Что такое мощность лазера
Статьи
О мощности портативных лазеров и лазерных указок 11.05.2014 22:21
Во многих интернет магазинах мощность портативных лазеров и лазерных указок неоправданно завышается в целях коммерческой выгоды. Рядовому покупателю достаточно сложно разобраться в этом вопросе и определить, насколько мощность приобретённого портативного лазера или лазерной указки соответствует действительности. В связи с этим мы предлагаем прочитать данную статью, в которой расскажем о том, какие бывают мощности у портативных лазеров и лазерных указкок, а также о том, как измеряется мощность в нашем интернет магазине.
Мощность портативных лазеров и лазерных указок
На данный момент наиболее мощными представителями портативных лазеров являются синие лазеры с длиной волны 445-450нм. Некоторые самостоятельно собранные модели при использовании нескольких лазерных диодов и сведения луча достигают мощности в 6,3Вт. Однако мощность у существующих отдельных лазерных диодов не превышает 3,5Вт. Важно отметить, что данные мощности были получены при аномально больших токах, на которые данные диоды не расчитаны. Максимальная выходная мощность, при которой синий портативный лазер будет работать стабильно на данный момент не превышает 2000мВт (2000 милливатт = 2Вт, 2000mW).
Следующие по мощности идут красные (650-660нм) и фиолетовые (405нм) портативные лазеры. Их мощность не превышает 1000мВт.
Об измерении мощности в интернет-магазине LaserMag
В нашем интернет магазине имеется уникальная возможность проверять оптическую мощность портативных лазеров и лазерных указок благодаря специальному оптическому ваттметру.
Принцип его работы основан на термоэлементе, который поглощает лазерное излучение и формирует электрический сигнал. Электрический сигнал попадает в ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Далее, с помощью специальной программы, поставляемой с оптическим ваттметром на экран компьютера выводится динамическая характеристика мощности (зависимость мощности от времени). При желании клиента мы готовы предоставить график мощности любого приобретаемого лазера.
Лазер
Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм.
Лазер (лаборатория NASA).
Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
Содержание
Принцип действия
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки.
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
Устройство лазера
На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.
Активная среда
В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:
>
здесь N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N0 — число атомов, находящихся в основном состоянии, k — постоянная Больцмана, T — температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:
здесь I0 — начальная интенсивность, Il — интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a1 — показатель поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.
В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:
где a2 — коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе
Система накачки
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).
На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.
Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.
Оптический резонатор
В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:
,
то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:
,
здесь — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:
.
Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют конечную ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии (в лазерной технике применяется термин «полоса усиления») укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.
При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:
Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.
Что такое лазер в физике простыми словами
Обновлено: 02 Июня 2021
Еще 30-40 лет назад слово «лазер» ассоциировалось с фантастическими фильмами и голливудскими спецэффектами. Сейчас эта технология прочно вошла в повседневную жизнь людей. Рассказываем, как и где она применяется.
Что такое лазер
Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, которое предназначено для преобразования электрической, тепловой и других видов энергии в узконаправленное излучение, характеризующееся когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью.
Названа эта технология по первым буквам англоязычного выражения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) и переводится как «усиление света с помощью вынужденного излучения».
Изобретение лазера — это не одномоментное открытие, над ним работали многие ученые с начала XX века. Самые известные из них — Эйнштейн, Майман, Басов, Прохоров, Таунс.
Альберт Эйнштейн в 1917 году презентовал научную работу, в которой предсказал основной принцип работы оптического квантового генератора — вынужденное излучение. Гений был уверен в возможности заставить электроны излучать свет необходимой человеку длины волны.
Теодору Майману, калифорнийскому физику, в мае 1960 года удалось претворить эту идею в жизнь. Лазер, в работе которого использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо работал импульсно, длина волны составляла 694,3 нм.
В СССР также активно велись исследования на эту тему. В 1952 году два советских академика Александр Прохоров и Николай Басов выяснили, что возможно создание лазера, который будет работать на аммиаке. В 1954 году американец Чарлз Таунс создал такой генератор и показал принцип его работы.
Принцип работы лазера
Заключается в создании интенсивного светового луча, который имеет одинаковую длину волны в одно и то же время. Чтобы понять, как этот процесс происходит, рассмотрим конструкцию устройства.
Любой оптический квантовый генератор состоит из 3-х частей:
Как создается лазерный луч
Лазерный луч создается внутри корпуса генератора. Так называется трубка, закрытая с одной стороны обычным зеркалом, с другой — не полностью прозрачным зеркалом. Внутри корпуса находится твердый кристалл (чаще всего используют рубин). Под воздействием электрообмотки атомы кристалла создают световые волны. Эти волны двигаются внутри корпуса от одного зеркала к другому до тех пор, пока не наберут такую интенсивность, которой будет достаточно, чтобы пройти через не полностью прозрачное зеркало.
Свойства лазерного излучения
Основными свойствами являются:
Типы лазеров
Существует классификация оптических квантовых генераторов по агрегатному состоянию лазерного вещества и способу его возбуждения. Так, лазеры делятся на:
Твердотельные появились самыми первыми. В них активная среда состояла из кристаллов, а источником энергии служила импульсная лампа. В настоящее время твердотельные оптические квантовые генераторы бывают:
Газовыми называют генераторы, в которых активная среда формируется из газов или их смесей с очень низким давлением. Источником энергии выступает разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Газовый генератор характеризуется непрерывностью излучения. В таких лазерах используется длинный стержень активной среды, это связано с невысокой плотностью газов. Интенсивность излучения обеспечивает масса активного вещества.
Газовые лазеры подразделяются на:
Современные газовые лазеры бывают:
В жидкостных генераторах для создания активной среды применяют растворы органических соединений. Их плотность выше, чем плотность газа, и ниже, чем плотность твердых тел. Такие лазеры могут создавать излучение до 20 Вт, при этом объем активного вещества остается сравнительно небольшим. Лазеры данного типа работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве источника энергии используют импульсные лампы или другие лазеры.
Для полупроводниковых лазеров в качестве активной среды используют кристалл со свойствами полупроводника (чаще всего, арсенид галлия GaAs). От твердотельных они отличаются тем, что излучательные переходы здесь происходят не на уровне атомов, а между зонами кристалла. Источником энергии таких генераторов является постоянный электрический ток. Кристалл-полупроводник выполняет роль резонатора.
Области применения лазерных технологий
Открытие лазерного излучения имеет огромное значение для человечества. Благодаря уникальным свойствам, использовать лазеры можно в разных сферах жизни:
Технологические лазеры непрерывного действия активно используют в промышленности, чтобы разрезать или спаивать детали. Благодаря применению технологии стало возможным сваривание металла и керамики, в результате чего получился новый материал — металлокерамика. Также лазерный луч активно используют в изготовлении микросхем.
В медицине технология уже много лет применяется в офтальмологии, при проблемах пациентов с сетчаткой глаза и коррекции зрения. В хирургии доктора используют лазерные скальпели, которые наносят минимальные повреждения живым тканям. Освоила технологию косметология.
Лазерные шоу — неотъемлемая часть концерта, выступления звезды и других праздничных мероприятий. Эти технологии давно и активно используют в сфере развлечений.
Сами того не осознавая, мы каждый день пользуемся лазерами, которые вывели на новый уровень технику записи информации. Именно при помощи луча записываются и воспроизводятся файлы на компакт-дисках с музыкой, фото и фильмами.
Строение и назначение лазеров — сложная тема. Поэтому важно, чтобы в любой момент можно было обратиться за помощью к надежному источнику. Как раз такими качествами и обладает сервис Феникс.Хелп.
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.
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.