好吧，我希望您已经在VNIIEF的Sarov看到了世界上最大的130米长的激光装置。除其他事项外，它旨在研究热核（！）聚变。
本文是萨马拉大学激光与生物技术系统系高级讲师兼初级研究员Dmitry Artemiev的演讲的笔录。研究实验室“光子学”。在引入一般的自我隔离制度之前，德米特里（Dmitry ）在我们的萨马拉沸点（Samara Boiling Point）进行了此讲座。
什么是光
为了使图片更完整，让我们从基础开始。从物理学过程可以知道，光是电磁波或光子流。由于电磁波的特征之一是波长，因此通过光（辐射）来表示长度为1纳米至几厘米的电磁波。因此，我们的定义涵盖了从X射线到红外辐射的范围。
我们的眼睛可见的范围占据的间隔很小，约为300纳米。
如果我们谈论诸如X射线这样的异常范围，那么去年，例如，创建在X射线范围内工作的自由电子激光器成为主要主题之一，并获得了诺贝尔物理学奖。有趣的是，该提名的获奖者还与激光技术有关：该奖项是由于创造了超短和超强脉冲而获得的。顺便说一下，部分研究是在下诺夫哥罗德普通物理研究所在俄罗斯进行的。
激光与传统灯泡有何不同
图为主要特征的比较。特别要注意的是，最大激光功率比灯中使用的光源的功率高很多倍。但是并不是每个激光器都需要这样做：通常只有几分之一瓦，毫瓦或微瓦的能量足以使应用获得特定的辐射。
让我们记住，可见辐射范围的宽度约为400纳米。白炽灯的光谱宽度大致相同，因此当颜色混合时，我们会看到白光。反过来，激光范围的宽度可以是0.1纳米。激光器的这种独特性能可用于某些光谱研究和精确的精度测量中。
如果我们将激光笔从房间的一侧照到另一侧，则只会在对面的墙上看到一个小斑点，这表明辐射的指向性很窄，激光束的发散很小。在荧光灯或白炽灯中，辐射实际上是各向同性的，即 指向各个方向。
自然光缺乏电场矢量的一定方向性，这意味着光不会偏振。即，对于普通灯泡的光，矢量E（强度）指向不同的方向。在激光辐射的情况下，向量E具有确定的方向，振荡发生在一个平面上。这种偏振也使激光辐射有些独特。
过程物理学
激光是在上世纪50年代后期发明的。 1964年，美国查尔斯·汤斯（Charles Townes）和苏联科学家亚历山大·米哈伊洛维奇·普罗霍罗夫（Alexander Mikhailovich Prokhorov）和尼古拉·甘纳迪维奇·巴索夫（Nikolai Gennadievich Basov）因发现激光辐射而获得了诺贝尔奖。此外，普罗霍罗夫和巴索夫发现的不是激光，不是光的放大，而是微波范围内的辐射，即所谓的maser。
激光是五个拉丁字母的缩写：模拟辐射的光放大。从英语翻译过来的意思是“受激辐射放大光”。下面是三个图表。首先，为了产生辐射，必须使电子或粒子进入激发态。为此，粒子必须接收能量。在那之后，她将移动到更高的能量水平。
另外两种情况是可能的。如果粒子随机移动到较低的能级，则我们会自发发射。但是，如果位于较高能级的粒子受到某个光子的影响，也就是说，将一定波长的光导向该光子，则将已经发生强制辐射。由于这种外部影响而产生的光子将与其相互作用的光子相同。这就是获得相干辐射的方式，其中波彼此相等。
激光工作原理
这是第一台激光器的示意图。这是美国科学家Theodore Maiman在1960年创造的经典红宝石激光器。该设备需要一种活性介质（在这种情况下为红宝石晶体）和两个镜子。一面镜子是钝的，反射系数接近于一。第二种是半透明的，取决于激光的类型，其反射系数相对于反射镜可能相差百分之一或百分之几十。
通常，其他光辐射被用作固态激光器的光泵浦。第一个红宝石晶体激光器使用了白光灯，其中包含蓝色和绿色光谱-这是红宝石晶体吸收最好的光谱。
因此，激光的经典方案是：这是一种活性物质（红宝石），一个谐振器（两个反射镜）和一个泵浦系统。在其他方案中，不仅可以从光辐射中进行泵浦，而且还可以例如通过放电（在气体激光器中）进行泵浦。但是首先，激光器在活性介质的类型上有所不同：固态激光器，气体激光器，金属蒸气激光器。上面我们提到了自由电子激光器，现在它正在积极地发展和现代化。同样，二极管（半导体）激光器和光纤激光器（其中光纤被用作活性介质）现在也很流行。
激光辐射在哪里使用
激光辐射可用于医学，工业，通信，军事和科学领域。下图显示了医疗仪器的示例。因此，现在用于视力矫正的激光手术刀非常流行。它们有助于矫正晶状体的几何形状，以消除近视或远视，矫正散光等。激光不仅适用于眼科手术，不仅因为光束非常小，而且还可以将这种手术刀的曝光时间缩短至飞秒，这一点也很重要。各种类型的辐射用于整容手术。在牙科领域，紫外线用于硬化牙科用胶水，可以很好地吸收胶水。
在工业上，最精确的钢加工是使用激光进行的：雕刻，切割非常薄且干净的边缘的孔。激光辐射的特性用于硬化某些金属。现代工业中最常用的光纤激光器。
在建筑行业中，激光用于确定距离或构建几何形状。现在，激光水平仪已在所有五金店出售，而且价格便宜。
军人和猎人使用激光瞄准器已有很长时间了。同时，激光很少用于直接损坏：尽管此类设备体积太大。例如，美国军方进行了将激光系统安装在飞机上的实验。整个飞机是干什么的？尽管发射器尺寸很小，但泵送系统仍消耗大量电能，并且活性介质非常热。因此，飞机的几乎所有空间都被激光电源和冷却系统占据。
在我国也正在开发类似的系统。几年前，我们发布了Peresvet激光武器。到目前为止，唯一已知的是将其放置在卡车的移动平台上。其余的，a，是国家机密。
另外，应该说在科学研究中使用激光。例如，萨罗夫（Sarov）的科学家在热核聚变过程中使用激光：为了照射目标，高功率辐射被聚焦到最小尺寸的光斑中。
这样的激光会占据很大的空间：热核反应需要严重的辐射源，辐射的大小可以达到数百米。
萨洛夫（Sarov）的UFL-2M激光设备
与此类巨型设备（大小可与足球场媲美）一起，基于所谓的纳米结构的微型激光器最近也越来越受欢迎。
激光积极地用于通信系统，包括卫星系统。对于通信工作者来说，最有用的特性之一就是光纤中的辐射传播：光纤系统允许在远距离内每秒传输高达数百GB的数据。
光纤怎么样
光纤的工作原理基于全内反射的影响。看下面的图片：我们有一束水，如果辐射作用于输入，则当弯曲时，它不会散发出来，而是在内部传播。
这就是辐射如何通过相对于其外壳具有较高折射率的介质传播。该原理使您可以以最小的损失传输数十，数百和数千公里的数据。
LED或激光二极管都用作光辐射源。激光二极管具有更好的性能，但成本也更高。
在电信技术中，通常使用波长为1.3或1.55微米的半导体激光器。这些波长不会落入光纤中存在的各种羟基的吸收带中。因此，信号不会在数公里内吸收或衰减。
光电二极管，PIN二极管和雪崩光电二极管可用作检测器。它们的敏感性不同。如果要记录非常弱的信号，请使用雪崩光电二极管。如果信号为数十瓦到数百瓦，则可以使用任何其他类型的光电二极管。
激光辐射和生物物体
当激光束撞击生物组织时，可能会吸收该辐射，以及发生透射，散射或荧光。另一个可能的选择是消融，烧灼组织的上层。在这种情况下，内层没有损坏。
在吸收期间，各种颗粒发生凝结，即它们的粘附。在外科手术中使用激光时，可作为激光手术刀使用。与机械手术刀不同，血管或组织几乎没有血迹。另外，激光束可以比金属手术刀的尖端显着细。
下图显示了可以在血管，血液，皮肤组织中找到的元素。众所周知，一个人的70％以上是水。水也存在于每个生物组织中。有黑色素会弄脏我们的组织。如果我们在夏天晒黑，那么皮肤组织中的黑色素会明显增加。我们所有人的血红蛋白可以处于两种状态-充满氧（氧合血红蛋白）和不含氧（脱氧血红蛋白）。
该图显示了不同元素如何有效吸收不同波长的辐射。因此，通过使用特定波长的激光，我们可以实现选择性吸收。
或者，例如，让我们采用两种不同波长的辐射源：一个达到最大吸收，另一个达到最小。通过不同的对比，可以获得某些物质的浓度。我们看到，氧合和脱氧血红蛋白光谱的最大值是隔开的。因此，我们可以确定浓度，例如氧合血红蛋白。
这在执行外科手术时非常重要。现在，在任何外科部门，都有一种设备可以监测血氧饱和度。该传感器使您可以实时确定患者组织在正确位置发生的情况。
诊断，成像，癌症治疗...
一些诊断系统使用具有不同波长的多个激光器。它们有助于进行各种细胞结构的研究：它们的行为方式，对药物的反应方式。
上面提到，激光可以剥落皮肤的顶层。它特别用于纹身去除。美容院使用波长为1064纳米的固态激光器制作纹身。
激光的另一个常见应用是光动力疗法，通常用于治疗癌症。首先，将光敏剂引入人体组织-一种在侵袭性癌细胞中积累的物质。之后，通常会被健康组织包围的肿瘤暴露于波长在光敏剂最大吸收范围内的激光下。结果，放射线仅被癌细胞吸收。因此，我们可以在不影响健康组织的情况下烧掉癌症。
激光用于医学成像。例如，在光学层析成像中，它用作光源（参见图）。超发光二极管也可以用作光源：由于受刺激的散射，它也会发光，但不具有这种相干度。
光源指向分束器。辐射的一部分在反射镜上反射，而另一部分则直接反射到物体上，两个波可以从该物体上互相反射。如果两个相干波长相互影响，则会发生干涉。在检测器上，我们记录了一组干涉条纹，经过处理后，我们可以获得一张组织切片的图片。
在所有大城市都可以使用光学相干断层扫描仪，其原理如图所示。这项技术使您可以构建对象（在这种情况下为眼睛）的三维图片。我们可以将一个像素与另一个像素分开的空间分辨率可能只有几微米。这种技术的类似物是超声。仅用于超声波，不使用光辐射，而是使用超声波。超声波具有更高的穿透深度，这不能说是精度：空间分辨率是用毫米而不是微米来衡量的。
为什么需要组合方法
在萨马拉大学（Samara University），这种方法被用于研究具有肿瘤形成的皮肤和肺组织。左侧的照片是肺组织的3D重建图像。右边是记录信号的区域的照片。
左图显示了结构之间的差异。黑色是空气，没有信号从那里传来。海绵状多孔结构是健康的肺组织。向右移动，您可以看到图层的形成方式。它们更致密并具有一定的结构，这是肺组织肿瘤肿瘤的特征。这是因在萨马拉癌症中心进行手术而切除的鳞状细胞癌的一个例子。
使用相同的方法研究皮肤组织。它易于识别基底细胞癌，但其他类型的癌症通常彼此相似，因此无法诊断特定类型的疾病。因此，光学研究方法必须补充光谱方法。
下图显示了拉曼（非弹性）光散射图，即所谓的拉曼散射。在这里，我们再次观察到在考虑受激散射时所熟悉的能级。
图片显示激光辐射如何激发分子中的振动。此外，该辐射的99.999％不会改变波长。但是与分子相互作用后，辐射的某些部分会发生变化。能量变化的这一部分对应于激光辐射指向的键的振动。
由于光的拉曼散射，我们得到了一组带，其位置与对象的特定振动有关。有了这些数据，我们可以确定我们有什么波动。这些成分的定量组成又取决于振动强度。
图为在萨马拉癌症中心进行研究的时刻。这就是使用在那里开发的皮肤镜观察组织样本的方式。
下一张幻灯片显示了皮肤和肿瘤的拉曼光谱特征图。在光谱的某些频带中，强度可以增加或减小。因此，在第2道中，恶性黑色素瘤的强度增加了100％。并且该区域中成分组成的变化是导致强度增加的原因。特别是，如果我们谈论的是组织中的生化变化，那么细胞中DNA和RNA的比例就会变化。组织中蛋白质与脂质的比例也可能改变。
对肺组织进行了类似的研究。我们看到有可能将恶性形成与良性形成区分开。而且，各种数学方法都可以用于数据分析-例如，回归模型，它使您可以快速查找大型数据集中的光谱差异。
因此，使用激光和光谱技术对生物对象进行研究可以使您获得大量数据。要处理它们，必须诉诸数学方法，而数学方法又必须使用特殊软件在计算机上实现。
总结一下
生物光子学为实时诊断组织状态提供了充足的机会，可以进行激光消融-清洁皮肤的上层。激光手术刀广泛用于手术中。同样，当激光照射到体内时，可以加速某些过程，例如在血管或某些组织中产生氧气。或在必要时放慢速度。
所有光学技术都用于非侵入性研究-无需仪器与组织直接接触。为了在不同范围内进行更准确的研究，可以一次使用多个激光器。但是，这并非全部。我们没有提到光遗传学这样有趣的方向-激光或光辐射对认知功能的影响。研究人员将大脑特定区域的神经元作为目标，以试图改善情绪，刺激激素产生等等。虽然这种实验是在动物上进行的。该照片显示了在其头骨中植入光纤以进行适当研究的鼠标。
关于当前的大流行，值得注意的是，上述拉曼光谱是可以用于研究病毒的技术。这里还是一种跨学科方法：病毒的大小为20-200纳米，您需要以某种方式捕获它们。血液中含有病毒，病毒通过一定的毛细血管移动。因此，在毛细管中安装了特殊的纳米阱-纳米结构能够捕获和捕获一定大小的颗粒。捕获粒子后，我们对其进行激光照射并记录拉曼散射-现在我们可以肯定地说出它是什么。在这种情况下，光学技术的优势在于即使在最低浓度下也能检测到病毒。
***
我们认为，我们列出了激光应用中最有趣的大多数领域。尽管他们可能已经忘记了一些东西。因此，如果有人在评论中提出有趣的事实，我们将很高兴出现。