激光辐射的应用

激光——光学范围内相干辐射的量子发生器（放大器）。术语“激光”由英文名称amplification of light by stimulated emission of radiation的首字母组成。根据活性材料的类型，固态激光器、气体和液体激光器之间存在区别。

在第一类激光器中，红宝石是研究最多的。这种激光器最早的模型之一是利用单片红宝石晶体（Cr2O3、A12O3）中三价铬离子 Cr3+ 的能量跃迁。在泵浦辐射（波长为 5600 A 量级）的作用下，Cr3+ 离子从 1 级传递到 3 级，从 3 级向下跃迁到 2 级和 1 级是可能的。如果向亚稳态 2 级跃迁占主导地位，如果pumping provides post，将1级和2级的人口倒置，那么2级的人口将超过1级的人口。

在其中一种 Cr-离子 3+ 自发跃迁的情况下，具有频率的光子从 2 级发射到 1 级 e12，它开始在红宝石晶体上传播。遇到 d -red 激发的 Cr3+ 离子，该光子会导致已经感应的辐射与初级光子相干。

由于红宝石单晶抛光和镀银边缘的无数次反射，晶体中的辐射强度不断增强。只有那些光子才会发生这种情况，传播方向是 komotorykh 与晶体轴形成一个小角度。钢辐射通过侧面离开晶体，不参与辐射束的形成。辐射束通过其中一个端部射出，这是一个半透明的镜子。

各个行业技术改进的重大进步与光量子发生器（激光器）的使用有关。如您所知，激光辐射与其他非激光光源（热、气体放电等）的辐射有很大不同。这些差异导致了激光在各个科学技术领域的广泛应用。

考虑激光器的基本设计。

通常，光量子发生器 (OQC) 的框图如图 1 所示。 1（在某些情况下，驱动器 4-7 可能会丢失）。

在活性物质1中，在泵浦的作用下，由于电子从高能级向低能级传递的感应（由外部电磁场引起）辐射，通过它的辐射增强。在这种情况下，活性物质的特性决定了激光发射频率。

作为活性物质，可以使用结晶或非晶介质，其中引入少量活性元素杂质（在固态激光器中）；金属气体或蒸汽（在气体激光器中）；有机染料的液体溶液（在液体激光器中）。

米。 1. 光量子发生器框图

在激光泵系统3的帮助下，在活性物质中创造条件，这使得放大辐射成为可能。为此，有必要对电子原子能级的数量进行反转（重新分布），其中较高能级的数量大于较低能级的数量。作为泵浦系统，它们用于固态激光器——气体放电灯，气体激光器——直流源、脉冲、高频和微波发生器，以及液体激光器——LAG。

激光器的活性物质放置在光学谐振腔 2 中，它是一个镜子系统，其中一个是半透明的，用于从谐振腔中去除激光辐射。

光学谐振器的功能多种多样：在发生器中产生正反馈，形成激光辐射光谱等。

用于模式选择和频率稳定的装置5设计用于改善激光器输出辐射的光谱质量，即使其更接近单色振荡的光谱。

在液体激光器中，System 6 实现了大范围的振荡频率调谐。如果需要，可以在激光器中实现辐射的幅度或相位调制。外部调制通常与设备 7 一起使用。

激光类型

现代激光器可以根据不同的标准进行分类：

• 根据其中使用的活性物质的类型，

• 按操作模式（连续或脉冲生成、Q 开关模式），

• 根据辐射的光谱特性（多模、单模、单频激光）等。

最常见的是上述分类中的第一个。

固体激光器

这些激光器使用结晶和非晶介质作为活性物质。固态激光器具有许多优点：

• 介质线性增益值高，这使得获得激光器轴向尺寸小的激光器成为可能；

• 在脉冲模式下获得极高输出功率值的可能性。

固态激光器的主要类型有：

1.以铬离子为活性中心的红宝石激光器。生成线位于光谱的红色区域 (λ = 0.69 μm)。连续模式下的辐射输出功率为几瓦，脉冲模式下的能量为数百焦耳，脉冲持续时间为 1 毫秒数量级；

2. 基于稀土金属离子（主要是钕离子）的激光器。这些激光器的一个重要优势是能够在室温下以连续模式使用。这些激光器的主要生成线位于红外区域 (λ = 1.06 μm)。连续模式下的输出功率水平达到 100-200 W，效率为 1-2%。

气体激光器

气体激光器中的粒子数反转是在放电和其他类型的泵浦（化学、热等）的帮助下实现的。

与固态气体激光器相比，它们具有许多优点：

• 涵盖0.2-400微米的极宽波长范围；

• 气体激光器的发射是高度单色和定向的；

• 在连续运行中实现非常高的输出功率水平。

气体激光器的主要类型：

1.氦氖激光器……主要波长在光谱的可见部分 (λ = 0.63 μm)。输出功率通常小于 100 mW。与所有其他类型的激光器相比，氦氖激光器提供最高程度的输出相干性。

2. 铜蒸气激光器……主要产生的辐射是在两条线上产生的，其中一条在光谱的绿色部分 (λ = 0.51 μm)，另一条在黄色 (λ = 0.58 μm)。这种激光器的脉冲功率达到 200 kW，平均功率约为 40 W。

3. 离子气体激光器... 这种类型最常见的激光器是氩激光器 (λ = 0.49 — 0.51 µm) 和氦镉激光器 (λ = 0.44 µm)。

4. 分子 CO2 激光器...最强大的一代是在 λ = 10.6 μm 时实现的。与所有其他类型的激光器相比，CO2 激光器的 cw 模式输出功率极高，达到 10 kW 或更高，效率高达 15-30%。脉冲功率 = 10 MW 是在生成的脉冲持续时间为 10-100 毫秒量级的情况下实现的。

液体激光器

液体激光器允许在很宽的振荡频率范围内进行调谐（从 λ = 0.3 µm 到 λ = 1.3 µm）。通常，在这种激光器中，活性物质是有机染料的液体溶液（例如罗丹明溶液）。

激光参数

一致性

激光辐射的一个显着特征是它的相干性。

相干性被理解为时间和空间中波过程的协调过程。空间相干性——从空间不同点同时发射的波的相位之间的相干性，以及时间相干性——从一个点发射的波的相位之间的相干性在时间中断的时刻。

相干电磁振荡——具有相同频率和恒定相位差的两个或多个源的振荡。在无线电工程中，相干性的概念也延伸到频率不相等的振荡源。例如，如果 2 个源的频率 f1 和 e2 处于合理关系中，则认为它们的振荡是相干的，即f1 / f2 = n / m，其中 n 和 m 是整数。

在观测区间内具有几乎相等的频率和几乎相同的相位差的振荡源，或频率比与有理数相差不大的振荡源，称为几乎相干振荡源。

干涉能力是相干振荡的主要特征之一。应该注意的是，只有相干波才能干涉。在下文中，将显示光辐射源的许多应用领域正是基于干涉现象。

背离

激光辐射的高空间相干性导致该辐射的低发散，这取决于波长 λ 和激光器中使用的光学腔的参数。

对于普通光源，即使使用特殊反射镜，其发散角也比激光大一到两个数量级。

激光辐射的低发散性开辟了使用传统聚焦透镜获得高光能通量密度的可能性。

激光辐射的高方向性使得对给定物质进行局部（实际上是在给定时刻）分析、测量和影响成为可能。

此外，激光辐射的高空间集中度会导致明显的非线性现象，其中正在进行的过程的性质取决于辐射强度。例如，我们可以指出多光子吸收，这仅在使用激光源时观察到，并导致物质在高发射功率下的能量吸收增加。

单色

辐射的单色性程度决定了包含发射器功率的主要部分的频率范围。该参数在使用光辐射源时非常重要，并且完全由辐射的时间相干程度决定。

在激光器中，所有辐射功率都集中在极窄的谱线中。发射线的小宽度是通过在激光器中使用光学谐振腔来实现的，主要取决于后者谐振频率的稳定性。

极化

在许多设备中，辐射的极化起着一定的作用，它表征了波的电场矢量的主要方向。

常见的非激光源的特点是混沌偏振。激光辐射是圆偏振或线偏振的。特别是，对于线性偏振，可以使用特殊设备来旋转偏振平面。在这方面，应该注意的是，对于许多食品，吸收带内的反射系数在很大程度上取决于辐射偏振平面的方向。

脉冲持续时间。激光的使用也使得获得持续时间非常短的脉冲形式的辐射成为可能（tp = 10-8-10-9 s）。这通常通过调制谐振器的 Q 因子、锁模等来实现。

在其他类型的辐射源中，最小脉冲持续时间要高几个数量级，特别是谱线的宽度。

激光辐射对生物体的影响

具有高能量密度的激光辐射结合单色性和相干性是影响生物物体的独特因素。单色性使得有可能选择性地影响物体的某些分子结构，相干性和极化与受照射系统的高度组织相结合，决定了特定的累积（共振）效应，即使在相对较低的辐射水平下也会导致强烈的光刺激细胞中的过程，光诱变。

当生物物体暴露于激光辐射时，一些分子键被破坏或发生分子结构转变，这些过程是选择性的，即一些键被辐射完全破坏，而其他键实际上没有变化。激光辐射与分子相互作用的这种显着共振特征开启了选择性催化某些代谢反应的可能性，即代谢反应，这些反应的光控制。在这种情况下，激光辐射起到了酶的作用。

使用激光光源的这种特性为增强工业生物合成开辟了广泛的可能性。

酵母的激光照射可用于例如类胡萝卜素和脂质的靶向生物合成，更广泛地说，可用于获得具有改变的生物合成方向的新突变酵母菌株。

在许多食品工业中，可以使用激光照射来控制将蛋白质分子分解成多肽片段并将这些片段水解成氨基酸的酶的活性比的能力。

在柠檬酸的工业生产中，激光刺激使产品收率提高了60%，同时降低了副产物的含量。真菌脂肪生成的激光光刺激能够在不可食用蘑菇原料的加工过程中生产食用脂肪和技术脂肪。还获得了关于微生物工业中使用的真菌生殖器官形成的激光刺激数据。

需要注意的是，与传统光源不同，激光能够在光谱的可见部分对果汁进行杀菌，这开启了使用激光直接透过瓶子玻璃进行杀菌的可能性。

已经注意到激光灭菌的一个有趣特征。如果在低功率水平下，激光照射和常规光源照射下微生物细胞的存活曲线几乎一致，那么当激光照射的比功率约为 100 kW / cm2 时，微生物细胞的有效性会急剧增加激光辐射的杀菌作用，即与使用低功率电源相比，实现相同的细胞死亡效果所需的能量要少得多。

当用非相干光源照射时，不会观察到这种效果。例如，当用强大的脉冲照射细胞时，一闪就足以让红宝石​​激光击中多达50%的细胞，而同样的能量，长时间吸收，不仅不会造成伤害, 但也导致微生物光合作用过程的强化。

所描述的效果可以通过以下事实来解释：在正常条件下，进入光化学反应的分子吸收一个光量子（单光子吸收），这增加了它们的反应性。在高水平的入射辐射下，两个概率光子吸收增加，其中一个分子同时吸收两个光子。在这种情况下，化学转化的效率急剧增加，分子结构被破坏的效率更高。

当暴露在强大的激光辐射下时，会发生使用传统光源时无法观察到的其他非线性效应。这些效应之一是将频率 f 的部分辐射功率转换为频率 2f、3f 等的辐射。 （光谐波的产生）。这种效应是由于在高辐照水平下被辐照介质的非线性特性。

由于已知生物物体对紫外线辐射的作用最敏感，因此谐波的杀菌效果将是最有效的。同时，如果用紫外线辐射源直接照射物体，发射器的大部分入射功率将被表层吸收。在所描述的情况下，紫外线辐射是在物体内部产生的，这导致了杀菌效果的体积特性。显然，在这种情况下，可以预期灭菌过程的效率更高。

激光辐射的高度单色性可以使其在二元细菌系统中对一类细菌进行灭菌，同时刺激另一类微生物的生长，即产生有针对性的“选择性”灭菌。

除了这些应用领域之外，激光还用于测量各种量——光谱、物体位移（干涉法）、振动、流速（激光风速计）、光学透明介质中的不均匀性。在激光的帮助下，可以监测表面质量，研究给定物质的光学特性对外部因素的依赖性，测量微生物对环境的污染等。