Saya harap Anda telah melihat instalasi laser terbesar di dunia sepanjang 130 meter, dipasang di Sarov di VNIIEF. Hal ini dimaksudkan antara lain untuk mempelajari fusi termonuklir (!).
Artikel ini adalah transkrip ceramah oleh Dmitry Artemiev, dosen senior di Departemen Sistem Laser dan Bioteknik, Universitas Samara dan peneliti junior. laboratorium penelitian "Photonics". Dmitry memberikan ceramah ini di Samara Boiling Point kami tepat sebelum pengenalan rezim isolasi diri secara umum.
Apa itu cahaya
Untuk melengkapi gambarannya, mari kita mulai dengan dasar-dasarnya. Diketahui dari kursus fisika bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik atau aliran foton. Karena salah satu ciri gelombang elektromagnetik adalah panjang gelombang, maka yang dimaksud dengan cahaya (radiasi) adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang 1 nanometer sampai beberapa sentimeter. Jadi, definisi kami mencakup rentang dari sinar-X hingga radiasi infra merah.
Kisaran yang terlihat oleh mata kita sangat kecil, sekitar 300 nanometer.
Jika kita berbicara tentang rentang aneh, seperti sinar-X, maka, misalnya, tahun lalu pembuatan laser elektron bebas yang bekerja dalam rentang sinar-X menjadi salah satu topik utama dan dinominasikan untuk Hadiah Nobel bidang Fisika. Menariknya, pemenang dalam nominasi ini juga dikaitkan dengan teknologi laser: hadiah diberikan untuk kreasi pulsa ultra-pendek dan ultra-kuat. Ngomong-ngomong, sebagian dari penelitian dilakukan di Rusia, di Institut Fisika Umum Nizhny Novgorod.
Perbedaan laser dari bola lampu konvensional
Gambar menunjukkan perbandingan karakteristik utama. Perlu diperhatikan secara khusus bahwa daya laser maksimum berkali-kali lipat lebih tinggi daripada daya sumber yang digunakan pada lampu. Tetapi tidak setiap laser membutuhkan ini: seringkali sepersekian watt, miliwatt atau microwatt sudah cukup untuk aplikasi untuk mendapatkan radiasi tertentu saja.
Mari kita ingat bahwa lebar kisaran radiasi yang terlihat adalah sekitar 400 nanometer. Lampu pijar memiliki lebar spektrum yang hampir sama, jadi ketika warna dicampur, kita melihat cahaya putih. Pada gilirannya, lebar jangkauan laser bisa menjadi 0,1 nanometer. Properti unik dari laser ini digunakan dalam beberapa studi spektral dan pengukuran presisi yang tepat.
Jika kita menyorotkan penunjuk laser dari satu sisi ruangan ke sisi lain, kita hanya akan melihat titik kecil di dinding seberangnya, yang menunjukkan arah radiasi yang sempit dan perbedaan kecil sinar laser. Dan dalam lampu fluorescent atau lampu pijar, radiasinya praktis isotropik, mis. diarahkan ke segala arah.
Cahaya alami tidak memiliki arah tertentu dari vektor medan listrik, yang berarti cahaya tidak terpolarisasi. Artinya, untuk cahaya bohlam biasa, vektor E (intensitas) diarahkan ke arah yang berbeda. Dalam kasus radiasi laser, vektor E memiliki arah yang pasti, osilasi terjadi dalam satu bidang. Polarisasi ini juga membuat radiasi laser menjadi unik.
Proses fisika
Laser ditemukan pada akhir tahun 50-an abad terakhir. Pada tahun 1964, Charles Townes dari Amerika dan ilmuwan Soviet Alexander Mikhailovich Prokhorov dan Nikolai Gennadievich Basov menerima Hadiah Nobel untuk penemuan radiasi laser. Selain itu, Prokhorov dan Basov tidak menemukan laser, bukan amplifikasi cahaya, tetapi amplifikasi radiasi dalam rentang gelombang mikro, yang disebut maser.
Laser adalah singkatan dari lima huruf Latin: Amplifikasi Cahaya dengan Emisi Radiasi yang Disimulasikan. Diterjemahkan dari bahasa Inggris, ini berarti "amplifikasi cahaya dengan radiasi terstimulasi." Di bawah ini adalah tiga diagram. Pertama, agar radiasi terjadi, elektron atau partikel harus melewati keadaan tereksitasi. Untuk ini, partikel harus menerima energi. Setelah itu, dia akan pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi.
Dua skenario lebih lanjut dimungkinkan. Jika partikel bergerak secara acak ke tingkat energi yang lebih rendah, maka kita mendapatkan emisi spontan. Namun, jika sebuah partikel yang terletak di tingkat energi atas dipengaruhi oleh foton tertentu, yaitu untuk mengarahkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu padanya, maka radiasi paksa sudah akan terjadi. Dan foton, yang lahir sebagai akibat dari pengaruh eksternal semacam itu, akan identik dengan foton yang berinteraksi dengannya. Ini adalah bagaimana radiasi koheren diperoleh, di mana gelombangnya sama satu sama lain.
Bagaimana laser bekerja
Berikut adalah diagram laser pertama. Ini adalah laser ruby klasik yang dibuat pada tahun 1960 oleh ilmuwan Amerika Theodore Maiman. Perangkat membutuhkan media aktif, dalam hal ini kristal ruby, dan dua cermin. Satu cermin tumpul, dengan koefisien refleksi mendekati satu. Yang kedua adalah semitransparan, bergantung pada jenis lasernya, koefisien pantulannya dapat berbeda sepersekian persen atau puluhan persen relatif terhadap cermin reflektif.
Biasanya, radiasi optik lainnya digunakan sebagai pemompaan optik untuk laser solid-state. Laser kristal rubi pertama menggunakan lampu cahaya putih, yang berisi spektrum biru dan hijau - inilah yang paling diserap kristal ruby.
Jadi, skema klasik laser: ini adalah zat aktif (ruby), rongga (dua cermin), dan sistem pemompaan. Dalam skema lain, pemompaan dapat terjadi tidak hanya dari radiasi optik, tetapi juga, misalnya, menggunakan pelepasan listrik (dalam laser gas). Tetapi pertama-tama, laser berbeda dalam jenis media aktif: laser solid-state, laser gas, laser uap logam. Di atas, kami menyebutkan laser elektron bebas; sekarang sedang dikembangkan dan dimodernisasi secara aktif. Juga, laser dioda (semikonduktor) dan laser serat, di mana serat optik digunakan sebagai media aktif, sekarang populer.
Dimana radiasi laser digunakan
Radiasi laser dapat digunakan dalam pengobatan, industri, komunikasi, urusan militer dan sains. Gambar di bawah ini menunjukkan contoh alat kesehatan. Jadi, sekarang pisau bedah laser untuk koreksi penglihatan sangat populer. Mereka membantu mengoreksi geometri lensa untuk menghilangkan miopia atau hiperopia, mengoreksi astigmatisme, dan sebagainya. Laser sangat ideal untuk operasi mata, tidak hanya karena ukuran berkasnya yang sangat kecil - juga penting bahwa waktu pemaparan dengan pisau bedah dapat dikurangi menjadi femtosekon. Berbagai jenis radiasi digunakan untuk bedah kosmetik. Dan dalam kedokteran gigi, radiasi ultraviolet digunakan untuk mengeraskan lem gigi, yang menyerapnya dengan sangat baik.
Dalam industri, pemrosesan baja paling tepat dilakukan dengan menggunakan laser: ukiran, pemotongan lubang dengan ujung yang sangat tipis dan bersih. Sifat radiasi laser digunakan untuk mengeraskan beberapa logam. Laser serat yang paling umum digunakan dalam industri modern.
Dalam industri konstruksi, laser digunakan untuk menentukan jarak atau membangun geometri. Sekarang level laser dijual di semua toko perangkat keras, dan harganya tidak mahal.
Militer dan pemburu telah menggunakan pemandangan laser sejak lama. Pada saat yang sama, laser jarang digunakan untuk kerusakan langsung: sementara perangkat semacam itu terlalu besar. Misalnya, militer AS melakukan eksperimen di mana sistem laser dipasang pada pesawat terbang. Untuk apa seluruh pesawat itu? Meskipun ukuran emitornya kecil, sistem pemompaan mengkonsumsi listrik dalam jumlah besar, dan media aktifnya sangat panas. Jadi hampir semua ruang pesawat ditempati oleh tenaga laser dan sistem pendingin.
Sistem serupa juga sedang dikembangkan di negara kita. Beberapa tahun yang lalu kami mengumumkan senjata laser Peresvet. Sejauh ini, satu-satunya hal yang diketahui tentang itu adalah ditempatkan pada platform seluler, di atas truk. Sisanya, sayangnya, adalah rahasia negara.
Secara terpisah, harus dikatakan tentang penggunaan laser dalam penelitian ilmiah. Misalnya, para ilmuwan di Sarov menggunakan laser dalam proses fusi termonuklir: untuk menyinari target, radiasi berkekuatan tinggi difokuskan ke titik berukuran minimum.
Laser semacam itu dapat menempati ruang yang besar: reaksi termonuklir membutuhkan sumber radiasi yang serius, yang ukurannya dapat mencapai ratusan meter.
Fasilitas laser UFL-2M di Sarov
Bersama dengan raksasa seperti itu, yang ukurannya sebanding dengan stadion sepak bola, laser miniatur berdasarkan apa yang disebut struktur nano sedang mendapatkan popularitas akhir-akhir ini.
Laser secara aktif digunakan dalam sistem komunikasi, termasuk sistem satelit. Salah satu properti paling berguna bagi pekerja komunikasi adalah penyebaran radiasi dalam serat optik: sistem serat optik memungkinkan transmisi hingga ratusan gigabyte per detik dalam jarak yang sangat jauh.
Bagaimana serat bekerja
Prinsip pengoperasian serat optik didasarkan pada efek refleksi internal total. Lihatlah gambar di bawah ini: kami memiliki aliran air, dan jika radiasi diterapkan ke input, maka ketika alirannya bengkok, aliran itu tidak keluar, tetapi menyebar ke dalam.
Ini adalah bagaimana radiasi merambat melalui medium dengan indeks bias yang lebih tinggi relatif terhadap cangkangnya. Prinsip ini memungkinkan Anda mentransfer data lebih dari puluhan, ratusan, dan ribuan kilometer dengan kerugian minimal.
Baik LED atau dioda laser digunakan sebagai sumber radiasi optik. Dioda laser memiliki kinerja yang lebih baik, tetapi harganya juga lebih mahal.
Dalam teknologi telekomunikasi, laser semikonduktor dengan panjang gelombang 1,3 atau 1,55 mikrometer biasanya digunakan. Panjang gelombang ini tidak termasuk dalam pita serapan berbagai gugus hidroksil yang ada dalam serat. Dengan demikian, sinyal tidak diserap atau dilemahkan selama beberapa kilometer.
Fotodioda, dioda PIN dan fotodioda longsoran salju dapat digunakan sebagai pendeteksi. Mereka berbeda dalam kepekaan. Jika Anda perlu mendaftarkan sinyal yang sangat lemah, ambil fotodioda longsoran salju. Jika sinyalnya puluhan hingga ratusan watt, maka jenis fotodioda lainnya dapat digunakan.
Radiasi laser dan objek biologis
Ketika sinar laser mengenai jaringan biologis, penyerapan radiasi ini, serta transmisi, hamburan atau fluoresensi, dapat terjadi. Pilihan lain yang mungkin adalah ablasi, pembakaran lapisan atas jaringan. Dalam hal ini, lapisan dalam tidak rusak.
Selama penyerapan, koagulasi berbagai partikel terjadi, yaitu adhesi. Efek ini diterapkan saat menggunakan laser dalam operasi - sebagai pisau bedah laser. Tidak seperti pisau bedah mekanis, pembuluh atau jaringan dipotong hampir tanpa darah. Selain itu, sinar laser bisa jauh lebih tipis daripada ujung pisau bedah logam.
Grafik di bawah ini menunjukkan unsur-unsur yang dapat ditemukan di pembuluh darah, di darah, di jaringan kulit. Seperti kita ketahui, lebih dari 70% manusia terdiri dari air. Air juga ada di setiap jaringan biologis. Ada melanin yang menodai jaringan kita. Jika kita menjadi kecokelatan di musim panas, maka melanin di jaringan kulit menjadi jauh lebih banyak. Dan hemoglobin yang kita miliki bisa berada dalam dua keadaan - jenuh dengan oksigen (oksihemoglobin) dan tanpa oksigen (deoksihemoglobin).
Grafik tersebut menunjukkan seberapa aktif berbagai elemen menyerap radiasi pada panjang gelombang yang berbeda. Jadi, dengan menggunakan laser dengan panjang gelombang tertentu, kita dapat mencapai absorpsi selektif.
Atau, sebagai contoh, ambil dua sumber radiasi dengan panjang gelombang berbeda: yang satu mencapai penyerapan maksimum, yang lain - paling sedikit. Dengan perbedaan kontras, konsentrasi zat tertentu dapat diperoleh. Kita melihat bahwa maksimal spektrum oksidan deoksihemoglobin berjarak terpisah. Jadi, kita bisa menentukan konsentrasinya, misalnya oksihemoglobin.
Ini sangat penting saat melakukan operasi pembedahan. Sekarang di bagian bedah mana pun ada perangkat yang memantau saturasi oksigen darah. Sensor ini memungkinkan Anda menentukan secara real time apa yang terjadi dengan jaringan pasien di tempat yang tepat.
Diagnosis, pencitraan, pengobatan kanker ...
Beberapa sistem diagnostik menggunakan banyak laser dengan panjang gelombang berbeda. Mereka membantu melakukan penelitian tentang berbagai struktur seluler: bagaimana mereka berperilaku, bagaimana mereka bereaksi terhadap obat.
Telah disebutkan di atas bahwa laser dapat mengelupas lapisan atas kulit. Ini digunakan khususnya untuk menghilangkan tato. Salon kecantikan menggunakan laser solid-state dengan panjang gelombang 1.064 nanometer untuk membuat tato.
Penerapan umum laser lainnya adalah terapi fotodinamik, yang sering digunakan dalam pengobatan kanker. Pertama, fotosensitizer dimasukkan ke dalam jaringan manusia - zat yang terakumulasi dalam sel kanker agresif. Setelah itu, tumor - biasanya dikelilingi oleh jaringan sehat - terkena laser dengan panjang gelombang yang berada dalam batas penyerapan maksimum fotosensitizer ini. Akibatnya, radiasi hanya diserap oleh sel kanker. Jadi, kita membakar pertumbuhan kanker tanpa menyentuh jaringan sehat.
Laser digunakan dalam pengobatan untuk pencitraan. Misalnya, dalam tomografi optik, ini berfungsi sebagai sumber cahaya (lihat diagram). Dioda superluminescent juga dapat digunakan sebagai sumber cahaya: ia juga memancarkan karena hamburan terstimulasi, tetapi tidak memiliki derajat koherensi ini.
Sumber cahaya diarahkan ke beam splitter. Sebagian radiasi dipantulkan pada cermin, dan yang lainnya diarahkan ke objek, yang dipantulkan dari mana kedua gelombang dapat berinteraksi satu sama lain. Jika dua panjang gelombang koheren berinteraksi satu sama lain, interferensi terjadi. Dan pada detektor kami mendaftarkan satu set pinggiran interferensi, setelah diproses yang kami bisa mendapatkan gambar bagian jaringan.
Tomograf koherensi optik, yang prinsipnya ditunjukkan dalam diagram, tersedia di semua kota besar. Teknologi ini memungkinkan Anda untuk membuat gambar tiga dimensi dari suatu objek, dalam hal ini mata. Dan resolusi spasial, di mana kita dapat memisahkan satu piksel dari yang lain, bisa menjadi beberapa mikron. Analog dari teknologi ini adalah ultrasound. Hanya untuk USG, bukan radiasi optik yang digunakan, melainkan gelombang ultrasonik. Ultrasonografi memiliki kedalaman penetrasi yang lebih tinggi, yang tidak bisa dikatakan tentang keakuratannya: resolusi spasial diukur dalam milimeter, bukan mikron.
Mengapa Anda perlu menggabungkan metode
Di Universitas Samara, pendekatan ini digunakan untuk mempelajari jaringan kulit dan paru-paru dengan formasi onkologis. Foto di sebelah kiri adalah gambar 3D jaringan paru-paru yang direkonstruksi. Dan di sebelah kanan adalah foto area dari mana sinyal itu direkam.
Gambar di sebelah kiri menunjukkan perbedaan antar struktur. Hitam adalah udara, tidak ada sinyal dari sana. Struktur berpori seperti spons adalah jaringan paru-paru yang sehat. Pindah ke kanan, Anda dapat melihat bagaimana lapisan terbentuk. Mereka lebih padat dan memiliki struktur tertentu, yang merupakan ciri khas neoplasma onkologis di jaringan paru-paru. Ini adalah contoh karsinoma sel skuamosa yang diangkat akibat operasi di Pusat Kanker Samara.
Pendekatan yang sama digunakan untuk mempelajari jaringan kulit. Ini memudahkan untuk mengidentifikasi karsinoma sel basal, tetapi jenis kanker lain seringkali serupa satu sama lain, dan menjadi tidak mungkin untuk mendiagnosis jenis penyakit tertentu. Oleh karena itu, metode penelitian optik harus dilengkapi dengan metode spektral.
Ilustrasi berikut menunjukkan diagram hamburan cahaya Raman (inelastis) yang disebut hamburan Raman. Di sini kita sekali lagi mengamati tingkat energi yang kita ketahui saat mempertimbangkan hamburan terstimulasi.
Gambar tersebut menunjukkan bagaimana radiasi laser menimbulkan getaran dalam suatu molekul. Apalagi 99,999% radiasi ini tidak mengubah panjang gelombang. Tetapi beberapa bagian radiasi setelah berinteraksi dengan molekul dapat berubah. Fraksi perubahan energi ini sesuai dengan getaran ikatan yang diarahkan radiasi laser.
Sebagai hasil dari hamburan cahaya Raman, kita mendapatkan sekumpulan pita, yang posisinya terikat pada getaran tertentu dari objek kita. Dengan data ini, kita dapat menentukan fluktuasi apa yang kita miliki. Selanjutnya, komposisi kuantitatif dari komponen-komponen ini ditentukan oleh intensitas getaran.
Foto tersebut menunjukkan momen penelitian di Samara Cancer Center. Ini adalah bagaimana sampel jaringan divisualisasikan menggunakan dermatoskop yang dikembangkan di sana.
Slide berikutnya menunjukkan grafik karakteristik spektrum Raman untuk kulit dan neoplasma. Dalam pita spektrum tertentu, intensitas dapat meningkat atau menurun. Jadi, di jalur 2, intensitas untuk melanoma maligna meningkat 100%. Dan perubahan komposisi komponen di area ini bertanggung jawab atas peningkatan intensitas ini. Secara khusus, jika kita berbicara tentang perubahan biokimia dalam jaringan, maka rasio DNA dan RNA dalam sel berubah. Rasio protein terhadap lipid dalam jaringan juga dapat berubah.
Sebuah studi serupa dilakukan untuk jaringan paru-paru. Kami melihat bahwa mungkin untuk membedakan formasi ganas dari yang jinak. Selain itu, berbagai pendekatan matematika dapat digunakan untuk analisis data - misalnya, model regresi yang memungkinkan Anda menemukan perbedaan spektral dengan cepat dalam kumpulan data yang besar.
Jadi, studi tentang objek biologis menggunakan laser dan teknologi spektral memungkinkan Anda mendapatkan sekumpulan data yang sangat besar. Untuk memprosesnya, seseorang harus menggunakan metode matematika, yang pada gilirannya, harus diterapkan di komputer menggunakan perangkat lunak khusus.
Mari kita simpulkan
Biofotonik memberikan banyak peluang untuk mendiagnosis keadaan jaringan secara real time, memungkinkan ablasi laser - membersihkan lapisan atas kulit. Pisau bedah laser banyak digunakan dalam operasi. Selain itu, ketika laser diiradiasi di dalam tubuh, beberapa proses dapat dipercepat, misalnya produksi oksigen di pembuluh darah atau beberapa jaringan. Atau perlambat jika perlu.
Semua teknologi optik digunakan untuk penelitian non-invasif - tanpa kontak langsung instrumen dengan jaringan. Untuk penelitian yang lebih akurat dalam rentang yang berbeda, Anda dapat menggunakan beberapa laser sekaligus. Tapi ini tidak semua kemungkinan. Kami tidak menyebutkan arah yang menarik seperti optogenetika - efek laser atau radiasi optik pada fungsi kognitif. Peneliti menargetkan neuron di area tertentu di otak untuk mencoba memperbaiki suasana hati, merangsang produksi hormon, dan sebagainya. Sementara percobaan semacam itu sedang dilakukan pada hewan. Foto tersebut menunjukkan seekor tikus dengan serat optik yang ditanamkan di tengkoraknya untuk penelitian yang sesuai.
Sehubungan dengan pandemi saat ini, perlu dicatat bahwa spektroskopi Raman yang disebutkan di atas adalah teknologi yang dapat digunakan untuk meneliti virus. Sekali lagi di sini pendekatan interdisipliner: virus adalah partikel berukuran 20-200 nanometer, Anda perlu menangkapnya entah bagaimana caranya. Virus terkandung di dalam darah, yang bergerak melalui kapiler tertentu. Akibatnya, nanotraps khusus dipasang di kapiler - struktur nano yang mampu menjebak dan menangkap partikel dengan ukuran tertentu. Setelah partikel ditangkap, kami melakukan penyinaran laser dan pendaftaran hamburan Raman - sekarang kami dapat memastikan apa itu. Keuntungan teknologi optik dalam hal ini adalah virus terdeteksi bahkan pada konsentrasi minimumnya.
***
Menurut pendapat kami, kami telah membuat daftar sebagian besar bidang aplikasi laser yang paling menarik. Meskipun mereka mungkin telah melupakan sesuatu. Jadi, jika seseorang memberikan fakta menarik di komentar, kami akan muncul dengan senang hati.