Lazerio spinduliuotės fizikinės savybės. Lazerio veikimo principas ir pagrindinės savybės Kokia yra didelio lazerio spinduliuotės tankio priežastis

Lazerio spinduliuotė turi šias fizines savybes:

1. Didelė erdvinė ir laiko darna. Tai reiškia, kad tam tikri faziniai ryšiai tarp atskirų bangų išlaikomi tam tikrą laiką ne tik tam tikrame erdvės taške, bet ir tarp skirtinguose taškuose vykstančių virpesių. Toks procesų nuoseklumas leidžia sufokusuoti lazerio spinduliuotės spindulį į tašką, kurio skersmuo lygus šios spinduliuotės bangos ilgiui. Tai leidžia padidinti ir taip didelį lazerio spindulio intensyvumą.

2. Griežta monochromatinė spinduliuotė. Lazerio skleidžiamų bangų ilgių diapazonas Δλ pasiekia ~ 10 -15 m reikšmę (vidutiniškai Δλ< 10 -11).

3. Didelis energijos srauto tankis. Pavyzdžiui, neodimio lazeris generuoja 3·10 -12 s trukmės impulsus, kurių energija 75 J, o tai atitinka 2,5·10 13 W galią (Krasnojarsko hidroelektrinės galia 6·10 9 W )! Palyginimui taip pat atkreipiame dėmesį, kad saulės šviesos intensyvumas Žemės paviršiuje yra tik 10 3 W/m 2, o lazerinės sistemos gali išgauti iki 10 20 W/m 2 intensyvumą.

Neįprastos lazerio spinduliuotės savybės plačiai taikomos praktikoje. Pramonėje lazeriai naudojami kietų medžiagų apdirbimui, pjovimui ir mikrosuvirinimui (pavyzdžiui, kalibruotų skylių kalimui deimante), greitam ir tiksliam paviršiaus apdirbimo defektų aptikimui ir kt. Moksle lazerio spinduliuotė naudojama tiriant cheminių reakcijų mechanizmą ir gauti itin grynas medžiagas; izotopams atskirti ir aukštos temperatūros plazmai tirti; itin tiksliam nuotoliniam poslinkių, lūžio rodiklių, slėgio ir temperatūros matavimui (astronomijoje). Didelė lazerio spinduliuotės koherencija leido įgyvendinti iš esmės naują įrašymo ir vaizdo atkūrimo metodą, pagrįstą bangų trukdžiais ir difrakcija. Toks trimačio vaizdo gavimo būdas buvo vadinamas holografija (iš graikų kalbos žodžio holos – viskas). Jį sudaro (7 pav.): objektas 2 dedamas priešais fotodetektoriaus ekraną (fotoplokštę) 3. Permatomas veidrodis 4 padalija lazerio spindulį į atskaitos 7 ir signalo 8 bangą. Atskaitos banga 7, sufokusuota 5 objektyvu, veidrodyje 6 atsispindi tiesiai ant fotografinės plokštės. Signalo banga 8 pataiko į fotodetektorių po atspindžio nuo objekto 2. Kadangi 7 ir 8 bangos yra vientisos, tada persidendamos viena su kita, jos sudaro interferencijos modelį fotografinėje plokštelėje. Sukūrus fotodetektorių, gaunama holograma - dviejų koherentinių šviesos bangų 7 ir 8 pridėjimo interferencijos modelio „neigiamas“.

Kai holograma atitinkamu kampu apšviečiama šviesos banga, identiška etaloninei bangai, šios „skaitymo“ bangos difrakcija atsiranda „difrakcinėje grotelėje“, kuri yra hologramoje užfiksuotas interferencijos modelis. Dėl to hologramoje registruoto objekto vaizdas atkuriamas (tampa stebimas).

Jei fotodetektoriaus šviesai jautraus sluoksnio storis yra panašus į atstumą tarp gretimų trukdžių kraštų, gaunama įprastinė dvimatė plokščia holograma, bet jei sluoksnio storis yra daug didesnis už atstumą tarp kraštų, trimatis (tūrinis) gaunamas vaizdas.

Taip pat galima atkurti vaizdą iš tūrinės hologramos baltoje šviesoje (saulės šviesoje arba įprastos kaitinamosios lempos šviesoje) - pati holograma iš ištisinio spektro „parenka“ bangos ilgį, galintį atkurti hologramoje įrašytą vaizdą.

Panagrinėkime pagrindinius lazerio spinduliuotės sąveikos su medžiaga ir biologiniais objektais poveikį.

Terminis efektas. Kai lazerio spinduliuotę sugeria medžiaga, žmogaus audiniai, gyvūnai ir augalai, nemaža dalis elektromagnetinio lauko energijos virsta šiluma. Biologiniuose audiniuose absorbcija vyksta selektyviai, nes Į audinius įtraukti struktūriniai elementai turi skirtingus sugerties ir atspindžio rodiklius. Šiluminis lazerio švitinimo efektas nustatomas pagal šviesos srauto intensyvumą ir jo sugerties audinyje laipsnį. Šiuo atveju pokyčiai, atsirandantys audiniuose, yra panašūs į nudegimą. Tačiau, skirtingai nuo nudegimo, vietinės temperatūros padidėjimo zonos ribos yra aiškiai apibrėžtos. Taip yra dėl labai mažo lazerio spindulio skerspjūvio, trumpos poveikio trukmės ir prasto biologinių audinių šilumos laidumo. Labiausiai jautrūs temperatūros padidėjimui yra fermentai, kurie kaitinant sunaikinami pirmieji, o tai savo ruožtu lemia ląstelių biocheminių reakcijų sulėtėjimą. Esant pakankamam lazerio švitinimo intensyvumui, gali įvykti baltymų koaguliacija (negrįžtama denatūracija) ir visiškas audinių sunaikinimas.

Poveikio efektas. Šilumos generavimas lazerio spindulio paveiktoje zonoje vyksta milijonosiomis ir net šimtomis milijoninėmis sekundės dalimis. Momentinis audinių dalelių išgaravimas ir greitas jų tūrinis plėtimasis sukelia staigų slėgio padidėjimą šildymo zonoje. Dėl to skystuose ląstelių ir audinių komponentuose atsiranda smūginė banga, kuri sklinda viršgarsiniu greičiu (~1500 m/s) ir gali sukelti žalą.

Elektros reiškiniai. Lazerio spinduliuotė pagal savo prigimtį yra elektromagnetinis laukas. Jei šio lauko elektrinis komponentas yra pakankamai didelis, lazerio spindulys sukels jonizaciją ir atomų bei molekulių sužadinimą. Biologiniuose audiniuose tai gali sukelti selektyvią molekulių cheminių ryšių sunaikinimą, laisvųjų radikalų susidarymą ir dėl to įvairius patologinius procesus gyvūnuose ir žmonėms. Manoma, kad jie sukelia chemines mutacijas, vėžio atsiradimą ir biologinį senėjimą.

Aukščiau išvardytos lazerio spinduliuotės savybės ir jos sąveikos su biologiniais audiniais poveikis lemia unikalias lazerių panaudojimo galimybes eksperimentinėje biologijoje ir medicinoje.

Vos į kelių mikronų skersmenį sufokusuotas lazerio spindulys tampa tyrimų ir mikrochirurgijos įrankiu ląstelių lygiu. Apšvitindami tam tikras chromosomų dalis, galite sukelti paveldimumo pokyčius. Toks lazerio spindulys leidžia atskirti atskirus fragmentus nuo makromolekulės ir jų vietoje „siūti“ naujus. Lazerių naudojimas leido techniškai išspręsti daugybę problemų citologijos, citogenetikos, embriologijos ir kitose biologijos mokslo srityse.

Pagrindinės lazerių taikymo sritys medicinoje yra chirurgija, oftalmologija ir onkologija.

Chirurgijoje naudojami 30 ÷ 100 W galios CO 2 lazeriai, veikiantys nuolatiniu režimu. Lazerio spindulio savybės naikinti biologinį audinį kartu su baltymų krešėjimu leidžia skrodimus be kraujo. Lazerinis skalpelis turi daug privalumų, palyginti su tradiciniu skalpeliu. Pagrindinės operacijos problemos yra skausmas, kraujavimas ir sterilumas. Naudojant lazerį šios problemos gali būti išspręstos labai paprastai: lazerio spinduliuotė, skirtingai nei įprastas skalpelis, negali įnešti infekcijos, net jei jis jau užkrėstas pūlingu; netenkama kraujo, nes kraujagyslės akimirksniu užsikemša krešuliu; Lazerinis skalpelis nedaro mechaninio spaudimo audiniams, todėl sumažėja skausmo pojūtis. Be to, šiuolaikinių endoskopų ir lanksčių šviesos kreiptuvų (optika) pagalba į vidines ertmes galima įvesti lazerio spinduliuotę, kuri leidžia sustabdyti vidinį kraujavimą ir išgarinti pūliavimą neatidarant organų. Chirurginiams tikslams mūsų šalyje yra sukurtos „Scalpel-1“ (P = 30 W) ir „Romashka-1“ (P = 100 W) instaliacijos.

Oftalmologijoje naudojami impulsiniai rubino lazeriai (impulso trukmė 30 ÷ 70 ns; E = 0,1 ÷ 0,3 J), kurie leidžia atlikti daugybę sudėtingų operacijų nepažeidžiant akies vientisumo: suvirinti atskilusią tinklainę. į gyslainę (oftalmokoaguliatorius); glaukomos gydymas lazerio spinduliu praduriant 50-100 nm skersmens skylę skysčiui nutekėti, siekiant sumažinti akispūdį; tam tikrų tipų kataraktos ir kitų rainelės defektų gydymas. Glaukomos gydymui buvo sukurta Yatagan-1 instaliacija.

Onkologijoje lazerio spinduliuotė naudojama piktybinių navikų ląstelėms iškirpti ir nekrotizuoti. Nekrotizuojant piktybinius navikus, naudojamas įvairių audinių lazerio spinduliuotės sugerties selektyvumas. Pavyzdžiui, kai kurie pigmentiniai navikai (melanoma, hemangioma) lazerio spinduliuotę sugeria daug intensyviau nei aplinkiniai audiniai. Tuo pačiu metu šiluma išsiskiria žaibo greičiu mikroskopiniame audinio tūryje, susidarant smūginei bangai. Šie veiksniai sukelia piktybinių ląstelių sunaikinimą. Impulsinio poveikio metu audinių temperatūra 4-5 mm gylyje pakyla iki 55-60 0 C. Naudojant nepertraukiamu režimu veikiančius lazerius, temperatūrą galima padidinti iki 100 0 C. Navikams paveikti naudojama fokusuota lazerio spinduliuotė. (d = 1,5 ÷3 mm objekto paviršiuje), kurio intensyvumas I = 200 ÷ 900 W/cm 2.

Nustatyta, kad lazerio spinduliuotė turi nemažai privalumų, palyginti su rentgeno terapija, naudojama odos vėžiui gydyti: žymiai sumažėja spinduliuotės apkrova, kelis kartus sumažėja išlaidos. Naudojant ne tokią intensyvią spinduliuotę, galima slopinti vėžinių ląstelių augimą (lazerio terapija). Tam naudojama speciali lazerinė instaliacija „Pulsatorius-1“ arba argono lazeriai, kurių galia iki 1 W. 97% atvejų odos vėžį galima išgydyti lazeriu.

Dabar pažiūrėkime, kokie procesai vyksta lazeryje. Lazeris
yra monochromatinės koherentinės šviesos šaltinis su
didelis šviesos pluošto kryptingumas. Pats žodis „lazeris“ sudarytas iš pirmųjų angliškos frazės „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ raidžių, reiškiančių „šviesos stiprinimas dėl stimuliuojamos emisijos“. Iš tiesų, pagrindinis fizinis procesas, lemiantis lazerio veikimą, yra stimuliuojama spinduliuotė. Tai atsiranda, kai fotonas sąveikauja su sužadintu atomu
tikslus fotono energijos sutapimas su atomo sužadinimo energija (arba
molekulės).

Dėl šios sąveikos sužadintas atomas patenka į
nesužadinta būsena, o energijos perteklius išskiriamas naujos formos
fotonas, kurio energija lygiai tokia pati, sklidimo kryptis ir
poliarizacija, kaip ir pirminio fotono. Taigi pasekmė
Šio proceso buvimas yra dviejų visiškai identiškų
fotonų su sužadintais atomais, panašiais į pirmąjį atomą, gali įvykti „grandinė reakcija“, identiškų fotonų atkūrimas „skraidantis“ visiškai tiksliai viena kryptimi, o tai lems siaurai nukreipto šviesos pluošto atsiradimą. Kad įvyktų vienodų fotonų lavina, reikalinga terpė, kurioje sužadintų atomų būtų daugiau nei nesužadintų, nes fotonams sąveikaujant su nesužadintais atomais įvyktų fotonų sugertis. Tokia terpė vadinama terpe su atvirkštine energijos lygių populiacija.

Taigi, be skatinamos fotonų emisijos, sužadinamas
atomų taip pat vyksta savaiminis, savaiminis procesas
fotonų emisija sužadintų atomų perėjimo į nesužadintą būseną metu ir fotonų sugerties procesas atomams pereinant iš nesužadintos būsenos į sužadintą. Šiuos tris procesus, lydinčius atomų perėjimus į sužadintą būseną ir atgal, A. Einšteinas postulavo 1916 m.

Jei sužadintų atomų skaičius yra didelis ir yra atvirkštinis
lygių populiacija (viršutinėje sužadintoje būsenoje atomų yra daugiau nei apatinėje, nesužadintoje būsenoje), tada pats pirmasis fotonas, gimęs dėl spontaniškos emisijos, sukels vis didesnę jam tapačių fotonų atsiradimo laviną. Padidės spontaniška emisija.

Lengvo slėgio galimybę terpėje su apversta populiacija dėl stimuliuojamos emisijos pirmą kartą nurodė sovietų fizikas V.A. Gamintojas, kuris pasiūlė sukurti atvirkštinę populiaciją elektros iškrovoje dujose.

Gimstant vienu metu (iš esmės tai įmanoma)
iš daugybės spontaniškai išspinduliuotų fotonų, daug
lavinų skaičius, kurių kiekviena pasklis savo kryptimi
kryptis, kurią suteikia atitinkamo pradinis fotonas
lavinos. Dėl to mes gausime šviesos kvantų srautus, bet negalėsime
negauna nei kryptingo pluošto, nei didelio monochromatiškumo, taigi
kaip kiekviena lavina buvo inicijuota savo inicialu
fotonas. Tam, kad aplinka su apversta populiacija būtų
naudojamas generuoti lazerio spindulį, t. y. nukreiptą spindulį su
labai vienspalvis, būtina "pašalinti" atvirkštinį
gyventojų, naudojančių pirminius fotonus, jau turinčius vieną ir
ta pati energija, sutampanti su tam tikro perėjimo atome energija.
Tokiu atveju turėsime lazerio šviesos stiprintuvą.

Tačiau yra ir kita lazerio gavimo galimybė
spindulys, susijęs su grįžtamojo ryšio sistemos naudojimu. Spontaniškai
gimusių fotonų, kurių sklidimo kryptis nėra
statmenai veidrodžių plokštumai, sukurs fotonų lavinas, besitęsiančias už terpės ribų. Tuo pat metu fotonai, kurių sklidimo kryptis yra statmena veidrodžių plokštumai, sukurs lavinas, kurios terpėje labai sustiprėja dėl daugybinių atspindžių nuo veidrodžių. Jei vienas iš veidrodžių turi mažą pralaidumą, tada nukreiptas fotonų srautas išeis per jį statmenai veidrodžių plokštumai. Teisingai parinkus veidrodžių perdavimą, tiksliai sureguliavus juos vienas kito atžvilgiu ir terpės išilginės ašies atžvilgiu su apversta populiacija, grįžtamasis ryšys gali būti toks efektyvus, kad spinduliuotė „į šoną“ gali būti visiškai nukreipta.
nepaisoma, palyginti su pro veidrodžius sklindančia spinduliuote. Įjungta
Praktiškai tai iš tikrųjų galima padaryti. Tokia atvirkštinė schema
jungtis vadinamas optiniu rezonatoriumi, o būtent tokio tipo rezonatorius
naudojamas daugelyje esamų lazerių.

1955 metais vienu metu ir savarankiškai N.E. Basovas ir A.M.
Prokhorovas SSRS ir Charlesas Townesas JAV pasiūlė šį principą
buvo sukurtas pirmasis pasaulyje elektromagnetinis kvantinis generatorius
spinduliuotė terpėje su apversta populiacija, kurioje stimuliuojama emisija dėl grįžtamojo ryšio naudojimo
lėmė itin monochromatinės spinduliuotės susidarymą.

Po kelerių metų, 1960 m., amerikiečių fizikas T.
Maimanas paleido pirmąjį kvantinį optinį generatorių
diapazonas - lazeris, kuriame buvo atliktas grįžtamasis ryšys
aukščiau aprašyto optinio rezonatoriaus ir atvirkštinės populiacijos
buvo sužadintas rubino kristaluose, apšvitintuose ksenono spinduliuote
blykstės lempos. Rubino kristalas yra kristalas
aliuminio oksidas Al2O3 su nedideliu priedu = 0,05 % chromo. At
Pridedant chromo atomų, susidaro skaidrūs rubino kristalai
rožinės spalvos ir sugeria spinduliuotę dviejose artimose juostose
ultravioletinė spektro sritis. Iš viso rubino kristalai
Sugeria apie 15% blykstės šviesos. Kai sugeria šviesą
chromo jonai paverčia jonus į sužadintą būseną. IN
Dėl vidinių procesų sužadinti chromo jonai virsta į
pagrindinę būseną ne iš karto, o per du sužadintus lygius. Ant šių
lygius, įvyksta jonų kaupimasis, o esant pakankamai galingai ksenono lempos blyksniai, tarp tarpinių ir pagrindinio chromo jonų lygio susidaro atvirkštinė populiacija.

Rubino strypo galai yra poliruoti ir padengti šviesą atspindinčia medžiaga
trukdžių plėvelės, išlaikant griežtą
galų lygiagretumas vienas kitam.

Kai įvyksta chromo jonų populiacijos lygių inversija
Rubine lavina didėja stimuliuojamų spinduliuojamų fotonų skaičius, o grįžtamasis ryšys apie optinį rezonatorių, kurį sudaro veidrodžiai rubino strypo galuose, užtikrina siaurai nukreipto raudonos šviesos pluošto susidarymą. Lazerio impulso trukmė = 0,0001 s, šiek tiek trumpesnė nei ksenoninės lempos blykstės trukmė. Rubino lazerio impulso energija yra apie 1 J.

Naudojant mechaninę sistemą (sukamą veidrodį) arba
Naudodami greitaeigį elektrinį sklendę galite „įjungti“ grįžtamąjį ryšį (sureguliuoti vieną iš veidrodžių) tuo metu, kai pasieksite maksimalią populiacijos inversiją, taigi ir didžiausią aktyviosios terpės stiprinimą. Tokiu atveju stimuliuojamos emisijos galia bus itin didelė, o populiacijos inversija bus „pašalinta“ skatinama emisija per labai trumpą laiką.

Šiame Q perjungimo režime rezonatorius skleidžia
milžiniškas lazerio spinduliuotės impulsas. Bendra šio impulso energija išliks maždaug tokio paties lygio kaip ir „laisvos generacijos“ režimu, tačiau dėl impulso trukmės sutrumpėjimo šimtus kartų spinduliavimo galia taip pat padidėja šimtus kartų, pasiekdama vertę. = 100000000W.

Panagrinėkime keletą unikalių lazerio spinduliuotės savybių.

Spontaniškos emisijos metu atomas skleidžia spektrinę liniją
galutinis plotis. Panašiai padidėjus stimuliuojamų spinduliuojamų fotonų skaičiui terpėje su atvirkštine populiacija, intensyvumas
šios lavinos spinduliuotė pirmiausia padidės centre
tam tikro atominio perėjimo spektrinė linija ir dėl to
proceso spektrinės linijos plotis pradinis spontaniškas
radiacija sumažės. Praktiškai ypatingomis sąlygomis
galima padaryti santykinį lazerio spektrinės linijos plotį
spinduliuotė yra 1*10000000-1*100000000 kartų mažesnė už siauriausių gamtoje stebimų savaiminės emisijos linijų plotį.

Be lazerio emisijos linijos susiaurinimo, galima gauti
Spindulio divergencija yra mažesnė nei 0,00001 radiano, ty lanko sekundės lygyje.

Yra žinoma, kad galima gauti nukreiptą siaurą šviesos spindulį
principą iš bet kurio šaltinio, pateikiant eilutę
ekranai su mažomis skylutėmis, išdėstytomis tiesia linija.
Įsivaizduokime, kad paėmėme įkaitintą juodą kūną ir diafragmomis gavome šviesos spindulį, iš kurio prizme ar kitu spektriniu įtaisu išskyrėme spektrinio pločio spindulį.
atitinkantis lazerio spinduliuotės spektro plotį. Žinant galią
lazerio spinduliuotė, jos spektro plotis ir spindulio kampinė divergencija,
Temperatūrai apskaičiuoti galite naudoti Plancko formulę
įsivaizduojamas juodas kūnas, naudojamas kaip šaltinis
šviesos spindulys atitinka lazerio spindulį. Šis skaičiavimas leis mums gauti fantastišką skaičių: juodo kūno temperatūra turėtų būti dešimtys milijonų laipsnių! Nuostabi lazerio spindulio savybė – jo aukšta efektyvi temperatūra (net ir esant santykinai mažai vidutinei lazerio spinduliuotės galiai ar mažai lazerio impulsų energijai) atveria mokslininkams dideles galimybes, kurios visiškai neįmanomos nenaudojant lazerio.

Lazeriai skiriasi: tuo, kaip jie sukuria atvirkščiai
gyventojų, arba, kitaip tariant, siurbimo būdas (optinis siurbimas,
sužadinimas elektronų smūgiu, cheminis pumpavimas ir kt.); dirbantis
aplinka (dujos, skysčiai, stiklai, kristalai, puslaidininkiai ir kt.); rezonatoriaus projektavimas; darbo režimas (impulsinis, nuolatinis).
Šiuos skirtumus lemia reikalavimų įvairovė
lazerio charakteristikas, susijusias su jo praktiniu pritaikymu.
Yra nuolat pumpuojami lazeriai (sužadinimo energija
nuolat patenka į aktyvųjį lazerio elementą), kurio spinduliuotė yra nuolatinio šviesos srauto arba reguliaraus
šviesos impulsų sekos. Lazerio pasikartojimo dažnis
impulsai gali būti labai dideli – iki 107 impulsų per sekundę. Lazeriai su impulsiniu siurbimu (žadinimo energija į aktyvųjį elementą patenka atskirais impulsais) gali skleisti „milžiniškus impulsus“ (impulso trukmė 10-8 s, impulso intensyvumas maksimalus iki 106 ket), taip pat ultratrumpus šviesos impulsus (impulso trukmė 10-12 s, maksimalus intensyvumas iki 109 ket). Kaip aktyvūs elementai
lazeriuose naudojami įvairūs kristalai, stiklai, puslaidininkiai

medžiagos, skysčiai ir dujinės terpės. Sužadinimo dujoms
aktyvioji terpė naudoja elektros iškrovą dujose.
Nurodysime pagrindinius lazerių tipus:

a) kietojo kūno (ant rubino, ant granatų ar stiklo, aktyvuotas).
neodimis);

b) dujų išlydis (ant helio ir neono mišinio, ant jonizuoto argano, ant
anglies dioksidas);

c) skystis (organinių dažiklių tirpalų pagrindu);

d) puslaidininkinis (ant grynų puslaidininkių, kontaktuojant
skirtingų tipų priemaišų puslaidininkiai tarpusavyje);

e) cheminė medžiaga (dujų mišiniuose, kuriuose vyksta cheminės reakcijos
reakcijos, išskiriančios energiją);

f) dujų dinaminis (naudojant reaktyvinį dujų srautą).

Dujiniai lazeriai

Bene plačiausiai naudojami dujiniai lazeriai
yra šiuo metu naudojamas lazerio tipas ir šiuo atžvilgiu yra neabejotinai pranašesnis už net rubino lazerius. Atrodo, kad daugumos atliekamų tyrimų tikslas yra dujiniai lazeriai. Tarp skirtingų dujinių lazerių tipų visada galima rasti tokį, kuris patenkins beveik visus lazerio reikalavimus, išskyrus labai didelę galią matomoje spektro srityje impulsiniu režimu. Didelės galios reikalingos daugeliui eksperimentų tiriant netiesines optines medžiagų savybes. Šiuo metu dujų lazeriuose didelės galios nėra gautos dėl paprastos priežasties – atomų tankis juose nėra pakankamai didelis. Tačiau beveik visiems kitiems tikslams galima rasti specifinį dujinių lazerių tipą, kuris bus pranašesnis ir už optiškai pumpuojamus kietojo kūno lazerius, ir už puslaidininkinius lazerius. Buvo skirta daug pastangų, kad šie lazeriai būtų konkurencingi dujiniams lazeriams, ir kai kuriais atvejais buvo pasiekta tam tikros sėkmės, tačiau tai visada buvo galimybių riba, o dujiniai lazeriai nerodo populiarumo mažėjimo požymių.

Dujų lazerių charakteristikos dažnai atsiranda dėl to, kad
kad jie dažniausiai yra atominių ar
molekuliniai spektrai. Todėl perėjimų bangos ilgiai yra tiksliai
žinoma, kad juos lemia atominė struktūra ir dažniausiai nepriklauso
nuo aplinkos sąlygų. Lazavimo bangos ilgio stabilumas
su tam tikromis pastangomis galima žymiai pagerinti
palyginti su spontaniškos emisijos stabilumu. Šiuo metu
Šiais laikais yra lazerių, kurių monochromatiškumas yra geresnis nei bet kuris kitas
kitą įrenginį. Tinkamai parinkus aktyviąją terpę, lazeravimą galima pasiekti bet kurioje spektro dalyje, nuo ultravioletinės (~ 2000 A) iki tolimosios infraraudonosios srities (~ 0,4 mm), iš dalies apimančios mikrobangų sritį. Taip pat nėra pagrindo abejoti, kad ateityje bus galima sukurti lazerius vakuuminei ultravioletinei spektro sričiai. Darbinių dujų retėjimas užtikrina mažo lūžio rodiklio terpės optinį homogeniškumą, o tai leidžia rezonatoriaus režimų struktūrai apibūdinti naudoti paprastą matematinę teoriją ir suteikia pasitikėjimo, kad išėjimo signalo savybės yra artimos teorinėms. . Nors elektros energijos pavertimo stimuliuojamos emisijos energija efektyvumas dujų lazeryje negali būti toks didelis kaip puslaidininkiniame lazeryje, tačiau
Dėl išlydžio valdymo paprastumo naudojamas dujų lazeris
Daugeliu atvejų jį patogiausia naudoti kaip vieną iš laboratorinių instrumentų. Kalbant apie didelę nuolatinę galią (priešingai nei impulsinė galia), dujinių lazerių prigimtis leidžia jiems šiuo atžvilgiu pranokti visų kitų tipų lazerius.

Puslaidininkiniai lazeriai

Pagrindinis puslaidininkinių lazerių veikimo pavyzdys
Magnetinė-optinė saugykla (MO). MO pavaros veikimo principai yra tokie, kad MO diskas yra sukurtas remiantis magnetinių ir optinių informacijos saugojimo principų deriniu. Informacija rašoma naudojant lazerio spindulį ir magnetinį lauką, o skaitoma tik lazeriu.

Įrašymo MO diske metu lazerio spindulys įkaista
tam tikruose diskų taškuose ir veikiant temperatūrai
Įkaitusio taško atsparumas poliškumo pokyčiui smarkiai sumažėja, o tai leidžia magnetiniam laukui pakeisti taško poliškumą. Pasibaigus šildymui, varža vėl didėja, tačiau šildomo taško poliškumas išlieka pagal įkaitinimo momentu jam taikomą magnetinį lauką. Dabartiniuose MO įrenginiuose informacijai rašyti naudojami du ciklai, trynimo ciklas ir rašymo ciklas. Ištrynimo proceso metu magnetinio lauko poliškumas yra toks pat, atitinkantis dvejetainius nulius. Lazerio spindulys įkaista
nuosekliai visą ištrintą plotą ir tokiu būdu įrašus
įrašyti nulių seką. Įrašymo ciklo metu magnetinio lauko poliškumas pasikeičia, o tai atitinka dvejetainį. Šiame cikle lazerio spindulys įjungiamas tik tose srityse, kuriose turėtų būti dvejetainių, paliekant nepakitusias sritis su dvejetainiais nuliais.

Skaitant iš MO disko, naudojamas Kerr efektas,
susidedantis iš atspindinčiojo poliarizacijos plokštumos keitimo
lazerio spindulys, priklausomai nuo atspindinčio elemento magnetinio lauko krypties. Šiuo atveju atspindintis elementas
yra disko paviršiaus taškas, kuris įrašymo metu įmagnetinamas,
atitinkantis vieną saugomos informacijos bitą. Skaitant
naudojamas mažo intensyvumo lazerio spindulys, kuris nesukelia
skaitymo zonos šildymas, taigi, skaitant, saugomas
informacija nesunaikinama.

Šis metodas, skirtingai nei įprastas, naudojamas optikoje
diskai nedeformuoja disko paviršiaus ir leidžia pakartotinai įrašyti be papildomos įrangos. Šis metodas taip pat turi pranašumą prieš tradicinį magnetinį įrašymą patikimumo požiūriu. Kadangi disko sekcijų permagnetinimas galimas tik veikiant aukštai temperatūrai, atsitiktinio įmagnetinimo apsisukimo tikimybė yra labai maža, skirtingai nuo tradicinio magnetinio įrašymo, kurio praradimą gali sukelti atsitiktiniai magnetiniai laukai.

MO diskų taikymo sritį lemia jos
aukštos charakteristikos patikimumo, tūrio ir pakeičiamumo požiūriu. MO
diskas reikalingas užduotims, kurioms reikia daug vietos diske, tai
užduotys, tokios kaip CAD, garso vaizdo apdorojimas. Tačiau
mažas duomenų prieigos greitis, neleidžia juo naudotis
MO diskai užduotims su kritiniu sistemos reaktyvumu. Štai kodėl
MO diskų naudojimas atliekant tokias užduotis yra saugojimas juose
laikina arba atsarginė informacija. Labai naudinga MO diskams
naudojamas standžiųjų diskų ar duomenų bazių atsarginėms kopijoms kurti
duomenis. Skirtingai nuo šiems tikslams tradiciškai naudojamų juostinių įrenginių, atsarginės informacijos saugojimas MO diskuose žymiai padidina duomenų atkūrimo greitį po gedimo. Taip yra todėl, kad MO diskai yra įrenginiai su
atsitiktinė prieiga, leidžianti atkurti tik tuos
duomenys, kuriuose buvo aptiktas gedimas. Be to, naudojant šį metodą
atkūrimas, prieš tai nereikia visiškai sustabdyti sistemos
pilnas duomenų atkūrimas. Šie privalumai kartu su aukštu
Informacijos saugojimo patikimumą užtikrina MO diskų naudojimas, kai
atsarginė kopija yra naudinga, nors ir brangesnė, palyginti su streameriais.

Dirbant taip pat patartina naudoti MO diskus
dideli kiekiai privačios informacijos. Lengvas disko pakeitimas
leidžia juos naudoti tik darbo metu, nesirūpinant kompiuterio apsauga ne darbo valandomis duomenis galima saugoti atskiroje, apsaugotoje vietoje. Dėl tos pačios savybės MO diskai yra būtini tais atvejais, kai reikia gabenti didelius kiekius iš vienos vietos į kitą, pavyzdžiui, iš darbo į namus ir atgal.

Pagrindinės MO diskų kūrimo perspektyvos pirmiausia susijusios su duomenų įrašymo spartos didinimu. Lėtas greitis visų pirma nustatomas pagal dviejų žingsnių įrašymo algoritmą. Šiame algoritme nuliai ir vienetai rašomi skirtingais žingsniais dėl to, kad magnetinis laukas, nustatantis konkrečių disko taškų poliarizacijos kryptį, negali pakankamai greitai pakeisti krypties.

Realiausia alternatyva dviejų važiavimų įrašymui yra
technologija, pagrįsta fazių kaita. Tokia sistema
jau įdiegė kai kurios gamybos įmonės. Egzistuoti
dar keletas pokyčių šia kryptimi, susiję su polimeriniais dažais ir magnetinio lauko bei lazerio spinduliuotės galios moduliavimu.

Fazės keitimu pagrįsta technologija,
remiantis medžiagos gebėjimu virsti iš kristalinės
būsenos į amorfines. Pakanka apšviesti tam tikrą tašką
disko paviršius su tam tikros galios lazerio spinduliu, kaip medžiaga
šiuo metu jis pereis į amorfinę būseną. Kartu tai keičiasi
disko atspindėjimas šiuo metu. Informacijos įrašymas vyksta daug greičiau, tačiau šio proceso metu ji deformuojasi
disko paviršius, o tai riboja perrašymo ciklų skaičių.

Taip pat technologija, pagrįsta polimeriniais dažais
leidžia vėl patekti. Naudojant šią technologiją, disko paviršius
padengtas dviem polimerų sluoksniais, kurių kiekvienas
jautrus tam tikro dažnio šviesai. Naudojamas įrašymui
dažnis, kurio nepaiso viršutinis sluoksnis, bet sukelia reakciją apatiniame sluoksnyje. Spindulio kritimo vietoje apatinis sluoksnis išsipučia ir susidaro iškilimas, kuris turi įtakos disko paviršiaus atspindinčioms savybėms. Trinimui naudojamas kitoks dažnis, į kurį reakcijos metu reaguoja tik viršutinis polimero sluoksnis, išsipūtimas išlyginamas. Šis metodas, kaip ir ankstesnis, turi ribotą įrašymo ciklų skaičių, nes įrašymo metu paviršius deformuojamas.

Šiuo metu kuriama technologija, kuri leidžia
pakeisti magnetinio lauko poliškumą vos per kelias nanosekundes. Tai leis jums pakeisti magnetinį lauką
sinchroniškai su duomenų gavimu įrašymui. Taip pat yra
technologija, pagrįsta lazerio spinduliuotės moduliavimu. Šiame
technologija, pavara veikia trimis režimais – skaitymo režimu su žemu
intensyvumo, vidutinio intensyvumo įrašymo režimas ir didelio intensyvumo įrašymo režimas. Norint moduliuoti lazerio spindulio intensyvumą, reikia sudėtingesnės disko struktūros ir pridėti inicijavimo magnetą, sumontuotą prieš poslinkio magnetą ir turintį priešingą poliškumą disko pavaros mechanizmui. Paprasčiausiu atveju diskas turi du darbinius sluoksnius – inicijavimą ir įrašymą. Inicializuojantis sluoksnis pagamintas iš tokios medžiagos, kad inicijuojantis magnetas gali pakeisti savo poliškumą be papildomo lazerio poveikio. Įrašymo procese inicijuojantis sluoksnis rašomas nuliais, o veikiant vidutinio intensyvumo lazerio spinduliui įrašymo sluoksnis įmagnetinamas inicijuojančiu, kai veikiamas didelio intensyvumo pluoštas, įrašymo sluoksnis įmagnetinamas pagal su poslinkio magneto poliškumu. Taigi, perjungiant lazerio galią, duomenų įrašymas gali įvykti vienu praėjimu.

Žinoma, MO diskai yra perspektyvūs ir sparčiai tobulinami
prietaisai, galintys išspręsti kylančias problemas su dideliais
informacijos apimtis. Tačiau tolimesnė jų raida priklauso ne tik nuo
įrašymo technologija, bet ir pažanga kitų laikmenų srityje
informacija. Ir jei nebus išrastas efektyvesnis informacijos saugojimo būdas, MO diskai gali užimti dominuojantį vaidmenį.

Lazerinės technologijos

Lazeriai buvo plačiai pritaikyti ir ypač naudojami
įvairių rūšių medžiagų apdirbimo pramonė: metalai,
betonas, stiklas, audiniai, oda ir kt.

Lazerinius technologinius procesus galima skirstyti į
dviejų rūšių. Pirmasis iš jų naudoja itin baudos galimybę
lazerio spindulio fokusavimas ir tikslus energijos dozavimas, kaip nurodyta
impulsinis ir nuolatinis režimas. Tokiose technologinėse
procesuose naudojami palyginti žemo vidurkio lazeriai
galia: tai impulsinio periodinio veikimo dujiniai lazeriai, itrio-aliuminio granato kristalų pagrindu pagaminti lazeriai su neodimio mišiniu. Pastarųjų pagalba išgręžiama plonų skylių (1-10 mikronų skersmens ir iki 10-100 mikronų gylio) rubino ir deimantų akmenyse gręžimo technologija laikrodžių pramonei ir štampelų gamybos technologija. buvo sukurti plonos vielos piešimui. Pagrindinė mažos galios impulsinių lazerių taikymo sritis yra susijusi su miniatiūrinių detalių pjovimu ir suvirinimu mikroelektronikoje ir elektrinėje vakuuminėje pramonėje, su miniatiūrinių detalių žymėjimu, automatiniu skaičių, raidžių, vaizdų įrašymu pagal poreikius. spausdinimo pramonė.

Pastaraisiais metais vienoje iš svarbiausių sričių
mikroelektronika – fotolitografija, kurios nenaudojant
Beveik neįmanoma pagaminti subminiatiūrinių spausdintinių plokščių, integriniai grandynai ir kiti mikroelektronikos technologijos elementai pakeičiami lazeriniais. Naudojant XeCL lazerį (1=308 nm), fotolitografinėje technologijoje galima gauti iki 0,15 - 0,2 mikrono skiriamąją gebą.

Tolesnė pažanga submikroninėje litografijoje yra susijusi su
naudojant minkštą šviesą kaip atskleidžiantį šviesos šaltinį
Rentgeno spinduliuotė iš plazmos, sukurta lazerio spinduliu. IN
Šiuo atveju skiriamoji geba nustatoma pagal bangos ilgį
Rentgeno spinduliuotė (1 = 0,01 - 0,001 µm), pasirodo, paprasta
fantastinis.

Antrasis lazerių technologijos tipas yra pagrįstas lazerių naudojimu su
didelė vidutinė galia: nuo 1 kW ir daugiau. Galingi lazeriai naudojami tokiuose daug energijos reikalaujančiuose technologiniuose procesuose kaip storų plieno lakštų pjovimas ir virinimas, paviršiaus grūdinimas, didelių detalių lydymas ir legiravimas, pastatų valymas nuo paviršiaus teršalų, marmuro, granito pjaustymas, audinių, odos ir kitų medžiagų pjaustymas. Suvirinant metalus lazeriu, pasiekiamos aukštos kokybės suvirinimo siūlės ir nereikia naudoti vakuuminių kamerų, kaip suvirinant elektroniniu pluoštu, o tai labai svarbu gaminant konvejerius.

Didelės galios lazerio technologija buvo pritaikyta mechaninėje inžinerijoje,
automobilių pramonė, statybų pramonė
medžiagos. Tai leidžia ne tik pagerinti apdorojimo kokybę
medžiagų, bet ir pagerinti techninius bei ekonominius rodiklius
gamybos procesai. Taigi, plieno suvirinimo lazeriu greitis
14 mkm storio lakštai pasiekia 100 m/h greitį su 10 kWh elektros sąnaudomis.

Naudojant lazerį

5.1. Lazerio spindulys kaip grąžtas. Skylių gręžimas laikrodžiuose
akmenys – čia prasidėjo lazerio karjera. Tai yra apie
rubino akmenys, kurie naudojami laikrodžiuose kaip slankiojantys guoliai. Gaminant tokius guolius, reikia išgręžti tik 0,1-0,05 mm skersmens skyles rubine - labai kieta ir tuo pačiu trapi medžiaga. Daugelį metų ši juvelyrinė operacija buvo atliekama įprastu mechaniniu būdu, naudojant grąžtus iš plonos fortepijoninės vielos, kurios skersmuo 40-50 mikronų. Toks grąžtas padarė iki 30 tūkstančių apsisukimų per minutę ir vienu metu atliko apie šimtą slenkamų judesių. Išgręžti vieną akmenį prireikė iki 10-15 minučių.

Nuo 1964 m. mažo našumo mechaninis gręžimas
visur pradėti keisti laikrodžių akmenys lazerinis gręžimas.
Žinoma, terminas „gręžimas lazeriu“ neturėtų būti suprantamas pažodžiui; lazerio spindulys negręžia skylės – išmuša ją, sukeldamas
intensyvus medžiagos garavimas. Šiais laikais laikrodžių akmenų gręžimas lazeriu yra įprasta praktika. Tam ypač naudojami neodimio stiklo lazeriai. Akmenyje skylė (kurio ruošinio storis 0,5-1 mm) padaroma kelių lazerio impulsų serija, kurios energija yra 0,5-1 J. Lazerio įrengimo našumas automatiniu režimu yra akmuo per sekundę. Tai tūkstantį kartų didesnis
mechaninio gręžimo našumas!

Netrukus po jo gimimo lazeris gavo šiuos dalykus
užduotis, su kuria jis taip pat sėkmingai susidorojo – gręžti (pramušti) skyles deimantiniuose štampuose. Norint gauti labai ploną vielą iš vario, bronzos, volframo, naudojama metalo ištraukimo per atitinkamo skersmens skylę technologija. Tokios skylės gręžiamos medžiagose, kurios turi ypač didelį kietumą, nes traukiant vielą skylės skersmuo turi išlikti nepakitęs. Yra žinoma, kad deimantas yra sunkiausias. Todėl geriausia
ištraukite ploną vielą per skylę deimante - per šitaip
vadinami deimantiniais štampais. Tik deimantinių štampų pagalba galima gauti itin ploną, vos 10 mikronų skersmens vielą. Bet kaip išgręžti ploną skylę itin kietoje medžiagoje, pavyzdžiui, deimante? Mechaniškai tai padaryti labai sunku – deimantiniame štampelyje mechaniškai išgręžti vieną skylę užtrunka iki dešimties valandų. Bet kaip
Paaiškėjo, kad išmušti šią skylę kelių serija visai nesunku
galingi lazerio impulsai.

Šiandien lazerinis gręžimas plačiai naudojamas ne tik specialiems
kietoms medžiagoms, bet ir medžiagoms, kurioms būdingas padidėjęs
trapumas. Lazerinis gręžtuvas pasirodė ne tik galingas, bet ir labai
subtilus "įrankis". Pavyzdys: lazerio naudojimas gręžimui
skylės drožlių substratuose, pagamintuose iš aliuminio oksido
keramika. Keramika yra neįprastai trapi. Dėl šios priežasties mechaninis
Skylės mikroschemos pagrinde paprastai buvo gręžiamos ant „žaliavos“. Po gręžimo keramika buvo išdeginta. Šiuo atveju įvyko tam tikra gaminio deformacija, abipusė
išgręžtų skylių vieta. Problema buvo išspręsta su
lazerinių grąžtų atsiradimas. Naudodami juos galite dirbti su keraminiais pagrindais, kurie jau buvo išdeginti. Naudojant lazerius, keramikoje išmušamos labai plonos skylės – tik 10 mikronų skersmens. Tokių skylių negalima gauti mechaniniu gręžimu.

Niekam nekilo abejonių, kad gręžimas yra lazerio iškvietimas.
Čia lazeris iš tikrųjų neturėjo vertų konkurentų, ypač kai reikėjo gręžti ypač plonas ir ypač gilias skyles, kai reikia gręžti skyles labai trapiose ar labai kietose medžiagose.

Taip skerspjūvyje atrodo skylė deimantiniame štampelyje. Lazerio impulsai išmuša grubų kanalą deimantiniame ruošinyje. Tada apdorojant kanalą ultragarsu, šlifuojant ir poliruojant,

Šios tvarkingos 0,3 mm skersmens skylės yra išmuštos aliuminio oksido plokštelėje

5.2. Pjovimas ir suvirinimas lazeriu. Lazerio spinduliu galima pjauti absoliučiai viską: audinį, popierių, medieną, fanerą, gumą; plastikas, keramika, asbesto lakštai, stiklas, metalo lakštai. Tuo pačiu metu galima išgauti tvarkingus pjūvius išilgai sudėtingų profilių. Pjaunant degias medžiagas, pjovimo vieta pučiama inertinių dujų srove; rezultatas – lygus, nesudegęs nupjautas kraštas. Pjovimui dažniausiai naudojami nuolat skleidžiantys lazeriai. Reikiama spinduliuotės galia priklauso nuo ruošinio medžiagos ir storio. Pavyzdžiui, 200 W galios CO 2 lazeriu buvo pjaustomos 5 cm storio lentos. Pjūvio plotis buvo tik 0,7 mm; Natūralu, kad pjuvenų nebuvo.

Metalams pjauti reikia kelių kilovatų galios lazerių. Reikiamą galią galima sumažinti naudojant dujinio lazerio pjovimo metodą – kai kartu su lazerio spinduliu į pjaunamą paviršių nukreipiamas stiprus deguonies srautas. Kai metalas dega deguonies sraute (dėl šiame sraute vykstančių metalo oksidacijos reakcijų), išsiskiria daug energijos; Dėl to galima naudoti tik 100-500 W galios lazerio spinduliuotę. Be to, deguonies srautas iš pjovimo zonos išpučia metalo lydalo ir degimo produktus.

Pirmasis tokio kirpimo pavyzdys – audinių pjovimas lazeriu audimo fabrike. Įrenginyje yra 100 W CO 2 lazeris, lazerio spindulio fokusavimo ir judinimo sistema, kompiuteris, audiniams įtempimo ir judinimo įrenginys. Pjovimo metu sija juda audinio paviršiumi 1 m/s greičiu. Fokusuoto šviesos taško skersmuo yra 0,2 mm. Spindulio ir paties audinio judesiai valdomi kompiuteriu. Įrengimas leidžia, pavyzdžiui, per valandą iškirpti medžiagą 50 kostiumų. Pjovimas atliekamas ne tik greitai, bet ir labai tiksliai; šiuo atveju pjūvio kraštai yra lygūs ir sukietėję. Antrasis pavyzdys – automatizuotas aliuminio, plieno, titano lakštų pjovimas aviacijos pramonėje. Taigi 3 kW galios CO 2 lazeris pjauna 5 mm storio titano lakštą 5 cm/s greičiu. Naudojant deguonies srovę, maždaug toks pat rezultatas gaunamas esant 100–300 W spinduliavimo galiai.

Yra du lazerinio suvirinimo kūrimo etapai. Iš pradžių taškinis suvirinimas buvo sukurtas remiantis impulsiniais lazeriais ant rubino ir stiklo su neodimiu. Atsiradus galingiems CO2 lazeriams ir neodimio granato lazeriams, skleidžiantiems nuolatinę spinduliuotę arba dažnai kartojamų impulsų seką, pradėjo vystytis siūlių suvirinimas.

Taškinio suvirinimo lazeriu pavyzdžiai: nikelio kontakto sujungimas su nikelio lydinio spaustuku ant tranzistoriaus pagrindo, plonų varinių laidų suvirinimas tarpusavyje arba su spaustukais, mikroelektroninių komponentų sujungimas. Siūlinis lazerinis suvirinimas nenutrūkstančia apie 100 W galia spinduliuote naudojamas prietaisų korpusų sandarinimui, suvirinimo antgaliai prie dujų turbinos menčių ir grūdinto plieno briaunos prie metalo pjovimo pjovimo diskų ir kt. Naudojant kilovatų lazerius, automatizuotas automobilių kėbulų suvirinimas siūlėmis, laivų korpusai ir vamzdžiai atliekami dujotiekiai ir kt. Stiklo detalėms suvirinti naudojami 100 W galios lazeriai, kvarcui – iki 300 W galios lazeriai. Suvirinimas lazeriu sėkmingai konkuruoja su žinomais suvirinimo būdais, tokiais kaip suvirinimas elektros lanku ir elektronų pluoštu. Jis turi reikšmingų pranašumų. Lazerinio suvirinimo metu nėra kontakto su virinamu mėginiu, o tai reiškia, kad nėra pavojaus jį užteršti jokiais nešvarumais. Skirtingai nuo suvirinimo elektronų pluoštu, kuriam reikalingas vakuumas, lazerinis suvirinimas atliekamas įprastomis sąlygomis. Tai leidžia greitai ir tiksliai išlydyti įsiskverbimą vietoje: tam tikrame taške arba išilgai tam tikros linijos. Šilumos veikiamas plotas yra labai mažas.

Tai ypač svarbu tais atvejais, kai suvirinimas atliekamas arti karščiui jautrių elementų.

Paveikslėlyje parodytas kvadratinių skylių pjovimas 0,5 mm storio nerūdijančio plieno lakšte naudojant CO 2 lazerį. Greitis
pjovimo greitis apie 2 m/min. Jei vienos skylės kraštinės ilgis yra 10 mm, tai per 1 minutę lazerio spindulys gali išpjauti iki 5-10 skylių.

Pjaunant dujomis lazeriu, spindulys veikia kartu su stipriu deguonies srautu. Atidengiama pjūvio vieta

5.3. Lazerio spindulys kaip chirurginis skalpelis. Lazerio spindulio galimybėmis gręžti ir virinti įvairias medžiagas susidomėjo ne tik inžinieriai, bet ir gydytojai. Įsivaizduokite operacinę, kurioje šalia operacinio stalo yra CO2 lazeris. Lazerio spinduliuotė patenka į šarnyrinį šviesos kreiptuvą – tuščiavidurių ištraukiamų vamzdelių sistemą, kurios viduje sklinda šviesa, atsispindėdama nuo veidrodžių. Spinduliuotė pro šviesos kreiptuvą patenka į išvesties vamzdelį, kurį chirurgas laiko rankoje. Jis gali jį perkelti erdvėje, laisvai sukdamas įvairiomis kryptimis ir taip siųsdamas lazerio spindulį į reikiamą vietą. Išleidimo vamzdžio gale yra maža rodyklė; jis tarnauja spinduliui nukreipti - juk pats spindulys yra nematomas. Spindulys sufokusuojamas taške, esančiame 3-5 mm atstumu nuo rodyklės galo. Tai lazerinis chirurginis skalpelis.
Lazerio spindulio židinys sukoncentruoja energiją, kurios pakanka greitai įkaitinti ir išgarinti biologinius audinius. Judėdamas „lazeriniu skalpeliu“, chirurgas pjauna audinį. Jo kūryba išsiskiria virtuoziškumu: čia jis beveik nepastebimu rankos judesiu priartino rodyklės galą prie pjaunamo audinio, o štai čia jį pakėlė ir atitolino; rodyklė greitai ir tolygiai juda išilgai pjovimo linijos, o staiga jos judėjimas šiek tiek sulėtėja. Pjūvio gylis priklauso nuo pjovimo greičio ir audinių aprūpinimo krauju laipsnio. Vidutiniškai jis yra 2-3 mm. Dažnai audinių išpjaustymas atliekamas ne vienu, o keliais etapais, pjaunant tarsi sluoksniais. Skirtingai nei įprastas skalpelis, lazerinis skalpelis ne tik pjauna audinius, bet ir gali susiūti pjūvio kraštus, kitaip tariant, gali atlikti biologinį suvirinimą.

Disekcija atliekama naudojant fokusuotą spinduliuotę (chirurgas turi laikyti išeinamąjį vamzdelį tokiu atstumu nuo audinio, kad spindulių fokusavimo taškas būtų audinio paviršiuje). Esant 20 W spinduliavimo galiai ir 1 mm sufokusuoto šviesos taško skersmeniui, pasiekiamas 2,5 kW/cm 2 intensyvumas (galios tankis). Spinduliuotė prasiskverbia į audinį iki maždaug 50 mikronų gylio. Vadinasi, audiniams šildyti naudojamas tūrinis galios tankis siekia 500 kW/cm 3 . biologiniams audiniams tai yra daug. Jie greitai įkaista ir išgaruoja – audinį pjaunant lazerio spinduliu akivaizdus efektas. Jei spindulys yra defokusuotas (tam pakanka šiek tiek pajudinti išvesties vamzdelio galą nuo audinio paviršiaus) ir taip sumažinti intensyvumą, tarkime, iki 25 W/cm 2, audinys neišgaruos, bet įvyks paviršiaus koaguliacija („pavirimas“). Tai yra procesas, naudojamas siuvant kartu supjaustytą audinį. Biologinis suvirinimas atliekamas dėl skysčio, esančio operuojamo organo išpjaustytose sienelėse ir specialiai išspausto į tarpą tarp sujungtų audinių sekcijų, koaguliacijos.

Lazerinis skalpelis yra nuostabi priemonė. Jis turi daug neabejotinų pranašumų. Vienas iš jų – galimybė atlikti ne tik skrodimą, bet ir audinių susiuvimą. Panagrinėkime kitus privalumus.

Lazerio spindulys padaro santykinai bekraujišką pjūvį, nes kartu su audinio išpjaustymu koaguliuoja žaizdos kraštus, „suvirindamas“ kraujagysles, pasitaikančias pjūvio kelyje. Tiesa, indai neturėtų būti per dideli; Dideli indai pirmiausia turi būti uždaryti specialiais spaustukais. Dėl savo skaidrumo lazerio spindulys leidžia chirurgui aiškiai matyti operuojamą vietą. Paprasto skalpelio ašmenys visada yra kažkokiame

mažiausiai blokuoja chirurgo darbo lauką. Lazerio spindulys pjauna audinį tarsi per atstumą, nedarydamas mechaninio spaudimo. Skirtingai nei atliekant operaciją įprastu skalpeliu, chirurgui šiuo atveju nereikia laikyti audinio ranka ar instrumentu. Lazerinis skalpelis užtikrina absoliutų sterilumą – juk čia su audiniu sąveikauja tik spinduliuotė. Lazerio spindulys veikia lokaliai; audinių išgaravimas vyksta tik židinio taške. Gretimos audinių sritys pažeidžiamos žymiai mažiau nei naudojant įprastą skalpelį. Klinikinė praktika parodė, kad lazeriniu skalpeliu padaryta žaizda užgyja gana greitai.

Prieš atsirandant lazeriams, tinklainės atsiskyrimo gydymo metodų paieška lėmė tai. Būtina uždaryti tinklainės plyšimą, tačiau jis yra akies viduje. Jie pasiūlė metodą, kuris apimtų skaudamą vietą pasiekti iš užpakalinės akies. Kodėl jie nukirpo akių vokus ir ištraukė akies obuolį? Jis kabėjo tik ant nervinių skaidulų. Tada per išorinį apvalkalą buvo atlikta termokoaguliacija, kurios pagalba buvo pasiektas plyšimo kraštų suliejimas su gretimais audiniais. Akivaizdu, kad tokiai sudėtingai operacijai reikia, pirma, virtuoziško chirurgo meistriškumo ir, antra, kas taip pat labai svarbu – paciento ryžto tokiam žingsniui.

Atsiradus lazeriams, pradėti tyrinėti jų panaudojimas tinklainės atsiskyrimui gydyti. Šis darbas buvo atliktas G. Helmholtzo institute Maskvoje ir V. P. Filatovo klinikoje Odesoje. Pasirinktas gydymo metodas buvo neįprastas. Norint prasiskverbti į skaudamą vietą, nebereikia daryti pjūvio akies voke ir ištraukti akies obuolio. Tam buvo naudojamas skaidrus lęšis. Būtent per jį ir buvo pasiūlyta atlikti operaciją. Techniniam operacijos įgyvendinimui buvo sukurtas prietaisas, vadinamas OK-1 oftalmokoaguliatoriumi. Prietaisas susideda iš pagrindo, ant kurio yra maitinimo šaltiniai ir elektros įranga su valdikliais. Išspinduliuojanti galvutė su rubino lazeriu pakabinama ant specialios žarnos naudojant lanksčią jungtį. Toje pačioje optinėje ašyje su lazeriu yra nukreipimo sistema, kuri leidžia atidžiai ištirti akies dugną per vyzdį, rasti pažeistą vietą ir nukreipti (nukreipti) į ją lazerio spindulį. Tam chirurgo rankose yra dvi rankenos. Blykstė suteikiama paspaudus mygtuką, esantį vienoje iš rankenų. Ištraukiama uždanga apsaugo chirurgo akis pliūpsnio metu. Operatoriaus ir techninės priežiūros personalo patogumui įrenginyje įrengta šviesos ir garso signalizacija. Impulso energija reguliuojama nuo 0,02 iki 0,1 J. Pati operacijos technika yra tokia. Pirmiausia gydytojas optiniu vaizduokliu apžiūri paciento akies dugną ir, nustatęs sergančios srities ribas, apskaičiuoja reikiamą žybsnių skaičių ir kiekvieno blyksnio reikiamą energiją. Tada, laikantis sergančios zonos ribų, jie apšvitinami. Visa operacija primena taškinį metalo suvirinimą.

5.4. Lazeriniai ginklai. Devintojo dešimtmečio viduryje buvo gauta nemažai pranešimų, kad Amerikos bandymų aikštelėse buvo išbandyti keli lazerinių ginklų pavyzdžiai, kai kurie iš jų buvo pagaminti pistoleto, kiti – šautuvo pavidalu. Pranešimuose pabrėžta, kad jis buvo sukurtas kovai su priešo personalu mūšio lauke. Ginklo veikimas pagrįstas didelės didžiausios lazerio galios panaudojimu. Kodėl buvo naudojamas Q perjungiamas kietojo kūno (rubino arba neodimio stiklo) lazeris? Dėl to impulso trukmė buvo tik i0 s, o tai, naudojant 1 J energijos, davė 10 W galią. Visų pirma, tokio ginklo poveikis, pagal kūrėjų planus, turėtų pažeisti akis, sukelti jose grįžtamus ar negrįžtamus procesus. Prielaidos grindžiamos tuo, kad kai lazerio spinduliuotė patenka į žmogaus akies lęšį, ji neturėtų paveikti paties lęšiuko, nes jis yra skaidrus šiai spinduliuotei. Tačiau lęšis, kaip ir bet kuri optinė sistema, sufokusuoja spinduliuotę į labai mažą tinklainės vietą. Šioje vietoje energijos tankis padidėja tiek, kad tai sukelia kraujavimą. Žmogus arba neturi laiko mirksėti, nes blykstė tokia trumpa, arba net nemato spinduliuotės, jei jos bangos ilgis yra 1,06 mikrono. Tačiau regėjimas prarandamas akimirksniu. Tokių ginklų pavyzdžiai pateikti paveikslėlyje žemiau. Kaip spinduliuotės šaltinis naudojamas rubino lazeris, įdėtas į išimamą kasetę. Toje pačioje kasetėje yra sužadinimo šaltinis, kuris yra cheminis elementas, maitinamas akumuliatoriaus. Iliustracijoje kasetė pavaizduota atskirai nuo pistoleto. Tokių ginklų valdymas yra kuo artimesnis įprastiems ginklams. Jis nukreiptas į taikinį, paspaudžiamas gaidukas, kuris siunčia impulsą iš akumuliatoriaus į cheminį elementą, kuris tiekia maitinimą rubino lazdelei. Išspinduliuota energija išmetama link tikslo. Paveikslėlyje parodyto ginklo veikimas yra panašus. Kūrėjai mano, kad norint pažeisti regėjimo organus, nereikia nukreipti spindulio tiesiai į priešo akį. Pakanka apšvitinti žmogaus galvą ar visą kūną. Bet jei jis yra nukreiptas į spinduliuotės šaltinį, regos organų pažeidimas yra garantuotas. Lazerio spinduliuotės poveikio tinklainei ir lęšiui mechanizmas išsamiai aptartas ankstesnėje medžiagoje ir čia to kartoti nereikia. Ataskaitoje pažymima, kad net jei paveiktas objektas yra tam tikru kampu spinduliuotės šaltinio atžvilgiu, jis vis tiek gali prarasti regėjimą. Atsiradus C0 lazeriams 2 , dirbant nepertraukiamu režimu, buvo paspartintas antžeminių ginklų kūrimo darbas. Buvo sukurti lazeriniai „pistoletai“. Jei pirmieji pistoletai ir šautuvai buvo skirti daugiausia prieš žmones ir tik kai kuriais atvejais degioms medžiagoms padegti, tai lazeriniai ginklai daugiausia buvo skirti kovai su įranga.

Spauda pranešė, kad norėdami padidinti Pentagono susidomėjimą lazeriais, amerikiečių inžinieriai atliko tokį eksperimentą. Jie sukūrė lazerinį pabūklą, skirtą kovoti su žemai skraidančiais objektais. Tada jie paleido nepilotuojamo orlaivio modelį, kuris mažame aukštyje praskriejo virš vietos, kurioje buvo šis pistoletas. Stebėtojų akivaizdoje buvo atkirsta dalis nepilotuojamo orlaivio lėktuvo. Pačios sijos niekas nematė, bet lėktuvas buvo numuštas. Paskelbtoje medžiagoje, kuri yra reklaminio pobūdžio, nieko nekalbama apie pabūklo spinduliavimo galią, lėktuvo skridimo aukštį, medžiagą, iš kurios buvo pagaminti lėktuvo lėktuvai, ar lėktuvo sparno dažymą. Pranešama, kad po šio eksperimento lazerinių ginklų kūrimo darbai prasidėjo iš naujo.

Be vadinamojo tiesioginio lazerio spinduliuotės poveikio taikiniams, užsienyje naudojamas didelis lazerio spinduliuotės kryptingumas, kuriant lazerinio šaudymo treniruoklius ir treniruoklius. Lazerių naudojimas mokant šaulius ir tankų šaulius pateisinamas tuo, kad lazeris, turintis artimųjų spindulių divergenciją, padidina pataikymo į taikinį imitavimo realumą, užtikrina šaudymo „saugumą“ ir leidžia treniruotis bet kuriuo metu. paros ar metų laikas. Ataskaitoje daroma išvada, kad lazeriniai treniruokliai, kuriuose turėtų būti tankų blokai, leidžia žaisti tankų mūšius kuo artimesnėmis kovinėms sąlygomis.

Išvada

Šiandien sunku net išvardinti įvairius lazerių pritaikymus moksle ir technikoje. Lazeriai naudojami šiuolaikinėje matavimo technologijoje – optinei vietai nustatyti, geodezijoje, itin tiksliam atstumų, tiesinių ir kampinių greičių, pagreičių matavimui. Vis dažniau praktikoje diegiami lazeriniai metodai, skirti stebėti atmosferos būklę (jos užterštumo laipsnį ir pobūdį), įvairių gaminių kokybę, didelių mechaninių įtempimų ar tam tikrų dalių vidinių defektų buvimą. Kuriamos lazerinės komunikacijos sistemos (antžeminės, povandeninės, kosminės). Lazerio spinduliuotė pradedama naudoti ir šiuolaikinėse skaičiavimo sistemose – informacijos saugojimui, paieškai, perdavimui ir apdorojimui. Sukaupta daug medžiagos apie efektyvų lazerių panaudojimą medicinoje: sukurtos lazerinės instaliacijos įvairiausioms chirurginėms operacijoms, įskaitant ir žmogaus akies operacijas. Lazeriai plačiausiai naudojami medžiagų apdirbimui. Galingi lazeriai naudojami tokiuose daug energijos reikalaujančiuose technologiniuose procesuose kaip storų plieno lakštų pjovimas ir virinimas, paviršiaus grūdinimas, didelių detalių nukreipimas ir legiravimas, pastatų valymas nuo paviršiaus teršalų, marmuro, granito pjaustymas, audinių, odos ir kitų medžiagų pjaustymas. Suvirinant metalus lazeriu, pasiekiamos aukštos kokybės suvirinimo siūlės ir nereikia naudoti vakuuminių kamerų, kaip suvirinant elektroniniu pluoštu, o tai labai svarbu gaminant konvejerius. Jie naudoja lazerio spindulį įvairiems paviršiams, vietos žymėms ir izoliacijos laidams nuplėšti. Ir kiekvieną kartą, kai lazerio spindulys naudojamas ten, kur reikia ypač „delikačių“ darbų, kur mechaninės apdorojimo priemonės pasirodo neapdorotos arba tiesiog netinkamos.

Vienas iš efektyviausių lazerių panaudojimo būdų yra akių operacijos. Paaiškėjo, kad lazeris puikiu tikslumu tiekia būtent tiek energijos, kiek reikia, kad atsiskyrusi tinklainė būtų atnešta į akių dugną.

Moduliuoti lazerio spinduliai prilygsta didžiuliam skaičiui radijo ryšio kanalų, o jų poveikis ryšių technologijų plėtrai turėtų būti milžiniškas.

Norint tiksliai išmatuoti dydį, naudojamas lazerio spindulys. Atspindint lazerio spindulį iš Mėnulyje pastatyto veidrodžio, galima gauti informaciją apie atstumo nuo Žemės iki Mėnulio svyravimus, o tai svarbu Žemės ir Mėnulio geofizikai.

Lazerio spindulio panaudojimas komunikacijai yra labai perspektyvus, ypač kosmose, kur nėra šviesą sugeriančių debesų.

Lazeriai leido įdiegti šviesos lokatorių, kurio pagalba kelių milimetrų tikslumu išmatuojamas atstumas iki objektų. Toks tikslumas nepasiekiamas naudojant radarus.

Lazerio spinduliuote sužadinant atomus ar molekules, tarp jų galima sukelti chemines reakcijas, kurios normaliomis sąlygomis nevyksta.

Valdomai termobranduolinei reakcijai vykdyti žadama naudoti didelės galios lazerio spindulius.

Naudotų šaltinių sąrašas:

1. Bludovas M.I. „Pokalbiai apie fiziką“. Maskvos „Švietimas“ 1992 m.

2.Ginsburgo fizika ir astrofizika. Maskvos „Švietimas“ 1985 m.

3. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. „Fizika“ Maskvos „Apšvietos“ 1991 m.

4. Paulius R.V. „Optika ir atominė fizika“. Maskvos „Mokslas“ 1966 m.

5. Trig J. „XX amžiaus fizika: pagrindiniai eksperimentai“. Maskvos leidykla "Mir" 1978 m.

6.Elementarus fizikos vadovėlis“ Redagavo akademikas G.S. Landsbergis. Maskva, 3 tomas, 1986 m.

TEMA: MEMBRANŲ TECHNOLOGIJA

1. Įvadas

2. Membranų technologijų raidos istorija

3. Membraninės technologijos – avangardinė kryptis
XXI amžiaus mokslas ir technologija

4. Membraniniai procesai, naudojami vandens valymui

5. Išvada

6. Literatūra

Įvadas

XX amžių galima pavadinti atliekų kaupimo ir aplinkos taršos amžiumi, kurio likvidavimui (pavyzdžiui, cheminiam ginklui) reikia milžiniškų lėšų, o tai sutrikdo normalią pasaulio civilizacijos raidą.

Darnaus visuomenės ir valstybės vystymosi procesai yra tiesiogiai susiję su pagrindinių globalių žmonijos problemų sprendimu – gyvenimo saugumu, gyventojų aprūpinimu aplinkai nekenksmingu maistu ir geriamuoju vandeniu, tinkamos pusiausvyros sukūrimu tarp socialinių ir ekonominių problemų sprendimo bei tausojant aplinką.

Neseniai diegiami šiuolaikiniai technologiniai procesai, skirti įvairių medžiagų ir medžiagų gamybai bei atliekų ir nuotekų valymui, kad ir kaip keistai atrodytų, padidina bendrą atliekų kiekį. Pasaulio statistika rodo, kad šiuo metu tik 7-12% žaliavų paverčiama galutiniu produktu, o apie 90% įvairiuose gamybos ir vartojimo etapuose virsta atliekomis, kurios kartu gali būti vertinga žaliava, atstovaujanti pusgaminis, kurio perdirbimas gali būti kelis kartus pelningesnis nei standartinių žaliavų, žinoma, jei bus įdiegtos aplinkai nekenksmingos technologijos ir kvitas I. Vadų ir štabų veiklos ypatumai taikos palaikymo ir kovos su terorizmu operacijų metu

V2: 1.6 tema Laisvos apatinės galūnės kaulai, jų jungtys. Žmogaus pėdos sandaros ypatumai. Rentgeno anatomija ir apatinės galūnės skeleto raida.

1. Monochromatinės šviesos pratekėjimas per skaidrią terpę.

2. Populiacijos inversijos sukūrimas. Siurbimo būdai.

3. Lazerio veikimo principas. Lazerių tipai.

4. Lazerio spinduliavimo ypatumai.

5. Medicinoje naudojamos lazerio spinduliuotės charakteristikos.

6. Audinių savybių ir jo temperatūros pokyčiai veikiant nuolatinei galingai lazerio spinduliuotei.

7. Lazerio spinduliuotės panaudojimas medicinoje.

8. Pagrindinės sąvokos ir formulės.

9. Užduotys.

Žinome, kad šviesa skleidžiama atskiromis dalimis – fotonais, kurių kiekviena atsiranda dėl atomo, molekulės ar jono spinduliavimo perėjimo. Natūrali šviesa yra daugybės tokių fotonų, kurių dažnis ir fazė skiriasi, atsitiktiniu laiku atsitiktinėmis kryptimis, rinkinys. Išgauti galingus monochromatinės šviesos spindulius naudojant natūralius šaltinius yra beveik neįmanoma užduotis. Tuo pačiu metu tokių sijų poreikį jautė ir fizikai, ir daugelio taikomųjų mokslų specialistai. Lazerio sukūrimas leido išspręsti šią problemą.

Lazeris- prietaisas, generuojantis koherentines elektromagnetines bangas dėl stimuliuojamos terpės mikrodalelių emisijos, kurioje sukuriamas aukštas vieno iš energijos lygių sužadinimo laipsnis.

Lazeris (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) – šviesos stiprinimas naudojant stimuliuojamą spinduliuotę.

Lazerio spinduliuotės (LR) intensyvumas yra daug kartų didesnis nei natūralių šviesos šaltinių intensyvumas, o lazerio spindulio divergencija yra mažesnė nei viena lanko minutė (10 -4 rad).

31.1. Monochromatinės šviesos praleidimas per skaidrią terpę

27 paskaitoje išsiaiškinome, kad šviesos perėjimą per materiją lydi: fotonų sužadinimas jo dalelės ir veiksmai stimuliuojama emisija. Panagrinėkime šių procesų dinamiką. Tegul pasklinda aplinkoje vienspalvisšviesa, kurios dažnis (ν) atitinka šios terpės dalelių perėjimą iš žemės lygio (E 1) į sužadintą lygį (E 2):

Fotonai, atsitrenkę į pradinės būsenos daleles būti absorbuojamas o pačios dalelės pereis į sužadintą būseną E 2 (žr. 27.4 pav.). Fotonai, kurie atsitrenkia į sužadintas daleles, inicijuoja stimuliuojamą emisiją (žr. 27.5 pav.). Šiuo atveju fotonai padvigubėja.

Šiluminės pusiausvyros būsenoje sužadintų (N 2) ir nesužadintų (N 1) dalelių skaičiaus santykis paklūsta Boltzmanno skirstiniui:

kur k yra Boltzmanno konstanta, T yra absoliuti temperatūra.

Šiuo atveju N 1 >N 2 ir absorbcija dominuoja prieš padvigubėjimą. Vadinasi, kylančios šviesos I intensyvumas bus mažesnis už krintančios šviesos intensyvumą I 0 (31.1 pav.).

Ryžiai. 31.1.Šviesos, praeinančios per terpę, kurioje sužadinimo laipsnis mažesnis nei 50 %, slopinimas (N 1 > N 2)

Sugeriant šviesą, sužadinimo laipsnis padidės. Kai jis pasiekia 50 % (N 1 = N 2), tarp absorbcija Ir padvigubinti bus nustatyta pusiausvyra, nes tikimybė, kad fotonai atsitrenks į sužadintas ir nesužadintas daleles, taps vienodos. Jei terpės apšvietimas nutrūksta, po kurio laiko terpė grįš į pradinę būseną, atitinkančią Boltzmanno skirstinį (N 1 > N 2). Padarykime preliminarią išvadą:

Apšviečiant aplinką monochromatine šviesa (31.1) neįmanoma pasiekti tokia aplinkos būsena, kurioje sužadinimo laipsnis viršija 50 proc. Vis dėlto panagrinėkime klausimą apie šviesos praėjimą per terpę, kurioje tam tikru būdu buvo pasiekta būsena N 2 > N 1. Ši būsena vadinama būsena su atvirkštinė populiacija(iš lat. inversija- tekinimas).

Gyventojų inversija- aplinkos būklė, kai dalelių skaičius viename iš viršutinių lygių yra didesnis nei žemesniame lygyje.

Apverstos populiacijos terpėje tikimybė, kad fotonas atsitrenks į sužadintą dalelę, yra didesnė nei nesužadintos. Todėl dvigubinimo procesas dominuoja virš absorbcijos proceso ir yra įgyti šviesa (31.2 pav.).

Kai šviesa praeina per apverstą populiacijos terpę, sužadinimo laipsnis sumažės. Kai pasieks 50 proc.

Ryžiai. 31.2.Šviesos, praeinančios per terpę, kurioje yra apversta populiacija, stiprinimas (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), tarp absorbcija Ir padvigubinti bus nustatyta pusiausvyra ir išnyks šviesos stiprinimo efektas. Jei terpės apšvietimas nutrūksta, po kurio laiko terpė grįš į būseną, atitinkančią Boltzmanno skirstinį (N 1 > N 2).

Jei visa ši energija bus išleista spinduliavimo perėjimais, tada gausime didžiulės galios šviesos impulsą. Tiesa, jis dar neturės reikiamos darnos ir kryptingumo, bet bus labai vienspalvis (hv = E 2 - E 1). Tai dar ne lazeris, bet jau kažkas artimo.

31.2. Populiacijos inversijos kūrimas. Siurbimo būdai

Taigi ar įmanoma pasiekti gyventojų inversiją? Pasirodo, kad galite, jei naudosite trys energijos lygiai su tokia konfigūracija (31.3 pav.).

Tegul aplinka būna apšviesta galingu šviesos blyksniu. Dalis emisijos spektro bus absorbuojama pereinant iš pagrindinio lygio E 1 į platųjį E 3 lygį. Leiskite jums tai priminti platus yra energijos lygis su trumpu atsipalaidavimo laiku. Todėl didžioji dalis dalelių, kurios patenka į sužadinimo lygį E 3, nespinduliuojančiai pereina į siaurą metastabilų lygį E 2, kur kaupiasi. Dėl šio lygio siaurumo blyksnių fotonų tik nedidelė dalis

Ryžiai. 31.3. Populiacijos inversijos sukūrimas metastabiliu lygiu

galintis sukelti priverstinį perėjimą E 2 → E 1 . Tai sudaro sąlygas sukurti atvirkštinę populiaciją.

Populiacijos inversijos kūrimo procesas vadinamas išpumpuotas.Šiuolaikiniai lazeriai naudoja įvairius siurbimo būdus.

Permatomos aktyviosios terpės optinis siurbimas naudoja šviesos impulsus iš išorinio šaltinio.

Dujinių aktyviųjų terpių elektrinio išlydžio siurbimui naudojamas elektros išlydis.

Puslaidininkinių aktyviųjų terpių įpurškimui naudojama elektros srovė.

Chemiškai pumpuojant aktyvią terpę iš dujų mišinio, naudojama cheminės reakcijos tarp mišinio komponentų energija.

31.3. Lazerio veikimo principas. Lazerių tipai

Lazerio funkcinė schema parodyta fig. 31.4. Darbinis skystis (aktyvioji terpė) yra ilgas siauras cilindras, kurio galus dengia du veidrodžiai. Vienas iš veidrodžių (1) yra permatomas. Tokia sistema vadinama optiniu rezonatoriumi.

Siurbimo sistema daleles iš žemės lygio E 1 perneša į absorbcijos lygį E 3 , iš kur jos neradiatyviai pereina į metastabilų lygį E 2, sukurdamos jo populiacijos inversiją. Po to spontaniški spinduliavimo perėjimai E 2 → E 1 prasideda monochromatinių fotonų emisija:

Ryžiai. 31.4. Scheminis lazerinis įrenginys

Spontaninės emisijos fotonai, išspinduliuojami kampu į ertmės ašį, išeina per šoninį paviršių ir generavimo procese nedalyvauja. Jų srautas greitai išdžiūsta.

Fotonai, kurie po spontaninės emisijos juda išilgai rezonatoriaus ašies, pakartotinai praeina per darbinį skystį, atsispindėdami nuo veidrodžių. Tuo pačiu metu jie sąveikauja su sužadintomis dalelėmis, inicijuodami stimuliuojamą emisiją. Dėl šios priežasties ta pačia kryptimi judančių indukuotų fotonų skaičius „panašus į laviną“. Daug kartų sustiprintas fotonų srautas išeina per permatomą veidrodį, sukurdamas galingą beveik lygiagrečių koherentinių spindulių spindulį. Tiesą sakant, sukuriama lazerio spinduliuotė Pirmas spontaniškas fotonas, judantis išilgai rezonatoriaus ašies. Tai užtikrina spinduliuotės darną.

Taigi lazeris siurblio šaltinio energiją paverčia monochromatinės koherentinės šviesos energija. Tokios transformacijos efektyvumas, t.y. Efektyvumas priklauso nuo lazerio tipo ir svyruoja nuo procentų dalių iki kelių dešimčių procentų. Daugumos lazerių efektyvumas yra 0,1-1%.

Lazerių tipai

Pirmasis sukurtas lazeris (1960 m.) naudojo rubiną kaip darbinį skystį ir optinę siurbimo sistemą. Rubinas yra kristalinis aliuminio oksidas A1 2 O 3, kuriame yra apie 0,05% chromo atomų (būtent chromas suteikia rubinui rausvą spalvą). Chromo atomai, įterpti į kristalinę gardelę, yra aktyvi terpė

su energijos lygių konfigūracija, parodyta Fig. 31.3. Rubino lazerio spinduliuotės bangos ilgis yra λ = 694,3 nm. Tada atsirado lazeriai, naudojantys kitas aktyvias mediagas.

Priklausomai nuo darbinio skysčio tipo, lazeriai skirstomi į dujinius, kietojo kūno, skystuosius ir puslaidininkinius. Kietojo kūno lazeriuose aktyvusis elementas dažniausiai gaminamas cilindro pavidalu, kurio ilgis yra daug didesnis už jo skersmenį. Dujos ir skysta aktyvioji terpė dedamos į cilindrinę kiuvetę.

Priklausomai nuo siurbimo metodo, gali būti gaunama nuolatinė ir impulsinė lazerio spinduliuotė. Naudojant nuolatinę siurbimo sistemą, gyventojų inversija išlaikoma ilgą laiką dėl išorinio energijos šaltinio. Pavyzdžiui, nuolatinis sužadinimas elektros išlydžiu dujinėje aplinkoje. Naudojant impulsinę siurbimo sistemą, populiacijos inversija sukuriama impulsiniu režimu. Pulso pasikartojimo dažnis nuo 10 -3

Hz iki 10 3 Hz.

31.4. Lazerio spinduliuotės ypatybės

Lazerio spinduliuotė savo savybėmis labai skiriasi nuo įprastų šviesos šaltinių spinduliuotės. Atkreipkite dėmesį į jo būdingus bruožus.

1. Darna. Radiacija yra labai nuoseklus, kuri atsiranda dėl stimuliuojamos emisijos savybių. Šiuo atveju vyksta ne tik laiko, bet ir erdvinė darna: fazių skirtumas dviejuose sklidimo krypčiai statmenos plokštumos taškuose išlieka pastovus (31.5 pav., a).

2. Kolimacija. Lazerio spinduliuotė yra kolimuotas, tie. φ yra mažas, tada lazerio spindulio intensyvumas šiek tiek mažėja didėjant atstumui. Tai leidžia perduoti signalus dideliais atstumais, mažai susilpninant jų intensyvumą.

3. Vienspalvis. Lazerio spinduliuotė yra labai vienspalvis, tie. yra beveik tokio paties dažnio bangos (spektro linijos plotis yra Δλ ≈0,01 nm). Įjungta

31.5c paveiksle parodytas scheminis lazerio ir įprastos šviesos pluošto linijos pločio palyginimas.

Ryžiai. 31.5. Lazerio spinduliuotės koherencija (a), kolimacija (b), monochromatiškumas (c).

Prieš atsirandant lazeriams, tam tikro monochromatiškumo laipsnio spinduliuotę buvo galima gauti naudojant prietaisus – monochromatorius, kurie skiria siaurus spektrinius intervalus (siauras bangos ilgio juostas) nuo ištisinio spektro, tačiau šviesos galia tokiose juostose yra maža.

4. Aukšta įtampa. Naudojant lazerį galima užtikrinti labai didelę monochromatinės spinduliuotės galią – iki 10 5 W nepertraukiamu režimu. Impulsinių lazerių galia yra keliomis eilėmis didesnė. Taigi neodimio lazeris generuoja impulsą, kurio energija E = 75 J, kurio trukmė t = 3x10 -12 s. Galia impulse lygi P = E/t = 2,5x10 13 W (palyginimui: hidroelektrinės galia P ~ 10 9 W).

5. Didelis intensyvumas. Impulsiniuose lazeriuose lazerio spinduliuotės intensyvumas yra labai didelis ir gali siekti I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (plg. saulės šviesos intensyvumą prie žemės paviršiaus I = 0,1 W/cm 2).

6. Didelis ryškumas. Lazeriams, veikiantiems matomame diapazone, ryškumą lazerio spinduliuotė (šviesos intensyvumas paviršiaus vienetui) yra labai didelis. Net ir pačių silpniausių lazerių ryškumas yra 10 15 cd/m 2 (palyginimui: Saulės ryškumas L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Spaudimas. Kai lazerio spindulys krenta ant kūno paviršiaus, jis sukuria spaudimas(D). Visiškai sugeriant lazerio spinduliuotę, krintančią statmenai paviršiui, susidaro slėgis D = I/c, kur I – spinduliavimo intensyvumas, c – šviesos greitis vakuume. Esant visiškam atspindžiui, slėgis yra dvigubai didesnis. Esant intensyvumui I = 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2; D = 3,3x10 9 Pa = 33 000 atm.

8. Poliarizacija. Lazerio spinduliuotė yra visiškai poliarizuotas.

31.5. Medicinoje naudojamos lazerio spinduliuotės charakteristikos

Radiacijos bangos ilgis

Medicininių lazerių spinduliuotės bangos ilgiai (λ) yra 0,2-10 µm diapazone, t.y. nuo ultravioletinių iki tolimųjų infraraudonųjų spindulių srities.

Radiacinė galia

Medicininių lazerių spinduliuotės galia (P) svyruoja plačiose ribose, kurias lemia panaudojimo tikslai. Lazeriams su nuolatiniu siurbimu P = 0,01-100 W. Impulsiniams lazeriams būdinga impulsų galia P ir impulso trukmė τ ir

Chirurginiams lazeriams P ir = 10 3 -10 8 W, o impulso trukmė t ir = 10 -9 -10 -3 s.

Energija spinduliuotės impulse

Vieno lazerio spinduliuotės impulso energija (E ir) nustatoma pagal ryšį E ir = P ir -t ir, kur t ir yra spinduliuotės impulso trukmė (dažniausiai t ir = 10 -9 -10 -3 s) . Chirurginiams lazeriams E ir = 0,1-10 J.

Pulso pasikartojimo dažnis

Ši impulsinių lazerių charakteristika (f) parodo lazerio sugeneruotų spinduliuotės impulsų skaičių per 1 s. Terapiniams lazeriams f = 10-3000 Hz, chirurginiams lazeriams f = 1-100 Hz.

Vidutinė spinduliuotės galia

Ši impulsinių periodinių lazerių charakteristika (P av) parodo, kiek energijos lazeris išspinduliuoja per 1 s, ir ją lemia toks ryšys:

Intensyvumas (galios tankis)

Ši charakteristika (I) apibrėžiama kaip lazerio spinduliuotės galios ir pluošto skerspjūvio ploto santykis. Nepertraukiamiems lazeriams I = P/S. Impulsinių lazerių atveju yra pulso intensyvumas I ir = P ir /S ir vidutinis intensyvumas I av = P av /S.

Chirurginių lazerių intensyvumas ir jų spinduliuotės sukuriamas slėgis turi šias reikšmes:

nuolatiniams lazeriams I ~ 10 3 W/cm 2, D = 0,033 Pa;

impulsiniams lazeriams I ir ~ 10 5 -10 11 W/cm 2, D = 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Impulso energijos tankis

Šis dydis (W) apibūdina energiją apšvitinto paviršiaus ploto vienetui per impulsą ir yra nustatomas pagal santykį W = E ir /S, kur S (cm 2) yra šviesos taško plotas (t. y. lazerio spindulio skerspjūvis) ant paviršinių biologinių audinių. Chirurgijoje naudojamiems lazeriams W ≈ 100 J/cm2.

Parametras W gali būti laikomas spinduliuotės doze D 1 impulsui.

31.6. Audinių savybių ir jo temperatūros pokyčiai veikiant nuolatinei galingai lazerio spinduliuotei

Temperatūros ir audinio savybių pokyčiai

veikiant nuolatinei lazerio spinduliuotei

Didelės galios lazerio spinduliuotės absorbciją biologiniame audinyje lydi šilumos išsiskyrimas. Išskiriamai šilumai apskaičiuoti naudojama speciali vertė - tūrinis šilumos tankis(q).

Šilumos išsiskyrimą lydi temperatūros padidėjimas, o audiniuose vyksta šie procesai:

40-60°C temperatūroje suaktyvėja fermentai, susidaro edema, pakitimai ir, priklausomai nuo veikimo laiko, miršta ląstelės, denatūruojasi baltymai, prasideda krešėjimas ir nekrozė;

esant 60-80°C - kolageno denatūracija, membranos defektai; 100°C temperatūroje - dehidratacija, audinių vandens išgarinimas; virš 150°C – anglėjimas;

virš 300°C – audinio išgaravimas, dujų susidarymas. Šių procesų dinamika parodyta fig. 31.6.

Ryžiai. 31.6. Audinių temperatūros pokyčių dinamika veikiant nuolatinei lazerio spinduliuotei

1 fazė. Pirma, audinių temperatūra pakyla nuo 37 iki 100 °C. Šiame temperatūrų intervale audinio termodinaminės savybės praktiškai nesikeičia, o temperatūra bėgant laikui didėja tiesiškai (α = const ir I = const).

2 fazė. Esant 100 °C temperatūrai, prasideda audinių vandens garavimas ir iki šio proceso pabaigos temperatūra išlieka pastovi.

3 fazė. Vandeniui išgaravus, temperatūra vėl pradeda kilti, bet lėčiau nei 1 skyriuje, nes dehidratuotas audinys sugeria mažiau energijos nei įprastai.

4 fazė. Pasiekus temperatūrą T ≈ 150 °C, prasideda biologinio audinio anglėjimo ir atitinkamai „juodėjimo“ procesas. Šiuo atveju absorbcijos koeficientas α didėja. Todėl stebimas netiesinis temperatūros padidėjimas, greitėjantis laikui bėgant.

5 fazė. Pasiekus temperatūrą T ≈ 300 °C, prasideda dehidratuoto suanglėjusio biologinio audinio išgaravimo procesas ir vėl sustoja temperatūros kilimas. Būtent šiuo momentu lazerio spindulys nupjauna (pašalina) audinį, t.y. tampa skalpeliu.

Temperatūros padidėjimo laipsnis priklauso nuo audinio gylio (31.7 pav.).

Ryžiai. 31.7. Procesai, vykstantys apšvitintuose audiniuose skirtinguose gyliuose: A- paviršiniame sluoksnyje audinys įkaista iki kelių šimtų laipsnių ir išgaruoja; b- viršutinio sluoksnio susilpnintos spinduliuotės galios nepakanka audiniams išgaruoti. Vyksta audinių krešėjimas (kartais kartu su anglėjimu – stora juoda linija); V- audinių įkaitimas atsiranda dėl šilumos perdavimo iš zonos b)

Atskirų zonų apimtį lemia tiek lazerio spinduliuotės charakteristikos, tiek paties audinio savybės (pirmiausia sugerties ir šilumos laidumo koeficientai).

Veikiant galingam fokusuoto lazerio spindulio pluoštui, atsiranda smūginių bangų, kurios gali sukelti mechaninius gretimų audinių pažeidimus.

Audinių abliacija veikiant galingam impulsiniam lazerio spinduliuotei

Kai audinys veikiamas trumpais didelio energijos tankio lazerio spinduliuotės impulsais, realizuojamas kitas biologinio audinio išpjaustymo ir pašalinimo mechanizmas. Tokiu atveju labai greitai įkaista audinių skystis iki temperatūros T > T virimo. Tokiu atveju audinių skystis atsiduria metastabilioje perkaitintoje būsenoje. Tada įvyksta „sprogius“ audinių skysčio virimas, kurį lydi audinys pašalinamas be anglies. Šis reiškinys vadinamas abliacija. Abliaciją lydi mechaninių smūginių bangų generavimas, galintis sukelti mechaninius audinių pažeidimus, esančius šalia lazerio spinduliuotės zonos. Į šį faktą būtina atsižvelgti renkantis impulsinio lazerio spinduliuotės parametrus, pavyzdžiui, šlifuojant odą, gręžiant dantis ar atliekant regėjimo aštrumo korekciją lazeriu.

31.7. Lazerio spinduliuotės naudojimas medicinoje

Lazerio spinduliuotės (LR) sąveiką su biologiniais objektais apibūdinančius procesus galima suskirstyti į 3 grupes:

netrikdoma įtaka(neturi pastebimo poveikio biologiniam objektui);

fotocheminis veiksmas(lazeriu sužadinta dalelė arba pati dalyvauja atitinkamose cheminėse reakcijose, arba perduoda savo sužadinimą kitai dalelei, dalyvaujančiai cheminėje reakcijoje);

fotodestrukcija(dėl šilumos ar smūgio bangų išsiskyrimo).

Lazerinė diagnostika

Lazerinė diagnostika – tai netrukdantis poveikis biologiniam objektui naudojant darna lazerio spinduliuotė. Išvardinkime pagrindinius diagnostikos metodus.

Interferometrija. Kai lazerio spinduliuotė atsispindi nuo grubaus paviršiaus, atsiranda antrinės bangos, kurios trukdo viena kitai. Dėl to susidaro tamsių ir šviesių dėmių (taškelių) vaizdas, kurio vieta suteikia informacijos apie biologinio objekto paviršių (taškelių interferometrijos metodas).

Holografija. Naudojant lazerio spinduliuotę gaunamas 3 dimensijos objekto vaizdas. Medicinoje šis metodas leidžia gauti trimačius skrandžio, akių ir kt. vidinių ertmių vaizdus.

Šviesos sklaida. Kai labai nukreiptas lazerio spindulys praeina per skaidrų objektą, šviesa išsisklaido. Išsklaidytos šviesos intensyvumo kampinės priklausomybės registravimas (nefelometrijos metodas) leidžia nustatyti terpės dalelių dydį (nuo 0,02 iki 300 μm) ir jų deformacijos laipsnį.

Išsklaidyta gali pakisti šviesos poliarizacija, kuri naudojama ir diagnostikoje (poliarizacijos nefelometrijos metodas).

Doplerio efektas.Šis metodas pagrįstas LR Doplerio dažnio poslinkio matavimu, kuris atsiranda, kai šviesa atsispindi net nuo lėtai judančių dalelių (anenometrijos metodas). Tokiu būdu matuojamas kraujo tėkmės greitis induose, bakterijų judrumas ir kt.

Kvazielastinė sklaida. Esant tokiai sklaidai, šiek tiek pasikeičia zondavimo LR bangos ilgis. To priežastis – matavimo proceso metu pasikeitusios sklaidos savybės (konfigūracija, dalelių konformacija). Laikini sklaidos paviršiaus parametrų pokyčiai pasireiškia sklaidos spektro pasikeitimu, lyginant su tiekiamos spinduliuotės spektru (sklaidos spektras arba plečiasi, arba jame atsiranda papildomų maksimumų). Šis metodas leidžia gauti informaciją apie besikeičiančias sklaidytuvų charakteristikas: difuzijos koeficientą, nukreipto transportavimo greitį, dydį. Taip diagnozuojamos baltymų makromolekulės.

Lazerinė masės spektroskopija.Šis metodas naudojamas tiriant objekto cheminę sudėtį. Galingi lazerio spinduliuotės pluoštai išgarina medžiagą nuo biologinio objekto paviršiaus. Garams atliekama masės spektrinė analizė, kurios rezultatai lemia medžiagos sudėtį.

Lazerinis kraujo tyrimas. Lazerio spindulys, praleidžiamas per siaurą kvarcinį kapiliarą, per kurį pumpuojamas specialiai apdorotas kraujas, sukelia jo ląstelių fluorescenciją. Tada fluorescencinę šviesą aptinka jautrus jutiklis. Šis švytėjimas būdingas kiekvienam ląstelių tipui, atskirai praeinančiam per lazerio spindulio skerspjūvį. Apskaičiuojamas bendras ląstelių skaičius tam tikrame kraujo tūryje. Kiekvienam ląstelių tipui nustatomi tikslūs kiekybiniai rodikliai.

Fotodestrukcijos metodas. Jis naudojamas paviršiui tirti kompozicija objektas. Galingi LR spinduliai leidžia paimti mikromėginius nuo biologinių objektų paviršiaus išgarinant medžiagą ir vėliau atliekant šių garų masės spektrinę analizę.

Lazerio spinduliuotės naudojimas terapijoje

Terapijoje naudojami žemo intensyvumo lazeriai (intensyvumas 0,1-10 W/cm2). Mažo intensyvumo spinduliuotė nesukelia pastebimo destruktyvaus poveikio audiniams tiesiogiai švitinimo metu. Matomoje ir ultravioletinėje spektro srityse švitinimo poveikį sukelia fotocheminės reakcijos ir jie nesiskiria nuo monochromatinės šviesos, gaunamos iš įprastų nenuoseklių šaltinių, poveikio. Tokiais atvejais lazeriai yra tiesiog patogūs monochromatinės šviesos šaltiniai, kurie suteikia

Ryžiai. 31.8. Lazerio šaltinio panaudojimo intravaskuliniam kraujo švitinimui schema

nurodant tikslią ekspozicijos lokalizaciją ir dozę. Kaip pavyzdys pav. 31.8 paveiksle parodyta lazerio spinduliuotės šaltinio panaudojimo intravaskuliniam kraujo švitinimui pacientams, sergantiems širdies nepakankamumu, schema.

Žemiau pateikiami dažniausiai naudojami lazerio terapijos metodai.

Raudonos šviesos terapija. He-Ne lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 632,8 nm, yra naudojama priešuždegiminiais tikslais, gydant žaizdas, opas ir koronarinę širdies ligą. Terapinis poveikis yra susijęs su šio bangos ilgio šviesos įtaka ląstelės proliferaciniam aktyvumui. Šviesa veikia kaip ląstelių metabolizmo reguliatorius.

Mėlynosios šviesos terapija. Lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra mėlynoje matomos šviesos srityje, naudojama, pavyzdžiui, naujagimių geltai gydyti. Ši liga yra staigiai padidėjusios bilirubino koncentracijos organizme pasekmė, kuri maksimaliai absorbuojama mėlynojoje srityje. Jei vaikai apšvitinami tokio diapazono lazeriu, bilirubinas skyla, susidaro vandenyje tirpūs produktai.

Lazerio fizioterapija - lazerio spinduliuotės naudojimas kartu su įvairiais elektrofizioterapijos metodais. Kai kurie lazeriai turi magnetinius priedus, skirtus bendram lazerio spinduliuotės ir magnetinio lauko veikimui – magnetinio lazerio terapijai. Tai apima Milta magnetinio infraraudonųjų spindulių lazerinį terapinį prietaisą.

Lazerio terapijos veiksmingumas padidėja, kai ji derinama su vaistiniais preparatais, kurie anksčiau buvo naudojami švitintoje vietoje (lazerio forezė).

Fotodinaminė navikų terapija. Fotodinaminė terapija (PDT) naudojama šviesai prieinamiems navikams pašalinti. PDT pagrįstas navikuose lokalizuotų fotosensibilizatorių naudojimu, kurie padidina audinių jautrumą jų metu.

vėlesnis švitinimas matoma šviesa. Navikų naikinimas PDT metu pagrįstas trimis efektais: 1) tiesioginiu fotocheminiu naviko ląstelių sunaikinimu; 2) naviko kraujagyslių pažeidimas, sukeliantis išemiją ir naviko mirtį; 3) uždegiminės reakcijos, kuri mobilizuoja priešnavikinę kūno audinių imuninę apsaugą, atsiradimas.

Norint apšvitinti navikus, kuriuose yra fotosensibilizatorių, naudojama lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 600–850 nm. Šiame spektro regione šviesos prasiskverbimo į biologinius audinius gylis yra didžiausias.

Fotodinaminė terapija taikoma gydant odos ir vidaus organų: plaučių, stemplės navikus (šviesolaidžiais į vidaus organus tiekiama lazerio spinduliuotė).

Lazerio spinduliuotės naudojimas chirurgijoje

Chirurgijoje didelio intensyvumo lazeriai naudojami audiniams pjaustyti, patologinėms vietoms šalinti, kraujavimui stabdyti, biologiniams audiniams virinti. Tinkamai parinkus spinduliuotės bangos ilgį, intensyvumą ir poveikio trukmę, galima gauti įvairių chirurginių efektų. Taigi biologiniams audiniams pjauti naudojamas sufokusuotas ištisinio CO 2 lazerio spindulys, kurio bangos ilgis λ = 10,6 μm ir 2x10 3 W/cm 2 galia.

Lazerio spindulio naudojimas chirurgijoje užtikrina selektyvų ir kontroliuojamą ekspoziciją. Lazerinė chirurgija turi keletą privalumų:

Nekontaktinis, užtikrinantis visišką sterilumą;

Selektyvumas, leidžiantis pasirinkti spinduliuotės bangos ilgį dozėmis sunaikinti patologinius audinius, nedarant įtakos aplinkiniams sveikiems audiniams;

kraujo netekimas (dėl baltymų krešėjimo);

Mikrochirurginių intervencijų galimybė dėl didelio pluošto fokusavimo.

Nurodykime kai kurias lazerių chirurginio taikymo sritis.

Lazerinis audinių suvirinimas. Išpjaustytų audinių sujungimas yra būtinas daugelio operacijų žingsnis. 31.9 paveiksle parodyta, kaip suvirinamas vienas iš didelio nervo kamienų kontaktiniu režimu, naudojant litavimą, kuris

Ryžiai. 31.9. Nervų suvirinimas naudojant lazerio spindulį

lašai iš pipetės užlašinami į lazeravimo vietą.

Pigmentinių vietų sunaikinimas. Pigmentinėms vietoms naikinti naudojami impulsiniai lazeriai. Šis metodas (fototermolizė) vartojamas gydant angiomas, tatuiruotes, sklerozines apnašas kraujagyslėse ir kt.

Lazerinė endoskopija. Endoskopijos įvedimas sukėlė revoliuciją chirurginėje medicinoje. Siekiant išvengti didelių atvirų operacijų, lazerio spinduliuotė į gydymo vietą tiekiama naudojant šviesolaidinius šviesos kreiptuvus, kurie leidžia lazerio spinduliuotę perduoti į vidinių tuščiavidurių organų biologinius audinius. Tai žymiai sumažina infekcijos ir pooperacinių komplikacijų riziką.

Lazerio gedimas. Trumpo impulso lazeriai kartu su šviesos kreiptuvais naudojami apnašoms pašalinti iš kraujagyslių, tulžies akmenų ir inkstų akmenų.

Lazeriai oftalmologijoje. Lazerių naudojimas oftalmologijoje leidžia atlikti chirurgines intervencijas be kraujo, nepažeidžiant akies obuolio vientisumo. Tai stiklakūnio operacijos; atskilusios tinklainės suvirinimas; glaukomos gydymas „praduriant“ skylutes (50÷100 µm skersmens) lazerio spinduliu akies skysčiui nutekėti. Regėjimo korekcijai naudojamas sluoksnis po sluoksnio ragenos audinio abliacija.

31.8. Pagrindinės sąvokos ir formulės

Stalo pabaiga

31.9. Užduotys

1. Fenilalanino molekulėje energijos skirtumas žemės ir sužadintos būsenose yra ΔE = 0,1 eV. Raskite ryšį tarp šių lygių populiacijų esant T = 300 K.

Atsakymas: n = 3,5*10 18.

Trumpai pažvelkime į keturias lazerio spinduliuotės ypatybes. Priežastis jau buvo paaiškinta aukščiau labai susikaupęs lazerio šviesos spindulys. Jo divergencijos kampas yra maždaug 10 4 kartus mažesnis nei gero prožektoriaus spindulys. Mėnulio paviršiuje lazerio spindulys sukuria maždaug 10 skersmens dėmę km. Dėl didelio kryptingumo lazerio spindulio energija gali būti perduodama labai dideliais, įskaitant kosminius, atstumus. Tai sukūrė pagrindą bendravimui, tiek pokalbių telefonu, tiek televizijos vaizdų perdavimui lazerio spinduliu. Reikalinga lazerinio siųstuvo galia yra dešimtis ir šimtus tūkstančių kartų mažesnė už įprastų radijo stočių galią. Ateityje lazerio spindulys bus naudojamas ir dideliems energijos perdavimui.

Dėl neįprasto spektrinio pločio ( vienspalvis) buvo aptarta ir lazerio spinduliuotė. Lazerio spindulio spektrinė sudėtis yra daug mažesnė nei visų kitų šviesos šaltinių ir radijo bangų. Tačiau didelis monochromatiškumas nėra būdingas visų tipų lazeriams. Kai kuriais atvejais (puslaidininkiniai lazeriai, lazeriai dažų tirpalų pagrindu) spinduliavimo juosta yra labai plati, kurią galima panaudoti ir praktiškai.

Trečia pagal svarbą lazerio spindulio savybė yra jo didelė darna. Įvairių šviesos bangų, kylančių per lazerio ertmės veidrodžius, fazės yra vienodos arba tarpusavyje suderintos. Visų kitų optinio diapazono šaltinių emisija nėra koherentinė (tačiau elektromagnetinių bangų skalės radijo srityje daugelis bangų lauko šaltinių sukuria koherentinę spinduliuotę).

Darna plačiai naudojama interferometrijoje, holografijoje ir daugelyje kitų mokslo ir technologijų šakų. Anksčiau, prieš atsirandant lazeriams, mažo intensyvumo koherentinės bangos matomoje spektro srityje buvo kuriamos tik dirbtinai, padalijant vieną bangą į kelias.

Kaip ypatinga lazerių savybė, galimybė pasiekti didelio intensyvumo ir trumpos trukmės lazerio impulsai. Lazerio tipo pasirinkimas praktiniam naudojimui priklauso nuo atliekamos užduoties. Yra nuolatiniai lazeriai. Tačiau dauguma lazerinių sistemų skleidžia atskirus šviesos energijos pliūpsnius (šviesos monoimpulsus) arba impulsų seriją. Impulsų trukmė taip pat skiriasi. Laisvo lazerio veikimo režimu lazerio veikimo trukmė yra artima siurblio lempų švytėjimo trukmei.

Nepertraukiamo veikimo režimu spinduliuoja helio-neoniniai lazeriai. Tik lazerio galia 0,002…0,020 W, o tai daug kartų mažesnė už žibintuvėlio lemputės galią. Siekdami apibūdinti išskirtines šio lazerio spinduliuotės savybes, pateikiame tokį palyginimą. Intensyvumas D aš matomame dažnių diapazone, gautame iš Saulės vidutiniu atstumu iki Žemės, yra lygus 186 W/m 2. Ši galia paskirstoma spektriniame diapazone nuo n 2 = 7,5 × 10 14 iki n 1 = 4,3 × 10 14 Hz(D n = n 2 - n 1 » 3×10 14 Hz). Spektrinio intensyvumo tankis saulės šviesoje - aš n = D aš/D n» 6×10 -13 W/(m 2 Hz). Jis-Ne lazeris gali skleisti 0,01 W ryšulyje su 1 skerspjūviu mm 2, atitinkamai, ekrano šviesos taško intensyvumas yra 10 6 W/m 2. Kadangi tokio lazerio spektrinės linijos plotis gali būti laikomas D n = 100 kHz, tada spektrinės spinduliuotės tankis Jis-Ne lazeris aš n » 10 W/(m 2 Hz). Taigi net palyginti mažos galios lazerio spektrinės spinduliuotės tankis yra 13 dydžių didesnis nei Saulės ar kito šiluminio šviesos šaltinio. Štai kodėl lazerio šviesos, sklindančios terpėje, sąveikos su medžiaga pobūdis labai skiriasi nuo gerai ištirtų klasikinės optikos atvejų.

Dujų dinaminio mišinio lazeriai CO 2 + N + Jis, veikia nepertraukiamu režimu IR srityje (~10 µm), turi milijoną kartų didesnę galią (šimtai ir tūkstančiai vatų). Norėdami įvertinti tokių energijos šaltinių galimybes, turime atsiminti, kad lydymui 1 cm 3 metalo reikia ~50 J. Jei lazerio spindulio galia yra 500 W, tada iš esmės jis gali ištirpti 1 Su ~ 10 cm 3 metalo Tikrieji skaičiai, gauti eksperimentiniu būdu, yra žymiai mažesni, nes nuo jo atsispindi nemaža ant metalo paviršiaus patenkančios šviesos energijos dalis.

Atkreipkite dėmesį, kad galios sąvoka kalba apie energijos koncentraciją laike, sistemos gebėjimą sukelti reikšmingą efektą per tam tikrą (dažniausiai trumpą) laikotarpį. Milžiniška kai kurių tipų lazerių, skleidžiančių monoimpulsus, galia rodo aukštą lazerio energijos kokybę. Pavyzdžiui, per kelias akimirkas galima gauti energijos tankį, viršijantį branduolinio sprogimo energijos tankį. Lazerių pagalba galima gauti dešimčių milijonų laipsnių temperatūrą ir 100 milijonų atmosferų slėgį. Naudojant lazerius buvo gauti didžiausi magnetiniai laukai ir kt.

Norint sumažinti spinduliuotės impulsų trukmę, lazerio ertmėje dažniausiai įdedami įvairūs valdymo įtaisai – intraertminiai moduliatoriai arba sukuriamos daugiapakopės stiprinimo grandinės iš kelių nuoseklių blokų, kuriuose yra aktyvių elementų. Puslaidininkinių lazerių panaudojimas siurblių sistemoje, šviesolaidiniai elementai ir netiesiniai lazerinės spinduliuotės keitikliai leido sukurti itin kompaktiškas, efektyvias ir kompaktiškas lazerines sistemas.

Pirmajame monoimpulsiniame rubino generatoriuje švytėjimo trukmė impulsais siekė ~10 -8 Su. Šiuolaikiniai lazeriai gali skleisti impulsus, kurių trukmė yra apie 5 fs, ty mažiau nei du šviesos bangos periodai, kurie yra arti pagrindinės ribos. Netgi radiacijos energija, kuri lazerio mastu yra gana kukli, kai ji sutelkta ultratrumpame impulse (USP), sukuria didelę galią ir, kai spindulys yra sufokusuotas, milžinišką intensyvumą. Visų pirma, Livermore nacionalinėje laboratorijoje (JAV) sukurta instaliacija leidžia gauti ultragarso lazerio spinduliuotę, kurios energija yra 660 J kurių impulso trukmė yra 440 fs, kuris užtikrina 1 eilės didžiausią galią PW, o fokusuojant spindulį - spinduliavimo intensyvumas viršija 10 21 W/cm 2. Norint susidaryti supratimą apie šią vertę, reikia pažymėti, kad šviesos slėgis šiuo atveju yra 300 Gbar, kuris yra panašus į slėgį Saulės centre. Šiame pavyzdyje lazerio spinduliuotės galia buvo padidinta daugiausia sumažinus impulso trukmę. Palyginus šiuolaikinius femtosekundinius lazerius su pirmuoju iš impulsinių lazerių matyti, kad galios padidėjimas pasiekė 12 dydžių. Spinduliuotės energijos padidėjimui įvertinti galime pateikti duomenis apie JAV kuriamą ultratrumpų impulsų lazerinį įrenginį termobranduolinės sintezės tyrimams. Šios instaliacijos 192 spinduliai, futbolo aikštės dydžio, turėtų pasiekti 2 energiją MJ nanosekundės impulsu. Taigi energijos padidėjimas bus mažiausiai 6 eilės.

Kai mokslininkai sužinojo, kokios yra lazerio spinduliuotės savybės, visuomenė įgijo puikias interferometrijos galimybes. Šiuo metu mokslo bendruomenė turi gana tikslius metodus, kaip nustatyti kiekybinius poslinkių ir ilgių įverčius. Iš pradžių interferometrai buvo naudojami gana ribotai, nes šviesos bangų šaltiniai nebuvo pakankamai koherentiški ir ryškūs, todėl žmogui prieinamas vaizdas buvo teisingas tik tuo atveju, kai matavimo ranka buvo 50 cm ar mažesnė. Daug kas pasikeitė, kai atsirado galimybė panaudoti daugiau didelio tikslumo lazerio spinduliuotę.

Hemostatikai

Šis terminas paprastai vartojamas trumpai apibūdinti lazerio spinduliuotės savybę, išreikštą litavimo ir suvirinimo būdu. Procesą sukelia nekrozė, susijusi su temperatūros apdorojimu. Krešėjimo kontroliuojama nekrozė, kurią sukelia šildymo lygio pasikeitimas, yra kartu su ribinės plėvelės susidarymu iš ląstelių ir audinių elementų. Tai sujungia kelis organo sluoksnius į vieną lygį.

Darbas su lazeriu visada susijęs su sąveika su labai aukšta temperatūra. Dėl šios savybės skystis, kuris paprastai būna ląstelių viduje ir tarp audinių, beveik akimirksniu išgaruoja, o sausieji komponentai dega. Distrofija nustatoma pagal tai, kokio tipo lazerio spinduliuotė (savybės šiek tiek skiriasi) naudojama konkrečiame įrenginyje. Taip pat daug kas priklauso nuo apdorojamo organinio audinio tipo ir kontakto trukmės. Jei lazeris pajudinamas, jis išprovokuoja garavimą, dėl kurio susidaro linijinis pjūvis.

Svarbios savybės

Svarstant, kokias savybes turi lazerio spinduliuotė, svarbu paminėti monochromatinį spektrą, aukštą koherentiškumo lygį, mažą divergenciją ir padidintą spektro tankį. Iš viso tai leidžia sukurti didelio tikslumo lazerinius įrenginius, kurie būtų patikimi ir pritaikomi esant įvairiausioms klimato sąlygoms, geologiniams ir hidrologiniams veiksniams.

Pastaraisiais metais matininkams buvo sukurti didelio tikslumo prietaisai su lazeriais. Jie pagrįsti jau žmonijai žinomomis lazerio spinduliuotės savybėmis. Lazerių naudojimas tokiose instaliacijose yra plačiai paplitęs ne tik mūsų šalyje, bet ir užsienyje. Kaip matyti iš praktikos, vamzdžių sluoksniams ir žemės kasimo mašinoms lazerinės sistemos yra nepakeičiamos kaip judėjimo krypties nustatymo metodas. Jie taip pat svarbūs kuriant kelius (geležinkelius, kelius) ir daugelį kitų darbų.

Svarbu

Lazeris buvo pritaikytas formuojant tranšėjas. Naudojant specialų įrenginį, sukuriamas lazerio spindulys, kuris apibrėžia maršrutą. Susitelkęs į jį, ekskavatorių dirbantis žmogus gali dirbti stabiliai. Tokių modernių įrenginių veikimas yra kokybiško visų darbų etapų atlikimo ir tranšėjų sukūrimo garantija, tiksliai taip, kaip nurodyta projektinėje dokumentacijoje.

Lazeris yra nepakeičiamas!

Jei mokyklos ar universiteto kurse, bandomajame darbe studentas gauna užduotį „Įvardykite būdingas lazerio spinduliuotės savybes“, pirmiausia į galvą ateina nuoseklumas ir ryškumas. Jei lygintume lazerį ir plazmą, pirmasis kelis kartus viršija ryškumo parametrus ir yra tinkamas kuriant serijinius blyksnius, o dažnis gali siekti 1010 Hz. Vienas impulsas gali trukti (pikosekundėmis) kelias dešimtis. Tuo pačiu metu skirtumas yra mažas, dažnį galima reguliuoti. Paaiškėjo, kad šios savybės pritaikomos įrenginiuose, kurie leidžia tirti procesus, vykstančius labai dideliu greičiu.

Dėl aprašytų savybių lazeriai tapo nepakeičiami termooptinės spektroskopijos technologiją naudojančioje analitikoje.

Puikios struktūros

Mokslininkų nustatytos pagrindinės lazerio spinduliuotės savybės (išvardytos aukščiau) leido panaudoti šią technologiją kuriant šiuolaikinius ginklus ir kuriant įvairių medžiagų pjaustymo mašinas. Tačiau galimybių spektras neapsiriboja tik tuo. Taikant ypač tikslius ir technologinius darbo struktūros konstravimo metodus, paremtus lazerio spinduliuote, galima sukurti molekulių, jų sandaros ir savybių tyrimo sistemą. Tokiu būdu gaudami naujausią informaciją, mokslininkai sudaro pagrindą kurti naujų tipų lazerius. Kaip matyti iš optimistiškiausių prognozių, artimiausiu metu būtent per lazerio spinduliuotę bus atskleista fotosintezės prigimtis, o tai reiškia, kad mokslininkai gaus visus raktus suprasti gyvybės planetoje esmę ir mechanizmus. jo susidarymo.

Pasaulio supratimas: paslaptys ir atradimai

Manoma, kad dabar yra ištirtos visos pagrindinės lazerio spinduliuotės savybės. Mokslininkai žino pagrindinius stimuliuojamos radiacijos emisijos principus ir sugebėjo juos pritaikyti praktikoje. Ypač svarbiu laikomas vienspalvis spinduliuotės spektras, jo intensyvumas, impulso ilgis ir aiški kryptis. Dėl tokių savybių lazerio spindulys netipiškai sąveikauja su medžiaga.

Kaip papildomai pažymi fizikai, nurodytos lazerio spinduliuotės savybės negali būti vadinamos nepriklausomomis charakteristikomis, kurios be išimties apibūdina visas minėto reiškinio atmainas. Tarp jų yra tam tikri ryšiai. Visų pirma koherentiškumą lemia spinduliuotės kryptingumas, o impulso ilgis yra tiesiogiai susijęs su monochromatiniu spindulio spektru. Spinduliuotės intensyvumą lemia trukmė ir kryptis.

Ramano efektas

Šis reiškinys yra vienas svarbiausių lazerio spinduliuotės savybėms įvertinti, suprasti ir taikyti. Šis terminas dažniausiai vartojamas sąlygai, kuriai inicijuoti reikia įrengti didelės galios, žymėti. Jo įtakoje sklaida atsiranda, kai stebimas spinduliuotės dažnio poslinkis. Nustatydami spektrinės kompozicijos specifiką ir įvertindami galią, galite pastebėti, kad dažnis reguliuojamas pagal gana sudėtingą modelį. Dirbtinai stimuliavus Ramano efektą, galima sukurti koherentinių signalų optikos korekcijos metodą.

Tai įdomu

Kaip parodė lazerio spinduliuotės savybių ir procesų, kuriuos ji inicijuoja medžiagoje, tyrimai, vaizdas daugeliu atžvilgių panašus į tą, kuris stebimas feromagnetų ir superlaidininkų struktūroje. Jei naudojant mažos galios ertmę pasiekiamas aukštesnis siurblio lygis, lazerio skleidžiami spinduliai tampa chaotiški. Be to, pats chaosas yra šviesos būsena, kuri visiškai skiriasi nuo chaoso, kurį sukuria šilumą skleidžiantys objektai.

Naudojimo sritis plečiasi

Kadangi lazerio spinduliuotė turi šias savybes: monochromatinį spektrą, griežtai apibrėžtą kryptingumą, todėl gali būti naudojamas kaip šviesos šaltinis. Šiuo metu vyksta aktyvūs pokyčiai šios technologijos panaudojimo signalų perdavimo srityje srityje. Yra žinoma, kad šviesa ir medžiaga gali sąveikauti taip, kad procesas būtų praktiškas įvairiomis aplinkybėmis, tačiau teisingi metodai dar turi būti sukurti. Yra ir kitų, aukštųjų technologijų, sudėtingų, daug žinių reikalaujančių neatidėliotinų problemų, kurių sprendimui anksčiau ar vėliau bus galima panaudoti didelės galios lazerio spinduliuotę.

Aprašyto reiškinio savybės leidžia projektuoti spektrinius įrenginius. Tai tam tikru mastu paaiškinama artimųjų spindulių divergencija, kurią lydi padidėjęs spektrinis tankis.

Yra daug galimybių

Kaip išsiaiškino mokslininkai, norint sukurti efektyviausius ir plačiausiai naudojamus įrenginius, tikslinga naudoti lazerius, kurių dažnis gali būti reguliuojamas darbo metu. Jie visų pirma aktualūs padidintos skiriamosios gebos spektriniams įrenginiams. Tokiuose įrenginiuose galima pasiekti teisingų tyrimų rezultatų nenaudojant išsklaidymo elemento.

Lazeriu pagrįstos sistemos, kurių dažnis reguliuojamas eksploatacijos metu, šiuo metu surado pritaikymą įvairiose mokslo veiklos, medicinos, pramonės srityse ir srityse. Daugeliu atžvilgių konkretaus įrenginio paskirtį lemia jame įdiegtos lazerio spinduliuotės specifika. Generavimo linija lemia spektrinę skiriamąją gebą, įrenginio funkcionalumo pusės plotį. Forma priklauso nuo nurodyto intensyvumo spektrinio pasiskirstymo.

Techninės savybės

Paprastai lazeris kuriamas kaip rezonatorius, kuriame sukuriama tam tikra aplinka. Pagrindinis jo bruožas yra neigiama elektromagnetinės energijos sugertis. Toks rezonatorius leidžia sumažinti radiacijos nuostolius specializuotoje aplinkoje. Taip yra dėl elektromagnetinės energijos ciklo sukūrimo. Šiuo atveju imama tik siaura dažnių juosta. Šis metodas leidžia papildyti energijos nuostolius, atsirandančius dėl to, kad emisija yra stimuliuojama.

Norint generuoti elektromagnetinę energiją, turinčią lazerio charakteristikas, nereikia naudoti rezonatoriaus. Rezultatas vis tiek bus nuoseklus, jam būdingas didelis kolimavimas ir siauras spektras.

Apie holografiją

Norėdami įgyvendinti tokius procesus, turite turėti šaltinį, kuris generuoja aukšto lygio darnumo spinduliuotę. Šiuo metu tai yra lazeriai. Kai tik tokia spinduliuotė buvo atrasta pirmą kartą, fizikai beveik iš karto suprato, kad jos savybes galima panaudoti holografijai įgyvendinti. Tai tapo postūmiu plačiam praktiniam perspektyvių technologijų pritaikymui.

Apie taikymą

Kai tik buvo išrasti lazeriai, mokslo bendruomenė, o vėliau ir visas pasaulis, vertino juos kaip unikalų bet kokios problemos sprendimą. Taip yra dėl radiacijos savybių. Šiuo metu lazeriai naudojami technikoje, moksle, sprendžiant daugybę kasdienių problemų: nuo muzikos grojimo iki kodų skaitymo parduodant prekes. Pramonėje tokios sistemos naudojamos litavimui, pjovimui ir suvirinimui. Dėl galimybės pasiekti labai aukštą temperatūrą galima suvirinti medžiagas, kurių negalima pritaikyti klasikiniams sujungimo būdams. Tai leido, pavyzdžiui, sukurti tvirtus objektus iš keramikos ir metalo dalių.

Naudojant šiuolaikines technologijas, lazerio spindulį galima sufokusuoti taip, kad gauto taško skersmuo būtų įvertintas mikronais. Tai leidžia technologiją naudoti mikroskopiniuose elektroniniuose įrenginiuose. Šiuo metu ši galimybė žinoma kaip „scribing“.

Kur kitur?

Dėl savo unikalių savybių lazeriai gana aktyviai naudojami pramonėje kuriant dangas. Tai padeda padidinti įvairių gaminių ir medžiagų atsparumą dilimui. Lazerinis žymėjimas ir graviravimas yra ne mažiau aktualūs – modernios instaliacijos pagalba tokiu būdu galima apdirbti beveik bet kokį paviršių. Taip yra daugiausia dėl to, kad nėra tiesioginio mechaninio poveikio, tai yra, darbo procesas sukelia mažiau deformacijų nei naudojant bet kurį kitą įprastą metodą. Dabartinis technologijų ir mokslo išsivystymo lygis yra toks, kad galima visiškai automatizuoti visus darbo lazeriu etapus, išlaikant aukštą produktyvumo lygį ir padidintą užduočių vykdymo tikslumą.

Technologijos ir inžinerija

Pastaruoju metu dažų lazerinės sistemos buvo plačiai naudojamos. Jie skleidžia monochromatinę spinduliuotę su skirtingo bangos ilgio, impulsai vertinami 10-16 s. Tokių įrenginių galia yra labai didelė, o generuojami impulsai vertinami kaip milžiniški. Ši galimybė ypač svarbi spektroskopijai ir santykinai nelinijinių efektų optikos tyrimams.

Lazerio naudojimas tapo pagrindine technologija, leidžiančia tiksliai įvertinti atstumą tarp mūsų planetos ir artimiausio dangaus kūno – Mėnulio. Matavimo tikslumas yra iki centimetrų. Lazerinė vieta leidžia išplėsti astronomines žinias, išsiaiškinti navigaciją erdvėje ir padidinti duomenų bazę apie atmosferos ypatybes ir tai, iš ko susideda mūsų sistemos planetos.

Chemija nepalikta nuošalyje

Šiuolaikinės lazerinės technologijos naudojamos cheminėms reakcijoms inicijuoti ir tirti, kaip jos vyksta. Naudojant tokias galimybes galima itin tiksliai nustatyti vietą, dozę, sterilumą, pateikti reikiamus energijos rodiklius sistemos paleidimo momentu.

Mokslininkai aktyviai kuria lazerines aušinimo sistemas ir kuria galimybę tokią spinduliuotę panaudoti termobranduolinėms reakcijoms kontroliuoti.