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 Сг3+ в монокристалле рубина (Сг2О3, А12О3). Под действием излучения подкачки (с длиной волны порядка 5600А) ион Сг3+ 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 Сг3+ с уровня 2 на уровень 1 излучается фотон частоты f12, который начинает распространяться по кристаллу рубина. Встречаясь с другими возбужденными ионами Сг3+, 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 которых составляет небольшой угол с осью кристалла. Остальное 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.
Типы лазеров
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.
Твердотельные лазеры
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%.
Газовые лазеры
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.
Жидкостные лазеры
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
Когерентность
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 f2 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.
Расходимость
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.
Монохроматичность
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.
Поляризация
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.