Какого лазерного излучения не бывает

Виды лазеров: 4 метода классификации

Лазер известен как одно из четырех великих изобретений 20-го века, лазерный луч — это не свет, существующий в природе, а свет, изобретенный человеком на основе квантовой теории. От естественного света лазер отличают характеристики и процесс его генерации.

Лазер называют «самым быстрым ножом, самым ярким светом и самой точной линейкой»:

По сравнению с естественным светом лазер обладает такими характеристиками, как высокая интенсивность, хорошая монохроматичность, хорошая когерентность и хорошая направленность.

Лазер — это продукт атомного стимулированного излучения:

Возбужденный энергией источника накачки, атом может перейти в высокоэнергетическое состояние. В это время, если он столкнется с внешним фотоном с определенной частотой, он испустит идентичный фотон. Эти два фотона заставят больше атомов перейти и выпустить такой же фотон. Этот процесс называется стимулированным излучением, а генерируемый свет — «лазерным».

Частота, фаза, направление распространения и состояние поляризации фотонов, испускаемых стимулированным излучением, и посторонних фотонов абсолютно одинаковы, поэтому лазер имеет характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности.

Схематическая диаграмма перехода на атомный энергетический уровень

Схематическая диаграмма процесса стимулированного излучения

Особенности лазеов:

• Хорошая направленность;
• Хорошая монохроматичность;
• Высокая мощность;
• Высокая когерентность.

Популярные модели лазерных станков:

Рабочая зона 1500х3000 мм. Источник 2000 Вт Raycus. Резка нержавеющей стали до 8 мм, углеродистой стали до 16 мм.

Узнайте цену

Рабочий стол 900х600 мм. Мощность трубки 100 Вт. Ресурс 10 000 моточасов. Потребляемая мощность 1,5 кВт. Вес 340 кг

Узнайте цену

Рабочий стол 2000х3000 мм. Мощность трубки 180 Вт. Ресурс 10 000 моточасов. Потребляемая мощность 6 кВт. Вес 1300 кг

Узнайте цену

История создания лазерного оборудования

• Эйнштейн впервые предложил идею стимулированного излучения в 1917 году;
• В 1960 году появился первый в мире рубиновый твердотельный лазер;
• Коммерческое использование началось в 1970-х годах и сейчас находится на стадии бурного развития:
• После изучения механизма взаимодействия лазерного луча с материей, область применения лазера также расширяется. После 1990-х годов промышленное применение перешло в стадию высокоскоростного развития.

История развития лазерных технологий

Два вида применения лазера

Характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности определяют два сценария применения лазера:

Энергетический лазер

Лазер обладает выдающимся преимуществами — высокой плотностью энергии, что находит важное применение в обработке материалов, производстве оружия, медицине и других областях.

Информационный лазер

Лазер обладает хорошей монохроматичностью и направленностью. Он подходит для передачи информации (оптическая связь) и измерения расстояния (оптическое измерение). По сравнению с традиционной электрической связью, оптическая связь имеет такие преимущества, как большая емкость, большое расстояние, хорошая конфиденциальность и легкий вес.

Оборудование для лазерной обработки

Лазерная обработка является представителем технологии точной обработки. Основной движущей силой роста является замещение традиционных методов обработки:

По сравнению с другими станками, лазерные станки имеют такие преимущества как высокая эффективность, высокая точность, низкое потребление энергии, малая деформация материала, большой ряд обрабатываемых материалов и простота управления.

Эти преимущества тесно связаны с двумя характеристиками бесконтактной обработки и высокой плотностью энергии лазерной обработки:

Бесконтактная обработка

Работа лазера полностью завершается за счет тепла, выделяемого при взаимодействии лазера с материалом.

Во время всего процесса нет контакта между обрабатывающим инструментом и материалом, поэтому обрабатываемый материал не подвергается силовому воздействию, а остаточное напряжение относительно невелико.

Поскольку диаметр луча можно контролировать до очень малого, точность также высока;

Высокая плотность энергии

Плотность мощности лазерной обработки может достигать более 107 Вт/см, в тысячи и даже десятки тысяч раз превышая плотность мощности пламени, дуги и других методов обработки.;

Более высокая плотность мощности означает, что лазер может обрабатывать очень маленькую область на объекте обработки, не затрагивая материалы вокруг микрообласти, поэтому точность обработки и эффективность обработки выше.

Многоточечные преимущества

• Высокая эффективность;
• Высокоточный;
• Низкое потребление энергии;
• Малая деформация;
• Легко контролировать.

Лазер: основной блок лазерного оборудования

Лазер — это компонент, используемый для генерации лазерного луча и основной компонент лазерного оборудования:

• Стоимость лазера составляет 20% — 40% от общей стоимости полного комплекта оборудования для лазерной обработки, или даже выше;
• В лазере происходит накачка, стимулированное излучение и другие процессы;
• Типичный лазер состоит из рабочего материала лазера (энергия излучения), источника накачки (энергии подъема), оптического резонатора (распространяющая энергия) и т.д.

Основная структурная схема лазера

Типы лазеров

Существует множество методов классификации лазеров, среди которых наиболее часто используются четыре наиболее часто используемые:

По рабочему веществу:

По рабочему веществу лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, жидкостные (на красителях), полупроводниковые, эксимерные и т.д;

Газовый лазер

Принимая газ в качестве рабочего материала, распространенными являются CO2 лазер , He-Ne лазер, аргонионный лазер, He-Cd лазер, лазер на парах меди, различные эксимерные лазеры и др. лазер, He-Cd лазер, лазер на парах меди, различные эксимерные лазеры и т.д., особенно CO2 лазер наиболее часто используется в промышленности.

Твердотельные лазеры

Ионы металлов, способные производить стимулированное излучение, легируются в кристалл и используются в качестве рабочих материалов. Обычно используемые кристаллы включают рубин, корунд, алюминиевый гранат (широко известный как YAG), тунгстат кальция, фторид кальция, алюминат иттрия и бериллат лантана, среди которых YAG является наиболее распространенным кристаллом в настоящее время.

Твердотельный лазер

Лазер на красителях

В качестве рабочего вещества используется раствор, образующийся при растворении некоторых органических красителей в жидкостях, таких как этанол, метанол или вода.

Полупроводниковые лазеры

Также известны как лазерные диоды, в качестве рабочего вещества используются полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CDS), фосфид индия (INP), сульфид цинка (ZnS) и т.д.

Полупроводниковые лазеры

Оптоволоконный лазер:

В качестве рабочего материала используется стекловолокно, легированное редкоземельными элементами. Волоконный лазер — это лазер, использующий волокно в качестве рабочей среды.

Волоконный лазер

Волоконный лазер имеет отличные характеристики и известен как лазер третьего поколения:

1. Поскольку волокно имеет характеристики малого объема, намотки, низкого отношения площади к объему и высокой скорости фотоэлектрического преобразования, волоконный лазер имеет преимущества миниатюризации и интенсификации, хорошего рассеивания тепла и высокой скорости фотоэлектрического преобразования;
2. В то же время, лазерный выход волоконного лазера может быть получен непосредственно из волокна, поэтому волоконный лазер имеет высокую технологичность и может адаптироваться к применению обработки в любом пространстве;
3. По структуре, волоконный лазер не имеет оптической линзы в резонансной полости, поэтому он обладает такими преимуществами, как отсутствие регулировки, отсутствие технического обслуживания и высокая стабильность.
4. Кроме того, качество луча волоконного лазера также превосходно.

Типы лазеров	Стандартный тип	Длина лазерной волны	Максимальная выходная мощность	Эффективность преобразования энергии	Особенности
Газовый лазер	CO2 лазер	Около 10.6um инфракрасного излучения	1-20 кВт	8%～10%	Хорошая монохроматичность и высокая эффективность преобразования энергии
Жидкостный лазер	6G лазер на красителях	УФ к ИК	–	5%～20%	Длина волны на выходе плавно регулируется, мощность преобразования энергии высокая, низкая стоимость
Твердотельные лазеры	YAG/рубиновый лазер	От видимого до ближнего инфракрасного диапазона	0,5-5 кВт	0.5%～1%	Низкая выходная мощность, низкий коэффициент преобразования энергии и хорошая монохроматичность.
Полупроводниковые лазеры	Диодный лазер GaAs	100 nm―1.65 um	0,5-20 кВт, двухмерный массив может достигать 350 кВт	20% — 40%, лабораторные 70%	Высокая мощность преобразования энергии, малый объем, легкий вес, простая структура, длительный срок службы и слабая монохроматичность.
Волоконный лазер	Импульсный/Постоянный волоконный лазер	1.46 um―1.65 um	0.5-20 кВт	30%-40%	Миниатюризация, интенсификация, высокая эффективность преобразования, высокий выход энергии, высокое качество луча, отсутствие оптической коллимации и меньшее техническое обслуживание.

Форма выходного сигнала энергии (рабочий режим):

По форме выходного сигнала лазеры можно разделить на непрерывный, импульсный и квазинепрерывный. Импульсный лазер можно дополнительно разделить на миллисекундный лазер, микросекундный лазер, наносекундный механизм, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, аттосекундный лазер и т.д.;

Непрервные лазеры

Непрерывно выдают стабильную форму волны энергии в течение рабочего времени, с высокой мощностью, и могут обрабатывать материалы с большим объемом и высокой температурой плавления, такие как металлические пластины;

Импульсный лазер

По ширине импульса импульсные лазеры могут быть далее разделены на миллисекундные лазеры, микросекундные лазеры, наносекундные механизмы, пикосекундные лазеры, фемтосекундные лазеры и аттосекундные лазеры;

Фемтосекундные и аттосекундные лазеры называются сверхбыстрыми лазерами.

Мощность импульсного лазера намного ниже, чем у непрерывного лазера, но точность обработки выше, чем у непрерывного лазера. Как правило, чем меньше ширина импульса, тем выше точность обработки;

Квази-КВ лазер

Помимо непрерывного лазера и импульсного лазера, высокоэнергетический лазер может быть выведен многократно в течение определенного периода.

Способ классификации	Категория лазера	Особенности
Классификация по режиму работы	Непрерывный лазер	Возбуждение рабочего материала и соответствующий лазерный выход может осуществляться непрерывно в большом диапазоне времени
	Импульсивный лазер	Он относится к лазеру с длительностью одного лазерного импульса менее 0,25 секунды и работает только один раз с определенным интервалом. Он имеет большую выходную пиковую мощность и подходит для лазерной маркировки, резки и ранжирования.
Классификация по длительности импульса	Миллисекундный лазер (MS)	10 -3 S
	Микросекундный лазер (US)	10 -6 S
	Наносекундный лазер (NS)	10 -9 S
	Пикосекундный лазер (PS)	10 -12 S
	Фемтосекундный лазер (FS)	10 -15 S

Выходная длина волны (цвет):

По длине выходной волны лазеры можно разделить на рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, видимые и т.д;

Мощность:

Можно разделить на лазеры низкой мощности 100 Вт, лазеры средней мощности 100-1500 Вт и лазеры высокой мощности больше 1500 Вт.

Классификация лазеров

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Станки, которые могут вас заинтересовать:

Листовая станина. Рабочая зона 1500х3000 мм. Источник 1500 Вт IPG. Резка углеродистой стали до 14 мм, нержавеющей стали до 6 мм.

23 реинкарнации лазера, которые нас окружают в повседневной жизни

Под катом — научно-популярная лекция о современном применении лазеров и принципах работы лазерных устройств, тех самых, которые помогают победить рак и идентифицировать коронавирус, определять строение тканей, передавать данные и строить города, сводить татуировки и делать мышей счастливыми.

Ну и, надеюсь, вы уже видели самую большую в мире лазерную установку длиной 130 метров, установленную в Сарове в ВНИИЭФ. Она предназначена в том числе для изучения термоядерного(!) синтеза.

Эта статья — расшифровка лекции Дмитрия Артемьева, старшего преподавателя кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета и м.н.с. научно-исследовательской лаборатории «Фотоника». Дмитрий прочитал эту лекцию в нашей самарской Точке кипения прямо перед введением режима всеобщей самоизоляции.

Что такое свет

Для полноты картины начнем с азов. Из курса физики известно, что свет — это электромагнитная волна или поток фотонов. Поскольку одна из характеристик электромагнитных волн — длина волны, под светом (излучением) мы будем подразумевать электромагнитную волну длиной от 1 нанометра до нескольких сантиметров. Таким образом, наше определение покрывает диапазон от рентгеновского до инфракрасного излучения.

Видимый для нашего глаза диапазон занимает очень маленький интервал, порядка 300 нанометров.

Если говорить про диковинные диапазоны, такие, как рентгеновские, то, например, в прошлом году создание лазера на свободных электронах, который работает в рентгеновском диапазоне, стало одной из главных тем и было номинировано на Нобелевскую премию по физике. Интересно, что победитель в этой номинации тоже был связан с лазерной техникой: премию присудили за создание сверхкоротких и сверхмощных импульсов. Кстати, часть исследований проводили в России, в Нижегородском институте общей физики.

Чем лазер отличается от обычной лампочки

На картинке — сравнение основных характеристик. Особо отметим, что максимальная мощность лазера многократно выше мощности источников, которые применяются в лампах. Но не каждому лазеру это нужно: часто для применения достаточно долей ватта, милливатта или микроватта, чтобы получить просто какое-то определенное излучение.

Вспомним, что ширина видимого диапазона излучения — порядка 400 нанометров. Примерно такой же по ширине спектр имеет лампа накаливания, поэтому при перемешивании цветов мы видим белый свет. В свою очередь, ширина диапазона лазера может составлять 0,1 нанометра. Это уникальное свойство лазера используется при проведении некоторых спектральных исследований и точных прецизионных измерений.

Если посветить лазерной указкой из одной стороны комнаты в другую, мы увидим на противоположной стене лишь небольшое пятно, демонстрирующее узкую направленность излучения и малую расходимость пучка лазера. А у лампы дневного света или накаливания излучение практически изотропно, т.е. направлено во все стороны.

У естественного света отсутствует определенная направленность вектора электрического поля, это означает, что свет не поляризован. То есть у света обычной лампочки вектор E (напряженность) направлен в различные стороны. В случае лазерного излучения вектор E имеет определенное направление, колебания происходят в одной плоскости. Такая поляризация тоже делает лазерное излучение в какой-то степени уникальным.

Физика процесса

Лазер изобрели в конце 50-х прошлого столетия. В 1964 году за открытие лазерного излучения американец Чарльз Таунс и советские ученые Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов получили Нобелевскую премию. Причем Прохоров и Басов открыли не лазер, не усиление света, а усиление излучения микроволнового диапазона, так называемый мазер.

Лазер — аббревиатура из пяти латинских букв: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation. В переводе с английского это означает «усиление света под действием вынужденного излучения». Ниже представлены три диаграммы. Сначала, чтобы произошло излучение, необходимо, чтобы электрон или частица перешли в возбужденное состояние. Для этого частица должна получить энергию. После этого она перейдет на более высокий энергетический уровень.

Дальше возможны два сценария. Если частица случайным образом перейдет на более низкие энергетические уровни, то мы получим спонтанное излучение. Однако если на частицу, находящуюся на верхнем энергетическом уровне, воздействовать определенным фотоном, то есть направить на нее свет определенной длины волны, то произойдет уже вынужденное излучение. И фотон, рожденный в результате такого внешнего воздействия, будет тождествен тому фотону, с которым он провзаимодействовал. Так получается когерентное излучение, при котором волны равны друг другу.

Как устроен лазер

Перед вами — схема первого лазера. Это классический рубиновый лазер, созданный в 1960 году американским ученым Теодором Мейманом. Для работы прибора нужна активная среда, в данном случае — кристалл рубина, и два зеркала. Одно зеркало — глухое, с коэффициентом отражения, близким к единице. Второе — полупрозрачное, в зависимости от типа лазеров коэффициент отражения у него может отличаться как на доли процента, так и на десятки процентов относительно глухого зеркала.

В качестве оптической накачки для твердотельных лазеров, как правило, используется другое оптическое излучение. В первом лазере на кристалле рубина применялись лампы белого света, которые содержали синий и зеленый спектры — именно их кристалл рубина поглощает лучше всего.

Итак, классическая схема лазера: это активное вещество (рубин), резонатор (два зеркала) и система накачки. В других схемах накачка может происходить не только от оптического излучения, но и, например, при помощи электрического разряда (в газовых лазерах). Но в первую очередь лазеры отличаются по типу активной среды: твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на парах металлов. Выше мы упоминали лазер на свободных электронах, сейчас он активно разрабатывается и модернизируется. Также сейчас популярны диодные (полупроводниковые) лазеры и волоконные, где в качестве активной среды используется оптическое волокно.

Где применяется лазерное излучение

Лазерное излучение можно использовать в медицине, промышленности, связи, военном деле и науке. На картинке ниже — примеры медицинских инструментов. Так, сейчас очень популярны лазерные скальпели для коррекции зрения. Они помогают скорректировать геометрию хрусталика, чтобы избавить от близорукости или дальнозоркости, исправить астигматизм и так далее. Лазер идеален для операций на глазе не только из-за очень маленьких размеров пучка — важно и то, что время воздействия таким скальпелем можно сократить до фемтосекунд. Различные типы излучений используются для косметических операций. А в стоматологии ультрафиолетовое излучение применяют для затвердевания зубного клея, который очень хорошо его поглощает.

В промышленности с помощью лазеров производится точнейшая обработка стали: гравировка, вырезание отверстий с очень тонкой и чистой кромкой. Свойства лазерного излучения используют для закаливания некоторых металлов. Чаще всего в современной промышленности применяется волоконный лазер.

В строительной сфере лазеры применяют, чтобы определять расстояния или выстраивать геометрию. Сейчас лазерные уровни продаются во всех строительных магазинах, причем стоят недорого.

Военные и охотники уже давно используют лазерные прицелы. При этом лазер редко используют для прямого нанесения ущерба: пока такие аппараты слишком громоздки. Например, в американских вооруженных силах проводился эксперимент, в ходе которого лазерная установка устанавливалась на самолете. Для чего понадобился целый самолет? Несмотря на небольшой по размерам излучатель, система накачки потребляла огромное количество электроэнергии, а активная среда сильно нагревалась. Так что почти все пространство самолета занимали системы питания и охлаждения лазера.

В нашей стране также разрабатываются подобные системы. Пару лет назад у нас было анонсировано лазерное оружие «Пересвет». Пока о нем известно только то, что оно размещается на мобильной платформе, на грузовике. В остальном, увы, — гостайна.
Отдельно надо сказать про использование лазеров в научных исследованиях. Например, ученые в Сарове используют лазер в процессе термоядерного синтеза: для облучения мишени излучение высокой мощности фокусируется в пятне минимальных размеров.

Такие лазеры могут занимать большие пространства: для термоядерной реакции нужен серьезный источник излучения, размеры которого могут достигать сотен метров.

Лазерная установка УФЛ-2М в Сарове

Наряду с такими гигантами, сравнимыми по габаритам с футбольными стадионами, в последнее время набирают популярность миниатюрные лазеры на так называемых наноструктурах.
Лазеры активно используются в системах связи, в том числе спутниковых. Одно из самых полезных для связистов свойств — распространение излучения в оптическом волокне: оптоволоконные системы позволяют передавать до сотен гигабайт в секунду на огромные расстояния.

Как устроено оптоволокно

Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Посмотрите на картинку ниже: у нас есть струя воды, и если на вход подать излучение, то при изгибе струи оно не выходит наружу, а распространяется внутри.

Именно так и распространяется излучение по среде с более высоким показателем преломления относительно его оболочки. Этот принцип позволяет передавать данные на десятки, сотни и тысячи километров с минимальными потерями.

В качестве источника оптического излучения используются либо светодиоды, либо лазерные диоды. У лазерного диода более высокие характеристики, но и стоит он дороже.

В телекоммуникационной технике, как правило, применяют полупроводниковые лазеры с длиной волны 1,3 или 1,55 микрометра. Эти длины волн не попадает в полосу поглощения различных гидроксильных групп, которые есть в составе волокна. Таким образом, сигнал не поглощается и не затухает на протяжении многих километров.

В качестве детекторов можно использовать фотодиоды, PIN-диод и лавинный фотодиод. Они отличаются по чувствительности. Если нужно зарегистрировать очень слабый сигнал, берут лавинный фотодиод. Если сигнал на десятки–сотни ватт, то можно применить любые другие типы фотодиодов.

Лазерное излучение и биологические объекты

При падении лазерного пучка на биоткань может произойти поглощение этого излучения, а также пропускание, рассеяние или флуоресценция. Еще один из возможных вариантов — абляция, сгорание верхних слоев ткани. При этом внутренние слои не повреждаются.

При поглощении имеет место коагуляция различных частиц, то есть их слипание. Этот эффект применяется при использовании лазера в хирургии — в качестве лазерного скальпеля. В отличие от механического скальпеля, разрез сосуда или ткани происходит практически бескровно. К тому же лазерный луч может быть значительно тоньше, чем острие металлического скальпеля.

На графике ниже — элементы, которые могут находиться в сосудах, в крови, в тканях кожи. Как мы знаем, человек более чем на 70% состоит из воды. Вода также присутствует в каждой биологической ткани. Есть меланин, который окрашивает нашу ткань. Если мы загорели летом, то меланина в тканях кожи становится существенно больше. А имеющийся у всех нас гемоглобин может быть в двух состояниях — насыщенный кислородом (оксигемоглобин) и без кислорода (дезоксигемоглобин).

График показывает, насколько активно различные элементы поглощают излучение с разными длинами волн. Таким образом, при использовании лазера с определенной длиной волны мы можем добиться селективного поглощения.

Или, к примеру, возьмем два источника излучения с разными длинами волн: один попадает в максимум поглощения, другой — в минимум. При дифференциальном контрасте можно получить концентрацию определенных веществ. Мы видим, что максимумы спектров окси- и дезоксигемоглобина разнесены между собой. Таким образом мы можем определить концентрацию, например, оксигемоглобина.

Это очень важно при проведении хирургических операций. Сейчас в любом хирургическом отделении стоит прибор, который отслеживает насыщенность крови кислородом. Этот датчик позволяет в режиме реального времени определять, что происходит с тканью пациента в нужном месте.

Диагностика, визуализация, лечение рака.

В некоторых диагностических системах используют несколько лазеров с разными длинами волн. Они помогают проводить исследования по различным клеточным структурам: как они себя ведут, какую дают реакцию на препараты.

Выше упоминалось, что лазер может счищать верхние слои кожи. Это используется, в частности, для удаления татуировок. Косметологические салоны сводят «наколки» твердотельным лазером с длиной волны 1064 нанометра.

Еще одно распространенное применение лазеров — фотодинамическая терапия, которая часто применяется при лечении онкологических заболеваний. Вначале в ткань человека вводится фотосенсибилизатор — вещество, которое накапливается в агрессивных раковых клетках. После этого на опухоль — она, как правило, окружена здоровой тканью — воздействует лазер с длиной волны, попадающей в максимум поглощения данного фотосенсибилизатора. В результате излучение поглощается только раковыми клетками. Таким образом, мы выжигаем раковую опухоль, не задевая здоровую ткань.

Лазер применяется в медицине для визуализации. Например, в оптической томографии он служит источником света (см. схему). В качестве источника света также можно использовать суперлюминесцентный диод: он также излучает за счет вынужденного рассеивания, но не имеет такой степени когерентности.

Источник света направлен на светоделитель. Часть излучения отражается на зеркало, а другая направляется на объект, отражаясь от которого обе волны могут взаимодействовать между собой. Если две когерентные длины волны взаимодействуют между собой, происходит интерференция. И на детекторе мы регистрируем набор интерференционных полос, после обработки которых можно получить картинку среза ткани.

Оптический когерентный томограф, принцип действия которого показан на схеме, есть во всех крупных городах. Данная технология позволяет построить трехмерную картину объекта, в данном случае — глаза. И пространственное разрешение, где мы можем отделить один пиксель от другого, может составлять единицы микрон. Аналог данной технологии — ультразвуковое исследование. Только для УЗИ используется не оптическое излучение, а ультразвуковая волна. У ультразвука глубина проникновения выше, чего не скажешь о точности: пространственное разрешение измеряется в миллиметрах, а не в микронах.

Почему нужно комбинировать методы

В Самарском университете данный подход использовали для исследования тканей кожи и легкого с онкологическими образованиями. На фото слева — восстановленное 3D-изображение тканей легкого. А справа — фотография участка, с которого происходила регистрация сигнала.

На картинке слева заметно различие структур между собой. Черное — это воздух, оттуда сигнал не приходил. Пористая структура, похожая на губку, — это здоровая ткань легкого. При переходе вправо можно наблюдать, как возникают слои. Они более плотные и имеют определенную структуру, которая характерна для онкологических новообразований в тканях легкого. Это пример плоскоклеточного рака, удаленного в результате операции в Самарском онкологическом центре.

Такой же подход применялся для исследования тканей кожи. С его помощью легко определить базально-клеточную карциному, однако другие типы рака часто бывают похожи между собой, и диагностировать конкретный тип заболевания становится невозможно. Поэтому оптические методы исследования необходимо дополнять спектральными.

На следующей иллюстрации представлена диаграмма комбинационного (неупругого) рассеяния света, так называемое рамановское рассеяние. Здесь мы снова наблюдаем энергетические уровни, с которыми познакомились при рассмотрении вынужденного рассеяния.

На картинке показано, как лазерное излучение возбуждает колебания в молекуле. При этом 99,999% этого излучения не изменяет длины волны. Но некоторая часть излучения после взаимодействия с молекулой может измениться. Эта доля изменения энергии соответствует колебанию связей, на которые было направлено лазерное излучение.

В результате комбинационного рассеяния света мы получаем набор полос, положение которых привязано к конкретному колебанию нашего объекта. С помощью этих данных мы можем определить, какие колебания у нас есть. В свою очередь, по интенсивности колебаний определяется количественный состав этих компонент.

На фото — момент исследования в Самарском онкологическом центре. Так происходит визуализация образца ткани при помощи дерматоскопа, разработанного там же.

На следующем слайде — характерные графики спектров комбинационного рассеяния для кожи и новообразований. В определенных полосах спектра интенсивность может увеличиваться либо уменьшаться. Так, в полосе №2 интенсивность для злокачественной меланомы увеличивается на 100%. И за увеличение этой интенсивности отвечает изменение компонентного состава в этой области. В частности, если речь идет о биохимических изменениях в ткани, то меняется соотношение ДНК и РНК в клетке. Также может меняться соотношение белков и липидов в ткани.

Подобное исследование проводилось и для тканей легкого. Мы видим, что можно отличить злокачественные образования от доброкачественных. Также для анализа данных могут применяться различные математические подходы — например, регрессионные модели, которые позволяют быстро находить спектральные отличия в большом массиве данных.

Итак, исследование биологического объекта при помощи лазеров и спектральной техники позволяет получить огромный набор данных. Для их обработки приходится прибегать к математическим методам, которые, в свою очередь, надо реализовать на компьютере с использованием специального ПО.

Подведем итоги

Биофотоника дает широкие возможности для диагностики состояния тканей в режиме реального времени, позволяет осуществлять лазерную абляцию — очищение верхних слоев кожи. Лазерный скальпель широко применяется в хирургии. Также при облучении лазером в организме могут ускоряться какие-то процессы, например выработка кислорода в сосудах или каких-то тканях. Либо замедляться, если это необходимо.

Все оптические технологии используются для неинвазивных исследований — без непосредственного контакта инструмента с тканью. Для более точного исследования в различных диапазонах можно использовать сразу несколько лазеров. Но это далеко не все возможности. Мы не упомянули такое интересное направление, как оптогенетика — воздействие лазерного или оптического излучения на когнитивные функции. Исследователи воздействуют на нейроны в определенных областях мозга, пытаясь улучшать настроение, стимулировать выработку гормонов и так далее. Пока такие опыты проводятся на животных. На фото — мышь, в череп которой вживлено оптическое волокно для соответствующих исследований.

В связи с текущей пандемией стоит отметить, что упомянутая выше рамановская спектроскопия — технология, которая может использоваться для исследования вирусов. Здесь снова междисциплинарный подход: вирусы — частицы размером 20–200 нанометров, нужно их как-то уловить. Вирусы содержатся в крови, которая движется по некоему капилляру. Следовательно, в капилляр устанавливаются специальные наноловушки — наноструктуры, способные поймать и захватить частицы определенного размера. После захвата частиц проводим их облучение лазером и регистрацию рамановского рассеяния — вот теперь мы можем точно сказать, что это. Преимущество оптических технологий в данном случае в том, что вирусы обнаруживаются даже при минимальной их концентрации.

На наш взгляд, мы перечислили большинство наиболее интересных областей применения лазеров. Хотя наверняка могли что-то забыть. Так что, если кто-то подкинет интересных фактов в комментариях, с удовольствием поплюсуем.

• лазеры
• научно-популярное
• биофотоника

• Блог компании Leader-ID
• Научно-популярное
• Лазеры

Классификация опасности лазеров. Меры предосторожности при работе с лазерами

Лазеры и лазерные системы классифицируются в зависимости от их потенциальной возможности нанести ущерб здоровью. Наиболее важными параметрами, используемыми для классификации лазеров являются:

• выходная энергия;
• мощность;
• длина волны;
• продолжительность воздействия;
• площадь поперечного сечения лазерного луча в точке воздействия.

В дополнение к этим общим параметрам лазеры классифицируются в соответствии с доступным пределом излучения, который представляет собой максимально доступный уровень лазерного света, допустимый в рамках определенного класса лазеров. Опыт, накопленный за миллионы часов использования лазеров в лаборатории и промышленности, позволил разработать систему категорий и классификаций лазерной опасности. Производитель лазеров и лазерной продукции обязан подтвердить, что лазер относится к одному из четырех общих классов, или категорий риска, и маркировать его соответствующим образом. Это позволяет использовать стандартизированные меры безопасности для снижения или исключения несчастных случаев в зависимости от класса используемого лазера или лазерной системы. Стандартные классификации лазерной опасности ANSI используются для обозначения уровня опасности, присущего лазерной системе, и степени необходимых мер безопасности. Они варьируются от лазеров класса 1 (которые по своей природе безопасны для прямого просмотра луча в большинстве условий) до лазеров класса 4 (которые требуют самого строгого контроля). Классификации лазеров описаны ниже:

Рис. 1. Защитные лазерные очки

Лазеры класса 1

Лазер первого класса считается неспособным производить повреждающие уровни излучения и следовательно считается безопасным при нормальных условиях работы. Для этих лазеров не требуется большинство мер контроля. Многие лазеры этого класса встроены в корпус, который ограничивает доступ к лазерному излучению.

Лазеры класса 2

Лазеры второго класса — это маломощные лазеры, которые испускают видимое излучение и не превышают выходную мощность 1 мВт. Для лазеров этого класса нормальная реакция человека на яркий источник излучения 0,25 секунд. Потенциальная опасность для глаз существует, если нормальное рефлекторное движение преодолевается и время воздействия превышает 0,25 секунды. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы.

Лазеры класса 1М

Лазер класса 1М считается неспособным создать опасные условия облучения при нормальной работе, если только луч не рассматривается с помощью оптического инструмента, такого как лупа или телескоп.

Лазеры класса 2М

Лазеры класса 2М испускают видимое излучение (400-700 нм) с выходной мощностью менее 1 мВт Лазеры класса 2М, как и лазеры класса 2, не представляют опасность для глаз, но потенциально опасны если смотреть на них с помощью оптических приспособлений.

Лазеры класса 3R

Лазеры класса 3R потенциально опасны при некоторых условиях прямого и зеркального отражения, но вероятность получить травму небольшая. Лазеры класса 3R не представляют ни опасности пожара, ни опасности диффузного отражения. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Выходная мощность лазера класса 3R в 1-5 раз превышает предел мощности класса 1. Для длин волн короче 400 нм (УФ-лазеры ) или длиннее 700 нм (ИК-лазеры), выходная мощность 5 мВт для 400 нм. Мощность 5 мВт для длин волн от 400 до 700 нм (видимые лазеры). Не представляют опасность, если смотреть на лазер невооруженным взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). В большинстве случаев для данных лазеров необходимо специальное разрешение на эксплуатацию, сертификация и лицензирование.

Лазеры класса 3B

Лазеры класса 3B — это лазеры средней мощности, которая составляет от 5 мВт — 500 мВт. Смотреть на излучение в условиях прямого луча и зеркального отражения опасно. Диффузное отражение обычно не представляет опасности, за исключением более мощных лазеров класса 3B. Лазеры класса 3B чаще всего не представляют пожарной опасности.

Лазеры класса 4

Лазеры класса 4 — это мощные лазеры с выходной мощностью более 500 мВт. Воздействие прямого луча, зеркальные отражения или диффузные отражения представляют опасность для глаз и кожи человека. Лазер класса 4 может представлять опасность пожара (мощность излучения > 2 Вт/см2 представляет опасность воспламенения). Кроме того, эти лазеры могут создавать опасные загрязнения в воздухе и имеют потенциально смертельное высокое напряжение питания.

Всегда ограждайте весь путь лазерного луча, если это возможно, или ограждайте большую часть пути луча, чтобы уменьшить потенциальную опасность.

Правила безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории Российской федерации регламентируются ГОСТ IEC 60825-1-2013. Законодательство РФ предусматривает ответственность за нарушение правил безопасности.

Информация о выходе излучения и стандартах

Все лазерные устройства, за исключением устройств малой мощности класса 1, должны содержать следующие сведения на пояснительной этикетке :

• максимальная мощность;
• длина излучаемой волны;
• является ли лазерный луч видимым, невидимым или и тем, и другим;
• длительность импульса (при необходимости);
• название и дата публикации стандарта классификации.



Рис. 2. Знаки по охране труда и технике безопасности

Меры предосторожности при работе с лазерами

Только обученный, уполномоченный персонал может работать с лазерами, разрешение на это выдается уполномоченным по эксплуатации лазера и ответственным за лазерную безопасность;

• НИКОГДА не занимайте положение, при котором ваши глаза приближаются к оси лазерного луча (даже с защитой глаз);
• Держите траекторию луча ниже или выше уровня глаз стоящего или сидящего человека. Не направляйте их на других людей;
• Не повреждайте защитные кожухи лазеров и не выводите из строя блокировки;
• Устраните все отражающие материалы вблизи траекторий луча;
• Никогда не используйте смотровые приборы, чтобы смотреть прямо в лазерный луч или его зеркальное отражение. Если это необходимо, установите соответствующий фильтр в узел оптического элемента;
• Поддерживайте уровень окружающего освещения настолько высоким, насколько это позволяют условия работы;
• Не работайте в одиночку при выполнении операций с лазером высокой мощности;
• Посетителям не разрешается наблюдать за лазерными экспериментами без предварительного инструктажа по лазерной безопасности и выдачи средств защиты глаз от лазерного излучения.



Рис. 3. Предупреждение при работе с лазерным оборудованием

Использование лазерных средств защиты глаз и кожи

Защитные очки для лазера необходимо надевать всегда, когда вы находитесь в номинальной зоне опасности (НЗО). НЗО определяется как область, в пределах которой мощность лазерного луча превышает максимально допустимые уровни воздействия. Во время технического обслуживания или юстировки НЗО распространяется на всю лабораторию или на разделенную зону использования лазера. Когда траектория лазерного луча четко определена и ограничена определенной областью, размер зоны может быть уменьшен до области, где проводится эксперимент. Обратите внимание, что лазеры класса 4 могут создавать опасные диффузные отражения, поэтому зона опасности для лазерных экспериментов должна быть расширена, чтобы учесть опасность диффузных отражений.

• Очки должны иметь правильную оптическую плотность и обеспечивать защиту при длине волны (длин волн) используемого лазера (лазеров);
• Очки защитят ваши глаза только на короткое время, в зависимости от мощности лазера. Поэтому не смотрите прямо на лазерный луч, даже с надетыми защитными очками;
• Периодически проверяйте и заменяйте поврежденные или неисправные очки;
• Воздействие прямых или рассеянных отражений от ультрафиолетовых лазеров (особенно эксимеров) может привести к краткосрочным и долгосрочным опасностям для кожи. При работе вблизи этих лазеров закрывайте открытые участки кожи (используйте рубашки с длинными рукавами или лабораторные халаты, тканевые перчатки.)

Что такое лазер?



Лазер — это устройство, которое управляет преобразованием энергии накачки (световой, электрической, тепловой, химической) в энергию излучения. «Лазер» — это аббревиатура, означающая усиление света путем стимулированного излучения.

В лазере излучающая среда » накачивается «, чтобы привести атомы в возбужденное состояние. Очень интенсивные вспышки света или электрические разряды накачивают излучающую среду и создают большое количество атомов в возбужденном состоянии (атомы с электронами более высокой энергии). Атомы возбуждаются до уровня, который на два или три уровня выше основного состояния. Это увеличивает степень инверсии населенности. Инверсия населенности — это отношение числа атомов в возбужденном состоянии к числу атомов в основном состоянии.



Рис. 1. Накачка лазера

После накачки люминесцентной среды появляется набор атомов с электронами, находящимися на возбужденных уровнях. Возбужденные электроны обладают большей энергией, чем спокойные электроны. Так же как электрон поглощает некоторое количество энергии, чтобы достичь этого возбужденного уровня, он также высвобождает эту энергию. Электрон может просто расслабиться и избавиться от некоторого количества энергии. Эта излучаемая энергия приходит в виде фотонов (световая энергия). Испускаемый фотон имеет очень специфическую длину волны (цвет), которая зависит от состояния энергии электрона в момент испускания фотона. Два одинаковых атома с электронами в одинаковых состояниях будут испускать фотоны с одинаковой длиной волны.

Спонтанное излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Лазерный свет сильно отличается от обычного и обладает следующими свойствами:

Испускаемый свет является монохроматическим . Он содержит одну конкретную длину волны света (один конкретный цвет). Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе электрона на более низкую орбиту.

Испускаемый свет когерентен . Он «организован» — каждый фотон движется одновременно с другими. Это означает, что все фотоны имеют волновые фронты, которые запускаются вместе.

Лазерный свет имеет очень узкий и концентрированный луч. Для того чтобы эти три свойства проявились, требуется так называемое стимулированное излучение. Этого не происходит в обычном фонаре, в нем все атомы выпускают свои фотоны случайным образом. В стимулированном излучении испускание фотонов организовано.

Рис. 2. Фокусировка лазерного луча в одной точке

Фотон, который испускает любой атом, имеет определенную длину волны, которая зависит от разницы энергий между возбужденным и основным состояниями. Если этот фотон (обладающий определенной энергией и фазой) столкнется с другим атомом, у которого электрон находится в таком же возбужденном состоянии, может произойти стимулированное излучение. Первый фотон может стимулировать или вызвать эмиссию атома таким образом, что последующий испущенный фотон (от второго атома) будет колебаться с той же частотой и в том же направлении, что и входящий фотон.

Рис. 3. Изображение фазовых лазерных световых волн

Компоненты лазера

Каждое лазерное устройство состоит из трех основных компонентов. К ним относятся:

• Лазерный материал или активная среда;
• Внешний источник энергии;
• Оптический резонатор;

Активная среда возбуждается внешним источником энергии (источником накачки) для создания инверсии населенности. В среде усиления происходит спонтанное и стимулированное излучение фотонов, что приводит к появлению оптического усиления, или амплификации. Полупроводники, органические красители, газы (He, Ne, CO2 и т.д.), твердые материалы (YAG, рубин) обычно используются в качестве материалов усиления.

Рис. 4. Компоненты лазера

Источник накачки обеспечивает энергию, необходимую для инверсии населенности и стимулированного излучения в системе. Накачка может осуществляться двумя способами — методом электрического разряда и оптическим методом. Примерами источников накачки являются электрические разряды, лампы-вспышки, дуговые лампы, свет от другого лазера, химические реакции и т.д.

Оптический резонатор обеспечивает наведение имитируемого процесса излучения. Он индуцируется высокоскоростными фотонами и генерирует лазерный луч. Фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. В большинстве систем он состоит из двух зеркал. Одно зеркало является полностью отражающим, а другое — частично отражающим. Оба зеркала установлены на оптической оси, параллельно друг другу. Активная среда используется в оптической полости между обоими зеркалами. Такое расположение фильтрует только те фотоны, которые пришли вдоль оси, а остальные отражаются зеркалами обратно в среду, где они могут быть усилены стимулированным излучением.


Типы лазеров

Существует множество различных типов лазеров. Лазерная среда может быть твердой, газовой, жидкой или полупроводниковой. Лазеры обычно обозначаются по типу используемого излучающего материала.

Твердотельный лазер

В твердотельных лазерах излучающий материал распределен в твердой матрице (например, лазеры на рубине или неодим:иттрий-алюминиевом гранате «Yag»). Неодимовый Yag-лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1064 нанометра (нм). Нанометр — это 1х10-9 метра.



Рис. 5. Волна со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени

Газовые лазеры

Газовые лазеры (гелиевые и гелий-неоновые, He-Ne, — наиболее распространенные газовые лазеры) излучают в основном видимый красный свет. CO2-лазеры излучают энергию в дальнем инфракрасном диапазоне и используются для резки твердых материалов.


Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры (название происходит от терминов «возбужденный» и «димер») используют реактивные газы, такие как хлор и фтор, смешанные с инертными газами, такими как аргон, криптон или ксенон. При электрической стимуляции образуется псевдомолекула (димер). При освещении димер излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне.



Рис. 6. Эксимерный лазер

Лазеры на красителях

Лазеры на красителях используют сложные органические красители, такие как родамин 6G, в жидком растворе или суспензии в качестве излучающей среды. Они перестраиваются в широком диапазоне длин волн.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры не являются твердотельными лазерами. Данные устройства обычно небольшого размера и потребляют мало энергии. Они могут быть встроены в большие массивы, такие как источник записи в некоторых лазерных принтерах или проигрывателях компакт-дисков.

Волоконный лазер

Волоконный лазер — это тип твердотельного лазера в котором усиливающей средой является оптическое волокно. Это активный модуль (как активный электронный компонент в электронике), который необходимо питать и который использует свойства оптического усиления редкоземельных ионов. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.

Что такое длина волны лазера?

Длина волны лазера — это расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Волна – смена состояния среды или поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Конкретная длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой при переходе возбужденного электрона на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут быть подобраны в зависимости от материала среды усиления для получения желаемого цвета луча.

Рубиновый лазер является твердотельным лазером и излучает на длине волны 694 нм. Некоторые лазеры очень мощные, например, CO2 лазер , который может разрезать сталь. Причина, по которой CO2-лазер так опасен, заключается в том, что он излучает лазерное излучение в инфракрасной и микроволновой области спектра. Инфракрасное излучение — это тепло при котором лазер расплавляет практически все, на что он направлен.

Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение проходит от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от сферы использования применяются разные виды.

Диодные лазеры, очень слабые и используются в современных карманных лазерных указках. Эти лазеры генерируют красный луч света с длиной волны от 630 нм до 680 нм.

Различные типы лазеров и длины волн их излучения (в нанометрах):

• Фторид аргона (УФ): 193;
• Фторид криптона (УФ): 248;
• Хлорид ксенона (УФ): 308;
• Азот (УФ): 337;
• Аргон (синий): 488;
• Аргон (зеленый): 514;
• Гелий неоновый (зеленый): 543;
• Гелий неоновый (красный): 633;
• Краситель родамин 6G (перестраиваемый): 570-650;
• Рубин (CrAIO3) (красный): 694;
• Nd:Yag (NIR): 1064;
• Диоксид углерода (инфракрасный): 10600.

Классификации опасности лазеров

Лазеры классифицируются по четырем широким областям в зависимости от возможности нанесения биологического ущерба. Лазер должен быть промаркирован одним из этих четырех классов:

Класс I — эти лазеры не могут испускать лазерное излучение с известными уровнями опасности.

Класс I.A. — это специальное обозначение, которое применяется только к лазерам, «не предназначенным для просмотра», таким как лазерный сканер в супермаркете. Верхний предел мощности для класса I.A. составляет 4,0 мВт.



Рис. 7. Устройство лазера

Класс II — это маломощные видимые лазеры, которые излучают выше уровня класса I, но мощность излучения не превышает 1 мВт. Концепция заключается в том, что реакция отвращения человека к яркому свету защитит его.

Класс IIIA — это лазеры средней мощности (cw: 1-5 мВт), которые опасны только для внутрилучевого наблюдения. К этому классу относится большинство пероподобных лазеров для наведения.

Класс IIIB — Это лазеры умеренной мощности.

Класс IV — Это мощные лазеры (cw: 500 мВт, импульсные: 10 Дж/см2 или предел диффузного отражения), которые опасны для наблюдения при любых условиях (прямое или диффузное рассеяние), а также представляют потенциальную опасность пожара и опасность для кожи. Для лазерных установок класса IV требуются значительные меры контроля.

Для получения дополнительной информации о лазерах и связанных с ними темах перейдите по следующим ссылкам.

Применение лазеров

Лазеры бывают разных размеров, форм, цветов и уровней мощности и используются для разных целей — от хирургических вмешательств в больницах до сканеров штрих-кодов в продуктовом магазине и даже для воспроизведения музыки, фильмов и видеоигр дома.



Рис. 8. Лазерная спектроскопия

Существует множество областей применения лазерной технологии, включая следующее:

• Лазерная измерительная техника;
• Обработка информации дисков (устройства DVD и Blu-Ray);
• Лазерная спектроскопия;
• Сканеры штрихкодов;
• Лазерная маркировка ;
• Лазерная резка;
• Создание голограмм;
• Лазерная коррекция зрения;
• Лазерная очистка;
• Медицина и хирургия;
• Голографическое формирование изображений;
• Лазерная спектроскопия;
• Лазерная сварка .
Похожие публикации:
1. Где в фейсбуке дни рождения
2. Как отключить всплывающие окна в опере
3. Почему нельзя превысить скорость света
4. Что такое обратный ток