laser ouvre la possibilité d'obtenir une haute densité de flux d'énergie lumineuse à l'aide de lentilles de focalisation classiques.

La directivité élevée du rayonnement laser permet de réaliser localement (pratiquement à un instant donné) des analyses, des mesures et des effets sur une substance donnée.

De plus, la forte concentration spatiale du rayonnement laser conduit à des phénomènes non linéaires prononcés, dans lesquels la nature des processus en cours dépend de l'intensité de l'irradiation. A titre d'exemple, on peut citer l'absorption multiphotonique, qui n'est observée que lors de l'utilisation de sources laser et conduit à une augmentation de l'absorption d'énergie par la matière aux fortes puissances d'émetteur.

Monochrome

Le degré de monochromaticité du rayonnement détermine la gamme de fréquences dans laquelle se trouve l'essentiel de la puissance de l'émetteur. Ce paramètre est d'une grande importance lors de l'utilisation de sources de rayonnement optique et est entièrement déterminé par le degré de cohérence temporelle du rayonnement.

Dans les lasers, toute la puissance de rayonnement est concentrée dans des raies spectrales extrêmement étroites. La faible largeur de la raie d'émission est obtenue en utilisant un résonateur optique dans le laser et est principalement déterminée par la stabilité de la fréquence de résonance de ce dernier.

Polarisation

Dans un certain nombre de dispositifs, un certain rôle est joué par la polarisation du rayonnement, qui caractérise l'orientation prédominante du vecteur du champ électrique de l'onde.

Les sources non laser courantes sont caractérisées par une polarisation chaotique. Le rayonnement laser est polarisé circulairement ou linéairement. En particulier, avec une polarisation linéaire, des dispositifs spéciaux peuvent être utilisés pour faire tourner le plan de polarisation. A cet égard, il convient de noter que pour un certain nombre de produits alimentaires, le coefficient de réflexion à l'intérieur de la bande d'absorption dépend fortement de la direction du plan de polarisation du rayonnement.

Durée de pouls. L'utilisation de lasers permet également d'obtenir un rayonnement sous forme d'impulsions de très courte durée (tp = 10-8-10-9 s). Ceci est généralement réalisé en modulant le facteur Q du résonateur, le verrouillage de mode, etc.

Dans d'autres types de sources de rayonnement, la durée d'impulsion minimale est supérieure de plusieurs ordres de grandeur, qui est donc notamment la largeur de la raie spectrale.

Effets du rayonnement laser sur les objets biologiques

Le rayonnement laser à haute densité d'énergie en combinaison avec la monochromaticité et la cohérence est un facteur unique affectant les objets biologiques. La monochromaticité permet d'affecter sélectivement certaines structures moléculaires des objets, et la cohérence et la polarisation, combinées à un haut degré d'organisation des systèmes irradiés, déterminent un effet cumulatif spécifique (résonance), qui même à des niveaux de rayonnement relativement faibles conduit à une forte photostimulation des processus dans les cellules, à la photomutagenèse.

Lorsque des objets biologiques sont exposés au rayonnement laser, certaines liaisons moléculaires sont détruites ou la transformation structurelle des molécules se produit, et ces processus sont sélectifs, c'est-à-dire que certaines liaisons sont complètement détruites par irradiation, tandis que d'autres ne changent pratiquement pas. Un caractère de résonance aussi prononcé de l'interaction du rayonnement laser avec des molécules ouvre la possibilité d'une catalyse sélective de certaines réactions métaboliques, c'est-à-dire des réactions métaboliques, un contrôle de la lumière de ces réactions. Dans ce cas, le rayonnement laser joue le rôle d'une enzyme.

L'utilisation de telles propriétés des sources de lumière laser ouvre de larges possibilités pour améliorer la biosynthèse industrielle.

L'irradiation laser de la levure peut être utilisée pour la biosynthèse ciblée, par exemple, des caroténoïdes et des lipides, et plus largement, pour obtenir de nouvelles souches de levure mutantes avec une orientation biosynthétique modifiée.

Dans un certain nombre d'industries alimentaires, la capacité de contrôler, à l'aide d'une irradiation laser, le rapport d'activité des enzymes qui décomposent les molécules de protéines en fragments polypeptidiques et hydrolysent ces fragments en acides aminés peut être utilisée.

Dans la production industrielle d'acide citrique, la stimulation laser permet d'augmenter le rendement du produit de 60 % et en même temps de réduire la teneur en sous-produits. La photostimulation laser de la lipogenèse chez les champignons permet la production de graisses comestibles et techniques lors du traitement des matières premières non comestibles des champignons. Des données ont également été obtenues sur la stimulation par laser de la formation des organes reproducteurs chez les champignons utilisés dans l'industrie microbiologique.

Il convient de noter que, contrairement aux sources lumineuses classiques, le laser est capable de stériliser les jus dans la partie visible du spectre, ce qui ouvre la possibilité d'une stérilisation à l'aide de lasers directement à travers le verre de la bouteille.

Une caractéristique intéressante de la stérilisation au laser a été notée. Si à faible puissance les courbes de survie des cellules microbiennes pour l'irradiation laser et l'irradiation avec une source lumineuse conventionnelle coïncident pratiquement, alors lorsque la puissance spécifique de l'irradiation laser est d'environ 100 kW / cm2, il y a une forte augmentation de l'efficacité du action stérilisante du rayonnement laser , c'est-à-dire pour obtenir le même effet de mort cellulaire, il faut beaucoup moins d'énergie que d'utiliser une source de faible puissance.

Lorsqu'il est irradié avec une source de lumière incohérente, cet effet n'est pas observé. Par exemple, lorsque les cellules sont éclairées par une impulsion puissante, un flash suffit pour que le laser à rubis frappe jusqu'à 50% des cellules, tandis que la même énergie, absorbée pendant une longue période, non seulement ne cause pas de dommages , mais conduit également à l'intensification des processus de photosynthèse chez les micro-organismes.

L'effet décrit peut s'expliquer par le fait que, dans des conditions normales, les molécules entrant dans une réaction photochimique absorbent un quantum de lumière (absorption à un photon), ce qui augmente leur réactivité. À des niveaux élevés de rayonnement incident, la probabilité de deux- l'absorption des photons augmente, dans laquelle une molécule absorbe deux photons simultanément. Dans ce cas, l'efficacité des transformations chimiques augmente fortement et la structure des molécules est endommagée avec une plus grande efficacité.

Lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement laser puissant, d'autres effets non linéaires se produisent qui ne sont pas observés lors de l'utilisation de sources lumineuses conventionnelles. L'un de ces effets est la conversion d'une partie de la puissance de rayonnement de fréquence f en rayonnement de fréquences 2f, 3f, etc. (génération d'harmoniques optiques). Cet effet est dû aux propriétés non linéaires du milieu irradié à des niveaux d'irradiation élevés.

Comme il est connu que les objets biologiques sont les plus sensibles à l'action du rayonnement UV, l'effet stérilisant des harmoniques sera le plus efficace. Dans le même temps, si un objet est irradié directement avec une source de rayonnement UV, la majeure partie de la puissance incidente de l'émetteur sera absorbée dans les couches de surface. Dans le cas décrit, le rayonnement UV est généré à l'intérieur de l'objet lui-même, ce qui conduit au caractère volumétrique de l'effet stérilisant. Évidemment, dans ce cas, on peut s'attendre à une plus grande efficacité du processus de stérilisation.

Le haut degré de monochromaticité du rayonnement laser peut permettre de stériliser un type de bactéries, tout en stimulant la croissance de microorganismes d'un autre type dans des systèmes bactériens binaires, c'est-à-dire de réaliser une stérilisation "sélective" ciblée.

En plus de ces domaines d'application, les lasers sont également utilisés pour mesurer diverses grandeurs - spectroscopie, déplacements d'objets (méthode d'interférence), vibrations, vitesses d'écoulement (anémomètres laser), inhomogénéités dans des milieux optiquement transparents. À l'aide de lasers, il est possible de surveiller la qualité de la surface, d'étudier la dépendance des propriétés optiques d'une substance donnée à des facteurs externes, de mesurer la contamination de l'environnement par des micro-organismes, etc.