1. Il passaggio della luce monocromatica attraverso un mezzo trasparente.

2. Creazione di una popolazione inversa. Metodi di pompaggio.

3. Il principio di funzionamento del laser. Tipi di laser.

4. Caratteristiche della radiazione laser.

5. Caratteristiche della radiazione laser utilizzata in medicina.

6. Cambiamenti nelle proprietà del tessuto e nella sua temperatura sotto l'azione della radiazione laser continua ad alta potenza.

7. Uso della radiazione laser in medicina.

8. Concetti base e formule.

9. Compiti.

Sappiamo che la luce viene emessa in porzioni separate: i fotoni, ognuno dei quali nasce come risultato della transizione radiativa di un atomo, molecola o ione. La luce naturale è una raccolta di un numero enorme di tali fotoni, diversi per frequenza e fase, emessi in momenti casuali in direzioni casuali. Ottenere potenti fasci di luce monocromatica utilizzando fonti naturali è un compito praticamente irrisolvibile. Allo stesso tempo, la necessità di tali raggi è stata sentita sia dai fisici che dagli specialisti in molte scienze applicate. La creazione di un laser ha permesso di risolvere questo problema.

Laser- un dispositivo che genera onde elettromagnetiche coerenti per effetto dell'emissione stimolata di microparticelle del mezzo in cui si crea un elevato grado di eccitazione di uno dei livelli energetici.

Laser (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - amplificazione della luce mediante emissione stimolata.

L'intensità della radiazione laser (LI) è molte volte maggiore dell'intensità delle sorgenti luminose naturali e la divergenza del raggio laser è inferiore a un minuto d'arco (10 -4 rad).

31.1. Il passaggio della luce monocromatica attraverso un mezzo trasparente

Nella Lezione 27 abbiamo scoperto che il passaggio della luce attraverso la materia è accompagnato da entrambi eccitazione fotonica le sue particelle, e agisce emissione stimolata. Consideriamo la dinamica di questi processi. Lascia che si diffonda nell'ambiente monocromatico luce, la cui frequenza (ν) corrisponde alla transizione delle particelle di questo mezzo dal livello del suolo (E 1) al livello eccitato (E 2):

I fotoni che colpiscono le particelle nello stato fondamentale lo faranno essere assorbito e le particelle stesse passeranno nello stato eccitato E 2 (vedi Fig. 27.4). I fotoni che colpiscono le particelle eccitate danno inizio all'emissione stimolata (vedi Fig. 27.5). In questo caso si verifica il raddoppio dei fotoni.

In uno stato di equilibrio termico, il rapporto tra il numero di particelle eccitate (N 2) e non eccitate (N 1) obbedisce alla distribuzione di Boltzmann:

dove k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura assoluta.

In questo caso, N 1 >N 2 e l'assorbimento predominano sul raddoppio. Di conseguenza, l'intensità della luce uscente I sarà inferiore all'intensità della luce incidente I 0 (Fig. 31.1).

Riso. 31.1. Attenuazione della luce che passa attraverso un mezzo in cui il grado di eccitazione è inferiore al 50% (N 1 > N 2)

Man mano che la luce viene assorbita, il grado di eccitazione aumenterà. Quando raggiunge il 50% (N 1 = N 2), tra rilevare E raddoppio l'equilibrio sarà stabilito, poiché le probabilità che i fotoni colpiscano le particelle eccitate e non eccitate diventeranno le stesse. Se l'illuminazione del mezzo si interrompe, dopo qualche tempo il mezzo tornerà allo stato iniziale corrispondente alla distribuzione di Boltzmann (N 1 > N 2). Facciamo una conclusione preliminare:

Quando il mezzo è illuminato con luce monocromatica (31.1) impossibile da raggiungere un tale stato del mezzo in cui il grado di eccitazione supera il 50%. Eppure, consideriamo la questione del passaggio della luce attraverso un mezzo in cui lo stato N 2 > N 1 è stato raggiunto in qualche modo. Questo stato è chiamato lo stato di inversione di popolazione(dal lat. inversione- Flip).

inversione di popolazione- un tale stato dell'ambiente in cui il numero di particelle su uno di livelli superiori più di quello inferiore.

In un mezzo con una popolazione inversa, la probabilità che un fotone colpisca una particella eccitata è maggiore di quella di una particella non eccitata. Pertanto, il processo di raddoppiamento domina il processo di assorbimento e ha luogo guadagno luce (figura 31.2).

Quando la luce passa attraverso un mezzo con una popolazione inversa, il grado di eccitazione diminuirà. Quando raggiunge il 50%

Riso. 31.2. Amplificazione della luce che passa attraverso un mezzo con inversione di popolazione (N 2 > N 1)

(N 1 \u003d N 2), tra rilevare E raddoppio l'equilibrio sarà stabilito e l'effetto di amplificazione della luce scomparirà. Se l'illuminazione del mezzo si interrompe, dopo qualche tempo il mezzo tornerà allo stato corrispondente alla distribuzione di Boltzmann (N 1 > N 2).

Se tutta questa energia viene rilasciata nelle transizioni radiative, allora riceveremo un impulso luminoso di enorme potenza. È vero, non avrà ancora la necessaria coerenza e direttività, ma sarà altamente monocromatica (hv = E 2 - E 1). Questo non è ancora un laser, ma già qualcosa di simile.

31.2. Creazione di una popolazione inversa. Metodi di pompaggio

Quindi è possibile ottenere una popolazione inversa? Si scopre che puoi, se usi tre livelli di energia con la seguente configurazione (Fig. 31.3).

Lascia che l'ambiente sia illuminato da un potente lampo di luce. Parte dello spettro di radiazione sarà assorbito nella transizione dal livello principale E 1 al livello ampio E 3 . Richiama questo Largoè il livello di energia con un breve tempo di rilassamento. Pertanto, la maggior parte delle particelle che sono cadute nel livello di eccitazione E 3 passano non radiativamente allo stretto livello metastabile E 2, dove si accumulano. A causa della ristrettezza di questo livello, solo una piccola frazione dei fotoni flare

Riso. 31.3. Creazione di popolazione inversa a livello metastabile

in grado di provocare una transizione forzata E 2 → E 1. Ciò fornisce le condizioni per la creazione di una popolazione inversa.

Viene chiamato il processo di creazione di un'inversione di popolazione pompato. Uso dei laser moderni diversi tipi pompaggio.

Il pompaggio ottico di mezzi attivi trasparenti utilizza impulsi luminosi da una fonte esterna.

Il pompaggio a scarica elettrica di mezzi attivi gassosi utilizza una scarica elettrica.

Il pompaggio a iniezione di mezzi attivi a semiconduttore utilizza corrente elettrica.

Il pompaggio chimico del mezzo attivo da una miscela di gas consuma energia reazione chimica tra i componenti della miscela.

31.3. Il principio di funzionamento del laser. Tipi di laser

Lo schema funzionale del laser è mostrato in fig. 31.4. Il corpo di lavoro (mezzo attivo) è un cilindro lungo e stretto, le cui estremità sono coperte da due specchi. Uno degli specchi (1) è traslucido. Tale sistema è chiamato risonatore ottico.

Il sistema di pompaggio trasferisce le particelle dal livello del suolo Е 1 al livello di assorbimento Е 3 , da dove passano non radiativamente al livello metastabile Е 2 , creando la sua popolazione inversa. Successivamente, le transizioni radiative spontanee E 2 → E 1 iniziano con l'emissione di fotoni monocromatici:

Riso. 31.4. Dispositivo schematico del laser

I fotoni di emissione spontanea emessi ad angolo rispetto all'asse del risonatore escono attraverso la superficie laterale e non partecipano al processo di generazione. Il loro flusso si sta rapidamente prosciugando.

I fotoni, che, dopo l'emissione spontanea, si muovono lungo l'asse del risonatore, passano ripetutamente attraverso il corpo di lavoro, venendo riflessi dagli specchi. Allo stesso tempo, interagiscono con le particelle eccitate, avviando l'emissione stimolata. A causa di ciò, ha luogo una crescita "simile a una valanga" di fotoni indotti, che si muovono nella stessa direzione. Il flusso di fotoni moltiplicato e amplificato esce attraverso uno specchio semitrasparente, creando un potente raggio di raggi coerenti quasi paralleli. In effetti, viene generata la radiazione laser Primo un fotone spontaneo che si muove lungo l'asse del risonatore. Ciò garantisce la coerenza della radiazione.

Pertanto, il laser converte l'energia della sorgente della pompa nell'energia della luce coerente monocromatica. L'efficienza di una tale trasformazione, ad es. L'efficienza dipende dal tipo di laser e varia da frazioni di percentuale a diverse decine di percento. La maggior parte dei laser ha un'efficienza dello 0,1-1%.

Tipi di laser

Il primo laser creato (1960) utilizzava un rubino e un sistema di pompaggio ottico come mezzo di lavoro. Il rubino è un ossido di alluminio cristallino A1 2 O 3 contenente circa lo 0,05% di atomi di cromo (è il cromo che conferisce al rubino il suo colore rosa). Gli atomi di cromo incorporati nel reticolo cristallino sono il mezzo attivo

con la configurazione dei livelli energetici mostrata in Fig. 31.3. La lunghezza d'onda della radiazione di un laser a rubino è λ = 694,3nm. Poi sono arrivati ​​i laser che utilizzano altri media attivi.

A seconda del tipo di fluido di lavoro, i laser sono suddivisi in gas, stato solido, liquido, semiconduttore. Nei laser a stato solido, l'elemento attivo è solitamente realizzato sotto forma di un cilindro, la cui lunghezza è molto maggiore del suo diametro. I mezzi attivi gassosi e liquidi vengono posti in una cuvetta cilindrica.

A seconda del metodo di pompaggio, è possibile ottenere la generazione continua e pulsata di radiazione laser. Con un sistema di pompaggio continuo si mantiene l'inversione di popolazione a lungo da una fonte di energia esterna. Ad esempio, eccitazione continua mediante scarica elettrica in un mezzo gassoso. Con un sistema di pompaggio pulsato, l'inversione della popolazione viene creata in modalità pulsata. Tasso di ripetizione dell'impulso da 10 -3

Hz a 10 3 Hz.

31.4. Caratteristiche della radiazione laser

La radiazione laser nelle sue proprietà è significativamente diversa dalla radiazione delle sorgenti luminose convenzionali. Notiamo le sue caratteristiche.

1. Coerenza. La radiazione è altamente coerente dovuto alle proprietà dell'emissione stimolata. In questo caso si verifica non solo la coerenza temporale, ma anche spaziale: la differenza di fase in due punti del piano perpendicolare alla direzione di propagazione rimane costante (Fig. 31.5, a).

2. Collimazione. La radiazione laser è collimato quelli. tutti i raggi nel raggio sono quasi paralleli tra loro (figura 31.5, b). A grande distanza, il raggio laser aumenta solo leggermente di diametro. Poiché l'angolo di divergenza φ è piccola, l'intensità del raggio laser diminuisce leggermente con la distanza. Ciò rende possibile trasmettere segnali su grandi distanze con poca attenuazione della loro intensità.

3. Monocromatico. La radiazione laser è dentro altamente monocromatico, quelli. contiene onde quasi della stessa frequenza (la larghezza della linea spettrale è Δλ ≈0,01 nm). SU

La Figura 31.5c mostra un confronto schematico della larghezza di riga di un raggio laser e di un normale raggio di luce.

Riso. 31.5. Coerenza (a), collimazione (b), monocromaticità (c) della radiazione laser

Prima dell'avvento dei laser, la radiazione con un certo grado di monocromaticità poteva essere ottenuta utilizzando dispositivi - monocromatori, che individuano stretti intervalli spettrali dallo spettro continuo (bande strette lunghezze d'onda), ma la potenza della luce in tali bande è bassa.

4. Ad alta potenza. Con l'aiuto di un laser, è possibile fornire una potenza molto elevata di radiazione monocromatica - fino a 10 5 W in modalità continua. La potenza dei laser pulsati è di diversi ordini di grandezza superiore. Pertanto, un laser al neodimio genera un impulso con un'energia di E = 75 J, la cui durata è t = 3x10 -12 s. La potenza nell'impulso è P = E / t = 2,5x10 13 W (per confronto: la potenza della centrale idroelettrica è P ~ 10 9 W).

5. Alta intensità. Nei laser pulsati, l'intensità della radiazione laser è molto elevata e può raggiungere I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (cfr. intensità della luce solare vicino alla superficie terrestre I = 0,1 W/cm 2).

6. Alta luminosità. Per i laser che operano nella gamma visibile, luminosità la radiazione laser (intensità della luce per unità di superficie) è molto elevata. Anche i laser più deboli hanno una luminosità di 10 15 cd/m 2 (per confronto: la luminosità del Sole è L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Pressione. Quando un raggio laser cade sulla superficie di un corpo, a pressione(D). Con il completo assorbimento della radiazione laser incidente perpendicolarmente alla superficie, si crea la pressione D = I / c, dove I è l'intensità della radiazione, c è la velocità della luce nel vuoto. Con la riflessione totale, la pressione è doppia. Per intensità I \u003d 10 14 W / cm 2 \u003d 10 18 W / m 2; D \u003d 3,3x10 9 Pa \u003d 33.000 atm.

8. Polarizzazione. La luce laser è completamente polarizzato.

31.5. Caratteristiche della radiazione laser utilizzata in medicina

Lunghezza d'onda della radiazione

Le lunghezze d'onda della radiazione (λ) dei laser medicali sono comprese tra 0,2 e 10 µm, cioè dall'ultravioletto al lontano infrarosso.

Potere di radiazione

La potenza di radiazione (P) dei laser medicali varia in un ampio intervallo, determinato dallo scopo dell'applicazione. Per laser con pompaggio continuo, P = 0,01-100 W. I laser pulsati sono caratterizzati dalla potenza dell'impulso P e dalla durata dell'impulso τ e

Per i laser chirurgici P u = 10 3 -10 8 W e la durata dell'impulso t u = 10 -9 -10 -3 s.

Energia in un impulso di radiazione

L'energia di un impulso di radiazione laser (E u) è determinata dalla relazione E u = P u -m u, dove t u è la durata dell'impulso di radiazione (solitamente t u = 10 -9 -10 -3 s). Per laser chirurgici E e = 0,1-10 J.

Frequenza degli impulsi

Questa caratteristica (f) dei laser pulsati indica il numero di impulsi di radiazione generati dal laser in 1 s. Per laser terapeutici f = 10-3000 Hz, per laser chirurgici f = 1-100 Hz.

Potenza di radiazione media

Questa caratteristica (P cf) dei laser a impulsi ripetuti mostra quanta energia il laser emette in 1 s ed è determinata dalla seguente relazione:

Intensità (densità di potenza)

Questa caratteristica (I) è definita come il rapporto tra la potenza della radiazione laser e l'area della sezione trasversale del raggio. Per laser cw I = P/S. Nel caso dei laser pulsati, viene fatta una distinzione intensità del polso I e = P e /S e l'intensità media I cf = P cf /S.

L'intensità dei laser chirurgici e la pressione creata dalla loro radiazione hanno i seguenti significati:

per laser cw I ~ 10 3 W/cm 2 , D = 0,033 Pa;

per laser pulsati I e ~ 10 5 -10 11 W / cm 2, D \u003d 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Densità di energia in un impulso

Questo valore (W) caratterizza l'energia per unità di superficie della superficie irradiata per impulso ed è determinato dalla relazione W = E e /S, dove S (cm 2) è l'area del punto luminoso (ovvero, la sezione trasversale del raggio laser) sul biotessuto superficiale. Per i laser utilizzati in chirurgia, W ≈ 100 J/cm2.

Il parametro W può essere considerato come la dose di radiazione D per 1 impulso.

31.6. Cambiamenti nelle proprietà del tessuto e nella sua temperatura sotto l'azione della radiazione laser continua ad alta potenza

Variazione della temperatura e delle proprietà dei tessuti

sotto l'azione di radiazioni laser continue

L'assorbimento della radiazione laser ad alta potenza da parte del tessuto biologico è accompagnato dal rilascio di calore. Per calcolare il calore rilasciato, viene utilizzato un valore speciale: densità apparente del calore(Q).

Il rilascio di calore è accompagnato da un aumento della temperatura e nei tessuti si verificano i seguenti processi:

a 40-60°C si ha attivazione di enzimi, formazione di edema, alterazione e, a seconda del tempo di azione, morte cellulare, denaturazione proteica, insorgenza di coagulazione e necrosi;

a 60-80°C - denaturazione del collagene, difetti di membrana; a 100°C - disidratazione, evaporazione dell'acqua dei tessuti; oltre 150°C - carbonizzazione;

oltre 300 ° C - evaporazione dei tessuti, formazione di gas. La dinamica di questi processi è mostrata in fig. 31.6.

Riso. 31.6. Dinamica dei cambiamenti nella temperatura dei tessuti sotto l'influenza della radiazione laser continua

1 fase. In primo luogo, la temperatura del tessuto aumenta da 37 a 100 °C. In questo intervallo di temperatura le proprietà termodinamiche del tessuto rimangono praticamente invariate e la temperatura sale linearmente nel tempo (α = const e I = const).

2 fase. A una temperatura di 100 °C inizia l'evaporazione dell'acqua dei tessuti e fino alla fine di questo processo la temperatura rimane costante.

3 fase. Dopo che l'acqua è evaporata, la temperatura ricomincia a salire, ma più lentamente rispetto alla sezione 1, poiché il tessuto disidratato assorbe energia più debole del normale.

4 fase. Al raggiungimento della temperatura T ≈ 150 °C inizia il processo di carbonizzazione e, conseguentemente, di “annerimento” del tessuto biologico. In questo caso, il coefficiente di assorbimento α aumenta. Pertanto, si osserva un aumento della temperatura non lineare e accelerato nel tempo.

5 fase. Al raggiungimento della temperatura T ≈ 300 °C, inizia il processo di evaporazione del tessuto biologico carbonizzato disidratato e l'aumento di temperatura si arresta nuovamente. Proprio in questo momento raggio laser taglia (rimuove) il tessuto, ad es. diventa un bisturi.

Il grado di aumento della temperatura dipende dalla profondità del tessuto (Fig. 31.7).

Riso. 31.7. Processi che si verificano nei tessuti irradiati a diverse profondità: UN- v strato superficiale il tessuto viene riscaldato a diverse centinaia di gradi ed evapora; B- la potenza di radiazione attenuata dallo strato superiore non è sufficiente per far evaporare il tessuto. Si verifica la coagulazione dei tessuti (a volte insieme alla carbonizzazione - una linea spessa nera); v- il riscaldamento del tessuto avviene a causa del trasferimento di calore dalla zona (B)

Le lunghezze delle singole zone sono determinate sia dalle caratteristiche della radiazione laser sia dalle proprietà del tessuto stesso (in primis dai coefficienti di assorbimento e conducibilità termica).

L'impatto di un potente raggio focalizzato di radiazione laser è anche accompagnato dalla comparsa di onde d'urto, che possono causare danni meccanici ai tessuti adiacenti.

Ablazione del tessuto sotto l'influenza della radiazione laser pulsata ad alta potenza

Quando il tessuto è esposto a brevi impulsi di radiazione laser ad alta densità di energia, si realizza un diverso meccanismo di dissezione e rimozione del tessuto biologico. In questo caso si ha un riscaldamento molto rapido del fluido tissutale ad una temperatura T > T di ebollizione. In questo caso, il fluido tissutale si trova in uno stato di surriscaldamento metastabile. Poi c'è un'ebollizione "esplosiva". fluido tissutale, che è accompagnato dalla rimozione del tessuto senza carbonizzazione. Questo fenomeno è chiamato ablazione. L'ablazione è accompagnata dalla generazione di onde d'urto meccaniche che possono causare danni meccanici ai tessuti in prossimità della zona di impatto del laser. Questo fatto deve essere preso in considerazione quando si scelgono i parametri della radiazione laser pulsata, ad esempio durante la lucidatura della pelle, la perforazione dei denti o quando correzione laser acuità visiva.

31.7. L'uso della radiazione laser in medicina

I processi che caratterizzano l'interazione della radiazione laser (LR) con oggetti biologici possono essere suddivisi in 3 gruppi:

azione non disturbante(non avere un effetto notevole sull'oggetto biologico);

azione fotochimica(una particella eccitata da un laser o partecipa essa stessa alle corrispondenti reazioni chimiche o trasferisce la sua eccitazione a un'altra particella che partecipa a una reazione chimica);

fotodistruzione(dovuto al rilascio di calore o onde d'urto).

Diagnostica laser

La diagnostica laser è un effetto non perturbante su un oggetto biologico, utilizzando coerenza radiazione laser. Elenchiamo i principali metodi diagnostici.

Interferometria. Quando la radiazione laser viene riflessa da una superficie ruvida, si formano onde secondarie che interferiscono tra loro. Di conseguenza, si forma uno schema di punti scuri e chiari (macchioline), la cui posizione fornisce informazioni sulla superficie dell'oggetto biologico (metodo dell'interferometria speckle).

Olografia. Con l'aiuto della radiazione laser, si ottiene un'immagine tridimensionale dell'oggetto. In medicina, questo metodo consente di ottenere immagini tridimensionali delle cavità interne dello stomaco, degli occhi, ecc.

Diffusione della luce. Quando un raggio laser altamente direzionato passa attraverso un oggetto trasparente, la luce viene diffusa. La registrazione della dipendenza angolare dell'intensità della luce diffusa (metodo nefelometrico) consente di determinare la dimensione delle particelle medie (da 0,02 a 300 μm) e il grado della loro deformazione.

Durante la dispersione, la polarizzazione della luce può cambiare, che viene utilizzata anche nella diagnostica (il metodo della nefelometria di polarizzazione).

Effetto Doppler. Questo metodo si basa sulla misurazione dello spostamento Doppler della frequenza LR, che si verifica quando la luce viene riflessa anche da particelle che si muovono lentamente (metodo dell'anenometria). In questo modo vengono misurate la velocità del flusso sanguigno nei vasi, la mobilità dei batteri, ecc.

Scattering quasi elastico. Con tale dispersione, si verifica un cambiamento insignificante nella lunghezza d'onda del sondaggio LR. La ragione di ciò è un cambiamento nelle proprietà di scattering (configurazione, conformazione delle particelle) durante il processo di misurazione. I cambiamenti temporali nei parametri della superficie di scattering si manifestano in un cambiamento nello spettro di scattering rispetto allo spettro della radiazione di ingresso (lo spettro di scattering viene ampliato o in esso compaiono massimi aggiuntivi). Questo metodo permette di ottenere informazioni sulle mutevoli caratteristiche degli scatterer: coefficiente di diffusione, velocità di trasporto direzionale, dimensioni. Ecco come vengono diagnosticate le macromolecole proteiche.

Spettroscopia di massa laser. Questo metodo è usato per studiare Composizione chimica oggetto. Potenti fasci di radiazione laser fanno evaporare la sostanza dalla superficie dell'oggetto biologico. Le coppie sono sottoposte all'analisi spettrale di massa, i cui risultati vengono utilizzati per giudicare la composizione della sostanza.

Analisi del sangue laser. Un raggio laser passato attraverso uno stretto capillare di quarzo, attraverso il quale viene pompato sangue appositamente trattato, provoca la fluorescenza delle sue cellule. La luce fluorescente viene quindi catturata da un sensore sensibile. Questo bagliore è specifico per ogni tipo di cellule che attraversano singolarmente la sezione del raggio laser. Viene contato il numero totale di cellule in un dato volume di sangue. Indicatori quantitativi precisi sono determinati per ogni tipo di cellula.

metodo di fotodistruzione. Serve per studiare la superficie composizione oggetto. Potenti fasci LR consentono di prelevare microcampioni dalla superficie di oggetti biologici mediante evaporazione di una sostanza e successiva analisi spettrale di massa di questo vapore.

L'uso della radiazione laser in terapia

La terapia utilizza laser a bassa intensità (intensità 0,1-10 W/cm2). Le radiazioni a bassa intensità non provocano un notevole effetto distruttivo sui tessuti direttamente durante l'irradiazione. Nelle regioni del visibile e dell'ultravioletto dello spettro, gli effetti dell'irradiazione sono dovuti a reazioni fotochimiche e non differiscono dagli effetti causati dalla luce monocromatica ottenuta da sorgenti convenzionali incoerenti. In questi casi, i laser sono semplicemente comode sorgenti luminose monocromatiche che forniscono

Riso. 31.8. Schema di utilizzo di una sorgente laser per l'irradiazione del sangue intravascolare

determinare l'esatta localizzazione e il dosaggio dell'esposizione. A titolo di esempio, in fig. 31.8 mostra un diagramma dell'uso di una sorgente di radiazione laser per l'irradiazione del sangue intravascolare in pazienti con insufficienza cardiaca.

Di seguito sono riportati i metodi più comuni di terapia laser.

Terapia con luce rossa. La radiazione laser He-Ne con una lunghezza d'onda di 632,8 nm viene utilizzata a scopo antinfiammatorio per il trattamento di ferite, ulcere, malattie coronariche. L'effetto terapeutico è associato all'influenza della luce di questa lunghezza d'onda sull'attività proliferativa della cellula. La luce agisce come regolatore del metabolismo cellulare.

Terapia con luce blu. La radiazione laser con una lunghezza d'onda nella regione blu della luce visibile viene utilizzata, ad esempio, per trattare l'ittero neonatale. Questa malattia è una conseguenza di un forte aumento della concentrazione di bilirubina nel corpo, che ha un assorbimento massimo nella regione blu. Se i bambini vengono irradiati con radiazioni laser di questo intervallo, la bilirubina si rompe formando prodotti idrosolubili.

Fisioterapia laser - l'uso della radiazione laser in combinazione con vari metodi di elettrofisioterapia. Alcuni laser hanno ugelli magnetici per l'azione combinata della radiazione laser e di un campo magnetico - terapia laser magnetica. Questi includono l'apparato terapeutico laser a infrarossi magnetici "Milta".

L'efficacia della laserterapia aumenta con l'esposizione combinata a sostanze medicinali precedentemente applicate all'area irradiata (laseroforesi).

Terapia fotodinamica dei tumori. La terapia fotodinamica (PDT) viene utilizzata per rimuovere i tumori esposti alla luce. La PDT si basa sull'uso di fotosensibilizzatori localizzati nei tumori che aumentano la sensibilità dei tessuti durante la loro

successiva irradiazione luce visibile. La distruzione dei tumori durante la PDT si basa su tre effetti: 1) distruzione fotochimica diretta delle cellule tumorali; 2) danno ai vasi sanguigni del tumore, che porta all'ischemia e alla morte del tumore; 3) il verificarsi di una reazione infiammatoria che mobilita l'antitumorale difesa immunitaria tessuti corporei.

Per irradiare tumori contenenti fotosensibilizzatori, viene utilizzata la radiazione laser con una lunghezza d'onda di 600-850 nm. In questa regione dello spettro, la profondità della penetrazione della luce nei tessuti biologici è massima.

La terapia fotodinamica viene utilizzata nel trattamento dei tumori della pelle, degli organi interni: polmoni, esofago (allo stesso tempo, la radiazione laser viene erogata agli organi interni mediante guide luminose).

L'uso della radiazione laser in chirurgia

In chirurgia, i laser ad alta intensità vengono utilizzati per tagliare tessuti, rimuovere aree patologiche, arrestare il sanguinamento e saldare tessuti biologici. Scegliendo correttamente la lunghezza d'onda della radiazione, la sua intensità e la durata dell'esposizione, è possibile ottenere vari effetti chirurgici. Quindi, per il taglio dei tessuti biologici, viene utilizzato un raggio focalizzato di un laser CO 2 continuo, avente una lunghezza d'onda λ = 10,6 μm, una potenza di 2x10 3 W/cm 2 .

L'uso di un raggio laser in chirurgia fornisce un effetto selettivo e controllato. La chirurgia laser ha una serie di vantaggi:

Senza contatto, dando assoluta sterilità;

Selettività, che consente la scelta della lunghezza d'onda della radiazione per distruggere i tessuti patologici in modo dosato, senza intaccare i tessuti sani circostanti;

Assenza di sangue (a causa della coagulazione delle proteine);

Possibilità di effetti microchirurgici grazie all'elevato grado di focalizzazione del raggio.

Indichiamo alcune aree di applicazione chirurgica dei laser.

Saldatura laser di tessuti. La connessione dei tessuti sezionati è un passaggio necessario in molte operazioni. La Figura 31.9 mostra come la saldatura di uno dei tronchi di un grande nervo viene eseguita in modalità di contatto utilizzando la saldatura, che

Riso. 31.9. Saldatura del nervo con un raggio laser

le gocce da una pipetta sono applicate al posto di lasering.

Distruzione delle aree pigmentate. I laser pulsati vengono utilizzati per distruggere le aree pigmentate. Questo metodo (fototermolisi) usato per trattare angiomi, tatuaggi, placche sclerotiche in vasi sanguigni e così via.

endoscopia laser. L'introduzione dell'endoscopia ha rivoluzionato la medicina operatoria. Per evitare grandi operazioni aperte, la radiazione laser viene inviata al sito di esposizione utilizzando guide di luce in fibra ottica, che consentono di inviare la radiazione laser ai tessuti biologici degli organi cavi interni. Ciò riduce significativamente il rischio di infezione e complicanze postoperatorie.

prova laser. I laser a impulsi brevi in ​​combinazione con le guide di luce vengono utilizzati per rimuovere placche nei vasi sanguigni, calcoli nella cistifellea e nei reni.

Laser in oftalmologia. L'uso dei laser in oftalmologia consente di eseguire interventi chirurgici senza sangue senza compromettere l'integrità. bulbo oculare. Queste sono operazioni per corpo vitreo; saldatura della retina esfoliata; trattamento del glaucoma mediante fori "perforanti" (diametro 50÷100 micron) con raggio laser per il deflusso del liquido intraoculare. L'ablazione strato per strato dei tessuti corneali viene utilizzata per la correzione della vista.

31.8. Concetti base e formule

Fine del tavolo

31.9. Compiti

1. Nella molecola di fenilalanina, la differenza di energia negli stati fondamentale ed eccitato è ΔE = 0,1 eV. Trova la relazione tra le popolazioni di questi livelli a T = 300 K.

Risposta: n \u003d 3,5 * 10 18.

In una fredda sera di settembre, i visitatori della pista di kart Mayak vicino a Iksha vicino a Mosca sono rimasti piuttosto sorpresi. Allo scudo di compensato con un bersaglio, su cui era raffigurata la cabina di pilotaggio di un aereo di linea, da qualche parte nell'oscurità si estendevano raggi laser multicolori. No, questa non è una scuola per terroristi: è solo che Popular Mechanics ha deciso di testare un mito comune sul fatto che un puntatore laser possa fungere da strumento di difesa aerea. E allo stesso tempo racconta come sono disposti i laser portatili e per cosa sono veramente necessari.

Tiro da cecchino Per testare il mito dell'accecamento dei piloti di aerei di linea, è stato realizzato un bersaglio speciale, in cui sono stati inseriti un laser verde con una potenza di 300 mW, un laser rosso con una potenza di 200 mW e un laser viola con una potenza di 200 mW brillava da una distanza di 680 m

Negli ultimi anni, il mondo ha iniziato a registrarsi grande quantità"attacchi laser" su aerei. Anche questo fenomeno non ha aggirato la Russia: nel 2011 l'Agenzia federale per il trasporto aereo ha contato diverse dozzine di casi simili. Ed è ancora carino Modica quantità: negli USA, ad esempio, si registrano annualmente quasi 3.000 casi di esposizione ai raggi laser da parte dei piloti. Di norma, per questo vengono utilizzati puntatori laser abbastanza potenti: sono economici (dell'ordine di diverse centinaia di dollari) e sono ampiamente disponibili. Le autorità interessate adottano le misure più severe contro i trasgressori, da multe molto elevate a molti anni di carcere. paesi europei vietare urgentemente l'uso dei puntatori nei pressi degli aeroporti (e anche solo per strada), equiparandoli di fatto ad armi vere! In Australia e nel Regno Unito, ad esempio, le vendite di puntatori laser con potenze superiori a 1 mW sono semplicemente vietate. Ma è davvero possibile "abbattere" un aereo accecando il pilota con un puntatore laser sufficientemente potente?

Per testare il mito dei piloti di aerei di linea accecanti, è stato realizzato un bersaglio speciale, in cui un laser verde da 300 mW, rosso da 200 mW e viola da 200 mW è stato proiettato da una distanza di 680 m.

Puntatori come... puntatori

Da dove prendono questa terribile arma gli hooligan e perché la vendono nei negozi a tutti? In effetti, i puntatori laser, ovviamente, non sono progettati per abbattere aerei o elicotteri. Soprattutto, si manifestano proprio per lo scopo previsto, cioè come indicatori. Tuttavia, la loro portata è ora enorme, il che spesso porta a problemi ed errori nella scelta della potenza e della lunghezza d'onda. Se hai bisogno di un puntatore, allora la scelta migliore ci sarà un laser verde (con una lunghezza d'onda di 532 nm). Il fatto è che la sensibilità dell'occhio ai diversi colori dello spettro è diversa ed è massima nella regione verde. Pertanto, l'emissione di un laser verde sarà più luminosa anche a una potenza inferiore: ad esempio, per l'occhio umano, un laser verde da 5 mW a 532 nm è due volte più luminoso di un laser rosso da 20 mW a 650 nm.

Anche determinare la potenza è facile. Per l'utilizzo durante seminari, conferenze e altri eventi indoor, saranno sufficienti 5 mW. I laser ad alta potenza possono rappresentare un potenziale pericolo per gli occhi e, cosa altrettanto importante, irritare gli spettatori con la loro eccessiva luminosità. All'aperto di notte - diciamo, quando si effettuano "escursioni" nel cielo stellato - sarà sufficiente anche un laser verde da 5 mW. Ma questo è fuori città, dove l'illuminazione urbana non interferisce. In condizioni urbane, con un cielo relativamente luminoso, sarà necessario un po' di più - circa 20-50 mW. Durante il giorno, per indicare i singoli dettagli dell'architettura ("prestare attenzione ai meravigliosi stucchi nell'area del quinto piano dell'edificio vicino!"), I puntatori con una potenza di 50-100 non saranno superfluo e in una luminosa giornata di sole, tutti i 200-300 mW. Ma ricorda: tali laser rappresentano già un vero pericolo per la vista e le persone possono guardare attraverso le finestre delle case!

Non guardare il laser con l'altro occhio

Anche i laser a bassa potenza possono rappresentare un pericolo per la salute. Qualsiasi dispositivo nella cui progettazione è presente un laser è necessariamente dotato di un'etichetta che ne indichi la classe di pericolo.
Classe 2/II - puntatori laser con una potenza fino a 1 mW, che rappresentano potenzialmente un pericolo se l'occhio è esposto a un raggio diretto per lungo tempo.
Classe 3R / IIIa - puntatori laser con una potenza fino a 5 mW, che sono pericolosi se l'occhio è esposto a lungo a un raggio diretto o se esposto a un raggio ulteriormente focalizzato da dispositivi ottici (ad esempio binocoli) .
Classe 3B / IIIb - laser portatili con potenza fino a 500 mW, che sono sicuramente pericolosi se il raggio colpisce gli occhi.
Classe 4/IV - laser portatili con una potenza superiore a 500 mW, potenzialmente in grado di provocare ustioni cutanee e lesioni alla vista anche con luce riflessa da superfici opache.
Quando si utilizzano laser con una classe di rischio superiore a IIIa, si consiglia vivamente di utilizzare laser speciali occhiali protettivi, progettato per proteggere la vista dalle radiazioni laser del tipo appropriato. Il raggio laser diretto, riflesso o rifratto non deve mai essere diretto negli occhi. I laser di classe IV, quando un raggio diretto entra nell'occhio da una breve distanza, sono garantiti per causare gravi danni fino alla completa perdita della vista, il loro raggio può causare ustioni e incendi.

Masterizzazione calcolata

Tuttavia, nella mente della maggior parte dei lettori, i laser sono associati a un raggio "ardente". E giustamente: le macchine per il taglio laser funzionano in molti settori, tagliando un'ampia varietà di materiali, dai film polimerici alle lamiere di acciaio. È vero, la potenza dei laser non è affatto misurata in milliwatt. Tuttavia, i progressi in questo settore sono così avanzati che attualmente una macchina del genere può essere costruita a casa. I potenti laser a semiconduttore viola (405 nm) e blu-viola (445 nm) sono ideali per questo. Differiscono buon valore prezzi e potenza, e la loro radiazione è ben assorbita dalla maggior parte dei materiali. Inoltre, di norma, i produttori forniscono in tali laser portatili (non è del tutto corretto chiamarli puntatori) la possibilità di regolare la messa a fuoco del raggio.

Il più interessante tra quelli capitati nelle nostre mani è stato sicuramente un laser blu-viola (445 nm) da 1 W. Con un'attenta attenzione alla sicurezza, questo laser può diventare uno strumento per molti esperimenti scientifici popolari e un grande intrattenimento. Colore insolito, elevata stabilità, messa a fuoco regolabile e potenza di schiacciamento possono farti dimenticare tutti gli altri laser per molto tempo! Il suo raggio è perfettamente visibile nel cielo serale, la luce riflessa dal soffitto illumina facilmente una stanza piuttosto grande e, con una corretta messa a fuoco, taglia facilmente la carta e può persino fare un buco in un albero spesso più di 3 mm in un paio di minuti. Inoltre, tali laser hanno fondamentalmente una divergenza piuttosto ampia - 3-10 volte maggiore di quella di altri tipi, ma in questo caso questo è piuttosto un vantaggio, poiché riduce il pericolo per gli altri. Tuttavia, l'elevata potenza e la lunghezza d'onda corta comportano un elevato pericolo per la vista anche quando si osserva la luce riflessa e diffusa, pertanto, quando si lavora con questo laser, è imperativo utilizzare occhiali di sicurezza che tagliano maggior parte radiazioni pericolose.

Come protezione estemporanea, puoi utilizzare occhiali standard con filtri gialli per aumentare il contrasto (ad esempio occhiali da fucile).

I laser viola (405 nm) più potenti di 300 mW sono ora difficili da trovare, ma grazie a una migliore messa a fuoco, sono molto vicini al laser blu-violetto da 1 W (445 nm) nelle loro capacità di "accensione". A una distanza di 5-10 m, un puntatore viola da 300 mW raggiunge un mostro da un watt, quindi lo aggira del tutto e allo stesso tempo costa meno. Tuttavia, è possibile bruciare qualcosa a una tale distanza solo se sia il laser che il bersaglio sono fissi immobili. Quindi, per ora, le lance laser della Guardia Stellare rimangono il lotto delle serie di fantascienza. Oltre a bruciare, il puntatore viola è interessante in quanto fa brillare molti materiali, come lampada ultravioletta. Per proteggere gli occhi dalla luce riflessa e diffusa, sono adatti anche occhiali con filtri gialli.

Abbiamo deciso di testare tutta la potenza sfrigolante di un puntatore da un watt in modo moderno costruendo una macchina di masterizzazione CNC a due coordinate dal costruttore Fischertechnik. Abbiamo preso come base il kit ROBO TX Automation Robots, completandolo con il computer controller ROBO TX. Nonostante l'aspetto un po' giocattolo, si tratta di un controller serio con un set completo di ingressi e uscite per servi, indicatori luminosi, interruttori, sensori (fotoresistenza, radar a ultrasuoni, sensore di colore, microfono). Il controller si collega al computer tramite USB o Bluetooth. Abbiamo programmato la macchina per la masterizzazione spot: su ogni "pixel" del disegno, il puntatore è stato ritardato di 5 secondi e ha avuto il tempo di bruciare un punto nero distinto, dopodiché il raggio laser si è mosso di un passo e ha continuato a bruciare. Il lavoro era alquanto complicato dal fatto che, per evitare il surriscaldamento, il puntatore non doveva funzionare ininterrottamente per più di 30 secondi, quindi ogni mezzo minuto il programma doveva essere messo in pausa. La masterizzazione di un semplice disegno ci ha richiesto poco più di un'ora.

Tutti i colori dell'arcobaleno

Per trovare l'arma perfetta, i redattori si sono armati di un vasto arsenale di numerosi puntatori laser: rosso, verde e viola, con una potenza da 100 a 300 mW. I laser verdi con una lunghezza d'onda di 532 nm hanno causato il secondo boom di puntatori. E meritatamente: con la stessa potenza, sono 4-15 volte più luminose del rosso, 20 volte più luminose del blu-viola e 190 volte più luminose delle lancette viola! Quindi, se il laser non è solo un modo per far fumare qualcosa, ma anche uno strumento di lavoro per presentazioni (o uno spettacolo laser), allora un puntatore verde è proprio ciò di cui hai bisogno. Ma non sono molto adatti per esaurirsi: con la stessa potenza sono in ritardo rispetto al viola e al blu-viola e per loro sono necessari occhiali speciali.

Attenzione ai falsi!

I puntatori laser al neodimio sono in produzione da oltre un decennio. Durante questo periodo, nonostante la complessità della tecnologia, i principali produttori sono riusciti a perfezionare la loro produzione e ottenere una qualità del prodotto costantemente elevata.
Tuttavia, i laser al neodimio più economici rientrano nella categoria "senza nome". I loro produttori spesso non sono in grado di fornire caratteristiche stabili. Diversi modelli dei puntatori verdi da 100 e 300 mW testati dalla redazione di "PM" hanno mostrato meno del 50% della potenza dichiarata. Inoltre, il funzionamento di molti modelli è molto instabile nel tempo e quando la temperatura cambia, la divergenza del raggio a volte supera di parecchie volte quella dichiarata. Pertanto, ti consigliamo di testare il laser prima dell'acquisto e di conoscere in dettaglio la questione degli obblighi di garanzia. Ma i puntatori verdi a bassa potenza da 5-10 mW possono essere acquistati con relativa calma. Bene, è meglio non inseguire l'economicità e prendere un laser da un noto produttore che apprezza la sua reputazione.

Infine, anche se non siamo riusciti a trovare in vendita i classici puntatori rossi più potenti di 200 mW, non dovrebbero essere scontati. Questi laser hanno un'efficienza molto elevata, quindi sono molto economici, confezionati in un pacchetto compatto e significativamente meno soggetti al surriscaldamento. Nonostante l'ampio diametro del raggio di uscita, 200 mW di potenza sono sufficienti per tagliare, ad esempio, un sacchetto di plastica nero. Inoltre, il rosso è il colore laser più "classico" e allo stesso tempo l'opzione più economica.

Ma i veri puntatori blu (473 nm) e gialli (593 nm) sono un prodotto esclusivo, raro e costoso. E se hai abbastanza soldi per acquistarli, puoi star certo che a qualsiasi conferenza tutti presteranno attenzione al raggio del tuo puntatore. Anche quelli blu non brillano continuamente, ma a impulsi ad alta frequenza (circa 1 kHz), quindi il raggio disegna sul muro non una linea continua, ma una linea tratteggiata. I puntatori blu sono approssimativamente equivalenti in luminosità ai rossi a 650 nm e i gialli sono simili ai verdi. Ma il prezzo dei puntatori gialli è più di due volte superiore a quello blu.

Controllo per noi stessi

Quindi, dopo aver raccolto l'intero assortimento di puntatori in una bracciata, gli editori sono andati al "poligono". A una distanza di 680 m, il "tiratore" avrebbe dovuto illuminare il bersaglio, "accecando" il pilota raffigurato su di esso. E ora un raggio verde brillante di un laser da 300 mW raggiunge il bersaglio, lasciando su di esso un punto opaco con un diametro di circa mezzo metro. Ma è possibile mantenere il punto sul bersaglio solo per una frazione di secondo: a una tale distanza, anche il più piccolo tremito delle mani porta allo spostamento laterale del raggio. Lungo ( più condivisioni secondi) è quasi impossibile mantenere il raggio in un punto e durante questo periodo è impossibile accecare il pilota. Ma l'aereo si sta muovendo, ea una velocità considerevole, centinaia di metri al secondo! Certo, puoi creare un sistema per tracciare automaticamente la posizione dell'aereo e regolare la direzione del raggio, ma con un tale ambito non puoi più scherzare con i puntatori, ma usa un laser molto più potente, ma questo non è più un puntatore, ma una vera arma militare.

In redazione sono stati trovati anche volontari, che hanno osato mettere gli occhi sotto mezzo metro punto verde. (Questo è relativamente sicuro, ma non raccomandiamo assolutamente di ripetere il nostro esperimento.) Secondo loro, da una tale distanza il raggio verde nell'oscurità della sera sembrava molto luminoso, ma non appena smetteva di colpire direttamente negli occhi, la vista era completamente restaurato senza o effetti residui punti luminosi galleggianti. Anche i piloti che abbiamo intervistato si sono rivelati scettici, spiegando che accecare il pilota di un aereo di linea con un puntatore laser non è realistico: entrare in una cabina di pilotaggio alta dal basso è piuttosto difficile. Tuttavia, con un colpo riuscito (non accecante!) Sul vetro della cabina di pilotaggio, la luce intensa è perfettamente in grado di distrarre i piloti e perdere l'attenzione durante l'atterraggio, anche per una frazione di secondo, può essere pericoloso. Soprattutto per i piloti di elicotteri - hanno meno velocità, e la distanza da cui avviene l'impatto è molto più vicina - non centinaia di metri, ma decine (infatti solo i piloti di elicotteri sono tra quelli effettivamente colpiti dall'accecamento).

La conclusione è questa: un puntatore laser, anche sufficientemente potente (300 mW), non è in grado non solo di "bruciare" il corpo di un aereo da una distanza di diverse centinaia di metri (come hanno scritto i media, avidi di sensazioni, ), ma anche piloti gravemente ciechi. Ma l'illuminazione del puntatore potrebbe distrarre l'attenzione, quindi nell'aviazione, dove anche i potenziali pericoli sono trattati con estrema attenzione, questa minaccia è presa sul serio.

Gli editori desiderano ringraziare Artleds (www.artleds.ru) e Microholo (www.cnilaser.ru) per aver fornito indicazioni per i test

Il laser CNC è l'elemento principale dell'intero design della macchina, con l'aiuto del quale avviene il processo di lavorazione del materiale stesso. Oggi, le macchine laser CNC vengono utilizzate per produrre un'ampia varietà di prodotti, che vanno dai prodotti decorativi ai prodotti complessi di grandi dimensioni.

Componente ottico di macchine laser

Prima di avvicinarsi a una descrizione dettagliata del funzionamento del laser, analizzeremo i suoi principali componenti ottici:

• tubo laser (noto anche come laser CO 2), che è responsabile della generazione del raggio;
• specchi riflettenti che riflettono il raggio;
• la testa dell'emettitore, che fornisce il raggio alla superficie del pezzo;
• lente di messa a fuoco, il cui nome parla da sé: è responsabile della messa a fuoco del raggio laser sulla superficie del materiale.

Potenza laser

Se parliamo di materiali che possono essere lavorati da macchine laser, allora sono abbastanza un gran numero di. La potenza del laser dovrebbe variare a seconda del materiale con cui lavorerai. Comprendiamo i materiali di base e la potenza laser richiesta per lavorarli:

1. Potenza 200 mW: questo parametro è ottimo per tagliare non molto materiali durevoli(come film di polietilene sottile). È importante chiarire che tali laser sono solo a stato solido.
2. Potenza da 300 a 500 mW - potenza laser media, ottima per incidere legno, pelle e plastica. Questa è la potenza più accettabile per un bruciatore CNC.
3. Potenza di 1000 mW - adatta per tagliare balsa sottile (il legno più leggero del mondo!). Con questo potere, puoi anche tagliare l'impiallacciatura sintetica, ma c'è la possibilità di bruciarla.

È necessario trarre una conclusione importante: più potente è il laser, più materiale "denso" può essere lavorato. Ovvero scegli la potenza del laser in base al materiale che vuoi lavorare.

Modulo laser a bassa potenza

Il principio di funzionamento del laser

Il principio di base del laser sulla macchina è che il laser non taglia, ma brucia. Per ricevere un raggio laser, sono necessari i seguenti elementi:

• fonte di energia esterna;
• ambiente attivo;
• risonatore ottico.

Tutti gli elementi di cui sopra funzionano come segue:

La fonte di energia esterna trasporta particelle con una certa carica nel mezzo attivo. A loro volta, queste particelle attraggono particelle simili dal mezzo attivo. Con l'aiuto di un amplificatore, iniziano a muoversi più velocemente, entrano in collisione con gli atomi dell'ambiente e fanno esplodere nuovi cristalli. Grazie al vetro traslucido del risonatore, i cristalli escono sotto forma di un fascio stretto.

Questo raggio, che è focalizzato su un punto, ha alto contenuto energia. Tale energia è sufficiente per entrare in qualsiasi tipo di materiale. Il punto in cui il raggio ha colpito si scioglie o brucia.

È importante sapere che con un piccolo spessore del materiale o un raggio potente, puoi persino tagliare il metallo.

Motivi della scomparsa del raggio laser

Se non ci sono radiazioni al momento dell'avvio della macchina, la prima causa della scomparsa del laser è il tubo laser. Discuteremo i problemi e i modi per risolverli con esso in modo più dettagliato di seguito.

Il secondo motivo della scomparsa potrebbe essere il danneggiamento dell'unità di accensione. Prima di controllare le parti elettroniche della macchina laser, controllare l'indicazione ( condizione normale- questa è la luce del LED sull'alimentatore e una coppia di LED sulla scheda madre). Per confermare un problema con l'unità di accensione, puoi fare quanto segue: affidare al CNC un compito facile e, se viene eseguito, ma il pezzo rimane intatto, puoi giudicare che non ci sono problemi con l'unità di accensione.

Un prodotto realizzato su una macchina laser desktop

Problemi comuni nel funzionamento del tubo laser

1. 1. Potenza laser debole. La soluzione a tale problema può essere la seguente: assicurarsi che non vi siano graffi o sporcizia sulle lenti o sul tubo laser; guarda la corrente di uscita, la tensione, la velocità e la purezza del flusso d'acqua; controllare l'uniformità del raggio laser, ecc.
   2. L'accensione elettrica ha alta tensione. Offriamo le seguenti opzioni di azione: verificare la presenza di interferenze in prossimità del collegamento elettrico; assicurarsi che il tubo laser non sia vicino alle parti metalliche della macchina; controllare l'umidità della stanza (l'umidità elevata può causare guasti elettrici e interferenze); assicurarsi che tutti i contatti siano integri e che il circuito delle connessioni interne sia chiuso.
   3. Rottura o incrinatura delle estremità del tubo laser. Forse le seguenti azioni possono aiutarti: controllare la temperatura dell'acqua (la norma è di 15-25 gradi); assicurarsi che il tubo dell'acqua non sia piegato o schiacciato da alcunché; assicurarsi che non ci siano bolle nel tubo; prestare attenzione all'acqua: il suo flusso e la sua circolazione (dal basso verso l'alto).

Quindi, ad esempio, reticoli con una dimensione trasversale superiore a 10 cm e un periodo di 1 mm possono essere realizzati da filamenti di platino con un diametro di 3-5 μm. In questo caso, le perdite totali non superano 4 · 5 · 10 -3 = 0,02 e la trasmittanza del trasduttore di misura ricevente raggiunge il 98%. La costante di tempo del dispositivo non supera i 10 -3 s

Se in PMT l'elemento sensibile è un termometro a resistenza che percepisce direttamente la radiazione ottica e non vi è alcun elemento ricevente strutturalmente sviluppato in esso, allora tale PMT è tradizionalmente chiamato bolometro, e non solo i conduttori a filo, ma anche quelli a pellicola possono essere usati come un termometro a resistenza. Gli elementi sensibili alla ricezione di questi dispositivi sono spesso posti in un involucro sottovuoto e quindi sono chiamati vuoto. I bolometri fortemente raffreddati che operano a temperature di azoto liquido ed elio vengono utilizzati per misurare flussi di radiazione ultra bassi (la potenza equivalente al rumore può essere ridotta a 10-14 W Hz -1/2) o quando si cerca di ottenere le massime prestazioni (gamma subnanosecondo)

Calorimetri in cui i processi termici non portano a un cambiamento della temperatura del corpo calorimetrico (es. T K \u003d TO \u003d cost), u sono detti calorimetri isotermici, o calorimetri a temperatura costante. Il principio di funzionamento di tali calorimetri si basa sull'uso degli effetti di una transizione di fase di una sostanza e consiste nel misurare la quantità di una sostanza calorimetrica (ghiaccio) che è passata sotto l'azione dell'energia della radiazione laser assorbita in un'altra fase (acqua) alla temperatura dell'esistenza di una transizione di fase (0°) (calorimetri con transizione di fase), o sull'effetto di compensazione nel calorimetro stesso per il calore rilasciato per irraggiamento dovuto all'effetto termico con segno opposto(calorimetri a compensazione e calorimetri preriscaldati). Va notato che tali dispositivi sono usati raramente nella pratica, ad eccezione dei calorimetri preriscaldati. In questi dispositivi, il corpo calorimetrico viene preliminarmente (prima dell'arrivo e del PIP della radiazione misurata) riscaldato ad una certa temperatura stazionaria superiore alla temperatura ambiente. Quando viene applicata la radiazione laser, la potenza di riscaldamento viene ridotta manualmente o automaticamente in modo che la temperatura del corpo calorimetrico rimanga la stessa. La potenza assorbita nel calorimetro in questo caso è pari alla variazione della potenza di riscaldamento. Secondo questo principio, funziona un misuratore di potenza di radiazione laser esemplare OIM-1-1, in cui la potenza di riscaldamento viene ridotta manualmente

Il principio di funzionamento dei PMT piroelettrici si basa sull'utilizzo dell'effetto piroelettrico osservato in un numero di cristalli non centrosimmetrici durante la loro irradiazione e si manifesta nel verificarsi di scariche sulle facce cristalline perpendicolari allo speciale asse polare. Se viene realizzato un piccolo condensatore e tra le sue piastre viene posizionato un piroelettrico, le variazioni di temperatura dovute all'assorbimento della radiazione si manifesteranno sotto forma di un cambiamento nella carica di questo condensatore e potranno essere registrate. L'impedenza di ingresso di un ricevitore piroelettrico è quasi puramente capacitiva. Pertanto, un segnale alla sua uscita può apparire solo con un segnale di ingresso alternato, che richiede la modulazione della radiazione quando si misura la radiazione con un pirorilevatore

Il segnale di uscita dei PMT piroelettrici è proporzionale alla velocità di variazione dell'aumento della temperatura media d(DT T)/dt elemento sensibile, non il valore D T, non a cui reagiscono i ricevitori termici. La conseguenza di ciò è l'elevata velocità dei ricevitori (fino a 10 -8), nonché la loro elevata sensibilità (10 -7 ... 10 -8 J), un'ampia gamma dinamica di funzionamento (10 -8 .. . 10 J) e un'ampia gamma spettrale (0,4 ... 10,6 μm). Strutturalmente, l'elemento sensibile del piroricevitore non differisce dai PIP colorimetrici (vedi Fig. 1.2), ad eccezione dell'elemento più sensibile 2 fatto di piroelettrico. Tra gli sviluppi industriali per misurare flussi di radiazione piccoli (fino a 10 -9 W/cm 2 ) e ultra-bassi (fino a 10 -12 W/cm 2 ), successori piroelettrici a base di titanato di bario, solfato di triglin e ceramiche di titanato di zirconato di bario hanno trovato la massima applicazione. Gli elementi sensibili di tali PIP sono una piastra piano-parallela con uno spessore di 20...100 µm con elettrodi depositati su entrambi i lati. Un rivestimento assorbente viene applicato sul lato irradiato della piastra o un elettrodo traslucido svolge il suo ruolo. Con l'aiuto di una tecnologia relativamente semplice, è possibile realizzare elementi sensibili di una forma piuttosto complessa con le dimensioni dell'area di ricezione da 10 -4 a 10 6

Possedendo una serie di vantaggi rispetto ai convertitori termici, i PMT piroelettrici stanno diventando sempre di più ampia applicazione per misurare i parametri energetici e spazio-energetici della radiazione laser

Metodo fotoelettrico.

Il metodo fotoelettrico per misurare i parametri energetici della radiazione laser si basa sulla transizione dei portatori di carica sotto l'azione dei fotoni della radiazione misurata a livelli di energia più elevati. Come PIP fotoelettrici vengono utilizzati i fotorilevatori (FP), che sono divisi in due gruppi: con effetto fotoelettrico esterno e interno. Quello esterno consiste nell'emissione di elettroni sotto l'azione dei fotoni nel vuoto, quello interno - nella transizione degli elettroni da stato legato sotto l'azione dei fotoni in liberi, cioè in uno stato eccitato all'interno del materiale. In entrambi i casi, la transizione avviene quando i singoli quanti di radiazione vengono assorbiti dalla sostanza; pertanto, i FP sono dispositivi quantistici. Energia radiazioni elettromagnetiche in essi viene direttamente convertito in energia elettrica, che viene poi misurata. Il segnale elettrico di uscita del PC non dipende dalla potenza della radiazione incidente, ma dal numero di quanti di radiazione e dall'energia di ciascun quanto

L'espressione generale per la conversione di un segnale ottico in ingresso in un segnale elettrico in uscita, effettuata da un PMT fotoelettrico, può essere scritta come segue:

I=I FP +I T =S l x P+I T (1.5)
Dove IOè la corrente totale che scorre attraverso il PC, UN; io FPè la corrente attraverso il PC dovuta al flusso di radiazione incidente, UN; ESSO- corrente oscura, UN; S l- coefficiente di conversione spettrale, o sensibilità spettrale assoluta del FP, A/I; Pè la potenza della radiazione incidente sul PC, Mar

Di seguito vengono brevemente considerati i principali convertitori fotoelettrici utilizzati negli strumenti per la misura della potenza e dell'energia della radiazione laser.

Fotoconvertitori con effetto fotoelettrico esterno. L'energia dei fotoelettroni emessi dalla superficie del catodo sotto l'azione della radiazione elettromagnetica è determinata dall'espressione:

W=h n - w(1.6)
Dove N- frequenza di radiazione, Hz; H- costante di Planck, ( H\u003d 6,63 x 10 -34 J x s); wè una costante che dipende dalla natura del materiale del fotocatodo. L'emissione di elettroni avviene solo quando h n > w \u003d h n O, Dove NO- frequenza di soglia, al di sotto della quale l'effetto fotoelettrico è impossibile. Lunghezza d'onda l O \u003d c / NO chiamato limite di lunghezza d'onda lunga (rosso) dell'effetto fotoelettrico. Di solito, il limite di lunghezza d'onda corta del fotoconvertitore è limitato dalla trasmissione della finestra di input del PMT

I fotorilevatori basati sull'effetto fotoelettrico esterno includono dispositivi a vuoto: fotocellule (PV) e fotomoltiplicatori,

La gamma spettrale delle transizioni di fase del vuoto dipende dal materiale del fotocatodo. Attualmente, PV e PMT disponibili in commercio coprono l'intervallo dalla radiazione UV (0,16 µm) a quella nel vicino IR (1,2 µm per un catodo argento-ossigeno-cesio). La sensibilità spettrale assoluta del PV è determinata come segue:

S l \u003d Q EF x l / 1,24 (1,7)
dove QEF è la resa quantica effettiva, l è la lunghezza d'onda della radiazione, µm, S l varia a seconda del tipo e del design del dispositivo (10 -3 ... 10 -1 mA/W)

La gamma dinamica, in cui la linearità della conversione di un segnale ottico in uno elettrico, è relativamente ampia per un PV. Il limite inferiore è limitato dal rumore e dalla corrente di buio del fotovoltaico, il limite superiore è limitato dall'influenza della carica spaziale e dalla resistenza longitudinale del fotocatodo, nella modalità di irradiazione continua, il limite inferiore

il limite può raggiungere 10 -14 A, il limite superiore non supera 10 -4 A. In modalità pulsata, il limite superiore può essere aumentato a decine di ampere

Il rumore e le correnti di buio dei PV sono relativamente piccoli, tuttavia, a causa della bassa sensibilità dei PV, non è appropriato utilizzarli per misurare bassi livelli di segnali ottici.

I moderni PV ad alta corrente consentono di ottenere un tempo di salita della risposta transitoria (tra i livelli 0,1 e 0,9 dal valore massimo) dell'ordine di 10 -10 s

I PMT hanno alta sensibilità a causa della presenza di un sistema moltiplicatore (diodo). Se il fattore di riemissione i-esimo diodo si io, coefficiente di raccolta degli elettroni gi, UN Mè il numero di stadi di amplificazione, quindi il guadagno PMT è:

(1.8)
Sensibilità spettrale assoluta PMT:

dove è la sensibilità spettrale assoluta del fotocatodo fotomoltiplicatore, determinata in modo simile dalla formula (1.7)

La sensibilità PMT può raggiungere ~10 5 A/W al massimo della caratteristica spettrale. Nei PMT convenzionali, la linearità viene mantenuta fino a decine di milliampere, in quelli moderni ad alta corrente - fino a pochi ampere

Quando si misurano segnali ottici ad alta potenza, è possibile aumentare l'intervallo di linearità del PMT per flussi elevati, utilizzando parzialmente un sistema a dinodi e rimuovendo il segnale dai dinodi intermedi. Il limite inferiore della gamma dinamica è limitato dal rumore e dalle correnti oscure dei PMT, che di solito sono 10 -11 ... 10 -5 A. La velocità dei moderni PMT è compresa tra 30 ... 1 ns (1n = 10 - 9 sec)

Al FP basato sull'effetto fotoelettrico interno includono fotoresistenze, fotodiodi, fototransistor, fotorivelatori MIS e altri FP a semiconduttore. Per misurare i parametri energetici della radiazione, i fotodiodi (PD) e le fotoresistenze (PR) sono i più utilizzati.

L'azione della PR si basa sul fenomeno della fotoconduttività, che consiste nella comparsa di portatori di carica liberi in alcuni semiconduttori e dielettrici quando su di essi incide una radiazione ottica. La fotoconduttività porta a una diminuzione resistenza elettrica e, di conseguenza, ad un aumento della corrente che scorre attraverso la fotoresistenza

L'espressione generale per la sensibilità spettrale assoluta del PR può essere rappresentata come:

(1.10)
Dove e- carica elettronica; v- volume di illuminazione di una parte del semiconduttore; Qè la resa quantica dell'effetto fotoelettrico interno; M- mobilità dei portafoto; T- durata dei portafoto; l- distanza tra i contatti; tu- tensione applicata al FR

FR vari tipi coprire un'ampia gamma spettrale (0,4…25 µm); la maggior parte di essi richiede il raffreddamento alla temperatura dell'azoto liquido o dell'elio liquido, il che causa ulteriori difficoltà quando vengono utilizzati nelle apparecchiature di misura come PMT. Inoltre, hanno una maggiore inerzia e una bassa sensibilità, che ne limitano anche l'uso per misurare i parametri energetici della radiazione laser.

I più utilizzati per questi scopi sono i fotodiodi al germanio e al silicio. I portatori minoritari che sorgono sotto l'azione della radiazione si diffondono attraverso p-n- transizione e indebolire il campo elettrico di quest'ultimo, che porta a un cambiamento corrente elettrica nella catena. La fotocorrente in un ampio intervallo dipende linearmente dall'intensità della radiazione incidente e praticamente non dipende dalla tensione di polarizzazione. Per misurare i parametri energetici della radiazione, viene solitamente utilizzata la modalità fotodiodo (con potenza), poiché in questo caso l'intervallo di linearità e la velocità sono molto maggiori rispetto alla modalità fotovoltaica (senza potenza). È importante che il funzionamento di tutti i FP sia coordinato con il circuito elettronico

Sensibilità spettrale assoluta del PD:

S l \u003d t x g x Q x l (1- r) / 1.24(1.11)
Dove T- trasmittanza della finestra del dispositivo; G- coefficiente

raccolta di supporti; Q- resa quantica; l è la lunghezza d'onda della radiazione; R- coefficiente di riflessione

Nell'intervallo spettrale di lavoro, la sensibilità spettrale assoluta è di decimi di A/I. La regione di sensibilità spettrale dei fotodiodi al silicio è 0,4...1,2 µm (massimo circa 0,85 µm), germanio - 0,3...1,8 µm (massimo nella regione di 1,5 µm). Tali PIP non richiedono refrigerazione. Le correnti oscure nei PD al silicio sono inferiori di circa un ordine di grandezza rispetto a quelle al germanio e raggiungono 10 -5 ... 10 -7 A, e con una speciale tecnologia di produzione - 10 -9 ... 10 -12 A. I PD hanno un livello di rumore relativamente basso, che, in combinazione con un'elevata sensibilità, rende il loro FP con una bassa soglia di sensibilità. Ciò consente di utilizzare il PD per misurare flussi di radiazione molto deboli (fino a 10 -6 W)

L'inerzia degli FD a semiconduttore convenzionali è di 10 -6 ... 10 -8 s e la risoluzione temporale Ge E Si valanga PD raggiunge 1…10 ns. I fotorilevatori sono prodotti con dimensioni dell'area fotosensibile da circa frazioni di mm a 10 mm e i fotorilevatori di valanghe - fino a 1 mm

Per misurare livelli di potenza ed energia relativamente elevati, è consigliabile utilizzare un PMT con bassa sensibilità, ad es. FE. Per misurare i livelli medi dei parametri energetici della radiazione laser, possono essere utilizzati sia dispositivi a vuoto (PMT) che dispositivi a semiconduttore (FR, PD). Le misurazioni a basso flusso richiedono ricevitori con elevata sensibilità e basso rumore. I fotodiodi hanno una sensibilità inferiore ai fotomoltiplicatori. Tuttavia, gli FD hanno un basso livello di rumore. Ciò consente di utilizzare il PD per misurare piccoli flussi non direttamente, ma con l'ausilio di un amplificatore. In questo caso, i PD potrebbero competere con i PMT, e in alcuni casi addirittura superarli in termini di caratteristiche.

I principali vantaggi di un PD rispetto ai PMT sono: dimensioni ridotte, alimentazione a bassa tensione, elevata affidabilità e resistenza meccanica, maggiore stabilità della sensibilità, basso livello rumore, migliore immunità ai campi elettrici e magnetici

Svantaggi del PD rispetto al PMT: risposta più lenta per la maggior parte dei PD, maggiore effetto della temperatura sui parametri e sulle caratteristiche del dispositivo

Per misurare i parametri temporali della radiazione laser, è necessario utilizzare i ricevitori fotoelettrici più veloci - PV, per misurare bassi flussi - PMT e PD da valanga

Per misurare la potenza della radiazione laser in modalità continua, è possibile utilizzare sia PD a vuoto che a semiconduttore, poiché qui non è richiesta la loro alta velocità.

metodo ponderomotivo

I contatori Pondemotor di energia e potenza della radiazione laser utilizzano l'effetto di P. N. Lebedev. La radiazione laser cade su un sottile metallo ricevente o su una piastra dielettrica e esercita una pressione su di esso. La pressione (forza) è misurata da un trasduttore sensibile

Per misurare la pressione di radiazione vengono utilizzati vari trasduttori: capacitivi, piezoelettrici, bilance torsionali su sospensione meccanica e magnetica, meccanotroni. I primi due tipi non hanno ricevuto un'ampia distribuzione a causa del piccolo valore del coefficiente di conversione, della bassa immunità al rumore e della complessità del sistema di riferimento e registrazione. La bilancia di torsione più utilizzata è un classico dispositivo per misurare piccole forze. Lo schema del dispositivo è mostrato in Fig. 1. Sulle bretelle o sospensione 1 è fissato un bilanciere 2 con un'ala ricevente 3, un contrappeso 4 e uno specchio 5, situato in una camera evacuata. Quando la radiazione ottica colpisce l'ala ricevente, il sistema mobile devia dalla posizione di equilibrio di un certo angolo, il cui valore può essere utilizzato per giudicare il valore della potenza o dell'energia ottica. Il gancio 6 è progettato per fissare il carico durante la calibrazione delle bilance (determinandone il momento di inerzia e la rigidità della sospensione)

Dalla soluzione dell'equazione del moto di un pendolo di torsione si ricava il valore dell'angolo di rotazione UN piastra ricevente 3 quando esposta a potenza di radiazione continua P

(1.12)
Dove R- coefficiente di riflessione della lastra; T- trasmittanza della finestra di ingresso della telecamera; l- distanza dall'asse del fascio di radiazione all'asse di rotazione; Jè l'angolo di incidenza della radiazione sulla lastra; C- la velocità della luce; K- rigidità delle sospensioni. Un'espressione simile può essere ottenuta per il massimo angolo di rotazione del piatto max- sotto l'azione di un impulso di radiazione con energia Wu:

(1.13)
Dove Jè il momento d'inerzia del sistema rotante. Gli angoli di rotazione sono misurati su una scala 8 in base alla deviazione del punto luminoso dalla lampadina 7 (Fig. 1.4). Con parametri noti del sistema, le formule (1.12) e (1.13) consentono di determinare l'energia e la potenza di radiazione in unità assolute

Allo stato attuale, sono stati introdotti molti miglioramenti nella progettazione dei contatori ponderali, che hanno permesso di migliorarne i parametri operativi e metrologici. Prima di tutto, è stato possibile abbandonare l'evacuazione e l'uso Pressione atmosferica aria nella camera. L'uso di lastre dielettriche trasparenti come elementi riceventi invece di lastre metalliche riflettenti ha permesso di aumentare il limite superiore della variazione dell'energia di radiazione (fino a 10 4 J). Tali dispositivi consentono di misurare la potenza della radiazione laser, a partire da unità di milliwatt, e l'energia degli impulsi in decimi di joule.

Un trasduttore capacitivo viene spesso utilizzato per misurare l'angolo di rotazione di una bilancia di torsione. In questo caso, la piastra di contrappeso è una delle piastre del condensatore incluse nel circuito risonante del generatore. Quando il sistema in movimento ruota, la capacità del condensatore, e quindi la frequenza del generatore, cambiano, la variazione di frequenza viene misurata da un rilevatore di frequenza. La sensibilità di un tale sistema è molto elevata, ma il sistema stesso è ingombrante e difficile da configurare e gestire.

Un altro modo per implementare un sistema di riferimento altamente sensibile è un circuito con due fotoresistori, che sono collegati insieme a due resistori fissi in un circuito a ponte. Nella posizione di equilibrio, il ponte è bilanciato. Quando il sistema devia, l'illuminazione delle fotoresistenze cambia, il ponte diventa sbilanciato e nella sua diagonale di misurazione appare una corrente proporzionale all'angolo di rotazione, che viene registrato dal microamperometro. Analoghi sistemi di indicazione sono utilizzati nei fotoamplificatori galvanometrici F117, F120, che hanno una sensibilità di circa 0,1 A/rad, che consente di misurare l'angolo di deviazione minimo dell'ordine di alcuni secondi d'arco.

Un aumento della sensibilità nei contatori ponderomotori e un miglioramento nel disaccoppiamento di un sistema in movimento da urti e vibrazioni sono stati ottenuti utilizzando una sospensione senza contatto in un campo magnetico (Fig. 1.5). Il sistema mobile 1 con la piastra ricevente 2, il contrappeso 3 e l'armatura ferromagnetica 4 è sospeso nel campo magnetico del solenoide 5 all'interno della camera. La corrente del solenoide è regolata da uno speciale sistema automatico costituito da un sensore 6, un lineare 7 e un dispositivo differenziale 9. Quando la posizione verticale del sistema cambia in risposta al segnale del sensore, viene generato un segnale di feedback che amplifica o indebolisce il corrente attraverso il solenoide e stabilizza la posizione del sistema. La stabilità laterale è fornita dal gradiente radiale dell'intensità del campo del solenoide

Oltre alle bilance di torsione, per la misurazione vengono utilizzati i meccanotroni, che sono un dispositivo a vuoto elettrico con elettrodi controllati meccanicamente. Quando esposti a un segnale meccanico esterno nel mechanotron, uno o più elettrodi mobili si muovono, provocando un corrispondente cambiamento nella corrente anodica

L'industria domestica produce una serie di convertitori meccatronici, progettati sotto forma di tubi elettronici convenzionali con una base ottale (6MXIB, 6MXZS, ecc.) E in un design in miniatura con cavi flessibili (6MXIB, ecc.). Il design di questi meccanotroni è mostrato in Fig. 1.6. Il mechanotron stesso è un diodo con elettrodi piano-paralleli. Il contenitore di vetro 1 contiene un catodo fisso 2 con un riscaldatore 3 e un anodo mobile 4, rigidamente connesso all'asta 5, che è saldata nella membrana flessibile 6. Il segnale meccanico di ingresso (forza F) è applicato all'estremità esterna del l'asta. In questo caso, l'anodo mobile si sposta rispetto al catodo fisso, il che porta a una variazione della corrente anodica e del segnale di uscita del convertitore, che è incluso nei circuiti a ponte per la misurazione.

La sensibilità dei meccanotroni non supera i 10 mA/g (o 10 -9 A/W in termini di potenza). Un tale valore di sensibilità a una fluttuazione di corrente di 0,1 μA causata da deriva della temperatura, urti e vibrazioni consente di misurare con sicurezza la pressione di radiazione continua di oltre 1 kW. Se la radiazione è modulata in modo tale che il sistema in movimento del mechanotron entri in risonanza, il limite inferiore di misurazione può raggiungere i 100 W. Pertanto, un convertitore meccatronico viene solitamente utilizzato per misurare alti livelli di potenza ed energia degli impulsi di radiazione laser, ad esempio, radiazione continua da laser CO 2 ad alta potenza e radiazione pulsata su vetro al neodimio

L'esperienza acquisita nello sviluppo e nel funzionamento di vari tipi di misuratori di energia e potenza della radiazione laser ci consente di trarre una conclusione sulle aree di applicazione, vantaggi e svantaggi dei vari metodi.

I vantaggi del metodo termico per misurare i parametri energetici della radiazione laser includono ampi intervalli di misurazione spettrali e dinamici, semplicità e affidabilità degli strumenti di misurazione. Attualmente, in alcuni misuratori calorimetrici, è stata raggiunta la massima precisione di misurazione e, utilizzando rilevatori di radiazioni piroelettriche e termoelementi e bolometri ad alta velocità, è stato possibile ottenere una velocità fino a pochi nanosecondi.

Gli svantaggi del metodo termico includono la bassa velocità e la sensibilità dei soli dispositivi termici che forniscono la massima precisione di misurazione.

Nei dispositivi basati sull'azione fotoelettrica della radiazione si ottiene la massima sensibilità e velocità; ciò consente loro di essere utilizzati come misuratori della forma dell'impulso e della potenza dell'impulso fino alla gamma dei subnanosecondi. Gli svantaggi di tali dispositivi sono un intervallo spettrale relativamente ristretto e solitamente un limite superiore basso della misurazione della potenza (energia), nonché un errore di misurazione elevato (5 ... 30%) rispetto ai dispositivi termici.

Il vantaggio del metodo ponderomotivo è un limite superiore elevato per misurare l'energia e la potenza della radiazione con una precisione sufficientemente elevata delle misurazioni assolute. Lo svantaggio principale sono i severi requisiti per le condizioni operative (in particolare per le vibrazioni) e, di conseguenza, le restrizioni sull'uso sul campo.

Misurazione dei parametri principali di un impulso laser

Come è noto, un certo numero di mezzi attivi, a causa di limitazioni fondamentali o tecniche, di solito operano in modalità di generazione pulsata, tra cui principalmente laser basati su transizioni autoterminanti - un laser ad azoto che genera nella gamma UV (l = 337,1 nm) , e un laser a vapore di rame, che fornisce potenti impulsi di radiazione verde (l \u003d 510,5 nm), ancora più diffusi sono i laser a rubino e i laser a vetro al neodimio, la cui natura pulsata di generazione è principalmente dovuta alle caratteristiche del pompaggio e raffreddamento sistema del mezzo attivo. Infine, in alcuni dei casi più critici, per aumentare la potenza di uscita di picco, alcuni laser vengono commutati in modalità di generazione controllata; in questo caso, i metodi per controllare il fattore di qualità del risonatore sono più spesso utilizzati per ottenere il cosiddetto impulso gigante e il blocco dei modi longitudinali per ottenere impulsi di picosecondi (più correttamente, ultracorti)

Di conseguenza, si pone il problema di misurare i principali parametri dell'impulso di radiazione generato dal laser. Ovviamente, il più semplice sarebbe costruire misure secondo lo schema per ottenere l'assoluta dipendenza della potenza di radiazione dal tempo P(t) con la successiva estrazione di tutte le quantità di interesse da esso - di solito questa è la potenza di picco Pu,max =P(t *), energia dell'impulso

e la sua durata D t. Tuttavia, la precisione di tali misurazioni è generalmente bassa. Pertanto, di norma, la misurazione del tempo ( P max E tu) ed energia ( W), che, oltre a migliorare la precisione dei risultati ottenuti, consente di semplificare le misure stesse. In questo caso, la misurazione dell'energia dell'impulso viene solitamente effettuata utilizzando un misuratore calorimetrico (vedi 1.1), che fornisce la massima precisione, o un fotodiodo, seguito dall'integrazione della fotocorrente e dalla misurazione della dipendenza P(t)- utilizzando un ricevitore fotoelettronico ad alta risoluzione temporale. Questo schema viene utilizzato per costruire dispositivi seriali dei marchi FN e FU, progettati per funzionare nell'intervallo 0,4 ... 1,1 μm con un'energia nell'impulso di 10 -3 ... 10 J e una potenza di picco di 10 4 ... 10 8 W; con durata dell'impulso t u =2,5…5 x 10 -9 s e frequenza di ripetizione F< 1 кГц погрешность измерения энергии d E » 20%, а мощность около 25%

Analisi dei parametri del polso mediante un oscilloscopio.

Per misurare la forma dell'impulso ei suoi parametri temporali (in particolare, la durata dell'impulso t u , i tempi di salita e discesa, ecc.) si utilizzano fotorivelatori ad alta velocità con un'elevata linearità delle caratteristiche della luce. Si tratta innanzitutto di fotocellule coassiali della serie FEK, sviluppate appositamente presso VNIIOFI, progettate per un carico di 75 ohm e una tensione di alimentazione di 1000 V; la loro risoluzione temporale (costante di tempo intrinseca) va da 10 -9 a 10 -10 s, e la fotocorrente massima va da 1 a 7 A marche diverse, diverso per design e tipo di fotocatodo

Quindi, la questione della trasformazione efficiente impulso luminoso in elettrico in prima approssimazione (secondo almeno per laser con impulso "gigante") può considerarsi risolto. Per studiare la forma dell'impulso elettrico ricevuto, vengono utilizzati sia normali oscilloscopi universali con una larghezza di banda fino a 10 7 Hz che speciali oscilloscopi ad alta velocità con una larghezza di banda di 1...5 GHz e una sensibilità di ~ 1 mm/V . Questi ultimi di solito non hanno un amplificatore (ingresso verticale) e il segnale viene applicato direttamente alle piastre di deflessione fiduciale, che forniscono un'ampia larghezza di banda, ma con bassa sensibilità al segnale di ingresso. Un'ulteriore analisi dell'oscillogramma viene eseguita sulla sua fotografia, così come quando si utilizza un CRT con un lungo bagliore del fosforo o con accumulo di carica e la sua successiva lettura ripetuta

A causa della scarsa riproducibilità dei parametri impulsi laser l'uso di metodi di ricerca stroboscopici non fornisce la precisione di misurazione necessaria e quindi di solito non viene praticato

Studio della forma di impulsi laser ultrabrevi

Come accennato in 1.1.2, i ricevitori di radiazioni fotoelettriche più veloci hanno una costante di tempo di 10 -10 ... 10 -9 s, cioè possono essere utilizzati per indagare in modo affidabile solo impulsi "giganti", la cui durata tipica è di 10 -8 s, mentre i tempi di salita e discesa possono essere molto più brevi. Pertanto, quando si studiano le dipendenze temporali nel caso degli impulsi giganti più brevi e, in particolare, degli impulsi di picosecondi, vengono utilizzati metodi indiretti basati sull'uso di una base dei tempi utilizzata negli oscilloscopi elettronici e ottici. Allo stato attuale, il principio del time sweep superveloce è implementato sia sulla base di una scansione ottico-meccanica con raster (una cinepresa del tipo "time magnifier"), che consente di registrare un insieme di immagini bidimensionali non informative con una frequenza di ripresa di 10 5 ... 10 8 fps, e sulla base di una scansione ottico-meccanica continua unidimensionale (a fessura) (fotoregistratore a fessura) con una risoluzione temporale da 10 -7 a 3 x 10 -9 s. Pertanto, l'uso di uno sweep ottico-meccanico non consente alcun miglioramento significativo nella risoluzione temporale fornita dai fotorivelatori a risposta rapida, ma consente di ottenere un insieme di bidimensionali (ad esempio, distribuzione sulla sezione trasversale del raggio) o immagini unidimensionali (sezione trasversale del raggio unidimensionale, spettro, ecc.), tuttavia, solo per radiazioni laser nelle gamme UV, visibile e vicino IR, che è determinato dalla gamma spettrale limitata delle pellicole fotografiche utilizzate

Pertanto, in alcuni casi, viene utilizzata una scansione elettronica di "immagini" elettroniche mono o bidimensionali, provenienti da un'immagine fotocatodica (antimonio-cesio, multi-alcali o ossigeno-cesio, specificata al momento dell'ordine di un dispositivo specifico) tubo intensificatore. Nel caso di utilizzo di un fotocatodo di ossigeno-cesio, il limite "rosso" raggiunge 1,3 μm. Tuttavia, un vantaggio più significativo degli OED utilizzati per la registrazione ad alta velocità è un aumento significativo della luminosità dell'immagine registrata - fino a (10 3 ... 10 8) x nei dispositivi multistadio (2 ... 6) ; questo è importante quando si registrano impulsi di picosecondi a bassa potenza. A seconda del sistema di scansione elettronico, è possibile ottenere 9…12 fotogrammi separati (immagini bidimensionali) con un tempo di esposizione fino a 10 -9 ... 5 x 10 -13 s, fornito da un otturatore elettronico separato, solitamente situato al fotocatodo. Il frame rate fornito dal funzionamento sincrono di due sistemi di deflessione elettrostatica reciprocamente perpendicolari (dell'intero raggio fotoelettronico) è molto inferiore, il che rende difficile studiare la dinamica del processo di generazione

Per questo motivo, i tubi intensificatori di immagine scansionati vengono solitamente utilizzati per studiare solo le dipendenze temporali dell'intensità di un raggio laser a picosecondi focalizzato (da un obiettivo monocromatico). Lo sweep unidimensionale (solitamente lineare) utilizzato in questo caso può avere una velocità fino a 10-10 cm/s, che garantisce di ottenere sullo schermo luminescente in uscita (Æ 40 mm) con una risoluzione di 5 ... 50 linee / mm (in monostadio) risoluzione temporale 10 -11 s. La velocità record di uno sweep unidimensionale (a spirale) (6 x 10 10 cm/s) è stata raggiunta nel tubo intensificatore di immagine "Picochron-1" grazie all'uso della tensione a microonde (l = 3 cm) sulle piastre deflettrici ;

di conseguenza, con una risoluzione (non schermo) di 5 linee/mm, la risoluzione temporale può raggiungere 5 x 10 -13 s, che corrisponde alla dispersione temporale degli elettroni nel fascio, e quindi non può essere migliorata aumentando la velocità di scansione . Tipicamente, al fine di garantire caratteristiche di luminosità soddisfacenti del segnale di uscita (spirali su schermi luminescenti), "Picochron-1" ha un sistema di amplificazione a sei stadi, per cui la luminosità aumenta di 10 7 ... 10 8 volte rispetto all'originale (ma la risoluzione dell'output "Immagini")

Pertanto, il problema dello studio delle dipendenze temporali della generazione di impulsi laser a pico- e anche a femtosecondi può essere considerato risolto in prima approssimazione. Tuttavia, la complessità, l'alto costo, l'ingombro e la necessità di un servizio altamente qualificato lo rendono difficile in alcuni casi uso pratico telecamere a scansione ottico-meccanica ed elettronica

Ha iniziato a vendere nel 2002. Il tipo più comune di puntatore laser a stato solido pompato a diodi (DPSS). La potenza di tali puntatori va da 5 a 800 milliwatt (mw). Diodi Colore verde non vengono prodotti, viene utilizzato uno schema diverso per la produzione di tali puntatori. Il dispositivo è molto più complicato dei tradizionali puntatori laser rossi o blu. Ottieni il semaforo verde carino in modo complicato ecco perché i potenti puntatori laser verdi sono molto costosi.

Innanzitutto, un potente diodo laser a infrarossi (di solito >100 mW con λ = 808 nm) pompa un cristallo di ortovanadato di ittrio drogato al neodimio, dove la radiazione viene convertita a 1064 nm. Quindi, passando attraverso il cristallo di fosfato di titanil di potassio, la frequenza della radiazione raddoppia (1064 nm → 532 nm) e produce luce verde visibile.Notiamo l'elevato consumo energetico dei puntatori laser verdi: la maggior parte utilizza due batterie AA / AAA / CR123 / 18650. Puntatore laser verde focalizzabile con una potenza di 200 mW, in grado di accendere fiammiferi , nastro isolante, plastica scura, ecc.).

Puntatori laser rossi

I puntatori laser rossi più comuni. Questi puntatori utilizzano diodi laser rossi con una lunghezza d'onda di 650nm 660nm o più visibile 635nm. La potenza varia da circa 1 a 1000 milliwatt (mw). I potenti puntatori rossi da 650 nm sono tra i più economici in termini di rapporto prezzo / potenza. Puntatore laser rosso focalizzabile con una potenza di 200 mW o superiore, in grado di accendere fiammiferi, nastro isolante, plastica scura, ecc.).

I puntatori laser rossi più rari utilizzano un laser a stato solido pompato a diodi (DPSS) e operano a una lunghezza d'onda di 671 nm.

Puntatori laser blu

445 nm (blu)

Con questi puntatori laser, la luce viene emessa da un potente diodo laser blu. Tali puntatori laser appartengono alla 4a classe di pericolo e rappresentano un grave pericolo per gli occhi e la pelle. La potenza di tali puntatori laser è di 500 mw, 1000 mw e più costosi 1500 mw e 2000 mw. Questi sono i puntatori laser più potenti oggi disponibili. Altri puntatori non possono raggiungere tali capacità. In termini di rapporto prezzo / potenza, i potenti puntatori laser blu sono l'acquisizione più redditizia fino ad oggi. Tali puntatori bruciano tutto fino all'albero.

473 nm - Argon (turchese)

Tali puntatori laser sono apparsi solo nel 2007 e hanno un principio di funzionamento simile ai puntatori laser verdi (DPSS). La lunghezza d'onda di 473 nm si ottiene solitamente raddoppiando la frequenza della radiazione di 946 nm. Per ottenere 946nm, viene utilizzato un cristallo di granato ittrio alluminio con additivi al neodimio. Tali puntatori sono molto costosi da fabbricare, a causa della loro bassa efficienza. La potenza di tali puntatori va da 1 a 50 milliwatt (mw). Ma oggi puoi ordinare anche un puntatore laser così raro ed esclusivo. Fascio incredibilmente bello di colore turchese, sembra semplicemente fantastico!

Puntatori laser viola

I puntatori viola hanno un diodo laser da 405 nm. La lunghezza d'onda di 405 nm è al limite della gamma dello spettro luminoso visibile alla visione umana e quindi il raggio di tali puntatori sembra fioco. Tuttavia, la luce di tali puntatori laser provoca la fluorescenza degli oggetti verso i quali è diretto il raggio laser. I puntatori laser viola iniziarono a essere venduti dopo l'introduzione delle unità Blu-ray. La potenza di tali puntatori va da 5 a 500 mW. Puntatore laser viola focalizzabile da 200 mW in grado di accendere fiammiferi, nastro adesivo, plastica scura, ecc.)

Puntatori laser gialli

Puntatori laser colore giallo Viene utilizzata anche la tecnologia DPSS ed emettono due fasci di luce contemporaneamente: 1064nm e 1342nm. La radiazione entra in un cristallo non lineare, che assorbe i fotoni di due fasci ed emette fotoni di 593,5 nm (l'energia totale dei fotoni di 1064 e 1342 nm è uguale all'energia del fotone di 593,5 nm). L'efficienza di tali puntatori probabilmente non è bassa intorno all'1%. Rendendoli così i più costosi e poco utilizzati.