Оптика и лазеры в медицине Алексей Сергеевич Низамутдинов

Оптика и лазеры в медицине Алексей Сергеевич Низамутдинов

Предмет квантовой радиофизики Квантовая радиофизика или Квантовая электроника область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения. Лазеры – оптический диапазон длин волн Мазеры – микроволновый диапазон

Практический интерес к квантовым генераторам света (лазерам) обусловлен прежде всего тем, что они, в отличие от др. источников света, излучают световые волны • с очень высокой направленностью и • высокой монохроматичностью. Квантовые генераторы радиоустройств радиоволн высокой отличаются стабильностью от др. частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн — предельно низким уровнем шумов.

Основы Альберт Эйнштейн 1917 г. Переходы между энергетическими состояниями квантовых систем с излучением и поглощением квантов электромагнитного излучения: Em • Спонтанные hnnm Поглощение Спонтанное испускание Вынужденное испускание En • Вынужденные При условии резонанса

Основы Вынужденное, стимулированное или излучение индуцированное, заключается в или том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние с испусканием фотона, который по количеству энергии и направлению излучения одинаков с фотоном, вызвавшим этот процесс. Таким образом, здесь момент излучения и его направление не являются случайными, а определяются фотоном, ударившим в атом.

Наблюдение индуцированного излучения Ланденбург 1929 г. “Условие обнаружения индуцированного излучения – преобладание его над поглощением (условие инверсии), для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы” В. А. Фабрикант 1939 г. Показана возможность усиления света за счет индуцированного излучения

Наблюдение индуцированного излучения и усиления эл. -магн. волн Em hnnm Поглощение Спонтанное испускание Вынужденное испускание En Условие усиления (инверсная заселенность): nm > n n hnnm

Оптический и микроволновый диапазоны длин волн Условие усиления (инверсная заселенность): nm > n n Энергия тепловых колебаний Частота Энергия кванта ~ 4× 10– 14 эрг Оптический диапазон n = 6*1014 Гц hn = 1*10– 12 эрг nm Микроволновый n = 6*1010 Гц hn = 1*10– 16 эрг nm nn nm << nn nn nm ≈ n n

Мазеры Предпосылки создания мазеров В радиодиапазоне: • Имелись источники монохроматического излучения • Значительна населенность возбужденных состояний, • Мала вероятность спонтанных переходов • Была реализована регулируемая положительная обратная связь • Велся поиск высокостабильных, малошумящих и достаточно мощных приборов в коротковолновом диапазоне

Мазеры 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров СССР. Ч. Таунс США 1. Пучок молекул аммиака из источника 1 влетает в селектор 2, в котором происходит разделение молекул. 2. Из селектора в объемный резонатор 3 попадает пучок возбужденных молекул. Объемный резонатор представляет собой колебательную систему в виде некоторой полости, ограниченной проводящими стенками. Такой резонатор в зависимости от размеров обладает обычно несколькими резонансными частотами. В квантовом генераторе резонатор настроен на частоту, соответствующую переходу возбужденных молекул в основное, невозбужденное состояние. 3. Поток молекул, в которых осуществляется такой переход, излучает электромагнитные волны, возбуждающие и поддерживающие колебания в резонаторе. Энергия этих колебаний отбирается через вывод 4 резонатора. n = 23, 87 ГГц, l = 1, 25 см Размеры резонатора порядка длины волны излучения

Мазеры на парамагнитных кристаллах Новый метод создания инверсии населенностей – накачка 1955 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров 1956 г. Н. Бломберген E 3 Cr: Al 2 O 3 накачка n 3 E 2 испускание n 1 E 1 n 1 ≈ n 3, n 2 > n 1

Применение мазеров • Служба времени, • Радионавигация • Радиолокация • Астрономия • Трансконтинентальная связь через космос • Прием слабых сигналов

Оптический диапазон - лазеры 1958 г. А. М. Прохоров открытый резонатор Резонатор Фабри-Перо L >> l лазерного излучения

Оптический диапазон - лазеры • 1957 г. Н. Г. Басов Идея использования полупроводников для создания квантовых генераторов; в качестве резонатора используются специально обработанные поверхности самого образца. • 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. • 1960 г. Т. Мейман Лазер на кристалле рубина • 1960 г. А. Джаван, В. Беннет, Э. Эрриот Генерация оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона

Типы лазеров 1. Твердотельные лазеры 1. С ламповой накачкой. 2. С модуляцией добротности 3. С диодной накачкой 4. Дисковые лазеры 2. Лазеры на переходах атомов и молекул. Газовые лазеры 1. Химические лазеры 2. Эксимерные лазеры 3. Лазеры на парах металлов 3. Волоконные лазеры 4. Лазеры на переходах органических молекул красителей 5. Полупроводниковые лазеры

Твердотельный лазер

Свойства лазерного излучения Мощность лазерного излучения в непрерывном режиме может быть порядка 105 -106 Вт, в импульсном - до 1012 -1013 Вт, при этом удается достичь интенсивностей порядка 10121016 Вт/cм 2. Существенно, что эти мощности могут быть сконцентрированы в чрезвычайно узких спектральных и временных интервалах.

Свойства лазерного излучения Длительность импульса излучения в лазерах, работающих в режиме синхронизации мод, может составлять 10 -12 -10 -13 с и специальными методами доводиться до 10 -15 с (за это время свет проходит всего 3*10 -5 см), то есть лазеры обладают удивительно высокой степенью концентрации энергии во времени.

Свойства лазерного излучения Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной.

Свойства лазерного излучения Высокая когерентность, с использованием лазеров можно наблюдать интерференционную картину даже при разности хода лучей в несколько километров

Свойства лазерного излучения Направленность определяется тем, лазерного что в излучения открытом во резонаторе многом могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. Угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией.

Свойства лазерного излучения Яркость. Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени интенсивность света. можно получить очень большую

Применения Высокая мощность: Лазерная резка, сварка

Применения Малая расходимость, высокая направленность: Микрообработка материалов Фотолитография

Применения Направленность, монохроматичность ЛИДАРы • Исследование окружающей среды, • Дистанционный анализ газового состава атмосферы

Нанорезка Ширина реза: 70 нм Точность позиционирования: 40 нм Фокусируют импульсное лазерное излучение ультракороткой длительности импульса, высокой частоты следования, малой мощности: Длительность импульсов: менее 100 фс Частота следования: 90 МГц Энергия импульса: 10 -9 Дж

Нанорезка Применения: 1. Отделение ткани от здоровых клеток. 2. Вырезание областей генома. 3. Уничтожение отдельных органелл без вреда для клетки 4. Резание генов и молекул

Оптическая томография Возбуждают люминесценцию веществ, входящих в состав клетки Используют двухфотонное возбуждение люминесценции менее энергетичными , позволяющ исследовать материал в глубину на 100 нм, а не на поверхности. Детектируют люминесценцию на разных длинах волн, либо время жизни люминесцении. Различные спектры люминесценции и различные времена жизни соответствуют различным тканям

Оптическая томография Получают картинки для разных уровней от поверхности и объединяют их.

Оптическая томография Малое разрешение и возбуждение многофотонных процессов достигается за счет использования импульсного лазерного излучения ультракороткой длительности импульса, высокой частоты следования, малой мощности.

Оптический пинцет 1. Высокая напряженность электрического поля в лазерном поле поляризует частицу. 2. Под давлением света частица движется в перетяжку фокуса. 3. В перетяжке градиент электрического поля захватывает поляризованную частицу.

Оптический пинцет Захват ДНК и операции с ней Позиционирование клеток и создание искусственных тканей Создание гибридных клеток

Применения Лазерный телевизор