レーザー照射の応用
レーザー — 光学範囲におけるコヒーレント放射の量子発生器（増幅器）。 「レーザー」という用語は、放射線の誘導放出による光の増幅という英語名の最初の文字から形成されています。活性材料の種類に応じて、固体レーザー、気体レーザー、液体レーザーが区別されます。
最初のタイプのレーザーの中で、ルビーが最も研究されています。このようなレーザーの初期のモデルの 1 つは、モノリシック ルビー結晶 (Cr2O3、A12O3) 内の三価クロム イオン Cr3+ のエネルギー遷移を使用します。ポンピング放射線 (5600 A 程度の波長) の作用下で、Cr3+ イオンはレベル 1 からレベル 3 に移行し、そこからレベル 2 およびレベル 1 への下方遷移が可能になります。ポンピングは、レベル 1 と 2 の人口の逆転をもたらし、レベル 2 の人口がレベル 1 の人口を超えます。
Cr-イオン 3+ の 1 つが自発的に遷移する場合、周波数の光子がレベル 2 からレベル 1 e12 に放出され、ルビー結晶上で伝播し始めます。d -red 励起 Cr3+ イオンに遭遇すると、この光子は、一次光子とコヒーレントな既に誘導された放射線を引き起こします。
ルビー単結晶の研磨され銀メッキされた端からの多数の反射により、結晶内の放射強度は継続的に増加します。これはそれらの光子でのみ起こり、伝播方向はコモトリクが結晶の軸に対して小さな角度を形成します。鋼の放射線は側面を通って結晶から出ていき、放射線ビームの形成には関与しません。放射線ビームは、半透明のミラーである端の 1 つから出ます。
さまざまな産業における技術向上の大きな進歩は、光量子発生器 (レーザー) の使用に関連しています。ご存知のとおり、レーザー放射は他の非レーザー光源 (熱、ガス放電など) の放射とは大きく異なります。これらの違いにより、科学技術のさまざまな分野でレーザーが広く使用されるようになりました。
レーザーの基本設計を考えてみましょう。
一般に、光量子発生器 (OQC) のブロック図を図に示します。 1 (場合によっては、ドライブ 4 ～ 7 が見つからない可能性があります)。
活性物質１では、ポンピング作用の下、高いエネルギー準位から低いエネルギー準位へ通過する電子の誘導（外部電磁場によって引き起こされる）放射線により、活性物質１を通過する放射線が増強される。この場合、活性物質の特性によってレーザーの発光周波数が決まります。
活性物質として、少量の活性元素の不純物が導入された結晶または非晶質媒体を使用できます（固体レーザーの場合）。金属のガスまたは蒸気（ガスレーザーの場合）。有機染料の液体溶液（液体レーザー中）。
米。 1. 光量子発生器のブロック図
レーザーポンプシステム3の助けを借りて、活性物質内に条件が作り出され、放射線を増幅することが可能になります。このためには、電子の原子のエネルギー準位の集団の反転（再分布）を作成する必要があります。つまり、上位準位の集団が下位準位の集団よりも多くなります。ポンピング システムとして、固体レーザーではガス放電ランプ、ガス レーザーでは直流電源、パルス、HF、マイクロ波発生器、液体レーザーでは LAG に使用されます。
レーザーの活性物質は、ミラーシステムである光共振器２内に配置され、そのうちの１つは半透明であり、共振器からレーザー放射を除去する働きをする。
光共振器の機能は非常に多様です。発生器内で正のフィードバックを生成したり、レーザー放射のスペクトルを形成したりするなどです。
モード選択および周波数安定化のための装置５は、レーザの出力放射のスペクトルの品質を改善する、すなわち単色発振のスペクトルに近づけるように設計されている。
液体レーザーでは、システム 6 は広範囲の発振周波数調整を実現します。必要に応じて、レーザー内で放射線の振幅または位相変調を行うことができます。外部変調は通常、デバイス 7 で使用されます。
レーザーの種類
最新のレーザーは、さまざまな基準に従って分類できます。
• 使用されている活性物質の種類による。
• 動作モード別 (連続またはパルス生成、Q スイッチ モード)、
• 放射のスペクトル特性による（マルチモード、シングルモード、単一周波数レーザー）など。
最も一般的なのは、前述の分類の最初のものです。
固体レーザー
これらのレーザーは、活性物質として結晶媒体と非晶質媒体を使用します。固体レーザーには多くの利点があります。
・媒体の線形利得の値が高く、これにより、レーザの軸方向寸法が小さいレーザを得ることが可能になる。
• パルスモードで非常に高い出力電力値を取得できる可能性。
固体レーザーの主な種類は次のとおりです。
1. クロムイオンが活性中心となるルビーレーザー。母線はスペクトルの赤色領域 (λ = 0.69 μm) にあります。連続モードの放射線の出力は数ワット、パルスモードのエネルギーは数百ジュールで、パルス幅は約 1 ms です。
2. 希土類金属イオン（主にネオジムイオン）をベースにしたレーザー。これらのレーザーの重要な利点は、室温で連続モードで使用できることです。これらのレーザーの主な生成系統は赤外領域 (λ = 1.06 μm) にあります。連続モードの出力電力レベルは 100 ～ 200 W に達し、効率は 1 ～ 2% です。
ガスレーザー
ガスレーザーにおける反転分布は、放電と他のタイプのポンピング（化学、熱など）の両方を利用して達成されます。
固体ガスレーザーと比較すると、次のような多くの利点があります。
• 0.2 ～ 400 ミクロンの極めて広い範囲の波長をカバーします。
• ガスレーザーの発光は非常に単色で指向性があります。
• 連続動作時に非常に高い出力電力レベルを達成できるようにします。
ガスレーザーの主な種類:
1.ヘリウム ネオン レーザー…主な波長はスペクトルの可視部分 (λ = 0.63 μm) にあります。出力電力は通常 100 mW 未満です。他のすべてのタイプのレーザーと比較して、ヘリウムネオンレーザーは最高度の出力コヒーレンスを提供します。
2. 銅蒸気レーザー… 放射線の主な生成は 2 本のラインで発生します。1 つはスペクトルの緑色の部分 (λ = 0.51 μm)、もう 1 つは黄色の部分 (λ = 0.58 μm) です。このようなレーザーのパルス出力は 200 kW に達し、平均出力は約 40 W になります。
3. イオン ガス レーザー... このタイプの最も一般的なレーザーは、アルゴン レーザー (λ = 0.49 — 0.51 μm) とヘリウム カドミウム レーザー (λ = 0.44 μm) です。
4. 分子 CO2 レーザー... 最も強力な生成は、λ = 10.6 μm で達成されます。 CO2 レーザーの CW モードでの出力は非常に高く、他のすべてのレーザーと比較して 15 ～ 30% という十分に高い効率で 10 kW 以上に達します。パルス電力 = 10 MW は、10 ～ 100 ミリ秒程度の生成パルスの持続時間で達成されます。
液体レーザー
液体レーザーでは、生成される発振周波数の広い範囲（λ = 0.3 µm ～ λ = 1.3 µm）にわたって調整が可能です。一般に、このようなレーザーでは、活性物質は有機染料の溶液（ローダミン溶液など）です。
レーザーパラメータ
一貫性
レーザー放射の際立った特徴は、そのコヒーレンスです。
コヒーレンスは、時間と空間における波のプロセスの調整された過程として理解されます。空間コヒーレンス — 空間内の異なる点から同時に放射される波の位相間のコヒーレンス、および時間的コヒーレンス — 1 つの点から放射される波の位相間のコヒーレンス時間の休憩の瞬間に。
コヒーレント電磁振動 - 同じ周波数と一定の位相差を持つ 2 つ以上の発生源の振動。無線工学では、コヒーレンスの概念は、周波数が等しくない発振源にも適用されます。たとえば、2 つの音源の振動は、周波数 f1 と e2 が合理的な関係にある場合、つまり 2 つの関係にある場合、コヒーレントであると見なされます。 f1 / f2 = n / m、n と m は整数です。
観測区間内でほぼ等しい周波数とほぼ同じ位相差を持つ振動源、または周波数比が有理周波数比とほとんど変わらない振動源を、ほぼコヒーレントな振動源と呼びます。
干渉する能力は、コヒーレント発振の主な特徴の 1 つです。コヒーレント波のみが干渉できることに注意してください。以下では、光放射源の多くの応用分野が干渉現象に正確に基づいていることを示す。
発散
レーザー放射の高い空間コヒーレンスにより、この放射の発散が低くなります。これは、波長 λ とレーザーで使用される光キャビティのパラメーターに依存します。
通常の光源では、特殊なミラーを使用した場合でも、レーザーに比べて発散角が1～2桁程度大きくなります。
レーザー放射の発散が少ないため、従来の集束レンズを使用して光エネルギーの高い束密度を得る可能性が開かれます。
レーザー放射の高い指向性により、特定の物質に対する局所的な (実際には特定の瞬間における) 分析、測定、および影響を実行することが可能になります。
さらに、レーザー放射の高い空間集中は、進行中のプロセスの性質が照射の強度に依存する顕著な非線形現象を引き起こします。例として、多光子吸収を挙げることができます。これはレーザー源を使用した場合にのみ観察され、高いエミッターパワーで物質によるエネルギー吸収の増加につながります。
モノクロ
放射線の単色の度合いによって、エミッターのパワーの主要部分が含まれる周波数範囲が決まります。このパラメータは、光放射源を使用する場合に非常に重要であり、放射の時間的コヒーレンスの度合いによって完全に決定されます。
レーザーでは、すべての放射パワーが非常に狭いスペクトル線に集中します。輝線の狭い幅は、レーザー内の光共振器を使用することによって実現され、主に光共振器の共振周波数の安定性によって決まります。
分極
多くのデバイスでは、波の電界ベクトルの主な方向を特徴づける放射線の偏光によって特定の役割が果たされます。
一般的な非レーザー源は、カオス的な偏光によって特徴付けられます。レーザー放射は円偏光または直線偏光です。特に、直線偏光では特別なデバイスを使用して偏光面を回転できます。この点に関して、多くの食品では、吸収帯域内の反射係数が放射の偏光面の方向に大きく依存することに注意する必要があります。
パルス持続時間。レーザーを使用すると、非常に短い持続時間 (tp = 10-8-10-9 秒) のパルスの形で放射線を取得することもできます。これは通常、共振器の Q 値の変調、モードロックなどによって実現されます。
他のタイプの放射線源では、最小パルス持続時間は数桁大きく、特にスペクトル線の幅になります。
生物学的対象物に対するレーザー放射の影響
単色性とコヒーレンスを組み合わせた高エネルギー密度のレーザー放射は、生物対象に影響を与える独特の要因です。単色性により、物体の特定の分子構造に選択的に影響を与えることが可能になり、コヒーレンスと偏光は、照射システムの高度な組織化と組み合わされて、特定の累積（共鳴）効果を決定し、比較的低レベルの放射線でも強い光刺激をもたらします。細胞内のプロセスから光突然変異誘発まで。
生体がレーザー放射線にさらされると、一部の分子結合が破壊されるか、分子の構造変化が起こります。これらのプロセスは選択的です。つまり、一部の結合は照射によって完全に破壊されますが、他の結合は実質的に変化しません。レーザー放射と分子の相互作用のこのような顕著な共鳴特性は、特定の代謝反応、つまり代謝反応、これらの反応の光制御の選択的触媒作用の可能性を開きます。この場合、レーザー照射が酵素の役割を果たします。
レーザー光源のこのような特性を利用すると、工業的な生合成を強化するための幅広い可能性が開かれます。
酵母のレーザー照射は、カロテノイドや脂質などの標的生合成に使用でき、より広範には、生合成方向が変更された新しい突然変異酵母株を取得するために使用できます。
多くの食品産業では、レーザー照射を使用して、タンパク質分子をポリペプチド断片に分解し、これらの断片をアミノ酸に加水分解する酵素の活性比を制御する機能を利用できます。
クエン酸の工業生産において、レーザー刺激により製品収率が 60% 増加し、同時に副生成物の含有量が減少しました。菌類における脂肪生成のレーザー光刺激により、非食用キノコ原料の加工中に食用および工業用脂肪の生産が可能になります。微生物産業で使用される真菌の生殖器官形成のレーザー刺激に関するデータも得られました。
従来の光源とは異なり、レーザーはスペクトルの可視部分でジュースを滅菌できるため、ボトルのガラスを通してレーザーを直接使用して滅菌できる可能性が開かれることに注意してください。
レーザー滅菌の興味深い特徴が注目されています。低出力レベルでレーザー照射と従来の光源による照射の微生物細胞の生存曲線が実質的に一致する場合、レーザー照射の比出力が約 100 kW / cm2 になると、レーザー照射の有効性が急激に増加します。レーザー照射による殺菌作用、つまり細胞死と同じ効果を達成するには、低電力源を使用する場合よりもはるかに少ないエネルギーしか必要としません。
インコヒーレントな光源で照射された場合、この効果は観察されません。たとえば、細胞が強力なパルスで照射された場合、ルビーレーザーが細胞の最大50％に当たるには1回のフラッシュで十分ですが、同じエネルギーは長時間吸収されるため、損傷を引き起こさないだけでなく、 、しかし微生物の光合成プロセスの強化にもつながります。
説明されている効果は、通常の条件下では、光化学反応に入る分子が 1 量子の光を吸収し (1 光子吸収)、その反応性が増加するという事実によって説明できます。光子の吸収が増加し、分子が 2 つの光子を同時に吸収します。この場合、化学変換の効率は急激に増加し、分子の構造はより効率的に損傷されます。
強力なレーザー放射にさらされると、従来の光源を使用した場合には観察されない他の非線形効果が発生します。これらの効果の 1 つは、周波数 f の放射パワーの一部を周波数 2f、3f などの放射に変換することです。 （光高調波の発生）。この効果は、高い照射レベルでの照射媒体の非線形特性によるものです。
生体は紫外線の作用に最も敏感であることが知られているため、高調波の殺菌効果が最も効果的です。同時に、物体が UV 放射源で直接照射されると、エミッターの入射電力のほとんどが表面層で吸収されます。前述のケースでは、UV 放射が物体自体の内部で生成され、これが殺菌効果の体積特性につながります。この場合、明らかに、滅菌プロセスのより高い効率が期待できる。
レーザー放射の高度な単色性により、ある種類の細菌を滅菌しながら、二元細菌系で別の種類の微生物の増殖を刺激することが可能になります。つまり、標的を絞った「選択的」滅菌を実現できます。
これらの応用分野に加えて、レーザーは、分光法、物体の変位 (干渉法)、振動、流速 (レーザー風速計)、光学的に透明な媒体の不均一性など、さまざまな量の測定にも使用されます。レーザーの助けを借りて、表面の品質を監視したり、特定の物質の光学特性の外部要因への依存を研究したり、微生物による環境の汚染を測定したりすることが可能です。