激光輻射的應用

激光——光學範圍內相干輻射的量子發生器（放大器）。術語“激光”由英文名稱amplification of light by stimulated emission of radiation的首字母組成。根據活性材料的類型，固態激光器、氣體和液體激光器之間存在區別。

在第一類激光器中，紅寶石是研究最多的。這種激光器最早的模型之一是利用單片紅寶石晶體（Cr2O3、A12O3）中三價鉻離子 Cr3+ 的能量躍遷。在泵浦輻射（波長為 5600 A 量級）的作用下，Cr3+ 離子從 1 級到 3 級，從 3 級向下躍遷到 2 級和 1 級是可能的。如果向亞穩態 2 級躍遷占主導地位，如果pumping provides post，將1級和2級的人口倒置，那麼2級的人口將超過1級的人口。

在其中一種 Cr-離子 3+ 自發躍遷的情況下，具有頻率的光子從 2 級發射到 1 級 e12，它開始在紅寶石晶體上傳播。遇到 d -red 激發的 Cr3+ 離子，該光子會導致已經感應的輻射與初級光子相干。

由於紅寶石單晶拋光和鍍銀邊緣的無數次反射，晶體中的輻射強度不斷增強。只有那些光子才會發生這種情況，傳播方向是 komotorykh 與晶體軸形成一個小角度。鋼輻射通過側面離開晶體，不參與輻射束的形成。輻射束通過其中一個端部射出，這是一個半透明的鏡子。

各個行業技術改進的重大進步與光量子發生器（激光器）的使用有關。如您所知，激光輻射與其他非激光光源（熱、氣體放電等）的輻射有很大不同。這些差異導致了激光在各個科學技術領域的廣泛應用。

考慮激光器的基本設計。

通常，光量子發生器 (OQC) 的框圖如圖 1 所示。 1（在某些情況下，驅動器 4-7 可能會丟失）。

在活性物質1中，在泵浦的作用下，由於電子從高能級向低能級傳遞的感應（由外部電磁場引起）輻射，通過它的輻射增強。在這種情況下，活性物質的特性決定了激光發射頻率。

作為活性物質，可以使用結晶或非晶介質，其中引入少量活性元素雜質（在固態激光器中）；金屬氣體或蒸汽（在氣體激光器中）；有機染料的液體溶液（在液體激光器中）。

米。 1. 光量子發生器框圖

在激光泵系統3的幫助下，在活性物質中創造條件，這使得放大輻射成為可能。為此，有必要對電子原子能級的數量進行反轉（重新分佈），其中較高能級的數量大於較低能級的數量。作為泵浦系統，它們用於固態激光器——氣體放電燈，氣體激光器——直流源、脈衝、高頻和微波發生器，以及液體激光器——LAG。

激光器的活性物質放置在光學諧振腔 2 中，它是一個鏡子系統，其中一個是半透明的，用於從諧振腔中去除激光輻射。

光學諧振器的功能多種多樣：在發生器中產生正反饋，形成激光輻射光譜等。

用於模式選擇和頻率穩定的裝置5設計用於改善激光器輸出輻射的光譜質量，即使其更接近單色振蕩的光譜。

在液體激光器中，System 6 實現了大範圍的振盪頻率調諧。如果需要，可以在激光器中實現輻射的幅度或相位調製。外部調製通常與設備 7 一起使用。

激光類型

現代激光器可以根據不同的標准進行分類：

• 根據其中使用的活性物質的類型，

• 按操作模式（連續或脈衝生成、Q 開關模式），

• 根據輻射的光譜特性（多模、單模、單頻激光）等。

最常見的是上述分類中的第一個。

固體激光器

這些激光器使用結晶和非晶介質作為活性物質。固態激光器具有許多優點：

• 介質線性增益值高，這使得獲得激光器軸向尺寸小的激光器成為可能；

• 在脈沖模式下獲得極高輸出功率值的可能性。

固體激光器的主要類型有：

1.以鉻離子為活性中心的紅寶石激光器。生成線位於光譜的紅色區域 (λ = 0.69 μm)。連續模式下的輻射輸出功率為幾瓦，脈沖模式下的能量為數百焦耳，脈衝持續時間為 1 毫秒數量級；

2. 基於稀土金屬離子（主要是釹離子）的激光器。這些激光器的一個重要優勢是能夠在室溫下以連續模式使用。這些激光器的主要生成線位於紅外區域 (λ = 1.06 μm)。連續模式下的輸出功率水平達到 100-200 W，效率為 1-2%。

氣體激光器

氣體激光器中的粒子數反轉是在放電和其他類型的泵浦（化學、熱等）的幫助下實現的。

與固態氣體激光器相比，它們具有許多優點：

• 涵蓋0.2-400微米的極寬波長范圍；

• 氣體激光器的發射是高度單色和定向的；

• 在連續運行中實現非常高的輸出功率水平。

氣體激光器的主要類型：

1.氦氖激光器……主要波長在光譜的可見部分 (λ = 0.63 μm)。輸出功率通常小於 100 mW。與所有其他類型的激光器相比，氦氖激光器提供最高程度的輸出相干性。

2. 銅蒸氣激光器……主要產生的輻射是在兩條線上產生的，其中一條在光譜的綠色部分 (λ = 0.51 μm)，另一條在黃色 (λ = 0.58 μm)。這種激光器的脈衝功率達到 200 kW，平均功率約為 40 W。

3. 離子氣體激光器... 這種類型最常見的激光器是氬激光器 (λ = 0.49 — 0.51 µm) 和氦鎘激光器 (λ = 0.44 µm)。

4. 分子 CO2 激光器...最強大的一代是在 λ = 10.6 μm 時實現的。與所有其他類型的激光器相比，CO2 激光器的 cw 模式輸出功率極高，達到 10 kW 或更高，效率高達 15-30%。脈衝功率 = 10 MW 是在生成的脈衝持續時間為 10-100 毫秒量級的情況下實現的。

液體激光器

液體激光器允許在很寬的振盪頻率範圍內進行調諧（從 λ = 0.3 µm 到 λ = 1.3 µm）。通常，在這種激光器中，活性物質是有機染料的液體溶液（例如羅丹明溶液）。

激光參數

一致性

激光輻射的一個顯著特徵是它的相干性。

相干性被理解為時間和空間中波過程的協調過程。空間相干性——從空間不同點同時發射的波的相位之間的相干性，以及時間相干性——從一個點發射的波的相位之間的相干性在時間中斷的時刻。

相干電磁振盪——具有相同頻率和恆定相位差的兩個或多個源的振盪。在無線電工程中，相干性的概念也延伸到頻率不相等的振盪源。例如，如果 2 個源的頻率 f1 和 e2 處於合理關係中，則認為它們的振盪是相干的，即f1 / f2 = n / m，其中 n 和 m 是整數。

在觀測區間內具有幾乎相等的頻率和幾乎相同的相位差的振盪源，或頻率比與有理數相差不大的振盪源，稱為幾乎相干振盪源。

干涉能力是相干振蕩的主要特徵之一。應該注意的是，只有相干波才能干涉。在下文中，將顯示光輻射源的許多應用領域正是基於乾涉現象。

背離

激光輻射的高空間相干性導致該輻射的低發散，這取決於波長 λ 和激光器中使用的光學腔的參數。

對於普通光源，即使使用特殊反射鏡，其發散角也比激光大一到兩個數量級。

激光輻射的低發散性開闢了使用傳統聚焦透鏡獲得高光能通量密度的可能性。

激光輻射的高方向性使得對給定物質進行局部（實際上是在給定時刻）分析、測量和影響成為可能。

此外，激光輻射的高空間集中度會導致明顯的非線性現象，其中正在進行的過程的性質取決於輻射強度。例如，我們可以指出多光子吸收，這僅在使用激光源時觀察到，並導致物質在高發射功率下的能量吸收增加。

單色

輻射的單色性程度決定了包含發射器功率的主要部分的頻率範圍。該參數在使用光輻射源時非常重要，並且完全由輻射的時間相干程度決定。

在激光器中，所有輻射功率都集中在極窄的譜線中。發射線的小寬度是通過在激光器中使用光學諧振腔來實現的，主要取決於後者諧振頻率的穩定性。

極化

在許多設備中，輻射的極化起著一定的作用，它表徵了波的電場矢量的主要方向。

常見的非激光源的特點是混沌偏振。激光輻射是圓偏振或線偏振的。特別是，對於線性偏振，可以使用特殊設備來旋轉偏振平面。在這方面，應該注意的是，對於許多食品，吸收帶內的反射係數在很大程度上取決於輻射偏振平面的方向。

脈衝持續時間。激光的使用也使得獲得持續時間非常短的脈衝形式的輻射成為可能（tp = 10-8-10-9 s）。這通常通過調製諧振器的 Q 因子、鎖模等來實現。

在其他類型的輻射源中，最小脈衝持續時間要高幾個數量級，特別是譜線的寬度。

激光輻射對生物體的影響

具有高能量密度的激光輻射結合單色性和相干性是影響生物物體的獨特因素。單色性使得有可能選擇性地影響物體的某些分子結構，相干性和極化與受照射系統的高度組織相結合，決定了特定的累積（共振）效應，即使在相對較低的輻射水平下也會導致強烈的光刺激細胞中的過程，光誘變。

當生物物體暴露於激光輻射時，一些分子鍵被破壞或發生分子結構轉變，這些過程是選擇性的，即一些鍵被輻射完全破壞，而其他鍵實際上沒有變化。激光輻射與分子相互作用的這種顯著共振特徵開啟了選擇性催化某些代謝反應的可能性，即代謝反應，這些反應的光控制。在這種情況下，激光輻射起到了酶的作用。

使用激光光源的這種特性為增強工業生物合成開闢了廣泛的可能性。

酵母的激光照射可用於例如類胡蘿蔔素和脂質的靶向生物合成，更廣泛地說，可用於獲得具有改變的生物合成方向的新突變酵母菌株。

在許多食品工業中，可以使用激光照射來控制將蛋白質分子分解成多肽片段並將這些片段水解成氨基酸的酶的活性比的能力。

在檸檬酸的工業生產中，激光刺激使產品收率提高了60%，同時降低了副產物的含量。真菌脂肪生成的激光光刺激能夠在不可食用蘑菇原料的加工過程中生產食用脂肪和工業脂肪。還獲得了激光刺激微生物工業中使用的真菌生殖器官形成的數據。

需要注意的是，與傳統光源不同，激光能夠在光譜的可見部分對果汁進行殺菌，這開啟了使用激光直接透過瓶子玻璃進行殺菌的可能性。

已經註意到激光滅菌的一個有趣特徵。如果在低功率水平下，激光照射和常規光源照射下微生物細胞的存活曲線幾乎一致，那麼當激光照射的比功率約為 100 kW / cm2 時，微生物細胞的有效性會急劇增加激光輻射的殺菌作用，即與使用低功率電源相比，實現相同的細胞死亡效果所需的能量要少得多。

當用非相干光源照射時，不會觀察到這種效果。例如，當用強大的脈衝照射細胞時，一閃就足以讓紅寶石激光擊中多達50%的細胞，而同樣的能量，長時間吸收，不僅不會造成傷害, 但也導致微生物光合作用過程的強化。

所描述的效果可以通過以下事實來解釋：在正常條件下，進入光化學反應的分子吸收一個光量子（單光子吸收），這增加了它們的反應性。在高水平的入射輻射下，兩個概率光子吸收增加，其中一個分子同時吸收兩個光子。在這種情況下，化學轉化的效率急劇增加，分子結構被破壞的效率更高。

當暴露於強大的激光輻射時，會發生使用傳統光源時無法觀察到的其他非線性效應。這些效應之一是將頻率為 f 的輻射功率的一部分轉換為頻率為 2f、3f 等的輻射。 （光諧波的產生）。這種效應是由於在高輻照水平下被輻照介質的非線性特性。

由於已知生物物體對紫外線輻射的作用最敏感，因此諧波的殺菌效果將是最有效的。同時，如果用紫外線輻射源直接照射物體，發射器的大部分入射功率將被表層吸收。在所描述的情況下，紫外線輻射是在物體內部產生的，這導致了殺菌效果的體積特性。顯然，在這種情況下，可以預期滅菌過程的效率更高。

激光輻射的高度單色性可以使其在二元細菌系統中對一類細菌進行滅菌，同時刺激另一類微生物的生長，即產生有針對性的“選擇性”滅菌。

除了這些應用領域之外，激光還用於測量各種量——光譜、物體位移（干涉法）、振動、流速（激光風速計）、光學透明介質中的不均勻性。在激光的幫助下，可以監測表面質量，研究給定物質的光學特性對外部因素的依賴性，測量微生物對環境的污染等。