Nun, ich hoffe, Sie haben bereits die weltweit größte 130 Meter lange Laserinstallation gesehen, die in Sarov bei VNIIEF installiert wurde. Es soll unter anderem die thermonukleare (!) Fusion untersuchen.
Dieser Artikel ist eine Abschrift eines Vortrags von Dmitry Artemiev, Dozent am Institut für Laser- und biotechnische Systeme der Samara-Universität und Nachwuchsforscher. Forschungslabor "Photonik". Dmitry hielt diesen Vortrag an unserem Samara-Siedepunkt kurz vor der Einführung des allgemeinen Selbstisolationsregimes.
Was ist Licht?
Um das Bild zu vervollständigen, beginnen wir mit den Grundlagen. Aus dem Physikkurs ist bekannt, dass Licht eine elektromagnetische Welle oder ein Photonenstrom ist. Da eine der Eigenschaften elektromagnetischer Wellen die Wellenlänge ist, meinen wir mit Licht (Strahlung) eine elektromagnetische Welle mit einer Länge von 1 Nanometer bis zu mehreren Zentimetern. Daher deckt unsere Definition den Bereich von Röntgenstrahlung bis Infrarotstrahlung ab.
Die für unsere Augen sichtbare Reichweite ist mit etwa 300 Nanometern sehr gering.
Wenn wir über ausgefallene Bereiche wie Röntgenstrahlen sprechen, dann wurde beispielsweise im vergangenen Jahr die Schaffung eines freien Elektronenlasers, der im Röntgenbereich arbeitet, zu einem der Hauptthemen und wurde für den Nobelpreis für Physik nominiert. Interessanterweise war der Gewinner dieser Nominierung auch mit der Lasertechnologie verbunden: Der Preis wurde für die Erzeugung von ultrakurzen und ultra-leistungsstarken Impulsen vergeben. Ein Teil der Forschung wurde übrigens in Russland am Nischni Nowgorod Institut für Allgemeine Physik durchgeführt.
Wie sich ein Laser von einer herkömmlichen Glühbirne unterscheidet
Das Bild zeigt einen Vergleich der Hauptmerkmale. Es ist besonders zu beachten, dass die maximale Laserleistung um ein Vielfaches höher ist als die Leistung der in Lampen verwendeten Quellen. Aber nicht jeder Laser benötigt dies: Oft reicht ein Bruchteil eines Watt, Milliwatt oder Mikrowatt für die Anwendung aus, um nur eine bestimmte Strahlung zu erhalten.
Denken wir daran, dass die Breite des sichtbaren Strahlungsbereichs etwa 400 Nanometer beträgt. Eine Glühlampe hat ungefähr das gleiche Breitenspektrum. Wenn also Farben gemischt werden, sehen wir weißes Licht. Die Breite des Laserbereichs kann wiederum 0,1 Nanometer betragen. Diese einzigartige Eigenschaft des Lasers wird in einigen Spektralstudien und präzisen Präzisionsmessungen verwendet.
Wenn wir einen Laserpointer von einer Seite des Raums zur anderen richten, sehen wir nur einen kleinen Punkt an der gegenüberliegenden Wand, der eine enge Richtwirkung der Strahlung und eine geringe Divergenz des Laserstrahls zeigt. Und für Leuchtstofflampen oder Glühlampen ist die Strahlung praktisch isotrop, d.h. in alle Richtungen gerichtet.
Dem natürlichen Licht fehlt eine bestimmte Richtwirkung des elektrischen Feldvektors, was bedeutet, dass das Licht nicht polarisiert ist. Das heißt, für das Licht einer gewöhnlichen Glühbirne ist der Vektor E (Intensität) in verschiedene Richtungen gerichtet. Bei Laserstrahlung hat der Vektor E eine bestimmte Richtung, die Schwingungen treten in einer Ebene auf. Diese Polarisation macht auch die Laserstrahlung einzigartig.
Prozessphysik
Der Laser wurde Ende der 50er Jahre des letzten Jahrhunderts erfunden. 1964 erhielten die amerikanischen Charles Townes und die sowjetischen Wissenschaftler Alexander Mikhailovich Prokhorov und Nikolai Gennadievich Basov den Nobelpreis für die Entdeckung der Laserstrahlung. Darüber hinaus entdeckten Prokhorov und Basov keinen Laser, keine Lichtverstärkung, sondern eine Strahlungsverstärkung im Mikrowellenbereich, den sogenannten Maser.
Laser ist eine Abkürzung für fünf lateinische Buchstaben: Lichtverstärkung durch simulierte Strahlungsemission. Aus dem Englischen übersetzt bedeutet dies "Verstärkung des Lichts durch stimulierte Strahlung". Unten sind drei Diagramme. Erstens ist es für das Auftreten von Strahlung erforderlich, dass ein Elektron oder Teilchen in einen angeregten Zustand übergeht. Dazu muss das Teilchen Energie erhalten. Danach bewegt sie sich auf ein höheres Energieniveau.
Weitere zwei Szenarien sind möglich. Wenn sich das Teilchen zufällig zu niedrigeren Energieniveaus bewegt, erhalten wir eine spontane Emission. Wenn jedoch ein Teilchen, das sich auf dem oberen Energieniveau befindet, von einem bestimmten Photon beeinflusst wird, dh Licht einer bestimmten Wellenlänge darauf gerichtet wird, tritt bereits eine erzwungene Strahlung auf. Und das Photon, das als Ergebnis eines solchen äußeren Einflusses geboren wurde, ist identisch mit dem Photon, mit dem es interagierte. Auf diese Weise wird kohärente Strahlung erhalten, bei der die Wellen gleich sind.
Wie der Laser funktioniert
Hier ist ein Diagramm des ersten Lasers. Dies ist ein klassischer Rubinlaser, der 1960 vom amerikanischen Wissenschaftler Theodore Maiman entwickelt wurde. Das Gerät benötigt ein aktives Medium, in diesem Fall einen Rubinkristall, und zwei Spiegel. Ein Spiegel ist stumpf mit einem Reflexionskoeffizienten nahe der Einheit. Der zweite ist halbtransparent, abhängig von der Art des Lasers, dessen Reflexionskoeffizient sich in Bezug auf einen reflektierenden Spiegel um beide Bruchteile von einem Prozent oder zehn Prozent unterscheiden kann.
In der Regel wird andere optische Strahlung als optisches Pumpen für Festkörperlaser verwendet. Der erste Rubinkristalllaser verwendete weiße Lichtlampen, die blaue und grüne Spektren enthielten - diese absorbiert der Rubinkristall am besten.
Das klassische Schema eines Lasers: Es ist ein Wirkstoff (Rubin), ein Hohlraum (zwei Spiegel) und ein Pumpsystem. In anderen Schemata kann das Pumpen nicht nur durch optische Strahlung erfolgen, sondern auch beispielsweise unter Verwendung einer elektrischen Entladung (in Gaslasern). Vor allem aber unterscheiden sich Laser in der Art des aktiven Mediums: Festkörperlaser, Gaslaser, Metalldampflaser. Oben haben wir einen freien Elektronenlaser erwähnt, der jetzt aktiv entwickelt und modernisiert wird. Auch Diodenlaser (Halbleiterlaser) und Faserlaser, bei denen optische Fasern als aktives Medium verwendet werden, sind heute beliebt.
Wo wird Laserstrahlung eingesetzt?
Laserstrahlung kann in Medizin, Industrie, Kommunikation, Militär und Wissenschaft eingesetzt werden. Das Bild unten zeigt Beispiele für medizinische Instrumente. Daher sind Laserskalpelle zur Sehkorrektur sehr beliebt. Sie helfen dabei, die Geometrie der Linse zu korrigieren, um Myopie oder Hyperopie zu beseitigen, Astigmatismus zu korrigieren und so weiter. Der Laser ist nicht nur wegen der sehr geringen Strahlgröße ideal für Augenoperationen - es ist auch wichtig, dass die Belichtungszeit mit einem solchen Skalpell auf Femtosekunden reduziert werden kann. Für die kosmetische Chirurgie werden verschiedene Arten von Strahlung verwendet. In der Zahnmedizin wird ultraviolette Strahlung verwendet, um Zahnkleber zu härten, der ihn sehr gut absorbiert.
In der Industrie wird die präziseste Verarbeitung von Stahl mit Lasern durchgeführt: Gravieren, Schneiden von Löchern mit einer sehr dünnen und sauberen Kante. Die Eigenschaften der Laserstrahlung werden verwendet, um einige Metalle zu härten. Der in der modernen Industrie am häufigsten verwendete Faserlaser.
In der Bauindustrie werden Laser verwendet, um Abstände zu bestimmen oder Geometrie zu bauen. Jetzt werden Laserniveaus in allen Baumärkten verkauft und sind kostengünstig.
Das Militär und die Jäger verwenden seit langer Zeit Laservisiere. Gleichzeitig wird der Laser selten für direkte Schäden eingesetzt: Während solche Geräte zu sperrig sind. Zum Beispiel führte das amerikanische Militär ein Experiment durch, bei dem ein Lasersystem in einem Flugzeug installiert wurde. Wofür war das ganze Flugzeug? Trotz der geringen Größe des Emitters verbrauchte das Pumpsystem viel Strom und das aktive Medium war sehr heiß. So war fast der gesamte Raum des Flugzeugs von den Laser- und Kühlsystemen belegt.
Ähnliche Systeme werden auch in unserem Land entwickelt. Vor ein paar Jahren haben wir die Peresvet-Laserwaffe angekündigt. Bisher ist nur bekannt, dass es auf einer mobilen Plattform, auf einem LKW, platziert ist. Der Rest ist leider ein Staatsgeheimnis.
Unabhängig davon sollte über den Einsatz von Lasern in der wissenschaftlichen Forschung gesprochen werden. Zum Beispiel verwenden Wissenschaftler in Sarov einen Laser bei der thermonuklearen Fusion: Um ein Ziel zu bestrahlen, wird Hochleistungsstrahlung auf einen Punkt minimaler Größe fokussiert.
Solche Laser können große Räume einnehmen: Eine thermonukleare Reaktion erfordert eine ernsthafte Strahlungsquelle, deren Größe Hunderte von Metern erreichen kann.
Laseranlage UFL-2M in Sarov
Neben solchen Giganten, deren Größe mit Fußballstadien vergleichbar ist, haben Miniaturlaser auf Basis sogenannter Nanostrukturen in jüngster Zeit an Popularität gewonnen.
Laser werden aktiv in Kommunikationssystemen eingesetzt, einschließlich Satelliten. Eine der nützlichsten Eigenschaften für Kommunikationsmitarbeiter ist die Ausbreitung von Strahlung in einer optischen Faser: Glasfasersysteme ermöglichen die Übertragung von bis zu Hunderten von Gigabyte pro Sekunde über große Entfernungen.
Wie Faser funktioniert
Das Funktionsprinzip der optischen Faser basiert auf dem Effekt der Totalreflexion. Schauen Sie sich das Bild unten an: Wir haben einen Wasserstrahl, und wenn Strahlung auf den Eingang angewendet wird, geht der Strom beim Biegen nicht aus, sondern breitet sich nach innen aus.
Auf diese Weise breitet sich Strahlung durch ein Medium mit einem höheren Brechungsindex relativ zu seiner Hülle aus. Mit diesem Prinzip können Sie Daten über Zehntausende, Hunderte und Tausende von Kilometern mit minimalen Verlusten übertragen.
Als optische Strahlungsquelle werden entweder LEDs oder Laserdioden verwendet. Die Laserdiode hat eine bessere Leistung, kostet aber auch mehr.
In der Telekommunikationstechnologie werden üblicherweise Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 1,3 oder 1,55 Mikrometern verwendet. Diese Wellenlängen fallen nicht in die Absorptionsbande verschiedener Hydroxylgruppen, die in der Faser vorhanden sind. Somit wird das Signal über viele Kilometer nicht absorbiert oder gedämpft.
Als Detektoren können Fotodioden, PIN-Dioden und Lawinenphotodioden verwendet werden. Sie unterscheiden sich in der Empfindlichkeit. Wenn Sie ein sehr schwaches Signal registrieren möchten, nehmen Sie eine Lawinenphotodiode. Wenn das Signal zehn bis hundert Watt beträgt, können alle anderen Arten von Fotodioden verwendet werden.
Laserstrahlung und biologische Objekte
Wenn ein Laserstrahl auf ein biologisches Gewebe trifft, kann es zu einer Absorption dieser Strahlung sowie zu Transmission, Streuung oder Fluoreszenz kommen. Eine andere mögliche Option ist die Ablation, das Verbrennen der oberen Gewebeschichten. In diesem Fall werden die inneren Schichten nicht beschädigt.
Während der Absorption findet eine Koagulation verschiedener Partikel statt, dh deren Adhäsion. Dieser Effekt wird bei der Verwendung eines Lasers in der Chirurgie angewendet - als Laserskalpell. Im Gegensatz zu einem mechanischen Skalpell wird ein Gefäß oder Gewebe fast unblutig geschnitten. Außerdem kann der Laserstrahl deutlich dünner sein als die Spitze eines Metallskalpells.
Die folgende Grafik zeigt Elemente, die in Blutgefäßen, im Blut und im Hautgewebe gefunden werden können. Wie wir wissen, besteht mehr als 70% einer Person aus Wasser. Wasser ist auch in jedem biologischen Gewebe vorhanden. Es gibt Melanin, das unser Gewebe befleckt. Wenn wir im Sommer gebräunt werden, wird das Melanin im Hautgewebe deutlich höher. Und das Hämoglobin, das wir alle haben, kann in zwei Zuständen vorliegen - gesättigt mit Sauerstoff (Oxyhämoglobin) und ohne Sauerstoff (Desoxyhämoglobin).
Die Grafik zeigt, wie aktiv verschiedene Elemente Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen absorbieren. Durch die Verwendung eines Lasers mit einer bestimmten Wellenlänge können wir somit eine selektive Absorption erreichen.
Oder nehmen wir zum Beispiel zwei Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen: eine trifft das Absorptionsmaximum, die andere - das Minimum. Bei unterschiedlichem Kontrast kann die Konzentration bestimmter Substanzen erhalten werden. Wir sehen, dass die Maxima der Spektren von Oxy- und Desoxyhämoglobin voneinander beabstandet sind. So können wir beispielsweise die Konzentration von Oxyhämoglobin bestimmen.
Dies ist sehr wichtig bei chirurgischen Eingriffen. Jetzt gibt es in jeder chirurgischen Abteilung ein Gerät, das die Sauerstoffsättigung im Blut überwacht. Mit diesem Sensor können Sie in Echtzeit bestimmen, was mit dem Gewebe des Patienten an der richtigen Stelle geschieht.
Diagnose, Bildgebung, Krebsbehandlung ...
Einige Diagnosesysteme verwenden mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen. Sie helfen bei der Erforschung verschiedener zellulärer Strukturen: wie sie sich verhalten, wie sie auf Drogen reagieren.
Es wurde oben erwähnt, dass der Laser die obersten Hautschichten abziehen kann. Es wird insbesondere zur Entfernung von Tätowierungen verwendet. Schönheitssalons verwenden einen Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern, um Tätowierungen herzustellen.
Eine weitere häufige Anwendung von Lasern ist die photodynamische Therapie, die häufig bei der Behandlung von Krebs eingesetzt wird. Zunächst wird ein Photosensibilisator in menschliches Gewebe eingeführt - eine Substanz, die sich in aggressiven Krebszellen ansammelt. Danach wird der Tumor - normalerweise von gesundem Gewebe umgeben - einem Laser mit einer Wellenlänge ausgesetzt, die innerhalb des Absorptionsmaximums dieses Photosensibilisators liegt. Infolgedessen wird die Strahlung nur von Krebszellen absorbiert. So verbrennen wir den Krebs, ohne das gesunde Gewebe zu beeinträchtigen.
Der Laser wird in der Medizin zur Bildgebung eingesetzt. In der optischen Tomographie dient sie beispielsweise als Lichtquelle (siehe Abbildung). Eine Superlumineszenzdiode kann auch als Lichtquelle verwendet werden: Sie emittiert ebenfalls aufgrund stimulierter Streuung, weist jedoch nicht diesen Kohärenzgrad auf.
Die Lichtquelle ist auf den Strahlteiler gerichtet. Ein Teil der Strahlung wird am Spiegel reflektiert, und der andere Teil wird auf das reflektierte Objekt gerichtet, von dem aus beide Wellen miteinander interagieren können. Wenn zwei kohärente Wellenlängen miteinander interagieren, tritt eine Interferenz auf. Und auf dem Detektor registrieren wir eine Reihe von Interferenzstreifen, nach der Verarbeitung können wir ein Bild eines Gewebeschnitts erhalten.
In allen größeren Städten ist ein optischer Kohärenztomograph erhältlich, dessen Prinzip im Diagramm dargestellt ist. Mit dieser Technologie können Sie ein dreidimensionales Bild eines Objekts erstellen, in diesem Fall der Augen. Und die räumliche Auflösung, bei der wir ein Pixel von einem anderen trennen können, kann einige Mikrometer betragen. Ein Analogon dieser Technologie ist Ultraschall. Nur für Ultraschall wird keine optische Strahlung verwendet, sondern eine Ultraschallwelle. Ultraschall hat eine höhere Eindringtiefe, was nicht über die Genauigkeit gesagt werden kann: Die räumliche Auflösung wird in Millimetern und nicht in Mikrometern gemessen.
Warum müssen Sie Methoden kombinieren
An der Samara University wurde dieser Ansatz verwendet, um Haut- und Lungengewebe mit onkologischen Formationen zu untersuchen. Das Foto links ist ein rekonstruiertes 3D-Bild von Lungengewebe. Auf der rechten Seite befindet sich ein Foto des Bereichs, aus dem das Signal aufgenommen wurde.
Das Bild links zeigt den Unterschied zwischen den Strukturen. Schwarz ist Luft, von dort kam kein Signal. Die schwammartige poröse Struktur ist gesundes Lungengewebe. Wenn Sie nach rechts gehen, können Sie sehen, wie Ebenen gebildet werden. Sie sind dichter und haben eine bestimmte Struktur, die für onkologische Neoplasien im Lungengewebe charakteristisch ist. Dies ist ein Beispiel für ein Plattenepithelkarzinom, das infolge einer Operation im Samara Cancer Center entfernt wurde.
Der gleiche Ansatz wurde verwendet, um Hautgewebe zu untersuchen. Es macht es einfach, Basalzellkarzinome zu identifizieren, aber andere Krebsarten sind sich oft ähnlich, und es wird unmöglich, eine bestimmte Art von Krankheit zu diagnostizieren. Daher müssen optische Forschungsmethoden durch spektrale ergänzt werden.
Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm der Raman (unelastischen) Lichtstreuung, der sogenannten Raman-Streuung. Hier beobachten wir erneut die Energieniveaus, die wir bei der Betrachtung der stimulierten Streuung kennengelernt haben.
Das Bild zeigt, wie Laserstrahlung Schwingungen in einem Molekül anregt. Darüber hinaus verändern 99,999% dieser Strahlung die Wellenlänge nicht. Ein Teil der Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Molekül kann sich jedoch ändern. Dieser Anteil der Energieänderung entspricht der Schwingung der Bindungen, auf die die Laserstrahlung gerichtet war.
Als Ergebnis der Raman-Lichtstreuung erhalten wir eine Reihe von Bändern, deren Position an eine bestimmte Schwingung unseres Objekts gebunden ist. Mit diesen Daten können wir feststellen, welche Schwankungen wir haben. Die quantitative Zusammensetzung dieser Komponenten wird wiederum durch die Schwingungsintensität bestimmt.
Das Foto zeigt den Moment der Forschung im Samara Cancer Center. So wird eine Gewebeprobe mit einem dort entwickelten Dermatoskop sichtbar gemacht.
Die nächste Folie zeigt charakteristische Diagramme von Raman-Spektren für Haut und Neoplasien. In bestimmten Bändern des Spektrums kann die Intensität zunehmen oder abnehmen. In Spur 2 steigt die Intensität für malignes Melanom um 100%. Und die Änderung der Komponentenzusammensetzung in diesem Bereich ist für die Zunahme dieser Intensität verantwortlich. Insbesondere wenn es sich um biochemische Veränderungen im Gewebe handelt, ändert sich das Verhältnis von DNA und RNA in der Zelle. Das Verhältnis von Proteinen zu Lipiden im Gewebe kann sich ebenfalls ändern.
Eine ähnliche Studie wurde für Lungengewebe durchgeführt. Wir sehen, dass es möglich ist, bösartige Formationen von gutartigen zu unterscheiden. Für die Datenanalyse können auch verschiedene mathematische Ansätze verwendet werden - beispielsweise Regressionsmodelle, mit denen Sie schnell spektrale Unterschiede in einem großen Datensatz finden können.
Die Untersuchung eines biologischen Objekts mithilfe von Lasern und Spektraltechnologie ermöglicht es Ihnen, einen riesigen Datensatz zu erhalten. Um sie zu verarbeiten, muss man auf mathematische Methoden zurückgreifen, die wiederum mit einer speziellen Software auf einem Computer implementiert werden müssen.
Fassen wir zusammen
Die Biophotonik bietet zahlreiche Möglichkeiten zur Diagnose des Gewebezustands in Echtzeit und ermöglicht eine Laserablation - die Reinigung der oberen Hautschichten. Das Laserskalpell ist in der Chirurgie weit verbreitet. Wenn ein Laser im Körper bestrahlt wird, können einige Prozesse beschleunigt werden, beispielsweise die Produktion von Sauerstoff in Blutgefäßen oder einigen Geweben. Oder verlangsamen Sie bei Bedarf.
Alle optischen Technologien werden für die nicht-invasive Forschung eingesetzt - ohne direkten Kontakt des Instruments mit dem Gewebe. Für eine genauere Forschung in verschiedenen Bereichen können Sie mehrere Laser gleichzeitig verwenden. Dies sind jedoch nicht alle Möglichkeiten. Wir haben eine so interessante Richtung wie die Optogenetik nicht erwähnt - die Wirkung von Laser oder optischer Strahlung auf kognitive Funktionen. Die Forscher zielen auf Neuronen in bestimmten Bereichen des Gehirns ab, um die Stimmung zu verbessern, die Hormonproduktion zu stimulieren und so weiter. Während solche Experimente an Tieren durchgeführt werden. Das Foto zeigt eine Maus mit einer in den Schädel implantierten optischen Faser für entsprechende Untersuchungen.
Im Zusammenhang mit der aktuellen Pandemie ist anzumerken, dass die oben erwähnte Raman-Spektroskopie eine Technologie ist, mit der Viren erforscht werden können. Auch hier ein interdisziplinärer Ansatz: Viren sind Partikel mit einer Größe von 20 bis 200 Nanometern. Sie müssen sie irgendwie abfangen. Viren sind im Blut enthalten, das sich durch eine bestimmte Kapillare bewegt. Daher sind spezielle Nanofallen in den Kapillar-Nanostrukturen installiert, mit denen Partikel einer bestimmten Größe eingefangen und eingefangen werden können. Nachdem die Partikel eingefangen wurden, führen wir ihre Bestrahlung mit einem Laser durch und registrieren die Raman-Streuung - jetzt können wir sicher sagen, was es ist. Der Vorteil optischer Technologien besteht in diesem Fall darin, dass Viren bereits bei ihrer minimalen Konzentration erkannt werden.
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Unserer Meinung nach haben wir die meisten der interessantesten Bereiche der Laseranwendung aufgelistet. Obwohl sie wahrscheinlich etwas vergessen haben könnten. Wenn also jemand interessante Fakten in die Kommentare einbringt, werden wir gerne auftauchen.