Eh bien, j'espère que vous avez déjà vu la plus grande installation laser au monde de 130 mètres de long, installée à Sarov au VNIIEF. Il est destiné, entre autres, à étudier la fusion thermonucléaire (!).
Cet article est une transcription d'une conférence de Dmitry Artemiev, maître de conférences au Département des systèmes laser et biotechniques de l'Université de Samara et chercheur junior. laboratoire de recherche "Photonique". Dmitry a donné cette conférence à notre Samara Boiling Point juste avant l'introduction du régime général d'auto-isolement.
Qu'est-ce que la lumière
Pour compléter le tableau, commençons par les bases. Il est connu du cours de physique que la lumière est une onde électromagnétique ou un flux de photons. Comme l'une des caractéristiques des ondes électromagnétiques est la longueur d'onde, nous entendons par lumière (rayonnement) une onde électromagnétique d'une longueur de 1 nanomètre à plusieurs centimètres. Ainsi, notre définition couvre la gamme des rayons X au rayonnement infrarouge.
La portée visible à nos yeux occupe un très petit intervalle, de l'ordre de 300 nanomètres.
Si nous parlons de gammes extravagantes, telles que les rayons X, alors, par exemple, l'année dernière, la création d'un laser à électrons libres fonctionnant dans la gamme des rayons X est devenue l'un des principaux sujets et a été nominée pour le prix Nobel de physique. Fait intéressant, le gagnant de cette nomination était également associé à la technologie laser: le prix a été décerné pour la création d'impulsions ultra-courtes et ultra-puissantes. À propos, une partie de la recherche a été menée en Russie, à l'Institut de physique générale de Nizhny Novgorod.
Comment un laser diffère d'une ampoule conventionnelle
L'image montre une comparaison des principales caractéristiques. Il convient de noter en particulier que la puissance maximale du laser est plusieurs fois supérieure à la puissance des sources utilisées dans les lampes. Mais tous les lasers n'en ont pas besoin: souvent, une fraction de watt, milliwatt ou microwatt suffit pour que l'application n'obtienne qu'un rayonnement spécifique.
Rappelons que la largeur de la plage de rayonnement visible est d'environ 400 nanomètres. Une lampe à incandescence a à peu près le même spectre de largeur, donc lorsque les couleurs sont mélangées, nous voyons une lumière blanche. À son tour, la largeur de la plage laser peut être de 0,1 nanomètre. Cette propriété unique du laser est utilisée dans certaines études spectrales et mesures de précision précises.
Si nous faisons briller un pointeur laser d'un côté de la pièce à l'autre, nous ne verrons qu'une petite tache sur le mur opposé, démontrant une directivité étroite du rayonnement et une petite divergence du faisceau laser. Et pour les lampes fluorescentes ou à incandescence, le rayonnement est pratiquement isotrope, c'est-à-dire dirigé dans toutes les directions.
La lumière naturelle n'a pas une certaine directivité du vecteur de champ électrique, ce qui signifie que la lumière n'est pas polarisée. Autrement dit, pour la lumière d'une ampoule ordinaire, le vecteur E (intensité) est dirigé dans différentes directions. Dans le cas du rayonnement laser, le vecteur E a une direction définie, les oscillations se produisent dans un plan. Cette polarisation rend également le rayonnement laser quelque peu unique.
Physique des processus
Le laser a été inventé à la fin des années 50 du siècle dernier. En 1964, l'Américain Charles Townes et les scientifiques soviétiques Alexander Mikhailovich Prokhorov et Nikolai Gennadievich Basov ont reçu le prix Nobel pour la découverte du rayonnement laser. De plus, Prokhorov et Basov ont découvert non pas un laser, pas une amplification de la lumière, mais une amplification du rayonnement dans la gamme des micro-ondes, le soi-disant maser.
Laser est une abréviation de cinq lettres latines: Amplification de la lumière par émission simulée de rayonnement. Traduit de l'anglais, cela signifie «amplification de la lumière par rayonnement stimulé». Voici trois schémas. Premièrement, pour qu'un rayonnement se produise, il est nécessaire qu'un électron ou une particule passe dans un état excité. Pour cela, la particule doit recevoir de l'énergie. Après cela, elle passera à un niveau d'énergie supérieur.
Deux autres scénarios sont possibles. Si la particule se déplace de manière aléatoire vers des niveaux d'énergie inférieurs, nous obtenons une émission spontanée. Cependant, si une particule située au niveau d'énergie supérieur est influencée par un certain photon, c'est-à-dire pour diriger la lumière d'une certaine longueur d'onde vers lui, alors un rayonnement forcé se produira déjà. Et le photon, né d'une telle influence externe, sera identique au photon avec lequel il a interagi. C'est ainsi que l'on obtient un rayonnement cohérent, dans lequel les ondes sont égales les unes aux autres.
Comment fonctionne le laser
Voici un schéma du premier laser. Il s'agit d'un laser rubis classique créé en 1960 par le scientifique américain Theodore Maiman. L'appareil nécessite un milieu actif, dans ce cas un cristal de rubis, et deux miroirs. Un miroir est terne, avec un coefficient de réflexion proche de l'unité. Le second est semi-transparent, selon le type de lasers, le coefficient de réflexion de celui-ci peut différer d'une fraction de pour cent ou de dizaines de pour cent par rapport à un miroir réfléchissant.
En tant que pompage optique pour les lasers à semi-conducteurs, en règle générale, un autre rayonnement optique est utilisé. Le premier laser à cristal de rubis utilisait des lampes à lumière blanche, qui contenaient des spectres bleu et vert - ce sont celles-ci que le cristal de rubis absorbe le mieux.
Donc, le schéma classique d'un laser: il s'agit d'une substance active (rubis), d'un résonateur (deux miroirs) et d'un système de pompage. Dans d'autres schémas, le pompage peut se produire non seulement à partir d'un rayonnement optique, mais également, par exemple, à l'aide d'une décharge électrique (dans les lasers à gaz). Mais tout d'abord, les lasers diffèrent par le type de milieu actif: lasers à solide, lasers à gaz, lasers à vapeur métallique. Ci-dessus, nous avons mentionné un laser à électrons libres; maintenant, il est activement développé et modernisé. En outre, les lasers à diodes (semi-conducteurs) et les lasers à fibre, où la fibre optique est utilisée comme milieu actif, sont désormais populaires.
Où le rayonnement laser est-il utilisé
Le rayonnement laser peut être utilisé dans la médecine, l'industrie, les communications, les affaires militaires et la science. L'image ci-dessous montre des exemples d'instruments médicaux. Ainsi, les scalpels laser pour la correction de la vue sont désormais très populaires. Ils aident à corriger la géométrie du cristallin pour se débarrasser de la myopie ou de l'hypermétropie, corriger l'astigmatisme, etc. Le laser est idéal pour les chirurgies oculaires non seulement en raison de la très petite taille du faisceau - il est également important que le temps d'exposition avec un tel scalpel puisse être réduit à femtosecondes. Différents types de rayonnement sont utilisés pour la chirurgie esthétique. Et en dentisterie, le rayonnement ultraviolet est utilisé pour durcir la colle dentaire, qui l'absorbe très bien.
Dans l'industrie, le traitement le plus précis de l'acier est réalisé à l'aide de lasers: gravure, découpe de trous avec un bord très fin et propre. Les propriétés du rayonnement laser sont utilisées pour durcir certains métaux. Le laser à fibre le plus couramment utilisé dans l'industrie moderne.
Dans l'industrie de la construction, les lasers sont utilisés pour déterminer les distances ou construire la géométrie. Maintenant, les niveaux laser sont vendus dans toutes les quincailleries et ils sont peu coûteux.
Les militaires et les chasseurs utilisent des viseurs laser depuis longtemps. Dans le même temps, le laser est rarement utilisé pour les dommages directs: alors que ces appareils sont trop encombrants. Par exemple, l'armée américaine a mené une expérience dans laquelle un système laser a été installé sur un avion. À quoi servait tout l'avion? Malgré la petite taille de l'émetteur, le système de pompage consommait une énorme quantité d'électricité et le milieu actif était très chaud. Ainsi, presque tout l'espace de l'avion était occupé par les systèmes d'alimentation et de refroidissement du laser.
Des systèmes similaires sont également en cours de développement dans notre pays. Il y a quelques années, nous avons annoncé l'arme laser Peresvet. Jusqu'à présent, la seule chose connue à ce sujet est qu'elle est placée sur une plate-forme mobile, sur un camion. Le reste, hélas, est un secret d'État.
Séparément, il faut dire sur l'utilisation des lasers dans la recherche scientifique. Par exemple, les scientifiques de Sarov utilisent un laser dans le processus de fusion thermonucléaire: pour irradier une cible, un rayonnement de haute puissance est focalisé dans un point de taille minimale.
De tels lasers peuvent occuper de grands espaces: une réaction thermonucléaire nécessite une source de rayonnement importante, dont la taille peut atteindre des centaines de mètres.
Installation laser UFL-2M à Sarov
Parallèlement à ces géants, de taille comparable aux stades de football, les lasers miniatures basés sur des nanostructures ont récemment gagné en popularité.
Les lasers sont activement utilisés dans les systèmes de communication, y compris les satellites. L'une des propriétés les plus utiles pour les travailleurs des communications est la propagation du rayonnement dans une fibre optique: les systèmes à fibre optique permettent de transmettre jusqu'à des centaines de gigaoctets par seconde sur de grandes distances.
Comment fonctionne la fibre
Le principe de fonctionnement de la fibre optique est basé sur l'effet de la réflexion interne totale. Regardez l'image ci-dessous: nous avons un jet d'eau, et si un rayonnement est appliqué à l'entrée, alors lorsque le jet est courbé, il ne sort pas, mais se propage à l'intérieur.
C'est ainsi que le rayonnement se propage à travers un milieu avec un indice de réfraction plus élevé par rapport à sa coquille. Ce principe vous permet de transférer des données sur des dizaines, des centaines et des milliers de kilomètres avec des pertes minimales.
Des LED ou des diodes laser sont utilisées comme source de rayonnement optique. La diode laser a de meilleures performances, mais elle coûte également plus cher.
Dans la technologie des télécommunications, en règle générale, des lasers à semi-conducteurs d'une longueur d'onde de 1,3 ou 1,55 micromètres sont utilisés. Ces longueurs d'onde n'entrent pas dans la bande d'absorption de divers groupes hydroxyle présents dans la fibre. Ainsi, le signal n'est ni absorbé ni atténué sur plusieurs kilomètres.
Les photodiodes, les diodes PIN et les photodiodes à avalanche peuvent être utilisées comme détecteurs. Ils diffèrent par leur sensibilité. Si vous devez enregistrer un signal très faible, prenez une photodiode à avalanche. Si le signal est compris entre des dizaines et des centaines de watts, tout autre type de photodiodes peut être utilisé.
Rayonnement laser et objets biologiques
Lorsqu'un faisceau laser frappe un tissu biologique, l'absorption de ce rayonnement, ainsi que la transmission, la diffusion ou la fluorescence, peuvent se produire. Une autre option possible est l'ablation, la brûlure des couches supérieures de tissu. Dans ce cas, les couches internes ne sont pas endommagées.
Lors de l'absorption, la coagulation de diverses particules a lieu, c'est-à-dire leur adhésion. Cet effet est appliqué lors de l'utilisation d'un laser en chirurgie - comme un scalpel laser. Contrairement à un scalpel mécanique, un vaisseau ou un tissu est coupé presque sans effusion de sang. De plus, le faisceau laser peut être nettement plus fin que la pointe d'un scalpel métallique.
Le graphique ci-dessous montre les éléments qui peuvent être trouvés dans les vaisseaux sanguins, dans le sang, dans les tissus cutanés. Comme nous le savons, plus de 70% d'une personne est constituée d'eau. L'eau est également présente dans tous les tissus biologiques. Il y a de la mélanine qui tache nos tissus. Si nous nous bronzons en été, la mélanine dans les tissus cutanés devient beaucoup plus importante. Et l'hémoglobine que nous avons tous peut être dans deux états - saturée en oxygène (oxyhémoglobine) et sans oxygène (désoxyhémoglobine).
Le graphique montre comment activement différents éléments absorbent le rayonnement à différentes longueurs d'onde. Ainsi, en utilisant un laser avec une longueur d'onde spécifique, nous pouvons réaliser une absorption sélective.
Ou, par exemple, prenons deux sources de rayonnement avec des longueurs d'onde différentes: l'une atteint le maximum d'absorption, l'autre - au minimum. Avec un contraste différentiel, la concentration de certaines substances peut être obtenue. On voit que les maxima des spectres de l'oxy- et de la désoxyhémoglobine sont espacés. Ainsi, nous pouvons déterminer la concentration, par exemple, en oxyhémoglobine.
Ceci est très important lors des opérations chirurgicales. Maintenant, dans n'importe quel service chirurgical, il existe un appareil qui surveille la saturation en oxygène du sang. Ce capteur vous permet de déterminer en temps réel ce qui se passe avec les tissus du patient au bon endroit.
Diagnostic, imagerie, traitement du cancer ...
Certains systèmes de diagnostic utilisent plusieurs lasers avec des longueurs d'onde différentes. Ils aident à mener des recherches sur diverses structures cellulaires: comment ils se comportent, comment ils réagissent aux médicaments.
Il a été mentionné ci-dessus que le laser peut décoller les couches supérieures de la peau. Il est notamment utilisé pour le détatouage. Les salons de beauté utilisent un laser à semi-conducteurs d'une longueur d'onde de 1064 nanomètres pour faire des tatouages.
Une autre application courante des lasers est la thérapie photodynamique, qui est souvent utilisée dans le traitement du cancer. Tout d'abord, un photosensibilisateur est introduit dans les tissus humains - une substance qui s'accumule dans les cellules cancéreuses agressives. Après cela, la tumeur - elle est généralement entourée de tissu sain - est exposée à un laser avec une longueur d'onde qui tombe dans le maximum d'absorption du photosensibilisateur. En conséquence, le rayonnement n'est absorbé que par les cellules cancéreuses. Ainsi, nous brûlons la croissance cancéreuse sans toucher les tissus sains.
Le laser est utilisé en médecine pour l'imagerie. Par exemple, en tomographie optique, il sert de source lumineuse (voir schéma). Une diode superluminescente peut également être utilisée comme source de lumière: elle émet également du fait de la diffusion stimulée, mais n'a pas ce degré de cohérence.
La source lumineuse est dirigée vers le séparateur de faisceau. Une partie du rayonnement est réfléchie sur le miroir, et l'autre est dirigée vers l'objet, étant réfléchie à partir de laquelle les deux ondes peuvent interagir l'une avec l'autre. Si deux longueurs d'onde cohérentes interagissent l'une avec l'autre, des interférences se produisent. Et sur le détecteur, nous enregistrons un ensemble de franges d'interférence, après traitement, nous pouvons obtenir une image d'une coupe de tissu.
Un tomographe à cohérence optique, dont le principe est illustré dans le schéma, est disponible dans toutes les grandes villes. Cette technologie vous permet de construire une image en trois dimensions d'un objet, dans ce cas, les yeux. Et la résolution spatiale, où l'on peut séparer un pixel d'un autre, peut être de quelques microns. L'échographie est un analogue de cette technologie. Uniquement pour les ultrasons, on n'utilise pas de rayonnement optique, mais une onde ultrasonore. L'échographie a une profondeur de pénétration plus élevée, ce qui ne peut être dit sur la précision: la résolution spatiale est mesurée en millimètres et non en microns.
Pourquoi vous devez combiner les méthodes
À l'Université de Samara, cette approche a été utilisée pour étudier les tissus cutanés et pulmonaires présentant des formations oncologiques. La photo de gauche est une image 3D reconstruite du tissu pulmonaire. Et sur la droite, une photographie de la zone à partir de laquelle le signal a été enregistré.
L'image de gauche montre la différence entre les structures. Le noir c'est l'air, aucun signal n'est venu de là. La structure poreuse en forme d'éponge est un tissu pulmonaire sain. En vous déplaçant vers la droite, vous pouvez voir comment les couches sont formées. Ils sont plus denses et ont une certaine structure, caractéristique des néoplasmes oncologiques dans les tissus pulmonaires. Il s'agit d'un exemple de carcinome épidermoïde retiré à la suite d'une opération au Samara Cancer Center.
La même approche a été utilisée pour étudier les tissus cutanés. Il permet d'identifier facilement le carcinome basocellulaire, mais d'autres types de cancer sont souvent similaires, ce qui rend impossible le diagnostic d'un type spécifique de maladie. Par conséquent, les méthodes de recherche optique doivent être complétées par des méthodes spectrales.
L'illustration suivante montre un diagramme de diffusion de la lumière Raman (inélastique), ce que l'on appelle la diffusion Raman. Ici, nous observons à nouveau les niveaux d'énergie que nous avons connus en considérant la diffusion stimulée.
L'image montre comment le rayonnement laser excite les vibrations dans une molécule. De plus, 99,999% de ce rayonnement ne modifie pas la longueur d'onde. Mais une partie du rayonnement après avoir interagi avec la molécule peut changer. Cette fraction du changement d'énergie correspond à la vibration des liaisons vers lesquelles le rayonnement laser était dirigé.
À la suite de la diffusion Raman de la lumière, nous obtenons un ensemble de bandes dont la position est liée à une vibration spécifique de notre objet. Avec ces données, nous pouvons déterminer quelles fluctuations nous avons. À son tour, la composition quantitative de ces composants est déterminée par l'intensité des vibrations.
La photo montre le moment de la recherche au Samara Cancer Center. C'est ainsi qu'un échantillon de tissu est visualisé à l'aide d'un dermatoscope développé là-bas.
La diapositive suivante montre des graphiques caractéristiques des spectres Raman pour la peau et les néoplasmes. Dans certaines bandes du spectre, l'intensité peut augmenter ou diminuer. Ainsi, dans la voie 2, l'intensité du mélanome malin augmente de 100%. Et le changement de la composition des composants dans ce domaine est responsable de l'augmentation de cette intensité. En particulier, si nous parlons de changements biochimiques dans les tissus, le rapport d'ADN et d'ARN dans la cellule change. Le rapport protéines / lipides dans le tissu peut également changer.
Une étude similaire a été menée pour les tissus pulmonaires. On voit qu'il est possible de distinguer les formations malignes des formations bénignes. En outre, diverses approches mathématiques peuvent être utilisées pour l'analyse des données - par exemple, les modèles de régression, qui vous permettent de trouver rapidement des différences spectrales dans un grand ensemble de données.
Ainsi, l'étude d'un objet biologique à l'aide de lasers et de la technologie spectrale vous permet d'obtenir un énorme ensemble de données. Pour les traiter, il faut recourir à des méthodes mathématiques qui, à leur tour, doivent être mises en œuvre sur un ordinateur à l'aide d'un logiciel spécial.
Résumons
La biophotonique offre de nombreuses possibilités pour diagnostiquer l'état des tissus en temps réel, permet l'ablation au laser - nettoyant les couches supérieures de la peau. Le scalpel laser est largement utilisé en chirurgie. De plus, lorsqu'un laser est irradié dans le corps, certains processus peuvent être accélérés, par exemple la production d'oxygène dans les vaisseaux sanguins ou certains tissus. Ou ralentissez si nécessaire.
Toutes les technologies optiques sont utilisées pour la recherche non invasive - sans contact direct de l'instrument avec le tissu. Pour une recherche plus précise dans différentes plages, vous pouvez utiliser plusieurs lasers à la fois. Mais ce ne sont pas toutes des possibilités. Nous n'avons pas mentionné une direction aussi intéressante que l'optogénétique - l'effet du laser ou du rayonnement optique sur les fonctions cognitives. Les chercheurs ciblent les neurones dans des zones spécifiques du cerveau pour essayer d'améliorer l'humeur, stimuler la production d'hormones, etc. Alors que de telles expériences sont menées sur des animaux. La photo montre une souris avec une fibre optique implantée dans son crâne pour une recherche appropriée.
En rapport avec la pandémie actuelle, il convient de noter que la spectroscopie Raman susmentionnée est une technologie qui peut être utilisée pour rechercher des virus. Là encore, une approche interdisciplinaire: les virus sont des particules de 20 à 200 nanomètres, il faut les attraper en quelque sorte. Les virus sont contenus dans le sang, qui se déplace à travers un certain capillaire. Par conséquent, des nanotraps spéciaux sont installés dans le capillaire - des nanostructures capables de piéger et de capturer des particules d'une certaine taille. Une fois les particules capturées, nous effectuons leur irradiation laser et l'enregistrement de la diffusion Raman - maintenant nous pouvons dire avec certitude de quoi il s'agit. L'avantage des technologies optiques dans ce cas est que les virus sont détectés même à leur concentration minimale.
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À notre avis, nous avons répertorié la plupart des domaines d'application laser les plus intéressants. Bien qu'ils auraient probablement pu oublier quelque chose. Donc, si quelqu'un jette des faits intéressants dans les commentaires, nous apparaîtrons avec plaisir.