레이저 방사선의 적용

레이저 — 광학 범위에서 간섭성 복사의 양자 발생기(증폭기). «레이저»라는 용어는 방사선의 유도 방출에 의한 빛의 증폭이라는 영어 이름의 첫 글자로 구성됩니다. 활성 물질의 유형에 따라 고체 레이저, 기체 및 액체 레이저로 구분됩니다.

첫 번째 유형의 레이저 중에서 루비가 가장 많이 연구되었습니다. 이러한 레이저의 초기 모델 중 하나는 모놀리식 루비 결정(Cr2O3, A12O3)에서 3가 크롬 이온 Cr3+의 에너지 전이를 사용합니다. 파장이 5600 A 정도인 펌핑 방사선의 작용 하에서 Cr3+ 이온은 수준 1에서 수준 3으로 이동하며, 여기서 수준 2와 1로의 하향 전환이 가능합니다. 준안정 수준 2로의 전환이 우세하고 펌핑은 레벨 1과 2에서 인구의 역전을 제공하고 레벨 2의 인구는 레벨 1의 인구를 초과합니다.

Cr-이온3+ 중 하나가 자발적으로 천이하는 경우 주파수가 있는 광자가 레벨 2에서 레벨 1 e12로 방출되어 루비 결정에서 전파되기 시작합니다.d -red 여기된 Cr3+ 이온을 만나면 이 광자는 기본 광자와 이미 유도된 방사 간섭을 일으킵니다.

루비 단결정의 광택 및 은도금 가장자리에서 발생하는 수많은 반사로 인해 결정의 방사 강도가 지속적으로 증가합니다. 이것은 광자에서만 발생하며 전파 방향은 komotorykh가 결정 축과 작은 각도를 만듭니다. 강철 방사선은 측면을 통해 결정을 떠나고 방사선 빔의 형성에 참여하지 않습니다. 방사선 빔은 반투명 거울인 끝 중 하나를 통해 나갑니다.

다양한 산업 분야에서 기술 향상의 주요 발전은 광학 양자 발생기(레이저)의 사용과 관련이 있습니다. 아시다시피 레이저 방사는 다른 비레이저 광원(열, 가스 방전 등)의 방사와 크게 다릅니다. 이러한 차이로 인해 다양한 과학 및 기술 분야에서 레이저가 널리 사용되었습니다.

레이저의 기본 설계를 고려하십시오.

일반적으로 광학 양자 발생기(OQC)의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 1(경우에 따라 드라이브 4-7이 누락될 수 있음).

활성 물질 1에서, 펌핑 작용 하에, 상위 에너지 준위에서 하위 준위로 전달되는 전자의 유도된(외부 전자기장에 의해 유발된) 방사로 인해 이를 통과하는 방사가 강화된다. 이 경우 활성 물질의 특성에 따라 레이저 방출 주파수가 결정됩니다.

활성 물질로서 소량의 활성 요소 불순물이 도입되는 결정질 또는 비정질 매체를 사용할 수 있습니다 (고체 레이저에서). 가스 또는 금속 증기(가스 레이저에서); 유기 염료의 액체 용액(액체 레이저에서).

쌀. 1. 광 양자 발생기의 블록도

레이저 펌프 시스템 3의 도움으로 활성 물질에 조건이 생성되어 방사선을 증폭할 수 있습니다. 이를 위해서는 상위 수준의 인구가 하위 수준의 인구보다 큰 전자 원자의 에너지 수준 인구의 반전 (재분배)을 생성해야합니다. 펌핑 시스템으로서 고체 레이저(가스 방전 램프, 가스 레이저-직류 소스, 펄스, HF 및 마이크로파 발생기, 액체 레이저-LAG)에 사용됩니다.

레이저의 활성 물질은 거울 시스템인 광학 공진기(2)에 배치되며, 그 중 하나는 반투명하고 공진기에서 레이저 방사선을 제거하는 역할을 합니다.

광학 공진기의 기능은 매우 다양합니다. 발생기에서 포지티브 피드백 생성, 레이저 방사 스펙트럼 형성 등

모드 선택 및 주파수 안정화를 위한 장치(5)는 레이저의 출력 방사 스펙트럼의 품질을 개선하도록, 즉 단색 진동의 스펙트럼에 더 가깝게 만들기 위해 설계되었습니다.

액체 레이저에서 시스템 6은 광범위한 발진 주파수 튜닝을 달성합니다. 필요한 경우 레이저에서 방사선의 진폭 또는 위상 변조를 달성할 수 있습니다. 외부 변조는 일반적으로 장치 7과 함께 사용됩니다.

레이저 유형

최신 레이저는 다양한 기준에 따라 분류할 수 있습니다.

• 사용된 활성 물질의 유형에 따라

• 작동 모드별(연속 또는 펄스 생성, Q 전환 모드),

• 방사선의 스펙트럼 특성(다중 모드, 단일 모드, 단일 주파수 레이저) 등.

가장 일반적인 것은 언급된 분류 중 첫 번째입니다.

고체 레이저

이 레이저는 활성 물질로 결정질 및 비정질 매질을 사용합니다. 고체 레이저에는 여러 가지 장점이 있습니다.

• 레이저의 작은 축 방향 치수를 가진 레이저를 얻을 수 있게 하는 매체의 선형 이득의 높은 값;

• 펄스 모드에서 매우 높은 출력 전력 값을 얻을 가능성.

고체 레이저의 주요 유형은 다음과 같습니다.

1. 크롬 이온이 활성 중심인 루비 레이저. 생성 선은 스펙트럼의 빨간색 영역(λ = 0.69μm)에 있습니다. 연속 모드에서 방사선의 출력 전력은 몇 와트이고 펄스 모드에서 에너지는 1ms 정도의 펄스 지속 시간을 가진 수백 줄입니다.

2. 희토류 금속 이온(주로 네오디뮴 이온) 기반 레이저. 이 레이저의 중요한 장점은 실온에서 연속 모드로 사용할 수 있다는 것입니다. 이러한 레이저의 주요 생성 라인은 적외선 영역(λ = 1.06μm)에 있습니다. 연속 모드의 출력 전력 수준은 1-2%의 효율로 100-200W에 이릅니다.

가스 레이저

가스 레이저의 인구 반전은 방전의 도움과 화학, 열 등의 다른 유형의 펌핑을 통해 이루어집니다.

고체 가스 레이저에 비해 여러 가지 장점이 있습니다.

• 0.2-400미크론의 매우 넓은 범위의 파장을 포괄합니다.

• 가스 레이저의 방출은 매우 단색이고 방향성이 있습니다.

• 연속 작동에서 매우 높은 출력 전력 수준을 달성할 수 있습니다.

가스 레이저의 주요 유형:

1.헬륨 네온 레이저… 주요 파장은 스펙트럼의 가시 부분에 있습니다(λ = 0.63 μm). 출력 전력은 일반적으로 100mW 미만입니다. 다른 모든 유형의 레이저와 비교할 때 헬륨-네온 레이저는 최고 수준의 출력 일관성을 제공합니다.

2. 구리 증기 레이저… 방사선의 주요 생성은 두 개의 라인에서 생성되며, 그 중 하나는 스펙트럼의 녹색 부분(λ = 0.51μm)에 있고 다른 하나는 노란색(λ = 0.58μm)에 있습니다. 이러한 레이저의 펄스 출력은 평균 출력이 약 40W인 200kW에 이릅니다.

3. 이온 가스 레이저... 이 유형의 가장 일반적인 레이저는 아르곤 레이저(λ = 0.49 — 0.51 µm) 및 헬륨 카드뮴 레이저(λ = 0.44 µm)입니다.

4. 분자 CO2 레이저... 가장 강력한 생성은 λ = 10.6 μm에서 달성됩니다. CO2 레이저의 cw 모드 출력은 매우 높고 10kW 이상에 이르며 다른 모든 유형의 레이저에 비해 15-30%의 충분히 높은 효율을 보입니다. 펄스 전력 = 10MW는 10-100ms 정도의 생성된 펄스 지속 시간으로 달성됩니다.

액체 레이저

액체 레이저는 생성된 발진 주파수의 넓은 범위(λ = 0.3 µm에서 λ = 1.3 µm)에 걸쳐 조정할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 레이저에서 활성 물질은 유기 염료의 액체 용액(예: 로다민 용액)입니다.

레이저 매개변수

통일

레이저 방사선의 특징은 일관성입니다.

일관성은 시간과 공간에서 파동 과정의 조정된 과정으로 이해됩니다. 쉬는 시간에.

일관된 전자기 발진 — 동일한 주파수와 일정한 위상차를 갖는 둘 이상의 소스의 발진. 무선 공학에서 일관성의 개념은 주파수가 동일하지 않은 발진원까지 확장됩니다. 예를 들어, 주파수 f1과 e2가 합리적인 관계에 있는 경우 두 소스의 진동은 일관된 것으로 간주됩니다. f1/f2 = n/m, 여기서 n과 m은 정수입니다.

관찰 간격에서 거의 동일한 주파수와 거의 동일한 위상 차이를 갖는 진동 소스 또는 주파수 비율이 합리적인 것과 거의 다른 진동 소스를 거의 일관된 진동 소스라고 합니다.

간섭하는 능력은 코히어런트 발진의 주요 특징 중 하나입니다. 일관된 파동만 간섭할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 다음에서는 광학 방사원의 여러 응용 분야가 정확히 간섭 현상에 기초하고 있음을 보여줍니다.

분기

레이저 방사선의 높은 공간 일관성은 이 방사선의 낮은 발산으로 이어지며, 이는 파장 λ와 레이저에 사용된 광학 공동의 매개변수에 따라 달라집니다.

일반 광원의 경우 특수 거울을 사용해도 발산각이 레이저보다 1~2배 정도 크다.

레이저 방사의 낮은 발산은 기존의 포커싱 렌즈를 사용하여 높은 광속 밀도를 얻을 수 있는 가능성을 열어줍니다.

레이저 방사선의 높은 지향성은 주어진 물질에 대한 로컬(실질적으로 주어진 순간에) 분석, 측정 및 영향을 수행할 수 있게 합니다.

또한, 레이저 방사선의 높은 공간 집중은 진행 중인 프로세스의 특성이 조사 강도에 따라 달라지는 현저한 비선형 현상을 초래합니다. 예를 들어, 레이저 소스를 사용할 때만 관찰되는 다광자 흡수를 지적할 수 있으며 높은 이미 터 출력에서 ​​물질에 의한 에너지 흡수가 증가합니다.

단색화

방사선의 단색도는 이미 터 전력의 주요 부분이 포함되는 주파수 범위를 결정합니다. 이 매개변수는 광 복사원을 사용할 때 매우 중요하며 전적으로 복사의 시간적 일관성 정도에 따라 결정됩니다.

레이저에서 모든 방사능은 극도로 좁은 스펙트럼 선에 집중됩니다. 방출선의 작은 폭은 레이저의 광학 공진기를 사용하여 달성되며 주로 후자의 공진 주파수의 안정성에 의해 결정됩니다.

편광

많은 장치에서 특정 역할은 파동의 전기장 벡터의 우세한 방향을 특징으로 하는 방사선의 편광에 의해 수행됩니다.

일반적인 비 레이저 소스는 무질서한 편광이 특징입니다. 레이저 방사선은 원형 또는 선형 편광됩니다. 특히 선형 편광의 경우 특수 장치를 사용하여 편광면을 회전시킬 수 있습니다. 이와 관련하여 많은 식품의 경우 흡수 대역 내의 반사 계수가 방사선의 편광면 방향에 크게 의존한다는 점에 유의해야 합니다.

펄스 지속 시간. 레이저를 사용하면 매우 짧은 지속 시간(tp = 10-8-10-9초)의 펄스 형태로 방사선을 얻을 수 있습니다. 이는 일반적으로 공진기의 Q 계수, 모드 잠금 등을 변조하여 달성됩니다.

다른 유형의 방사선 소스에서 최소 펄스 지속 시간은 몇 배 더 높으며, 따라서 특히 스펙트럼 라인의 폭입니다.

생물학적 물체에 대한 레이저 방사선의 영향

단색성 및 일관성과 함께 높은 에너지 밀도를 갖는 레이저 방사선은 생물학적 개체에 영향을 미치는 고유한 요소입니다. 단색성은 물체의 특정 분자 구조에 선택적으로 영향을 줄 수 있으며, 조사된 시스템의 높은 수준의 구성과 결합된 일관성 및 편광은 상대적으로 낮은 수준의 방사선에서도 강한 광자극을 유발하는 특정 누적(공명) 효과를 결정합니다. 광 돌연변이 유발에 이르기까지 세포의 과정.

생물학적 물체가 레이저 방사선에 노출되면 일부 분자 결합이 파괴되거나 분자의 구조적 변형이 발생하며 이러한 과정은 선택적입니다. 즉, 일부 결합은 조사에 의해 완전히 파괴되는 반면 다른 결합은 실질적으로 변하지 않습니다. 레이저 방사선과 분자의 상호 작용의 이러한 현저한 공명 특성은 특정 대사 반응, 즉 대사 반응, 이러한 반응의 광 제어에 대한 선택적 촉매 작용의 가능성을 열어줍니다. 이때 레이저 방사선이 효소 역할을 한다.

레이저 광원의 이러한 특성을 사용하면 산업적 생합성을 향상시킬 수 있는 광범위한 가능성이 열립니다.

효모의 레이저 조사는 예를 들어 카로티노이드 및 지질의 표적 생합성에 사용될 수 있으며, 보다 광범위하게는 생합성 방향이 변경된 새로운 돌연변이 효모 균주를 얻을 수 있습니다.

많은 식품 산업에서 레이저 조사를 사용하여 단백질 분자를 폴리펩티드 조각으로 분해하고 이러한 조각을 아미노산으로 가수분해하는 효소의 활성 비율을 제어하는 ​​기능을 사용할 수 있습니다.

구연산의 산업 생산에서 레이저 자극은 제품 수율을 60%까지 증가시키는 동시에 부산물의 함량을 줄입니다. 곰팡이에서 지방 생성의 레이저 광자극은 먹을 수 없는 버섯 원료를 처리하는 동안 식용 및 기술 지방 생산을 가능하게 합니다. 미생물 산업에 사용되는 곰팡이의 생식 기관 형성에 대한 레이저 자극에 대한 데이터도 얻었습니다.

기존 광원과 달리 레이저는 스펙트럼의 가시 부분에서 주스를 살균할 수 있으므로 병 유리를 통해 직접 레이저를 사용하여 살균할 수 있습니다.

레이저 살균의 흥미로운 특징이 주목되었습니다. 낮은 전력 수준에서 레이저 조사와 기존 광원 조사에 대한 미생물 세포의 생존 곡선이 실질적으로 일치하면 레이저 조사의 비출력이 약 100kW/cm2일 때 레이저 방사선의 살균 작용, 즉 동일한 세포 사멸 효과를 달성하려면 저전력원을 사용하는 것보다 훨씬 적은 에너지가 필요합니다.

비간섭성 광원으로 조사하면 이 효과가 관찰되지 않습니다. 예를 들어 강력한 펄스로 세포에 조명을 비추면 루비 레이저가 세포의 최대 50%에 도달하는 데 한 번의 섬광으로 충분하지만 동일한 에너지가 오랫동안 흡수되어 손상을 일으키지 않을 뿐만 아니라 , 뿐만 아니라 미생물의 광합성 과정을 강화합니다.

설명된 효과는 정상적인 조건에서 광화학 반응에 들어가는 분자가 한 양자의 빛을 흡수(1광자 흡수)하여 반응성이 증가한다는 사실로 설명할 수 있습니다. 광자 흡수가 증가하여 분자가 동시에 두 개의 광자를 흡수합니다. 이 경우 화학 변환 효율이 급격히 증가하고 분자 구조가 더 효율적으로 손상됩니다.

강력한 레이저 방사선에 노출되면 기존 광원을 사용할 때 관찰되지 않는 다른 비선형 효과가 발생합니다. 이러한 효과 중 하나는 주파수 f의 방사 전력 일부를 주파수 2f, 3f 등의 방사로 변환하는 것입니다. (광학 고조파 생성). 이 효과는 높은 조사 수준에서 조사된 매체의 비선형 특성 때문입니다.

생물학적 물체는 UV 방사선의 작용에 가장 민감한 것으로 알려져 있기 때문에 고조파의 살균 효과가 가장 효과적일 것입니다. 동시에 물체가 UV 방사원으로 직접 조사되면 방출기의 입사 전력 대부분이 표면층에서 흡수됩니다. 설명된 경우에 UV 방사선은 물체 자체 내부에서 생성되어 살균 효과의 체적 특성으로 이어집니다. 분명히 이 경우 살균 공정의 효율성이 더 높을 것으로 예상할 수 있습니다.

레이저 방사선의 높은 단색성은 한 유형의 박테리아를 살균하는 동시에 이진 박테리아 시스템에서 다른 유형의 미생물의 성장을 자극하여 표적 "선택적" 살균을 생성할 수 있습니다.

이러한 응용 분야 외에도 레이저는 분광학, 물체의 변위(간섭법), 진동, 유속(레이저 풍속계), 광학적으로 투명한 매체의 불균일성과 같은 다양한 양을 측정하는 데에도 사용됩니다. 레이저의 도움으로 표면의 품질을 모니터링하고 외부 요인에 대한 주어진 물질의 광학적 특성의 의존성을 연구하고 미생물로 인한 환경 오염을 측정하는 등의 작업이 가능합니다.