Свойства лазерного излучения

Лазеры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света. Широкое применение лазеров связано со следующими свойствами лазерного излучения:

· монохроматичность;

· когерентность;

· малый угол расхождения лазерного пучка

· большая плотность потока энергии.

Обычные источники света генерируют излучение широкого диапазона частот; преломляясь в призме, свет от лампочки превращается в радугу – спектр (явление дисперсии света). Лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью, т.е. имеет только одну длину волны, один цвет. Монохроматический свет лазера, проходя через призму, не разлагается. Линза фокусирует белый свет в радужное пятнышко, а лазерный луч в крошечную точку, диаметр которой может составлять тысячные доли миллиметра. Благодаря этому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись информации с высокой плотностью. Крохотные оптические диски вмещают сотни мегабайт информации.

Все фотоны лазерного излучения одинаковы, поэтому лазерное излучение строго когерентно. Высокая когерентность лазерного излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности, для направленной радиосвязи в космосе. Высокая когерентность лазерного луча позволила осуществить такое замечательное явление как голография.

Угловая ширина генерируемого лазером светового пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на поверхности Луны пятно света диаметром всего 3 км. Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света.

Лазер – самый мощный в настоящее время источник света. В узком интервале спектра кратковременно (10^–11 с) достигается мощность излучения 10¹² – 10¹³ Вт с одного см². Мощность излучения Солнца составляет 7×10³ Вт с той же площади, причем суммарно по всему спектру. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Применение лазеров

На заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: ”Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха”. Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение. Громадная концентрация энергии на относительно малых участках позволяет использовать лазеры для резки металлов. Процесс лазерной резки выполняется с высокими скоростями и обеспечивает высокое качество поверхностей реза. Лазеры применяются для сверления отверстий в прочных материалах, для сварки, получения сверхчистых веществ и т.п. Широко применяется лазерное разделение изотопов. Особое значение имеет применение лазера в медицине и особенно в микрохирургии глаза. Лазеры используются в измерительной технике. Лазерные интерферометры используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры.

Таким образом, уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в узком спектральном интервале дает возможность лазерному лучу сверлить, резать, сваривать, проверять качество обработки деталей и производить множество других важных операций. Лазер – это новая техническая эпоха. Более подробно возможности современных лазерных технологий и перспективы их развития мы рассмотрим на семинарах.

 

Современные биотехнологии. Генная инженерия

Общие сведения о биотехнологиях

Технологии использования живых организмов и биологических процессов для производства и переработки различных продуктов называются биотехнологиями.

Некоторые биотехнологические процессы известны с древних времен и использовались в хлебопечении, приготовлении уксуса, сыра, различных способах переработки кожи и растительных волокон. Много столетий назад началось производство алкогольных напитков.

Появление термина “биотехнологии” относится к 70-м годам прошлого столетия и связано с успехами молекулярной генетики. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток. Используя микробиологический синтез, получают кормовые и пищевые белки, ферменты, аминокислоты, антибиотики, витамины и др. Новое развитие получили биотехнологии с созданием генной инженерии. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества – гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет. С помощью методов генетической инженерии получены бактерии, продуцирующие в промышленных масштабах интерферон, инсулин, гормон роста человека. Культуры растительных клеток используются для получения медицинских препаратов, селекции растений с нужными свойствами.

Развитие биотехнологий необходимо для обеспечения населения продовольствием, минеральными ресурсами, энергией. Разрабатываются и внедряются биологические методы очистки воды.

Генная инженерия

Генная технология включает методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генная инженерия возникла в начале 70-х годов XX века и называлась тогда технологией рекомбинантных ДНК. В ее основе лежит извлечение из клеток организма гена или группы генов, кодирующих нужный признак, и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. Основная цель генной инженерии – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с нужными свойствами. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем генетики, медицины и сельского хозяйства.

Заданные операции с фрагментами ДНК позволяют производить два вида белков: ферменты рестриктазу и ДНК-лигазу. Первый выполняет функцию катализатора при расщеплении ДНК на определенные фрагменты нуклеотидов, а другой катализирует объединение двух фрагментов ДНК.

ДНК-лигаза может встроить в ДНК чужеродный фрагмент. Чужеродный фрагмент вырезается из молекулы донора ДНК. ДНК, в которую встраивается чужеродный фрагмент, называется плазмидой. Образовавшийся продукт называется рекомбинантной ДНК.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белков. Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом белков расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность сравнительно недорого производить многие природные ферменты. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.

Изменения в структуре и содержании современной биотехнологии, связанные с применением методов генетической инженерии, можно кратко сформулировать следующим образом:

1 Существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов ряда классических продуктов: аминокислот, ферментов и других путем введения дополнительных генов, увеличения их количества и активности.

2 Удалось изменить питательные потребности микроорганизма. Можно сказать, что микроорганизмы заставили есть то, что дают.

3 Микроорганизмы научили синтезировать несвойственные вещества, тем самым увеличилось разнообразие биотехнологической продукции.

4 Подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов – продуцентов. Ранее ученые искали активный штамм и создавали под него конкретную технологию. В настоящее время берут приспособленный к условиям производства штамм и вводят генную конструкцию, которая обеспечивает синтез целевого продукта.