Bueno, espero que ya haya visto la instalación láser más grande del mundo de 130 metros de largo, instalada en Sarov en VNIIEF. Se pretende, entre otras cosas, estudiar la fusión termonuclear (!).
Este artículo es una transcripción de una conferencia de Dmitry Artemiev, profesor titular del Departamento de Sistemas Láser y Biotécnicos de la Universidad de Samara e investigador junior. laboratorio de investigación "Fotónica". Dmitry dio esta conferencia en nuestro punto de ebullición de Samara justo antes de la introducción del régimen general de autoaislamiento.
Que es la luz
Para completar la imagen, comencemos con lo básico. Se sabe por el curso de física que la luz es una onda electromagnética o una corriente de fotones. Dado que una de las características de las ondas electromagnéticas es la longitud de onda, por luz (radiación) entendemos una onda electromagnética con una longitud de 1 nanómetro a varios centímetros. Por lo tanto, nuestra definición cubre el rango de los rayos X a la radiación infrarroja.
El rango visible a nuestros ojos es muy pequeño, alrededor de 300 nanómetros.
Si hablamos de rangos extravagantes, como los rayos X, entonces, por ejemplo, el año pasado la creación de un láser de electrones libres que trabaja en el rango de rayos X se convirtió en uno de los temas principales y fue nominado al Premio Nobel de Física. Curiosamente, el ganador de esta nominación también se asoció con la tecnología láser: el premio se otorgó por la creación de pulsos ultracortos y ultrapotentes. Por cierto, parte de la investigación se llevó a cabo en Rusia, en el Instituto de Física General de Nizhny Novgorod.
En qué se diferencia un láser de una bombilla convencional
La imagen muestra una comparación de las principales características. Cabe señalar especialmente que la potencia máxima del láser es muchas veces mayor que la potencia de las fuentes utilizadas en las lámparas. Pero no todos los láser necesitan esto: a menudo, una fracción de vatio, milivatio o microvatio es suficiente para que la aplicación obtenga solo una radiación específica.
Recordemos que el ancho del rango de radiación visible es de unos 400 nanómetros. Una lámpara incandescente tiene aproximadamente el mismo espectro de ancho, por lo que cuando los colores se mezclan, vemos luz blanca. A su vez, el ancho del rango del láser puede ser de 0,1 nanómetros. Esta propiedad única del láser se utiliza en algunos estudios espectrales y mediciones de precisión precisas.
Si iluminamos un puntero láser de un lado a otro de la habitación, veremos solo un pequeño punto en la pared opuesta, lo que demuestra una directividad estrecha de la radiación y una pequeña divergencia del rayo láser. Y en una lámpara fluorescente o incandescente, la radiación es prácticamente isotrópica, es decir, dirigido en todas direcciones.
La luz natural carece de cierta direccionalidad del vector de campo eléctrico, lo que significa que la luz no está polarizada. Es decir, para la luz de una bombilla ordinaria, el vector E (intensidad) se dirige en diferentes direcciones. En el caso de la radiación láser, el vector E tiene una dirección definida, las oscilaciones ocurren en un plano. Esta polarización también hace que la radiación láser sea algo única.
Física de procesos
El láser se inventó a finales de los años 50 del siglo pasado. En 1964, el estadounidense Charles Townes y los científicos soviéticos Alexander Mikhailovich Prokhorov y Nikolai Gennadievich Basov recibieron el Premio Nobel por el descubrimiento de la radiación láser. Además, Prokhorov y Basov no descubrieron un láser, ni una amplificación de luz, sino una amplificación de radiación en el rango de microondas, el llamado maser.
Laser es una abreviatura de cinco letras latinas: Amplificación de luz por emisión simulada de radiación. Traducido del inglés, esto significa "amplificación de la luz por radiación estimulada". A continuación se muestran tres diagramas. Primero, para que ocurra la radiación, es necesario que un electrón o partícula pase a un estado excitado. Para ello, la partícula debe recibir energía. Después de eso, se moverá a un nivel de energía más alto.
Son posibles otros dos escenarios. Si la partícula se mueve aleatoriamente a niveles de energía más bajos, entonces obtenemos una emisión espontánea. Sin embargo, si una partícula ubicada en el nivel superior de energía está influenciada por un cierto fotón, es decir, para dirigir luz de cierta longitud de onda hacia ella, entonces ya se producirá una radiación forzada. Y el fotón, nacido como resultado de tal influencia externa, será idéntico al fotón con el que interactuó. Así es como se obtiene una radiación coherente, en la que las ondas son iguales entre sí.
Cómo funciona el láser
Aquí hay un diagrama del primer láser. Este es un láser de rubí clásico creado en 1960 por el científico estadounidense Theodore Maiman. El dispositivo requiere un medio activo, en este caso un cristal de rubí, y dos espejos. Un espejo es opaco, con un coeficiente de reflexión cercano a la unidad. El segundo es semitransparente, dependiendo del tipo de láser, el coeficiente de reflexión del mismo puede diferir en ambas fracciones de un por ciento o decenas de por ciento en relación con un espejo reflectante.
Como bombeo óptico para láseres de estado sólido, por regla general, se utilizan otras radiaciones ópticas. El primer láser de cristal de rubí utilizó lámparas de luz blanca, que contenían espectros azul y verde; son estos los que el cristal de rubí absorbe mejor.
Entonces, el esquema clásico de un láser: esta es una sustancia activa (rubí), un resonador (dos espejos) y un sistema de bombeo. En otros esquemas, el bombeo puede ocurrir no solo por radiación óptica, sino también, por ejemplo, usando una descarga eléctrica (en láseres de gas). Pero antes que nada, los láseres difieren en el tipo de medio activo: láseres de estado sólido, láseres de gas, láseres de vapor metálico. Anteriormente, mencionamos un láser de electrones libres, ahora se está desarrollando y modernizando activamente. Además, los láseres de diodo (semiconductor) y los láseres de fibra, en los que se utiliza fibra óptica como medio activo, son ahora populares.
¿Dónde se usa la radiación láser?
La radiación láser se puede utilizar en medicina, industria, comunicaciones, asuntos militares y ciencia. La siguiente imagen muestra ejemplos de instrumentos médicos. Entonces, ahora los bisturíes láser para la corrección de la visión son muy populares. Ayudan a corregir la geometría del cristalino para deshacerse de la miopía o hipermetropía, corregir el astigmatismo, etc. El láser es ideal para cirugías oculares no solo por el tamaño del haz muy pequeño, sino que también es importante que el tiempo de exposición con un bisturí de este tipo pueda reducirse a femtosegundos. Se utilizan varios tipos de radiación para la cirugía estética. Y en odontología, la radiación ultravioleta se utiliza para endurecer el pegamento dental, que lo absorbe muy bien.
En la industria, el procesamiento más preciso del acero se realiza mediante láseres: grabado, corte de agujeros con un borde muy fino y limpio. Las propiedades de la radiación láser se utilizan para endurecer algunos metales. El láser de fibra más utilizado en la industria moderna.
En la industria de la construcción, los láseres se utilizan para determinar distancias o construir geometría. Ahora los niveles láser se venden en todas las ferreterías y son económicos.
Los militares y los cazadores han estado usando miras láser durante mucho tiempo. Al mismo tiempo, el láser rara vez se usa para causar daños directos, mientras que estos dispositivos son demasiado voluminosos. Por ejemplo, el ejército de EE. UU. Realizó un experimento en el que se instaló un sistema láser en un avión. ¿Para qué fue todo el avión? A pesar del pequeño tamaño del emisor, el sistema de bombeo consumía una gran cantidad de electricidad y el medio activo estaba muy caliente. Así que casi todo el espacio del avión estaba ocupado por los sistemas de enfriamiento y potencia del láser.
También se están desarrollando sistemas similares en nuestro país. Hace un par de años anunciamos el arma láser Peresvet. Hasta ahora, lo único que se sabe es que está colocado en una plataforma móvil, en un camión. El resto, lamentablemente, es secreto de estado.
Por separado, debería decirse sobre el uso de láseres en la investigación científica. Por ejemplo, los científicos de Sarov utilizan un láser en el proceso de fusión termonuclear: para irradiar un objetivo, la radiación de alta potencia se enfoca en un punto de tamaño mínimo.
Dichos láseres pueden ocupar grandes espacios: una reacción termonuclear requiere una fuente de radiación importante, cuyo tamaño puede alcanzar cientos de metros.
Instalación láser UFL-2M en Sarov
Junto con estos gigantes, comparables en tamaño a los estadios de fútbol, los láseres en miniatura basados en las llamadas nanoestructuras están ganando popularidad últimamente.
Los láseres se utilizan activamente en los sistemas de comunicación, incluidos los satélites. Una de las propiedades más útiles para los trabajadores de las comunicaciones es la propagación de la radiación en una fibra óptica: los sistemas de fibra óptica permiten transmitir hasta cientos de gigabytes por segundo a grandes distancias.
¿Cómo es la fibra óptica?
El principio de funcionamiento de la fibra óptica se basa en el efecto de la reflexión interna total. Mire la imagen de abajo: tenemos un chorro de agua, y si se aplica radiación a la entrada, cuando el chorro se dobla, no sale, sino que se esparce hacia adentro.
Así es como la radiación se propaga a través de un medio con un índice de refracción más alto en relación con su caparazón. Este principio le permite transferir datos a lo largo de decenas, cientos y miles de kilómetros con pérdidas mínimas.
Se utilizan LED o diodos láser como fuente de radiación óptica. El diodo láser tiene un mejor rendimiento, pero también cuesta más.
En la tecnología de las telecomunicaciones, se suelen utilizar láseres semiconductores con una longitud de onda de 1,3 o 1,55 micrómetros. Estas longitudes de onda no entran en la banda de absorción de varios grupos hidroxilo que están presentes en la fibra. Por tanto, la señal no se absorbe ni se atenúa a lo largo de muchos kilómetros.
Como detectores se pueden utilizar fotodiodos, diodos PIN y fotodiodos de avalancha. Difieren en sensibilidad. Si necesita registrar una señal muy débil, tome un fotodiodo de avalancha. Si la señal es de decenas a cientos de vatios, se puede utilizar cualquier otro tipo de fotodiodo.
Radiación láser y objetos biológicos
Cuando un rayo láser incide en un tejido biológico, puede producirse la absorción de esta radiación, así como la transmisión, dispersión o fluorescencia. Otra posible opción es la ablación, quema de las capas superiores de tejido. En este caso, las capas internas no se dañan.
Durante la absorción, tiene lugar la coagulación de varias partículas, es decir, su adhesión. Este efecto se aplica cuando se usa un láser en cirugía, como un bisturí láser. A diferencia de un bisturí mecánico, un vaso o tejido se corta casi sin sangre. Además, el rayo láser puede ser significativamente más delgado que la punta de un bisturí de metal.
El siguiente gráfico muestra los elementos que se pueden encontrar en los vasos sanguíneos, en la sangre y en los tejidos de la piel. Como sabemos, más del 70% de una persona consiste en agua. El agua también está presente en todos los tejidos biológicos. Hay melanina que tiñe nuestro tejido. Si nos bronceamos en verano, entonces la melanina en los tejidos de la piel se vuelve significativamente mayor. Y la hemoglobina que todos tenemos puede estar en dos estados: saturada de oxígeno (oxihemoglobina) y sin oxígeno (desoxihemoglobina).
El gráfico muestra cómo los diferentes elementos absorben activamente la radiación en diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, al utilizar un láser con una longitud de onda específica, podemos lograr una absorción selectiva.
O, por ejemplo, tomemos dos fuentes de radiación con diferentes longitudes de onda: una alcanza el máximo de absorción y la otra, el mínimo. Con contraste diferencial, se puede obtener la concentración de determinadas sustancias. Vemos que los máximos de los espectros de oxi y desoxihemoglobina están espaciados. Así, podemos determinar la concentración, por ejemplo, oxihemoglobina.
Esto es muy importante al realizar operaciones quirúrgicas. Ahora, en cualquier departamento quirúrgico existe un dispositivo que monitorea la saturación de oxígeno en sangre. Este sensor le permite determinar en tiempo real qué está sucediendo con el tejido del paciente en el lugar correcto.
Diagnóstico, imagenología, tratamiento del cáncer ...
Algunos sistemas de diagnóstico utilizan varios láseres con diferentes longitudes de onda. Ayudan a realizar investigaciones sobre diversas estructuras celulares: cómo se comportan, cómo reaccionan a las drogas.
Se mencionó anteriormente que el láser puede despegar las capas superiores de la piel. Se utiliza en particular para la eliminación de tatuajes. Los salones de belleza utilizan un láser de estado sólido con una longitud de onda de 1064 nanómetros para hacer tatuajes.
Otra aplicación común de los láseres es la terapia fotodinámica, que se usa a menudo en el tratamiento del cáncer. Primero, se introduce un fotosensibilizador en el tejido humano, una sustancia que se acumula en las células cancerosas agresivas. Después de eso, el tumor, generalmente rodeado de tejido sano, se expone a un láser con una longitud de onda que se encuentra dentro del máximo de absorción del fotosensibilizador. Como resultado, la radiación es absorbida solo por las células cancerosas. Por lo tanto, quemamos el cáncer sin afectar el tejido sano.
El láser se utiliza en medicina para obtener imágenes. Por ejemplo, en tomografía óptica, sirve como fuente de luz (ver diagrama). También se puede utilizar un diodo superluminiscente como fuente de luz: también emite debido a la dispersión estimulada, pero no tiene este grado de coherencia.
La fuente de luz se dirige hacia el divisor de haz. Parte de la radiación se refleja en el espejo, y la otra se dirige al objeto, reflejado desde el cual ambas ondas pueden interactuar entre sí. Si dos longitudes de onda coherentes interactúan entre sí, se produce interferencia. Y en el detector registramos un conjunto de franjas de interferencia, después del procesamiento que podemos obtener una imagen de una sección de tejido.
Un tomógrafo de coherencia óptica, cuyo principio se muestra en el diagrama, está disponible en todas las ciudades importantes. Esta tecnología le permite construir una imagen tridimensional de un objeto, en este caso, los ojos. Y la resolución espacial, donde podemos separar un píxel de otro, puede ser de unas pocas micras. Un análogo de esta tecnología es el ultrasonido. Solo para ultrasonido, no se usa radiación óptica, sino una onda ultrasónica. El ultrasonido tiene una mayor profundidad de penetración, lo que no se puede decir acerca de la precisión: la resolución espacial se mide en milímetros, no en micrones.
Por qué necesitas combinar métodos
En la Universidad de Samara, este enfoque se utilizó para estudiar la piel y los tejidos pulmonares con formaciones oncológicas. La foto de la izquierda es una imagen 3D reconstruida de tejido pulmonar. Y a la derecha hay una fotografía del área desde la que se grabó la señal.
La imagen de la izquierda muestra la diferencia entre las estructuras. El negro es aire, no vino ninguna señal de allí. La estructura porosa esponjosa es tejido pulmonar sano. Moviéndose hacia la derecha, puede ver cómo se forman las capas. Son más densos y tienen una determinada estructura, que es característica de las neoplasias oncológicas en los tejidos pulmonares. Este es un ejemplo de carcinoma de células escamosas extirpado como resultado de una operación en el Samara Cancer Center.
Se utilizó el mismo enfoque para estudiar el tejido cutáneo. Facilita la identificación del carcinoma de células basales, pero otros tipos de cáncer suelen ser similares entre sí y resulta imposible diagnosticar un tipo específico de enfermedad. Por tanto, los métodos de investigación óptica deben complementarse con los espectrales.
La siguiente ilustración muestra un diagrama de dispersión de luz Raman (inelástica), la denominada dispersión Raman. Aquí observamos nuevamente los niveles de energía con los que nos familiarizamos al considerar la dispersión estimulada.
La imagen muestra cómo la radiación láser excita las vibraciones en una molécula. Además, el 99,999% de esta radiación no cambia la longitud de onda. Pero una parte de la radiación después de interactuar con la molécula puede cambiar. Esta fracción del cambio de energía corresponde a la vibración de los enlaces a los que se dirigió la radiación láser.
Como resultado de la dispersión de luz Raman, obtenemos un conjunto de bandas, cuya posición está ligada a una vibración específica de nuestro objeto. Con estos datos, podemos determinar qué fluctuaciones tenemos. A su vez, la composición cuantitativa de estos componentes está determinada por la intensidad de la vibración.
La foto muestra el momento de la investigación en el Samara Cancer Center. Así es como se visualiza una muestra de tejido utilizando un dermatoscopio desarrollado allí.
La siguiente diapositiva muestra gráficos característicos de los espectros Raman para piel y neoplasias. En determinadas bandas del espectro, la intensidad puede aumentar o disminuir. Entonces, en el carril 2, la intensidad del melanoma maligno aumenta en un 100%. Y el cambio en la composición de los componentes en esta área es responsable del aumento de esta intensidad. En particular, si hablamos de cambios bioquímicos en los tejidos, la proporción de ADN y ARN en la célula cambia. La proporción de proteínas a lípidos en el tejido también puede cambiar.
Se llevó a cabo un estudio similar para el tejido pulmonar. Vemos que es posible distinguir las formaciones malignas de las benignas. Además, se pueden utilizar varios enfoques matemáticos para el análisis de datos, por ejemplo, modelos de regresión, que le permiten encontrar rápidamente diferencias espectrales en un gran conjunto de datos.
Entonces, el estudio de un objeto biológico utilizando láseres y tecnología espectral le permite obtener una gran cantidad de datos. Para procesarlos, se debe recurrir a métodos matemáticos, que, a su vez, deben implementarse en una computadora mediante un software especial.
Resumamos
La biofotónica brinda amplias oportunidades para diagnosticar el estado de los tejidos en tiempo real, permite la ablación con láser, limpiando las capas superiores de la piel. El bisturí láser se utiliza mucho en cirugía. Además, cuando se irradia un láser en el cuerpo, se pueden acelerar algunos procesos, por ejemplo, la producción de oxígeno en los vasos sanguíneos o en algunos tejidos. O reduzca la velocidad si es necesario.
Todas las tecnologías ópticas se utilizan para la investigación no invasiva, sin contacto directo del instrumento con el tejido. Para una investigación más precisa en diferentes rangos, puede utilizar varios láseres a la vez. Pero estas no son todas las posibilidades. No mencionamos una dirección tan interesante como la optogenética: el efecto del láser o la radiación óptica en las funciones cognitivas. Los investigadores se dirigen a las neuronas en áreas específicas del cerebro para tratar de mejorar el estado de ánimo, estimular la producción de hormonas y más. Mientras que estos experimentos se llevan a cabo en animales. La foto muestra un ratón con una fibra óptica implantada en su cráneo para una investigación adecuada.
En relación con la pandemia actual, cabe señalar que la espectroscopia Raman antes mencionada es una tecnología que se puede utilizar para investigar virus. Aquí nuevamente, un enfoque interdisciplinario: los virus son partículas de 20-200 nanómetros de tamaño, es necesario atraparlos de alguna manera. Los virus están contenidos en la sangre, que se mueve a través de un capilar determinado. Por lo tanto, se instalan nanotraps especiales en el capilar, nanoestructuras capaces de atrapar y capturar partículas de cierto tamaño. Una vez capturadas las partículas, realizamos su irradiación con un láser y el registro de la dispersión Raman; ahora podemos decir con certeza qué es. La ventaja de las tecnologías ópticas en este caso es que los virus se detectan incluso en su concentración mínima.
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En nuestra opinión, hemos enumerado la mayoría de las áreas más interesantes de aplicación del láser. Aunque probablemente podrían haber olvidado algo. Entonces, si alguien arroja datos interesantes en los comentarios, estaremos encantados.