Bem, espero que você já tenha visto a maior instalação de laser do mundo com 130 metros de comprimento, instalada em Sarov no VNIIEF. Pretende-se, entre outras coisas, estudar Fusão termonuclear (!).
Este artigo é uma transcrição de uma palestra de Dmitry Artemiev, professor sênior do Departamento de Laser e Sistemas Biotécnicos da Universidade de Samara e pesquisador júnior. laboratório de pesquisa "Fotônica". Dmitry deu esta palestra em nosso Ponto de Ebulição de Samara pouco antes da introdução do regime geral de auto-isolamento.
O que é luz
Para completar o quadro, vamos começar com o básico. Sabe-se do curso de física que a luz é uma onda eletromagnética ou um fluxo de fótons. Como uma das características das ondas eletromagnéticas é o comprimento de onda, por luz (radiação) entendemos uma onda eletromagnética com comprimento de 1 nanômetro a vários centímetros. Assim, nossa definição cobre a faixa de raios X à radiação infravermelha.
O alcance visível aos nossos olhos é muito pequeno, cerca de 300 nanômetros.
Se falamos de faixas bizarras, como os raios X, então, por exemplo, no ano passado a criação de um laser de elétrons livres que funcionasse na faixa dos raios X tornou-se um dos principais temas e foi indicado ao Prêmio Nobel de Física. Curiosamente, o vencedor desta nomeação também estava associado à tecnologia laser: o prêmio foi concedido pela criação de pulsos ultracurtos e superpoderosos. Aliás, parte da pesquisa foi realizada na Rússia, no Instituto de Física Geral Nizhny Novgorod.
Como um laser difere de uma lâmpada convencional
A imagem mostra uma comparação das principais características. Deve-se notar especialmente que a potência máxima do laser é muitas vezes maior do que a potência das fontes utilizadas nas lâmpadas. Mas nem todo laser precisa disso: muitas vezes, uma fração de watt, miliwatt ou microwatt é suficiente para que a aplicação obtenha apenas alguma radiação específica.
Vamos lembrar que a largura da faixa de radiação visível é de cerca de 400 nanômetros. Uma lâmpada incandescente tem aproximadamente o mesmo espectro em largura, então quando as cores são misturadas, vemos luz branca. Por sua vez, a largura do alcance do laser pode ser de 0,1 nanômetro. Esta propriedade única do laser é usada em alguns estudos espectrais e medições de precisão precisas.
Se apontarmos um apontador laser de um lado a outro da sala, veremos apenas um pequeno ponto na parede oposta, demonstrando uma estreita diretividade da radiação e uma pequena divergência do feixe de laser. E em uma lâmpada fluorescente ou incandescente, a radiação é praticamente isotrópica, ou seja, dirigido em todas as direções.
A luz natural carece de uma certa direcionalidade do vetor do campo elétrico, o que significa que a luz não é polarizada. Ou seja, para a luz de uma lâmpada comum, o vetor E (intensidade) é direcionado em diferentes direções. No caso da radiação laser, o vetor E tem uma direção definida, as oscilações ocorrem em um plano. Essa polarização também torna a radiação laser algo única.
Física do processo
O laser foi inventado no final dos anos 50 do século passado. Em 1964, o americano Charles Townes e os cientistas soviéticos Alexander Mikhailovich Prokhorov e Nikolai Gennadievich Basov receberam o Prêmio Nobel pela descoberta da radiação laser. Além disso, Prokhorov e Basov descobriram não um laser, não uma amplificação de luz, mas uma amplificação de radiação na faixa de microondas, o chamado maser.
Laser é uma abreviatura de cinco letras latinas: Amplificação de luz por emissão simulada de radiação. Traduzido do inglês, significa "amplificação da luz por radiação estimulada". Abaixo estão três diagramas. Primeiro, para que a radiação ocorra, é necessário que um elétron ou partícula passe para um estado excitado. Para isso, a partícula deve receber energia. Depois disso, ela passará para um nível de energia superior.
Outros dois cenários são possíveis. Se a partícula se move aleatoriamente para níveis mais baixos de energia, obtemos emissão espontânea. Porém, se uma partícula localizada no nível de energia superior for influenciada por um certo fóton, ou seja, para direcionar a luz de um determinado comprimento de onda para ela, então uma radiação forçada já ocorrerá. E o fóton, nascido como resultado dessa influência externa, será idêntico ao fóton com o qual interagiu. É assim que se obtém a radiação coerente, em que as ondas são iguais.
Como funciona o laser
Aqui está um diagrama do primeiro laser. Este é um clássico laser de rubi criado em 1960 pelo cientista americano Theodore Maiman. O dispositivo requer um meio ativo, neste caso um cristal de rubi, e dois espelhos. Um espelho é opaco, com um coeficiente de reflexão próximo da unidade. O segundo é semitransparente, dependendo do tipo de lasers, o coeficiente de reflexão pode diferir por uma fração de um por cento ou por dezenas de por cento em relação a um espelho reflexivo.
Como regra, outras radiações ópticas são usadas como bombeamento óptico para lasers de estado sólido. O primeiro laser de cristal de rubi usava lâmpadas de luz branca, que continham espectros azul e verde - são esses que o cristal de rubi absorve melhor.
Assim, o esquema clássico de um laser: trata-se de uma substância ativa (rubi), um ressonador (dois espelhos) e um sistema de bombeamento. Em outros esquemas, o bombeamento pode ocorrer não apenas a partir da radiação óptica, mas também, por exemplo, por meio de uma descarga elétrica (em lasers de gás). Mas, em primeiro lugar, os lasers diferem no tipo de meio ativo: lasers de estado sólido, lasers de gás, lasers de vapor metálico. Acima, mencionamos um laser de elétrons livres, agora ele está sendo ativamente desenvolvido e modernizado. Além disso, lasers de diodo (semicondutor) e lasers de fibra, onde a fibra óptica é usada como meio ativo, agora são populares.
Onde a radiação laser é usada
A radiação laser pode ser usada na medicina, indústria, comunicações, assuntos militares e ciência. A imagem abaixo mostra exemplos de instrumentos médicos. Portanto, agora os bisturis a laser para correção da visão são muito populares. Eles ajudam a corrigir a geometria da lente para eliminar a miopia ou hipermetropia, corrigir o astigmatismo e assim por diante. O laser é ideal para cirurgias oculares não apenas por causa do tamanho muito pequeno do feixe - também é importante que o tempo de exposição com esse bisturi possa ser reduzido a femtossegundos. Vários tipos de radiação são usados para cirurgia estética. E na odontologia, a radiação ultravioleta é usada para endurecer a cola dentária, que a absorve muito bem.
Na indústria, o processamento mais preciso do aço é realizado com lasers: gravação, abertura de furos com uma borda muito fina e limpa. As propriedades da radiação laser são usadas para endurecer alguns metais. O laser de fibra mais comumente usado na indústria moderna.
Na indústria de construção, os lasers são usados para determinar distâncias ou geometria de construção. Agora, os níveis de laser são vendidos em todas as lojas de ferragens e são baratos.
Os militares e caçadores usam miras a laser há muito tempo. Ao mesmo tempo, o laser raramente é usado para danos diretos: embora tais dispositivos sejam muito volumosos. Por exemplo, os militares americanos realizaram um experimento no qual um sistema de laser foi instalado em uma aeronave. Para que era o avião inteiro? Apesar do pequeno tamanho do emissor, o sistema de bombeamento consumia uma grande quantidade de eletricidade e o meio ativo estava muito quente. Assim, quase todo o espaço da aeronave foi ocupado pelos sistemas de energia e refrigeração do laser.
Sistemas semelhantes também estão sendo desenvolvidos em nosso país. Alguns anos atrás, anunciamos a arma laser Peresvet. Até agora, a única coisa que se sabe sobre ele é que ele está colocado em uma plataforma móvel, em um caminhão. O resto, infelizmente, é segredo de estado.
Separadamente, devo dizer sobre o uso de lasers na pesquisa científica. Por exemplo, os cientistas em Sarov usam um laser no processo de fusão termonuclear: para irradiar um alvo, a radiação de alta potência é focada em um ponto de tamanho mínimo.
Esses lasers podem ocupar grandes espaços: uma reação termonuclear requer uma fonte de radiação séria, cujo tamanho pode chegar a centenas de metros.
Instalação de laser UFL-2M em Sarov
Junto com tais gigantes, comparáveis em tamanho a estádios de futebol, lasers em miniatura baseados nas chamadas nanoestruturas estão ganhando popularidade recentemente.
Lasers são ativamente usados em sistemas de comunicação, incluindo os de satélite. Uma das propriedades mais úteis para profissionais de comunicação é a propagação da radiação em uma fibra óptica: os sistemas de fibra óptica permitem a transmissão de até centenas de gigabytes por segundo em grandes distâncias.
Como funciona a fibra
O princípio de funcionamento da fibra óptica é baseado no efeito da reflexão interna total. Veja a figura abaixo: temos um fluxo de água, e se a radiação for aplicada na entrada, então quando o fluxo é dobrado, não sai, mas se espalha para dentro.
É assim que a radiação se propaga através de um meio com um índice de refração mais alto em relação à sua casca. Este princípio permite que os dados sejam transmitidos por dezenas, centenas e milhares de quilômetros com perdas mínimas.
Tanto LEDs quanto diodos laser são usados como fonte de radiação óptica. O diodo laser tem melhor desempenho, mas também custa mais.
Na tecnologia de telecomunicações, geralmente são usados lasers semicondutores com comprimento de onda de 1,3 ou 1,55 micrômetros. Esses comprimentos de onda não se enquadram na banda de absorção de vários grupos hidroxila que estão presentes na fibra. Assim, o sinal não é absorvido ou atenuado ao longo de muitos quilômetros.
Fotodiodos, diodos PIN e fotodiodos de avalanche podem ser usados como detectores. Eles diferem em sensibilidade. Se você quiser registrar um sinal muito fraco, faça um fotodiodo de avalanche. Se o sinal for de dezenas a centenas de watts, qualquer outro tipo de fotodiodos pode ser usado.
Radiação laser e objetos biológicos
Quando um feixe de laser atinge um tecido biológico, pode ocorrer a absorção dessa radiação, bem como a transmissão, espalhamento ou fluorescência. Outra opção possível é a ablação, com queima das camadas superiores do tecido. Nesse caso, as camadas internas não são danificadas.
Durante a absorção, ocorre a coagulação de várias partículas, ou seja, sua adesão. Este efeito é aplicado quando se usa um laser em cirurgia - como um bisturi a laser. Ao contrário de um bisturi mecânico, um vaso ou tecido é cortado quase sem sangue. Além disso, o feixe de laser pode ser significativamente mais fino do que a ponta de um bisturi de metal.
O gráfico abaixo mostra os elementos que podem ser encontrados nos vasos sanguíneos, no sangue, nos tecidos da pele. Como sabemos, mais de 70% de uma pessoa é constituída de água. A água também está presente em todos os tecidos biológicos. Existe melanina que mancha nosso tecido. Se nos bronzearmos no verão, a melanina nos tecidos da pele aumenta significativamente. E a hemoglobina que todos nós temos pode estar em dois estados - saturada com oxigênio (oxihemoglobina) e sem oxigênio (desoxihemoglobina).
O gráfico mostra como os diferentes elementos absorvem ativamente a radiação em diferentes comprimentos de onda. Assim, ao usar um laser com um comprimento de onda específico, podemos alcançar a absorção seletiva.
Ou, por exemplo, vamos pegar duas fontes de radiação com comprimentos de onda diferentes: uma atinge o máximo de absorção, a outra - no mínimo. Com contraste diferencial, a concentração de certas substâncias pode ser obtida. Vemos que os máximos dos espectros de oxi e desoxihemoglobina estão espaçados. Assim, podemos determinar a concentração, por exemplo, oxiemoglobina.
Isso é muito importante ao realizar operações cirúrgicas. Agora, em qualquer departamento cirúrgico, existe um dispositivo que monitora a saturação de oxigênio no sangue. Este sensor permite determinar em tempo real o que está acontecendo com o tecido do paciente no lugar certo.
Diagnóstico, imagem, tratamento do câncer ...
Alguns sistemas de diagnóstico usam vários lasers com diferentes comprimentos de onda. Eles ajudam a conduzir pesquisas sobre várias estruturas celulares: como se comportam, como respondem às drogas.
Foi mencionado acima que o laser pode descascar as camadas superiores da pele. É usado principalmente para a remoção de tatuagens. Salões de beleza usam um laser de estado sólido com comprimento de onda de 1064 nanômetros para fazer tatuagens.
Outra aplicação comum dos lasers é a terapia fotodinâmica, que é frequentemente usada no tratamento do câncer. Primeiro, um fotossensibilizador é introduzido no tecido humano - uma substância que se acumula nas células cancerosas agressivas. Depois disso, o tumor - geralmente circundado por tecido saudável - é exposto a um laser com comprimento de onda que se enquadra no máximo de absorção do fotossensibilizador. Como resultado, a radiação é absorvida apenas pelas células cancerosas. Assim, eliminamos o câncer sem afetar o tecido saudável.
O laser é usado na medicina para geração de imagens. Por exemplo, na tomografia óptica, serve como fonte de luz (veja o diagrama). Um diodo superluminescente também pode ser usado como fonte de luz: ele também emite devido ao espalhamento estimulado, mas não tem esse grau de coerência.
A fonte de luz é direcionada para o divisor de feixe. Parte da radiação é refletida no espelho, e a outra é direcionada ao objeto, sendo refletida a partir do qual as duas ondas podem interagir uma com a outra. Se dois comprimentos de onda coerentes interagem entre si, ocorre interferência. E no detector registramos um conjunto de franjas de interferência, após o processamento, podemos obter uma imagem de uma seção de tecido.
Um tomógrafo de coerência óptica, cujo princípio é mostrado no diagrama, está disponível em todas as grandes cidades. Essa tecnologia permite que você construa uma imagem tridimensional de um objeto, neste caso - os olhos. E a resolução espacial, onde podemos separar um pixel do outro, pode ser de alguns mícrons. Um análogo dessa tecnologia é o ultrassom. Apenas para ultrassom, não é usada radiação óptica, mas uma onda ultrassônica. O ultrassom tem uma profundidade de penetração maior, o que não pode ser dito sobre precisão: a resolução espacial é medida em milímetros, não em mícrons.
Por que você precisa combinar métodos
Na Samara University, essa abordagem foi usada para estudar os tecidos da pele e do pulmão com formações oncológicas. A foto à esquerda é uma imagem 3D reconstruída do tecido pulmonar. E à direita está uma fotografia da área de onde o sinal foi gravado.
A imagem à esquerda mostra a diferença entre as estruturas. Preto é ar, nenhum sinal veio de lá. A estrutura porosa esponjosa é o tecido pulmonar saudável. Movendo para a direita, você pode ver como as camadas são formadas. São mais densos e apresentam certa estrutura, característica das neoplasias oncológicas do tecido pulmonar. Este é um exemplo de carcinoma de células escamosas removido como resultado de uma operação no Samara Cancer Center.
A mesma abordagem foi usada para estudar o tecido da pele. Facilita a identificação do carcinoma basocelular, mas outros tipos de câncer costumam ser semelhantes e torna-se impossível diagnosticar um tipo específico de doença. Portanto, os métodos de pesquisa óptica devem ser complementados com os espectrais.
A ilustração a seguir mostra um diagrama de espalhamento de luz Raman (inelástico), o chamado espalhamento Raman. Aqui, observamos novamente os níveis de energia com os quais nos familiarizamos ao considerar o espalhamento estimulado.
A imagem mostra como a radiação laser excita as vibrações em uma molécula. Além disso, 99,999% dessa radiação não altera o comprimento de onda. Mas alguma parte da radiação após interagir com a molécula pode mudar. Essa fração da mudança de energia corresponde à vibração das ligações para as quais a radiação do laser foi direcionada.
Como resultado do espalhamento Raman da luz, obtemos um conjunto de faixas, cuja posição está ligada a uma vibração específica de nosso objeto. Com esses dados, podemos determinar quais flutuações temos. Por sua vez, a composição quantitativa desses componentes é determinada pela intensidade da vibração.
A foto mostra o momento da pesquisa no Samara Cancer Center. É assim que uma amostra de tecido é visualizada por meio de um dermatoscópio ali desenvolvido.
O próximo slide mostra gráficos característicos de espectros Raman para pele e neoplasias. Em certas bandas do espectro, a intensidade pode aumentar ou diminuir. Portanto, na faixa 2, a intensidade do melanoma maligno aumenta em 100%. E a mudança na composição dos componentes dessa área é responsável pelo aumento dessa intensidade. Em particular, se estamos falando sobre mudanças bioquímicas no tecido, então a proporção de DNA e RNA na célula muda. A proporção de proteínas para lipídios no tecido também pode mudar.
Um estudo semelhante foi realizado para o tecido pulmonar. Vemos que é possível distinguir formações malignas de benignas. Além disso, várias abordagens matemáticas podem ser usadas para análise de dados - por exemplo, modelos de regressão, que permitem que você encontre rapidamente diferenças espectrais em um grande conjunto de dados.
Portanto, o estudo de um objeto biológico usando lasers e tecnologia espectral permite obter um grande conjunto de dados. Para processá-los, é necessário recorrer a métodos matemáticos que, por sua vez, devem ser implementados em um computador com software especial.
Vamos resumir
A biofotônica oferece amplas oportunidades para diagnosticar o estado dos tecidos em tempo real, permite a ablação a laser - limpando as camadas superiores da pele. O bisturi a laser é amplamente utilizado em cirurgia. Além disso, quando um laser é irradiado no corpo, alguns processos podem ser acelerados, por exemplo, a produção de oxigênio nos vasos sanguíneos ou alguns tecidos. Ou diminua a velocidade, se necessário.
Todas as tecnologias ópticas são usadas para pesquisas não invasivas - sem contato direto do instrumento com o tecido. Para pesquisas mais precisas em diferentes intervalos, você pode usar vários lasers de uma vez. Mas nem todas essas possibilidades. Não mencionamos uma direção tão interessante como a optogenética - o efeito do laser ou da radiação óptica nas funções cognitivas. Os pesquisadores têm como alvo os neurônios em áreas específicas do cérebro para tentar melhorar o humor, estimular a produção de hormônios e assim por diante. Enquanto esses experimentos estão sendo realizados em animais. A foto mostra um mouse com uma fibra ótica implantada em seu crânio para pesquisas apropriadas.
Em conexão com a atual pandemia, é importante notar que a já mencionada espectroscopia Raman é uma tecnologia que pode ser usada para pesquisar vírus. Aqui, novamente, uma abordagem interdisciplinar: os vírus são partículas de 20-200 nanômetros de tamanho, você precisa capturá-los de alguma forma. Os vírus estão contidos no sangue, que se move através de um determinado capilar. Consequentemente, nanotraps especiais são instalados nos capilares - nanoestruturas capazes de aprisionar e capturar partículas de um determinado tamanho. Após a captura das partículas, fazemos sua irradiação a laser e registro do espalhamento Raman - agora podemos dizer com certeza o que é. A vantagem das tecnologias óticas, neste caso, é que os vírus são detectados mesmo em sua concentração mínima.
***
Em nossa opinião, listamos a maioria das áreas mais interessantes de aplicação do laser. Embora eles provavelmente possam ter esquecido algo. Então, se alguém incluir fatos interessantes nos comentários, vamos aparecer com prazer.