Лазери за диагностика на биологични обекти - лазерни диагностика в биологията и медицината

Лазери и лазерни системи за диагностика на биологични обекти
Общи характеристики на диагностични лазери. Сложността и разнообразието на биологични обекти, значително разнообразие в природата на взаимодействието им със светлина се определя от необходимостта да се включват широк спектър от събития и методи за диагностика на тези явления. Поради това е широк и обхвата на лазери използвани в диагностиката. Това е най-прост и надежден с дълъг живот лазери газоразрядни и химически и висока интензивност ексимерен лазер настройваем в широк обхват на дължини на вълните течни багрилни лазери, твърди лазери с ultrashort импулси с висок интензитет, компактни полупроводникови лазери и така нататък. Всички тези лазери припокриват

Фиг. 1.4. Настройките на дължини на вълните и мощност са най-често срещаните лазери: една - непрекъснато, - пулс
широк диапазон на дължина на вълната от 100 пМ до 30 mkm- нива мощност лазери и непрекъснати средна мощност импулсни лазери са от няколко миливата до десетки и стотици вата енергия на импулса варира от няколко до няколко millijoules dzhouley- продължителност на техните импулси също варира широк спектър от няколко милисекунди до няколко ширина фемтосекунда лазерно лъчение спектър - от няколко Hz до десетки gigagerts- ъглово отклонение - от десетки градуса от лазера полупроводниковата Mrad на освобождаване фракция на [10-15, 27-371. Фиг. 1.4 показва електрически и енергийни нива на най-често срещаните и налични лазери.
газоразрядни лазери. Най-простият и най-достъпният сред лазери газоразрядни, а сред всички лазери са хелий-неонови (Той - NE) лазери, работещи с развълнувани атоми на неон. Помпена с помощта на тлеещ разряд. Лазери могат да работят по много линии в видима и в близост-IR регион (над 130 линии). Най-интензивни линии са дължините на вълните 632,8- 1152.3 и 3391.2 пМ. изходни промени мощност P от фракции на стотици миливата за всяка линия. = 632,8 нм на силата на единица дължина на активния елемент е 50 MW / m (при условие, че активния елемент в конкурентни линии с = 3391,2 нм се потиска). В търговските и лабораторни проби от лазери използват различни средства за потискане на конкурентни линии, които не само увеличава силата на работната линия, но също така и неговата стабилност.
Използване на специална технология смущения огледало покритие отваря възможността за създаване на стабилна и надеждна лазери с достатъчна мощност и широка гама от дължини на вълните, които отговарят на нуждите на много диагностични проблеми (например, за дължини на вълните са равни 543,3- 593,9- 611,8- 640,1 - 730.5 пМ). Няколко чуждестранни компании са започнали да издават He- Ne лазер с "нови" нетрадиционни дължини на вълните - "зелена" лазер (L = 543,3 нм, Р = 0,5 1 MW) и IR лазера (= 1523,1 нм ). При лабораторни условия, често са в противоречие, се използват широколентови огледала и прегрупирането се извършва с помощта на дисперсия елемент в резонатор (призми). По този начин е възможно да се получи активния елемент в осем дължини на вълните в близост до 632,8 нм (543,3- 730,5) и броя на редовете в близост на 1152,3 нм (1160.1 1079,8- 1084,4- 1140,9- - 1161,4- 1176,7- 1198.6).
Не - Ne лазер се характеризират с висока стабилност на параметрите на радиация, и значително живот (до 104 часа). Краткосрочните колебания в производството на енергия на лазери и дългосрочните лечения обикновено съдържат няколко процента, а делът [14, 27, 28]. Лазери са на разположение в два вида, външни и вътрешни огледала. става кръгови (7ts: / об = 1: 1), втората поляризация на излъчването в първия случай за уплътняване на активния елемент, използван прозорци Brewster и лазерно лъчение е линейно поляризирана с висока степен на поляризация (1 / п :: / х = 500), с че е възможно да се подобри до известна степен на изходната мощност (около 1.5 пъти).
За повечето модерен дизайн Не - Ne лазер характеристика е операция на най-ниската напречен режим TEM00 2а диаметър лъч "за лазери = 632,8 нм обикновено е 0,5-0,8 мм за тънки и около 2 мм за по-мощен отклонението на радиация 0 "1-3 Mrad.
С всички предимства не - Ne лазери, те имат някои съществени недостатъци, които включват ниска ефективност (ефективност) от 0.1% и ниско ниво на мощност.
Голяма ефективност и средните нива на мощност имат атомни импулсни лазери, които използват два отделни атоми като работната среда, -. Лазер на така наречените самостоятелно прекратяване [10] Най-интересното от гледна точка на приложения на лазери са на струи от мед и злато, генериращи интензивно излъчване във видимия диапазон на зелени, жълти и червени линии. Най-интензивния - зелена линия лазер с мед = 510,5 нм (интензивността е около 70% от общия интензитет). Жълто дължина линия на лазерна дължина на вълната е 578.2] нм. Червената радиация лазер злато пара има дължина на вълната 627,8 нм. Инверсия се генерира в тези лазери натоварени газоразрядни в смес от метални пари и буферен газ (хелий или неон).

Чуждестранните компании, разработени редица специални лазери, медицински приложения, включително напълно автоматизиран вода и охлаждане на въздуха а.
От гледна точка на диагностични приложения в биологията и медицината са интересни с това, че те са най-мощни източници на излъчване във видимата област, тяхното добро светлина преминава оптични влакна, до 70%, когато диаметърът на влакната от 1000 микрона, те имат тесен линия и имат ниска отклонение.
Сред йонни лазери благородни газове най-широко аргон и Криптон лазери [P. 40, 10, 13, 27, 28], който се използва за управление на дъговия разряд. Те са най-мощните лазери непрекъснати видими и близо диапазони UV дължина на вълната. Общата мощност в много Ar лазерни линии до 500 нм достигне 10 до 20 W, и в 350 Nm - 1.2 w. Мощност Кр лазерно лъчение в близост до 650 нанометра е не повече от 1 ват. Ключови дължини Ar дължини на вълните лазер емисии обхващат диапазона 351,1-514,5 нм (10 линии), Кр лазер - 350,7-799,3 нм (14 линии). Ниска ефективност на йонни лазери, които не надвишава 0,1%, изисква използването на мощни източници на енергия и ефективно охлаждане на активния елемент. специфичен изход мощност за всяка от основните линии на Аг лазер, генериращ = 488,0 и 514,5 нм е около 5 W / m при съотношение на разряден ток към работната диаметър на капилярната тръбичка 25 A / mm. Диаметърът на лъча 2shda1-2 mm 0daO, 6 Mrad.
Използване широки капиляри (7-10 мм) позволява ин витро получи постоянна мощност 100 W / m, за създаване на мощни източници на UV радиация = 351,1 и 363,8 нм с мощност до 10 вата. От голямо значение за биологията и медицината е умерена сила UV лазерно излъчване в обхвата от 334,0-363,8 нм обща мощност от около 1 W и X = 351,1 нм - 0.25 вата.

Йонни лазери по двойки на химичните елементи са отличен източник на постоянно излъчване във видимата и близо до ултравиолетовата част на спектъра [P. 40, 10, 13, 27-29]. Тъй като двойката работа вещество може да се използва много химични елементи (.. Cd, Zn, Se, Te и т.н.), набор от дължини на вълните е значително по-широк от не - Ne лазер и Аг. В този случай, мощността на лъчението е малко по-голям от този на Той - Ne лазери, както и нивото му е доста задоволява най-биомедицински диагностика задачи. Лазери, работещи в присъствието на допълнителен газ, който обикновено се използва хелий.
Най-широко използвани не - Cd и Той - Se тип катафореза лазери в която поток пара и равномерно разпределение вътре в активния елемент осигурява процес катафореза. Обикновено възбуждане на тези лазери се извършва надлъжен разряд DC светлина с приблизително същите параметри, както в не възбуждане на - Ne лазер. не се изисква принудителното охлаждане. Радиацията не е - Cd лазер възниква в синята линия С = 441,6 нм и UV линия 31 = 325,0 нм, и радиация не е - Se лазер - повече от 19 линии, които обхващат почти цялата видимия диапазон.
Индустрия в нашата страна и в чужбина, произвежда различни модификации не - CD лазери, постоянно продължават тяхното модернизиране и усъвършенстване. Този лазер е оценен като един от най-обещаващите за диагностика лазери в биологията и медицината -. Това microfluorimetry, Raman спектроскопия, New цитометричен система, лазерни микроскопи и др радиация мощност на лазера в промишлен начин TEM00 режим 1 = 441,6 нм е 8 -100 MW при X = 325,0 нм - 1-20 MW 2n "" 0.8-3 mm, 0 "О, 4-1,0 mrad- краткосрочни колебания в изходната мощност на групата 10-10e Hz обикновено долива 6-10%, в най-добрите примери за най-малко 1% "дългосрочни колебания на 5-10% в продължение на 8 часа, и в най-добрите примери от 5% за 24 часа [29]. Живот лазери (2-5) -103 часа. Има реална възможност да донесе живота си, за да 8-10® часа.
В някои приложения (например, в анализа на замърсители на околната среда) могат да бъдат полезни молекулно-IR лазери, работещи при вибрации на въртене преходи на CoA и CO молекули [P. 40, 10, 11]. CoA излъчва лазерни линии на ротационни молекулни ленти 9.4 и 10.4 микрона. Тя може да работи по много линии на тези групи. Преструктуриране на производствените линии обикновено се прави с дифракционна решетка се използва като един от лазерни огледала. Най-голямото повишаване имат линии, чиято дължина на вълната е в близост до 10,6, така лазер без диспергиране елемент работи при тази дължина на вълната. За възбуждане на лазера обикновено се използва надлъжната DC тлеещ разряд в многокомпонентна смес, обикновено със състав C02 - N2 - He-XE. Изходна мощност промишлени лазери с ниска и средна мощност гама от 5-40 вата, размерът на лъч от 5 до 10 мм, разликата от 1,5 Mrad. Този лазер се отличава с изключително висока ефективност (10-30%).
Обещаваща за диагностика представени компактен вълна C02 лазери, които имат тесен работен капилярна (вълна) налягане на смес от 100 Torr до атмосферно налягане, което осигурява относително високи нива на мощност с единица дължина, голям настройка диапазон на един лазерен линия (1 GHz) , Мощност вълна С02 лазер в непрекъснат режим може да достигне до 30 W, типична стойност за компактен лазер
10 вата. размер сноп е около 1 mm, обаче, отклонението е голям, от порядъка на 10 Mrad. Използване на напречно RF възбуждане и смес с високо налягане, се оставя да се реализира компактен спектрометър kvaziplavnoy настройка на дължината на вълната гама 9,1-11,0 mm (1096-908 cm-1). Още по непрекъснат настройка могат да бъдат получени при използване на смес от СО изотоп молекула (общо 18).
CO лазер работи в обхвата на дължина на вълната от 5-6.5 mm. Той има дори по-голяма ефективност (50-75%), С02 лазер със сравними нива на мощност може да се реконструира в широк диапазон на дължината на вълната. Работа газова смес съдържа хелий, азот, ксенон и кислород. Може да се създаде компактен инфрачервен спектрометър основава на регулиращите вълна CO лазери с напречна RF възбуждане.
Подобни характеристики на C02 и CO лазери са така наречените химически лазери. Тяхното производство се осъществява на преходите на вибрации въртене на двуатомни молекули халогеноводородни съединения [10]. Дължината на вълната на лазера: HF - 2,7 mkm- НС1 - 3.7 mkm- НВг - 4.2 mkm- DF - 4,3 микрона. Те могат да работят в импулсна и непрекъснати режими на активния елемент позволяват изомеризационна отделни дължини на вълната в рамките на ротационни ленти вибрации генериране.
Molecular лазери, работещи при vibronic преходи излъчват в обхвата на UV дължина на вълната. Най-интересното от които - лазер е на азотните молекули, основната дължина на вълната е равна на 337,1 нм и лазер с водород под вакуум ултравиолетово лъчение (Х = 116 и 160 пМ) [10, 13]. Тези лазери могат да работят само в импулсен режим, но с доста висока честота на повторение /. Например, за лазерно Na / = 0.05-1 кХц, което за повечето приложения е еквивалентно на непрекъснато производство. Те нямат много висока ефективност (0.01-1%), POP = 10"3-1 W, т&не bdquo- = 1-10, R&bdquo- = 1-103 кВт. Индустрия произвежда няколко типа азот lazerov- най-удобно запечатан изключване дизайн без изпомпване на газ, въпреки че те не осигуряват оптимални характеристики радиация. Тези лазери се използват в фотобиология, спектроскопия и за изпомпване на багрилни лазери.
Важен и много обещаващ клас на молекулни лазери на електронни преходи са ексимерен лазер [P. 40, 10-13, 37]. Работната среда на тези лазери се използват така наречените excimers - молекулни димери, стабилно съществуващ само в възбудено състояние, и веднага се разпада на основното състояние, а това дава възможност за автоматично обръщане. Изпомпване тези лазери направени бързо освобождаване напречно, както и някои видове азотни лазери. Ексимерен лазер имат значителна ефективност (1-15%) и могат да бъдат възстановени при дължина на вълната в диапазона 2-6 пМ, средна дължина на ексимерен лазер вълни халид инертни газове: ARF - 193 пМ, KrCl - 222 пМ, KrF - 248 нм XeBr - 308 нм, XeF - 351 нм, енергията на техните импулси 0.01-0.25 J., / = 100- 150 Hz, Ti = 4-20 не РСР = 5-40 w. Лъчът на радиация от тези лазери е правоъгълник с размери 10x25 mm, и отклонението на две различни координати и е 2x5 Mrad.

Течните багрилни лазери.

Активни средни багрилни лазери се поставят в специални съдове или изпомпва във въздуха реактивни разтвори на органични багрила, в които инверсия е създадена от външно оптично изпомпване използване лампи или лазери. Те имат значително ефективността на преобразуването. Безстепенна настройка на радиация дължина на вълната за един вид на дисперсия боя посредством елементи вътре в резонатор е в рамките на няколко десетки нанометра. Резервни бои и източници на помпата може да се осъществи с прегрупиране дължини на вълната над цялата област на спектъра от UV да NIR.
Най-прост дизайн се импулсни матрични лазерни с помпена лампа [P. 40, стр 32, 30]. Десетки модели на промишлени проби от такива лазери. Те покриват с дължина на вълната 340-960 нм. Чрез удвояване и параметри честотен диапазон превръщане допълнителни разширява (217- 380 нм и 1,06-3,1 микрона). Енергията на излъчване в обхвата от 1 до 50 MJ J порции до 400 J на ​​режим на единичен импулс, средната мощност на - 0.06 до 20 W, времетраене на импулса - от 7 до 8 не микросекунди, честотата на повторение на импулса - 200 Hz за единични импулси, максимална ефективност на лазери - от 0.08 до 0.8%. Ширината на линията на емисиите е в 0,4-0,001 пМ и запис стойности за системи с усилватели достигнат 10 ~ 4-10 ~ 6 нм. Дивергенцията на радиация в зависимост от дизайна на резонатора варира от 0.5 до 20 Mrad.
Ефективното изпомпване в импулсен режим осигурява азотни, медни и ексимерен лазер, и излъчване на втория и третия хармоници гранат лазер (532 и 355 nm) [P. 40, 10, 12, 13]. Използване напречна и надлъжна изпомпване (по оста резонатор). Ефективността на превръщането на UV радиация на азот лазерно лъчение в видим лазерен багрило е около 10%. Обхват на настройка на този лазер 350-1000 пМ и 217-300 нм с честота удвояване. Ширина на линията 0.01 пМ и Фабри - Перо кухина в 0.001 пМ. На импулси честота на повторение / = 50-100 Hz, Ti = 5-10 не, Pu '10 W, 6 "10 Mrad. Когато изпомпва ексимерен гама лазерно лъчение дължина на вълната - 320-980 нм РСР "0.4 w. Изпомпване 4W меден лазер позволява използване на четири багрила припокриват вълновия обхват 530-710 Nm със средна мощност на 6 W, за да осигури високо импулсна честота на повторение, 10 кХц и малка дивергенция лъч, Mrad 3.
Боядисват лазери са уникални настройващи източници на кохерентна радиация в непрекъснат режим. За да се създаде необходимата инверсия твърда фокусиране лазерното лъчение - помпата (размер 10-30 микрона лъч), тъй като се изисква висока мощност плътност от около 1 MW / cm2. В този случай е необходимо охлаждане на облъчени обема на багрилото се дължи на бързото му изпомпване (струя във въздух). Максимумът на групата на боя родамин 6G производство на електроенергия до 3 вата на, за други бои тя не надхвърля 100-200 MW. Мощност на помпата лазери обикновено
7 вата. При използване на Аг лазер и Кр обхвата лазер дължина на вълната на багрилото е 400-1000 пМ, фина настройка на честотата се извършва в диапазона 10-30 GHz, ширината на линията е 10-100 MHz, и в присъствието на системата за стабилизиране - с диаметър по-малко от 100 kGts- лъч за 5 mm, неговото отклонение 1,5-2 Mrad.
Твърдо лазери [P. 40, 10-13]. Първият лазер в света, създадена през 1960 г., е рубин лазер. С него започва историята на лазери и техните приложения. Този лазер е рубин прът, изпомпва от радиация обикновено спирала или линеен ксенонови импулсни лампи. Червената линия лазер излъчва при дължина на вълната 694,3 нм. Чрез промяна на температурата на рубин прът в 77-500 К, е възможно да се възстанови от дължината на вълната на излъчване в обхвата от около 50 см-1. В сравнение с други твърди лазери, рубин лазер има ниска ефективност (0.1%). продължителността на импулса в режим на свободно движение е 1-3] MS, импулс енергия в режим TEM00 &bdquo- «1 J / Hz и 1, 0" 1 Mrad, 2w "2-10 mm.
Лазери, основани на неодим стъкло работа по силикатни и фосфатни очила. Работа вещество са йоните на неодим Nd $ +. лазери дължина на вълната на емисиите 1061 нм силикат стъкло и фосфат - 1054 пМ. Тези лазери работят в режим на импулс и се характеризират с високи нива на енергия на импулс (J до 10®), флуоресцентни широки линии, 26 и 19 пМ, ниска импулсна честота на повторение, 1-2 Hz. Режим на 2о Свободното движение "= 5-10 мм, 0 = 5-10 мрад.
Най-широко използвани от всички твърди лазери са лазери базирани на Nd: YAG (YAG: Nd). Помпата обикновено се използва криптон и ксенон дъгови лампи. Най-лесно възбуден линия с X = 1,064 пМ, и активния елемент настъпва при линии с = 946, 1319 и 1833 пМ, ефективността на лазери 2-2.5%. Създаден няколкостотин промишлени образци гранат лазери. Те могат да бъдат разделени в три категории: постоянни, импулсни и непрекъснати-изпомпва, натоварени с импулсна изпомпване.
Непрекъснато лазери работят при много високи нива на мощност на 65-250 W X == 1064 пМ и 30 W на 1319 пМ, 0da1O 12 Mrad. средна мощност на импулсните лазери с непрекъснато изпомпване (= 1,064 пМ) в многомодовото е 20-40 w, TEM00 режим 3-16 W 0da1,2-2 Mrad. Предлагани лазери = 1,319 пМ, и преобразуване на честотата на втората и четвъртата хармонична дължини на вълните: 532, 266, 659 пМ. Мощността на излъчване на 1319 пМ - 4 W при 532 нм = -
4 W при 266 нм = - 0,5 вата. В тези лазери, предвижда периодичен Q превключване с честота 5-50 кХц. Импулсните лазери гранат изпомпва от импулсни характеризират с голяма в сравнение със стъклени и рубинени лазери импулс честота на повторение / da25-300 Hz на, tida8-100 не ida0,05-0,5 J = Pu 5-5-10-6 кВт 0 = 0,05-6 Mrad.
Обещаващ за биологични приложения е YAG: ER3 + лазер (Erbium) [111. Неговите параметри е практически не отстъпва гранат лазер, а дължината на неговата дължина на вълната на емисиите А = 2.94 цт в лентата се намира нормална вода молекула трептене (Amax "2,94 микрона до" свободен "и" Xmax 3.05 микрона до "свързан" вода), които определят неговите най-обещаващите за приложения в биологията и медицината.
Оптични лазери изглежда да е много обещаващо за диагностични приложения в биологията и медицината [P. 32]. Типични многоцелеви медицински лазер използва оптични влакна с диаметър на сърцевината от 7-10 микрона (25-30 микрона диаметър на обвивката), изработени от различни лазерни материали, както и за влакна, активирани от различни редкоземни елементи, дължина на вълната на емисиите може да варира в широк диапазон от UV до IR. лазерния излъчвател е спирала светлина тръба, разположен около резервоара на помпата, на дисталния край на който е 1-10 м изход на взаимодействието на радиация с биологичен обект. Когато са активирани, материал неодим влакна в режим на единичен импулс, лазерен печат енергия на >= 1,061 нанометра е 0,6 до 0,7 J на ​​тон&bdquo- = 100-120 MKE / = 10-20 Hz, Pepsi 20 = 25 вата.
Инструменти вещество твърд тип лазер багрило LCI-301 е набор от багрила в твърда матрица (РММА), като родамин 6G, родамин-С, 17-оксазин, оксазин-1. Активният елемент се произвежда от дискове, изпомпване се извършва втора хармонична на YAG: Nd на quasilongitudinal Схема лазер. Спектрален област регулиране лазер 550- 750 нм, ширина на линията на лазерния без Фабри - Перо 1 пМ, със стандартен 0.1 пМ, т&bdquo- «20 не /<100 Гц, 0да ^4 мрад, на =580 нм КПД преобразования 30 %.
Цвят център лазери върху параметрите близки за боядисване на лазери, и най-важното, те могат да отделят не само видими, но и в близката инфрачервена област
Дължините на вълните до 4 микрона, където няма подходящи оцветители [10, 12, 13]. Работни лазери среда цветни център са йонни кристали, обикновено алкален халогенид (AHC), които по различни начини (фотохимично, добавка или електронен лъч оцветяване) са тези комплекси или други дефекти точка с вътрешна скорост на поглъщане, така наречените /&rsquo-&rsquo - центрове или свои собствени цветни центрове. Е / V най-стабилна. F} -, F ^ -, F А и Fb центрове. Техните спектър луминисцентни препокриват обхвата 600- 4000 пМ. Използването на лазери AHC (NaF, LIF, КС1: Li, RbCl: Li, КС1: Na, КС1: Na +:. И т.н.), проведени непрекъснато настроен дължина на вълната: 630-730, 800-1500, 1700-2200, 2250- 3300 пМ. Тези лазери работят както в импулсни и непрекъснати режими. Някои от тях са ефективни само при ниски температури (77 К), други са добри изходни характеристики при стайна температура.
Обикновено, лазерно изпомпване се използва за други лазери боядисване със схемите на активния елемент праг е значително по-ниска от лазери за боядисване. Например, за непрекъснат лазерен праг електрическа помпа е само 13 MW. Източниците на помпа обикновено се използват Ar, Кг, Nd: Nd лазери. Ефективността на лазерни цветни центрове варира доста широко и може да бъде доста голям (2,1-60%). излъчена мощност също варира в широки граници (6 MW - 1 W), в импулсен режим на енергията на един импулс достигне десетки millijoules.
Представяме данни вътрешното лазер MAJICAH-201, първия в света търговски AHC лазер работи при стайна температура на кристала [31]. Интересно е също така, че е напълно автоматизиран с интегриран мини-компютъра. В синхронен лазер поколение постигне по два спектрални граници (840- 1100 пМ и 1090-1240 пМ) с източник помпа (нар или стъклени лазери) и нелинейна трансформация на радиация във втория хармонични, съответно наслагване на две вериги (420-550 нм и 545-620 нм). Ефикасността нелинейна превръщане е 10%. Работа кристал LiF (F}, F ^). ефективност реализациите е 8%, когато се изпомпва в 5 MW 532 нм и 15% при 25 MW изпомпване на основното (1064 пМ), т&bdquo- = 5-30 не /<12,5 Гц.
Ширината на редовете на емисиите на дифракционна решетка 1-3 см-1, с дифракционна решетка и стандартните 0,3 см"1. отклонението на лъчението е 3 Mrad, отклонение на лъча на помпата в една Mrad.

Полупроводникови лазери инжектиране.

Повечето от тези лазери са с ниска ефективност, значителни размери и доста сложни устройства. Всичко това пречи на създаването на тяхна основа на компактни уреди за диагностика. До голяма степен може да се създаде конкуренция полупроводникови лазери инжектиране, които обхващат диапазона от 575 пМ до 46.2 микрона, има висока ефективност (20%), изключително компактна и опростена конструкция [P. 40, стр 42, 10-13, 32, 33].
лазер полупроводникови е полупроводников диод с р - п възел, в който по време на преминаването на инжектиране ток в посока напред създава инверсия на населението. лазери най-често се използва двойно heterostructure диод се създава, когато два прехода между различни материали. Дебелината на активния слой в такива лазери 0.1-0.3 микрона, те работят при стайна температура. За разширяване на спектъра и за намаляване на прага на помпата използват различни трикомпонентни и кватернерни съединения. Например, Ga (As1_je PJ лазери обхващат диапазон от 830 (х. = 0) до 640 нм (х = 0.4) най-малката дължина на вълната = 575 нм се получава за съединението 1ph_zh Ga ^ Както ^ Pj-ил кватернерен сплав това. Y 2.2x за различни стойности на х, дава лазерни дължини на вълните 920-1500 пМ.
IR спектроскопия важен клас на полупроводникови лазери са лазери базирани съединения трет-вино всеки PbSx. ^ Se *, Pbx_x Sn * Te и Pbj ^ Sn ^ Se и други подобни, за които се получава активния елемент в диапазона от 2.5 до 46.2 микрона. В дадена концентрация на компонентите на настройка на дължината на вълната се осъществява чрез промяна на температурата на кристал, ток през диод (термичен ефект), прилагане на външно магнитно поле и налягане. Основният недостатък на лазери оловни съединения е необходимостта от тях охлаждане достатъчно дълбоко (20 до 10 К) за непрекъснат режим на работа, така промишлените IR спектрометри се използват заедно с непрекъснати импулсни диоди за охлаждане, които могат да се прилагат проста техника - термоелектрически охладители [P. 42].
Ако първата инжекция лазери имат относително малка дебелина (5.3 MW), сега е установено лазери, които в един режим може да осигури непрекъснато излъчване мощност до 50 MW. В поетапно създадена структура, състояща се от десет или повече лазери генериране на радиация от 2.5 w. Разбира се, основният недостатък на полупроводникови лазери е изключително малкия размер на лъча на изхода (0.5-1.0 микрона), което води в сравнение с други лазери, значително отклонение лъч (20-40 ° в равнина, перпендикулярна на равнината на активния слой, и 5-10 ° в равнината на слоя).
Въпреки това, най-различни методи за обработка може да намали съществуващите различия. Това означава, че използването на фиксирана фаза диодни структури допринася за намаляване на размера на светлини и спорни. Например, радиация модели на десет диоден лазер (А = 770 пМ, 90 MW R0bsch ^) могат да бъдат насочени към диаметър място от 2,5 микрона, който вече прави възможно да се използват ефективно в единичен режим оптични влакна за предаване на лъчение и осигуряване на диагноза на микроскопско биологична [32] , Трябва да се отбележи значително усилване ширина на линията диодни лазери, малки размери резонатор (около 1 mm), съответно значителни недостатъчните надлъжни режими (50 GHz, 1.6 см-1) изключително тясна ширина на отделна мода линия, която не може да надвишава 50 кХц.

Регулиращи източници лазерна светлина.

Успехът на методите за диагностика и лазерна спектроскопия, включително биологични и медицински проблеми, се определя до голяма степен от наличието на проста и надеждна настройваем лазерен източник в желания обхват на дължината на вълната. Като описание на различни лазери, ние се обърне специално внимание на този проблем, като един от най-важните за диагноза. Освен горните регулиращите лазери, има и други начини за получаване на регулираща последователен радиация. Да разгледаме най-важните от тях [P. 40, 10-13].
Често използват стимулирани Раман разсейване (СРП) за настройваем емисии. Един представителен раманов лазери е полупроводников лазер основава на Raman разсейване с центрофугиране, например на базата на INSB. дължина на вълната на лазера изпомпва от лазерен лъч SB е 5-6.5 микрона и изпомпва от
* СО лазер 9-14 микрона. В изходна мощност до 1 ват. Чрез промяна на магнитното поле интензивността на честотата на излъчване може да бъде настроено доста широк диапазон на 2 см-1 / кг. При използване на свръхпроводими магнити гама корекция е приблизително 80 cm-1.
Това са така наречените Раман лазери, работещи в SRS в газове и кондензирани среда. Така, използването като източници помпа за лазери боядисване в Раман лазери позволява газообразен водород за получаване на непрекъсната настройка диапазона от 185 нм - 7 микрона. За кондензира активен носители, например. един режим силициеви влакна, не е необходимо за настройваем източник помпа. Използване на радиация гранат лазерна мощност от няколко вата в оптично влакно на няколко стотин метра е възможно да се получи излъчване в обхвата от 1,08-1,13 mm за първи компонент Stokes, а вторият 1,15-1,175 мм [12]. В СССР произведени оптични влакна източници дължини на вълната, "гама-А" и "гама-S" дискретни спектър на съгласуван радиация, са възбудени от излъчване на всички импулсни лазери с 400-1100 пМ = ти *<1 не, Ри=0,01— —1МВт *).

* Exposé - ги ПИ. Вавилов "

Раман лазери принадлежат към голямото разнообразие на лазерни системи, използващи различни методи за нелинеен оптичен смесване, които също включват втора хармонична генератори, генератори сума и разлика честоти, параметрични генератори,. Тези системи обхващат цялата гама от вакуум ултравиолетова на инфрачервени, са съвсем задоволително за диагностични цели, интензитетът на съгласуван радиация.
За кристали второ поколение хармонични обикновено се използват LiNbOs (дължина на вълната помпа L, п = 1.06) и KDP (Yang = 500-600 нм). Ефективността на превръщане обикновено е по-малко от 10-50%. По този начин е възможно да се превърне не само лазерната светлина при фиксирана скорост, но и да се възстанови, но това е необходимо да се осигури синхронен ъглово или температура настройка на нелинейна кристал за фаза съвпадение на взаимодействащи вълни.
`Phi използват за боядисване на лазери с удвояване на честота, е възможно да се покрие диапазона 217-450 нм.
За генериране радиация сума честоти и по-високи хармоници могат да бъдат, в допълнение към кристалите използвани хомогенна смес от инертни изпарения газ и метални - позволява да се разшири обхвата на регулиращите последователен радиация, докато UV вакуум. Например, утрояване гранат лазер четвъртия хармоничен >. = 266 нм в смес от Хе - Аг може да генерира лъчение с L = 88.7 пМ.
Нелинейни смесване на радиация от две лазери във видимия диапазон, една от които е настройваем, позволява да се генерира разлика честоти в инфрачервената област на спектъра и на тази основа да се създаде разлика честотни спектрометри. Например, като се използва багрилото на излъчване, които се смесват в LiNb03 кристал лазер и Аг лазер, е възможно да се получи настройваем последователен радиация в диапазона 2.2-4.2 микрона.
Видни сред нелинейна Оптично устройство заема параметри осцилатор (OPO), който е нелинейна кристал разположен в оптичната кухина и изпомпва от работещ при фиксирана честота външен лазерно лъчение. ASG преструктуриране се извършва, или въртенето на кристала или промяна в температурата. При изпомпване на радиация LiNb03 кристал гранат лазер втора хармонична може да бъде получена в параметри поколение диапазон 550 Nm - 4 микрона. Така въртене на кристала при 4 ° променя своята дължина на вълната от 1.4 до 4.0 микрона.

Лазери и лазерни системи с къси и ultrashort импулси.

Един от най-важните свойства на лазери е възможността да се получи чрез тях е изключително кратки светлинни импулси. Невъзможно е в рамките на кратко представяне за разглеждане на известните методи и устройства, реализиране продължителност на кратко светлинни импулси и ultrashort, това е обширна литература (виж например, [стр. 1 - PG 3, PG 40, 10-13, 15, 35, 36]). Тук ще разгледаме само най-основните принципи на получаване на къси и ultrashort импулси и да даде някои цифри относно способността на някои видове лазери, вече обсъдени по-горе.
За така наречените гигантски импулси прилагат Q-прекъсвачи режим, който се извършва чрез завъртане на и бързо в сравнение с времето, когато помпата загуби в резонатора. Този режим се характеризира с по-кратък и значително по-мощен в сравнение с режим импулси свободно течаща. Като модулатори, или, както те се наричат, оптични щори, най-често използваният електро или акустично-оптичен модулатор, пасивни клапана на bleachable багрило и кристалите на алкален халид с цветни центрове или нелинейно абсорбиране газове вътре в резонатор. Q-включен режим модулация извършва за всички видове лазери, обаче, най-често се използва за получаване на къси, мощни импулси или C02 твърдотелен лазер. Типични стойности за продължителността на гигантски пулс не представляват 10-100.
Значително по-кратка продължителност може да бъде получена в синхронизация много надлъжни (TEM00) режими. При достигането на определена фаза на връзката, създадена между режимите на лазера, т.е.. Д. Индивидуални радиационни събития се случват синхронно, предполагат наличието на принудителен или спонтанен режим-заключване. За да се извърши принудително видове синхронизация използвани модулация или оптичен загуба в дължината на кухината чрез electrooptic и acoustooptic модулатор на честоти в близост до intermode честотен интервал cf2nL (фиг. 1.3).
В синхронизация режим лазер пречат един на друг, за да образуват кратко ширина на светлинен импулс определя от ширината на спектъра или активния елемент х режим ширина на линията&bdquo- «л / Av и разделени от интервал от време е определено intermode честотен интервал, В = 2nL / C. За газови лазери Av «109. в 1010 Hz, следователно е възможно да се получават импулси на наносекунда и subnanosecond dlitelnosti- за твърди лазери Av ^ lO12-1013 Hz и т,.<1 пс- для лазеров на красителях Av«1014 Гц, следовательно, в принципе можно достичь фемтосекундной области длительностей.
Най-ефективният начин да се получи ultrashort импулси продължителност настройваем 10"13/10/11 със синхронна оптична метод изпомпване, който се състои в промяна на усилването на активната среда на лазер на честоти равна или кратни на реципрочната стойност на времето байпас резонатор [36]. Този лазер генерира последователност от импулси, срещащи се в синхрон с импулси на помпата. Когато лазерен източник на помпата е синхронизиран с режимите на дължината на оптичния на помпена лазера и настройваема лазера трябва да се съгласува с необходимата точност.
Почти всички регулиращи лазери и лазерни системи, които са считани, се осъществява синхронното изпомпване - този лазер в цвета на полупроводникови лазери и Раман, параметрични осцилатори център и, разбира се, органична боя лазери най-разпространените и е вече на пазара. За тези лазери характеристика: те са относително нисък праг възбуждане, широка гама настройка, значително ефикасността и способността за генериране на импулси значително по-кратка продължителност от импулси на помпата. Това импулси висока спектрална качество (без допълнителни честотна модулация), въпреки че те са от особен интерес за точност кинетични и спектроскоп възбуждане оптични системи, използвани за компресия (натиск) в импулси от време [15].
Обикновено, синхронен метод изпомпване може да получи импулси единици пикосекунди - стотици фемтосекунди. За лазери боядисване изпомпва типични синхронни импулси са 2.5-10 PS, средна мощност на 80-100 MW, с честота на повторение на единичните импулси до 100 MHz, енергията на единичен импулс на 1-20 NJ, върхова мощност на 0.5-2 кВт ,
По-кратки импулси, получени в лазери за боядисване, имат продължителност от около 40 FS. Тяхната увеличение до 250 кВт и последващо пресоване в дължина един режим оптични влакна 0,7 cm позволяват да се получи 8 импулси FS, което е приблизително четири оптични период вибрации и е близка до теоретичната граница [15].
Имайте предвид, че в режим заключена лазери имат висока степен на повторение на импулса на няколко килохерца до няколко гигахерца, и се характеризират с умерени енергийни импулси. Този режим е интересно за биология от гледна точка на развитието на силно чувствителни, без разрушаване и бързи диагностика на.