ЛАЗЕРЫ. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Квантовая электроника — область физики, изучающая про блемы генерации, усиления, преобразования электромагнитных колебаний на основе использования явления вынужденного из лучения квантовых (атомарных, молекулярных) систем. Оптический квантовый генератор — лазер (аббревиатура от английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излуче ния). Согласно положениям квантовой механики, атомы и молеку лы вещества (далее — частицы) могут иметь не любые, а строго определенные значения энергии, которые опреде ляются строением вещества. «Разрешенные» значения энергии нумеруют в порядке возрастания: E 0, Е 1, Е 2, . . .
Переход с верхнего уровня на нижний (релаксация). Механизмы такого перехода — различны. а) Спонтанное излучение — самопроизвольный переход ча стицы из возбужденного состояния на нижний энергетический уровень. б) Индуцированное излучение — вынужденный переход воз бужденной частицы на нижний уровень. Так, если частица находится в возбужденном состоянии Е 2 и в нее попадает фотон hν = Е 2 — Е 0, то она перейдет в состояние Е 0, испустив аналогичный фотон. Фотоны с другими частотами способствовать излучению не будут. Из рассмотрения переходов между верхним и нижним уровнями видно, что воздействие на вещество внешним излучением «подходящей» частоты вызывает два противоположных процес са:
поглощение фотона невозбужденной частицей и ее пере ход в возбужденное состояние (при этом первоначальный фотон исчезает); вынужденное излучение фотона, имеющее место при попадании «подходящего» по частоте фотона в возбужденную ча стицу. В этом случае первоначальный фотон сохраняется, а частица переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, тождественный первоначальному ( «удвоение» , «дублирование» фотона). Какой из этих процессов доминирует, определяется соотношением между числом возбужденных и невозбужденных частиц.
Распределение по энергетическим уровням. Активная среда. В состоянии термодинамического равновесия распределение частиц по энергетическим уровням за счет тепловой энергии определяется распределением Больцмана: Ni = N 0 exp( Ei / k. T) где Ni — число частиц на i м уровне, Ei — энергия этого уровня, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, No — число частиц на основном уровне. Распределение частиц по энергетическим уровням.
Инверсная населенность — такое состояние сре ды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. Состояние с инверсной населенностью можно создать, используя разные методы накачки. Активная среда — среда, приведенная в состояние с инверсной населенностью. Общий принцип действия лазера Явление вынужденного излучения используется в лазерах.
Схематическое устройство лазера Любой лазер содержит 3 компонента: 1. рабочее тело, 2. система накачки, 3. оптический резонатор.
1. Рабочее тело — некоторая среда, которая внешним воздей ствием переводится в ктивное состояние. а В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жид костные, полупроводниковые. Активные среды некоторых газовых лазеров составляют на основе эксимеров. Эксимеры — вещества, состоящие из двухатомных молекул и существующие только в электронно возбужденном состоянии. Переход из возбужденного состояния в невозбужденное (снятие возбуждения) сопровождается лазер ным излучением. (Наименование данного лазера происходит от двух слов Excited dimer — возбужденный димер).
2. Система накачки — устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. Используют следующие методы накачки • «Оптическая» накачка — возбуждение интенсивным светом. Для этого используются очень интенсивные лампы вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. • Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. Ионы и электроны, которые в небольшом количестве всегда при сутствуют в газе, ускоряются сильным электрическим полем. Быстрые электроны сталкиваются с атомами и передают им свою кинетическую энергию. Эта энергия и используется для заселения верхнего энергетического уровня. • Иногда используется электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции (химические лазеры).
3. Оптический резонатор — это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллель ных зеркала (обращенными друг к другу) установленные на одной оси, между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно. Ось резонатора указывает направление формирования луча. Процесс генерации излучения. … У большинства лазеров КПД составляет 0, 1 1%.
Схематическое устройство лазера Любой лазер содержит 3 компонента: 1. рабочее тело, 2. система накачки, 3. оптический резонатор.
Работа рубинового и гелий-неонового лазера Рубиновый лазер. Рассмотрим создание инверсной на селенности на примере трехуровневой системы, используемой в рубиновых лазерах. Рубин — это кристаллическая окись алюминия AI 2 O 3, явля ющаяся прозрачным и бесцветным веществом. В это вещество (в матрицу) внедрены атомы хрома в количестве около 0, 05%. Именно хром придает рубину розовый цвет и именно он обеспе чивает лазерную генерацию. Из всего множества энергетических уровней атома хрома в рубиновом лазере используются три: основной, первый (метастабильный – время жизни около 3 мс) и второй уровень с малым временем жизни.
Для создания инверсной населенности рубин облучают мощ ным импульсом света. При этом поглощаются фотоны с частотой ν 02, соответствующей переходу частиц — атомов хрома — между уровнями 0 и 2 (hν 02 = Е 2 — E 0). Фотоны внешнего облучения с частотой ν 02 не могут создать инверсную населенность между уровнями 2 и 0, так как при выравнивании их населенностей вероятность поглощения фотона сравняется с вероятностью его вынужденного испускания. Для создания инверсной населенно сти используют метастабильный уровень 1. Попавшие на уро вень 2 частицы быстро, спонтанно и безызлучательно переходят на метастабильный уровень 1.
Трехуровневая лазерная система (рубиновый лазер).
Фотоны внешнего облучения ν 02 не могут вызвать индуци рованное излучение с уровня 1, так как для этого требуются фотоны с другой частотой (ν 01). Поэтому на уровне 1 посте пенно накапливаются частицы и в конце концов их количество превысит количество частиц на нулевом уровне. Таким образом, между уровнями 0 и 1 будет создана инверсная населенность. В обычных условиях переход с уровня 1 на уровень 0 проис ходитспонтанно и сопровождается излучением с длиной волны λ= 694, 3 нм.
Гелий-неоновый лазер. Широкое распространение в реабилитационной медицине получил гелий неоновый лазер. В нем используется четырехуровневая система создания инверсной населенности. Активной средой в данном случае является смесь газов гелия и неона в соотношении 10: 1, содержащаяся в стеклянной трубке под низким давлением. Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0, 1 мм рт. ст. Собственно лазерный переход происходит в неоне, то есть атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия — вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона.
Подача энергии при возбуждении (накачка) осуществляется через электрический разряд. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 0 на возбужденный уровень 2. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало, и атомы переходят на уровни 1 или 0. Для создания инверсной населенности атомов неона, то есть для увеличения населенно сти уровня 2 и уменьшения населенности уровня 1, используют вспомогательные атомы гелия.
Схема энергетических уровней для гелий неонового лазера.
Первый возбужденный уровень атома гелия совпадает с уров нем 2 для атома неона. Поэтому при соударении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят передача энергии последним и перевод их в возбужденное состо яние 2. Таким образом, атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 2 атомов неона. Разгрузке уровня 1 у ато мов неона способствуют их столкновения со стенками трубки, в результате которых они отдают энергию и переходят с уровня 1 на уровень 0. Наиболее эффективно этот механизм разгрузки действует при диаметре трубки около 7 мм. В трубке созда етсяактивная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 2 на уровень 1 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фо тонов с возбужденным атомами неона возникает индуцирован ное когерентное излучение последних. Чаще всего используются гелий неоновые лазеры с длиной волны λ = 632, 8 нм, мощностью 100 м. Вт.
Особенности лазерного излучения Устройство лазера и свойства вынужденного излучения обу словливают отличие лазерного излучения от излучения обычных источников света. Лазерное излучение (ЛИ) характеризуется следующими важнейшими свойствами. 1. Высококогерентностъ. Излучение является высококоге рентным что обусловлено свойствами , вынужденного индуциро ванного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точ ках плоскости, перпендикулярной направлению распростране ния, сохраняется постоянной (в следствии простран ственной когерентности излучение может быть сфокусировано в очень малом объеме).
2. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т. е. содержит волны практически одинаковой частоты (фотоны имеют одинаковую энергию). Это обусловлено тем, что вынужденное излучение связано с дублированием фотонов (каждый индуцированный фотон пол ностью подобен первоначальному). При этом формируется элек тромагнитная волна постоянной частоты. Ширина спектральной линии составляет Δλ ≈ 0, 01 нм. До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов — монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спек тральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.
3. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так неодимовый лазер генери рует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3 • 10 12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2, 5∙ 1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС Р ≈ 109 Вт). 4. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интен сивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014 1016 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0, 1 Вт/см 2).
5. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с еди ницы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ≈ 109 кд/м 2). 6. Давление. Лазерный луч при падении на поверхность ока зывает давление (р). При полном поглощении лазерного излуче ния, падающего перпендикулярно поверхности, величина созда ется давление р = I/с, где I — интенсивность излучения, с — скорость света в вакууме. При полном отражении величина дав ления в два раза больше. При интенсивности I = 1014 Вт/см 2 = 1018 Вт/м 2, р = 3, 3 • 109 Па = 33 000 атм.
7. Малый угол расходимости в пучке. Коллимированность. Излучение является коллимированным, то есть все лучи в пучке почти параллельны другу (рис. ). На большом рассто янии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диа метре(для большинства лазеров угол расходимости составляет 1 угловую минуту или меньше). Так как угол расходимости мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Остронаправленность позволяет передавать сигналы на огром ные расстояния при малом ослаблении их интенсивности. 8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляри зовано.
Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине 1. Длина волны излучения. Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0, 2 10 мкм, то есть от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области. Интен сивноведутся исследования по разработке лазеров, работающих в рентгеновском диапазоне длин волн. 2. Мощность излучения (Р) ме дицинских лазеров варьируется в широких пределах, определя емых целями применения. Для непрерывных медицинских ла зеров. Р = 0, 01 100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Ри и длительностью импульса τи. Для хирургических лазеров Ри = 103 108 Вт, а длительность импуль са τ = 10 9 10 3 с. и
3. Энергия в импульсе излучения. Энергия одного им пульса лазерного излучения (ЕИ) определяется соотношением Еи = Ри • τи, где τи — длительность импульса излучения (обычно τи = 10 9 10 3 с). Для хирургических лазеров Еи = 0, 1 10 Дж. 4. Частота следования импульсов. Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов из лучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10 3000 Гц, для хирургических f = 1 100 Гц.
5. Средняя мощность излучения. Эта характеристика (Рср) импульсно периодических лазеров показывает, какую энер гию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотноше нием: Рср = Eи∙f = Pи∙τи∙f Для терапевтических лазеров Рср = 10 3 10 1 Вт, для хирургических 1 100 Вт. 6. Интенсивность (плотность мощности). Эта характе ристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непре рывных лазеров I = Р/S. Для импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе Iи = Ри / S и среднюю интенсивность Iср = Pcp/S. Интенсивность хирургических лазеров и давление, создавае мое их излучением, имеют следующие значения: для непрерывных лазеров I ~ 103 Вт/см 2, р = 0, 033 Па, для импульсных лазеров Iи ~ 105 1011 Вт/ см 2, р = 3, 3 ∙ 106 Па.
7. Доза облучения. Обычно с помощью этой величины (D, Дж/см 2) характеризуют энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за весь сеанс. Для непрерывных лазеров D = I∙t, где t — время облучения в се кундах. Для импульсно периодических лазеров D = Icp∙∙t. 8. Плотность энергии в импульсе. Эта величина (W) ха рактеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс, и определяется соотно шением W = Eи/S, где S (см 2) — площадь светового пятна (то есть поперечного сечения лазерного луча) на поверхности био ткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2. Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.
9. Угол расходимости (расходимость лазерного пучка). Минимальный возможный угол расходимости φ (рад) определя етсядифракцией на зеркальной поверхности резонатора и может быть вычислен по формуле: φ ≈ Aλ/dэ, где dэ — диаметр активного элемента, А ≈ 1. Минимальный угол расходимости составляет 10 4 10 5 рад. 10. Фокусное расстояние фокусирующего элемента. При использовании лазера в качестве скальпеля необходимо его луч сфокусировать на биоткани в виде малого светового пятна (иначе вместо тонкого разреза получится широкий ожог). Для этого обычно используются линзы. Характеристикой фокусирующего элемента является его фокусное расстояние F. 11. Диаметр фокального пятна. Если лазерный пучок с однородным распределением интенсивности и фазы по сечению фокусируется линзой с фокусным расстоянием F, то минималь ный достижимый диаметр пучка (d) в фокусе линзы определя ется явлением дифракции и задается формулой: d = 1, 22λF/D, где D — диаметр лазерного пучка на входе в линзу.
Взаимодействие лазерного излучения с биообъектами. Процессы, характеризующие виды взаимодействия ЛИ с биообъектами можно разделить на 3 группы: 1 – невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект); 2 – фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции); 3 – фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).
Использование лазерного излучения в диагностике. Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность ЛИ. Перечислим основные методы диагностики. ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ. При отражении ЛИ от шероховатой поверхности образуются вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии). ГОЛОГРАФИЯ. С помощью ЛИ получают 3 х мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка. Глаза и т. д.
РАССЕЯНИЕ СВЕТА. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект рассеивание света изменяет пространственное распределение интенсивности. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0, 02 до 300 мкм) и степень их деформации. При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод – поляризационная нефелометрия). ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, который возникает при отражении даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряют скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т. д.
КВАЗИУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого – изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Изменения в спектре незначительны, поэтому они не различимы традиционными методами спектрометрии. Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициент диффузии, скорость направленного транспорта, размеры. Так осуществляется диагностика макромолекул белков. МЕТОД ФОТОРАЗРУШЕНИЯ. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс спектрального анализа этого пара.
Использование лазерного излучения в терапии. В основе лазерной терапии лежат фотохимические процессы. Различают однофотонные и многофотонные возбуждения. 1. Однофотонные возбуждения наблюдаются при малых интенсивностях ЛИ. а) ТЕРАПИЯ С ПОМОЩЬЮ КРАСНОГО СВЕТА. Лазерное излучение с длиной волны 632, 8 нм (получаемое в He Ne – лазере) используется для лечения ран, язв. Этот эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма. б) ТЕРАПИЯ С ПОМОЩЬЮ СИНЕГО СВЕТА. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание – следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей ЛИ такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.
в) ЛЕЧЕНИЕ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ. Некоторые вещества, в частности, гематопорфирин, обладают свойством избирательно накапливаться в злокачественных образованиях. Молекулы их хорошо возбуждаются видимым светом. Облучение видимым светом в присутствии этих веществ приводит к деструкции опухолей. В основе разрушения опухоли лежит процесс генерации цитотоксической возбужденной молекулы кислорода, называемой синглетным кислородом. Передача энергии от возбужденной молекулы порфирина кислороду порождает возбужденный синглетный кислород. Синглетный кислород атакует клетку и вызывает гибель опухоли без нарушения нормальной ткани. Существуют способы доставки ЛИ к труднодоступным тканям. (Методы – фотодинамическая терапия опухолей кожи, легких, пищевода и т. п. ) 2. Многофотонные возбуждения (нелинейная фототерапия) – когда молекула при облучении ЛИ поглощает более 1 фотона, что повышает эффективность фотохимической реакции. Условия возникновения: короткий лазерный импульс, высокая пиковая мощность (этим исключается тепловой эффект в окружающих
Использование лазерного излучения в хирургии. Широкий диапазон интенсивностей ЛИ дает возможность обеспечить такое воздействие на биообъект, при котором происходит плавление или выпаривание (значительная часть поглощенной энергии переходит в тепло). Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Если длина волны ЛИ соответствует спектру поглощения облучаемого объекта, то это излучение поглощаясь, вызывает разрушение объекта. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ: бесконтактность, дающая абсолютную стерильность; селективность, позволяющая выбором длины волны излучения разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани; бескровность (за счет коагуляции белков); микрохирургия тканей и клеток благодаря высокой степени фокусировки луча.
Лазеры, работающие в непрерывном режиме, используются для операций на обильно кровоснабжаемых органах (печень, матка). Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Необходимыми условиями для этого являются: поглощение объектом света данной длины волны и достаточно короткая продолжительность импульсов. Используемая при этом малая энергия снижает опасность повреждения соседних тканей. В некоторых случаях используется малая глубина проникновения луча в ткань, что позволяет осуществить послойное разрушение (абляцию). Данный метод фототермолиз используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т. п.
Короткофокусные лазеры в сочетании с волоконной оптикой позволяют создавать методы удаления камней. Например, при удалении камней в почках ЛИ по световоду подводят и фокусируют около мишени. При генерации импульса ЛИ (длительностью 10 12 – 10 9 с) в фокальной точке вблизи мишени плотность фотонов столь велика, что электроны отрываются от атомов. Этот процесс известен под названием оптической ионизации. Электроны образуют облако плазмы, которое захватывает оставшиеся фотоны ЛИ. В результате этой абсорбции температура мишени в фокальной точке резко возрастает до десятков тысяч градусов. Затем плазма быстро расширяется, порождая ударную волну, распространяющуюся во всех направлениях. Ударная волна разрушает мишень. В офтальмологии: операции на стекловидном теле; привание отслоившейся сетчатки (офтальмокоагуляция); лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий 50 х 100 мкм для оттока внутриглазной жидкости; послойная абляция тканей роговицы для коррекции зрения.
Скачать презентацию ЛАЗЕРЫ ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Квантовая электроника область
Лазеры.ppt