Вынужденное излучение. Лазеры. Поглощение фотона. Спонтанное

Вынужденное излучение. Лазеры.

Поглощение фотона.

Спонтанное испускание фотона.

Вынужденное испускание фотона.

Вынужденное (индуцированное) излучение - генерация нового фотона при переходе атома в состояние c меньшим энергетическим уровнем под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается).

(1916 год) А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения.

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «усиление света посредством вынужденного излучения» ), оптический квантовый генератор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др. ) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Принцип действия Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. Таким образом происходит усиление света.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др. )

В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана: здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана, T температура среды.

E = 13. 6 э. В N = 9. 2 10 -232 n= E = 12. 1 э. В N = 5. 9 10 -206 n=3 E = 10. 2 э. В N = 2. 9 10 -173 n=2 E = 0 э. В N = 1000 n=1

В обычном состоянии возбужденных атомов очень мало, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также очень мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера: здесь I 0 - начальная интенсивность, I интенсивность излучения, прошедшего расстояние L в веществе, - коэффициент поглощения вещества.

I 0 = 1 Вт = 10 м – 1

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону: где - коэффициент усиления.

I 0 = 1 Вт = 10 м– 1

Устройство лазера Все лазеры состоят из трёх основных частей: • активной (рабочей) среды; • системы накачки (источник энергии); • оптического резонатора (система зеркал). Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Активная среда Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Рабочее тело подвергается «накачке» , чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела: • Жидкости • Газы • Твёрдые тела • Полупроводники

Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны. Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелийнеоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиевоиттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd: YAG, титансапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литийалюминиевый фторид (Cr: Li. SAF), Er: YLF и Nd: glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах.

Система накачки Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества.

В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамически, фотодиссоциация).

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу.

Непрозрачное зеркало Полупрозрачное зеркало Простейший оптический резонатор

Зеркала лазера также работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды (частоты излучения) и ослабляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n: то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением: здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Гелий-неоновый лазер Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5: 1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства. Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 0, 5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 м. Вт.

Устройство гелий-неонового лазера

схема накачки активной среды He. Ne лазера 20, 61 е. В 20, 66 е. В 632, 8 нм 18, 7 е. В

Основные длины волн He. Ne лазера: 543 нм 633 нм 652 нм 1523 нм 3391 нм

Свойства лазерного излучения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Высококогерентность Монохроматичность Высокая мощность Высокая интенсивность Высокая яркость Высокое давление Малый угол расходимости в пучке (коллимированность)

• Лазерное излучение является высококогерентым, что обусловлено свойствами вынужденного излучения света. При этом наблюдается не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной.

• Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т. е. содержит волны практически одинаковой частоты. Это обусловлено тем, что при вынужденном излучении индуцированный фотон подобен первоначальному. При этом формируется электромагнитная волна постоянной частоты (ширина спектральной линии составляет 0, 01 -0, 02 нм)

• С помощью лазера можно обеспечить высокую мощность излучения – до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так неодимовый лазер генерирует импульс с энергией 75 Дж за время 3 10 -12 с, следовательно мощность в импульсе равна 2, 5 1013 Вт (мощность ГЭС ~ 109 Вт).

neodymium glass lasers used for inertial confinement fusion, nuclear weapons research and other high energy density physics experiments.

• В импульсных лазерах интенсивность излучения очень высока и может 14 - 1016 Вт/см 2 достигать 10 (интенсивность солнечного излучения вблизи земной 2) поверхности 0, 1 Вт/см

• У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые 15 лазеры имеют яркость 10 кд/м 2 (для сравнения: яркость 9 кд/м 2 ) Солнца 10

• Лазерный луч при падении на поверхность оказывает давление (р). При полном поглощении лазерного излучения создается давление p=I/c, где I – интенсивность излучения, с – скорость света. При полном отражении величина давления в два раза больше. • При интенсивности 1014 Вт/см 2, давление равно 3, 3 109 Па = 33000 атм.

• Излучение является коллимированным, т. е. лучи в пучке почти параллельны другу. Для большинства лазеров угол расходимости составляет 1 угловую минуту или меньше.

Характеристики лазерного излучения применяемого в медицине

Длина волны излучения • Длины волн излучения ( ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0, 2 -10 мкм, т. е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения • Для медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. Для непрерывных лазеров Р = 0, 01100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе 103 -108 Вт (для хирургических лазеров), а длительность импульса 10 -9 -10 -3 с.

Интенсивность (плотность мощности) • Эта характеристика определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе и среднюю интенсивность. • Интенсивность хирургических лазеров: – для непрерывных лазеров 103 Вт/см 2 – для импульсных лазеров (интенсивность в импульсе) 105 - 1011 Вт/см 2

Угол расходимости • Минимальный возможный угол расходимости определяется дифракцией на зеркальной поверхности резонатора и составляет 10 -4 -10 -5 рад (т. е. увеличение диаметра пучка на каждый метр составит 0, 1 -0, 01 мм).

Взаимодействие лазерного излучения с биообъектами

• Процессы, характеризующие виды взаимодействия лазерного излучения с биообъктами, можно разделить на три группы: – Невозмущающее воздействие (не оказывает заметного действия на биообъект) – Фотохимическое действие (возбужденная лазером частица принимает участие в химических реакциях) – Фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн)

Использование лазерного излучения в дианостике

Интерферометрия • При отражении лазерного излучения 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.

Голография • С помощью лазерного излучения получают трехмерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т. д.

Рассеяние света • При прохождении света через объект изменяется пространственное распределение интенсивности. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света позволяет определить размеры частиц среды (от 0, 02 до 300 мкм) и их форму.

Эффект Доплера • Метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, который возникает даже от медленно движущихся частиц (метод анемометрии). Таким образом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т. д.

Лазерный анализ крови • Лазерный луч, пропускаемый через кварцевый капилляр, по которому прокачивается кровь, вызывает флуоресценцию клеток крови. Флуоресцентное свечение специфично для каждого типа клеток проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток и определяются точные показатели по каждому типу клеток.

Использование лазерного излучения в терапии

• В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (0, 1 -10 Вт/см 2), которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями.

Терапия с помощью красного света • Излучение He. Ne лазера (633 нм) используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света на активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света • Используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание – следствие резкого возрастания в организме билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Под действием света билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Фотодинамическая терапия опухолей • Используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФТП основана на облучении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов (например, производные геметопорфирина, поглощающего свет в красной области спектра). При их освещении продуцируются активные формы кислорода (чаще синглетный кислород), способные повредить биосубстрат вблизи места локализации фотосенсибилизатора без нарушения нормальной ткани.

До После ФТП

Использование лазерного излучения в хирургии

• В хирургии используются высокоинтенсивные лазеры. Лазерный луч используется в качестве универсального светового скальпеля. При воздействии на биоткань лазерного излучения большой интенсивности. Происходит ее нагрев, коагуляция, испарение или абляция. • Для разрезания биологических тканей часто используется непрерывный СО 2 лазер с длиной волны 10, 6 мкм м интенсивностью 2 103 Вт/см 2.

Динамика изменения температуры под воздействием лазера

Разрушение пигментированных участков • Лазеры работающие в импульсном режиме используются для разрушения пигментированных участков. Необходимыми условиями являются: поглощение объектом излучения данной длины волны и короткая продолжительность импульсов.

Лазерный пробой • Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами используют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузырне и почках. При генерации лазерного импульса с длительностью 10 -9 -10 -12 с и большой интенсивностью происходит лазерный пробой аналогичный электрическому пробою (т. е. проходит процесс ударной электронной ионизации атомов мишени). В результате чего температура в фокальной области возрастает до десятков тысяч градусов и образовавшаяся ударная волна разрушает мишень.

Лазеры в офтольмалогии • Привание отслоившейся сетчатки и заваривание ее сосудов (офтальмокоагуляция) • Лечение глаукому путем прокалывания лазерным лучом отверстий для оттока внутриглазной жидкости • Послойная абляция тканей роговица для коррекции зрения (фоторефракционная кератотомия)

Инфракрасное излучение

• Инфракрасное излучение электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны =0, 74 мкм) и микроволновым излучением ( ~ 1 -2 мм). • Инфракрасное излучение было открыто в 1800 г. английским учёным У. Гершелем.

Уильям Фридрих Вильгельм Гершель (1738– 1822)

• Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих: – коротковолновая область: λ=0, 74 -2, 5 мкм; – средневолновая область: λ=2, 5 -50 мкм; – длинноволновая область: λ=50 -2000 мкм;

• Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. • При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

Физические основы термографии • У человека тепловое излучение составляет наибольшую долю теплопотерь (50%). Максимум излучения приходится на длину волны =9, 5 мкм. • Термография – диагностический метод, основанный на регистрации теплового излучения поверхности тела человека.

• Мощность, теряемая человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения, рассчитывается по формуле: • где S – площадь поверхности, - коэф. поглощения, T 1 – температура поверхности тела, T 0 – температура окружающей среды, - постоянная Стефана-Больцмана (5, 66 10 -8 Вт/м 2 К 4).

Определение температуры поверхности тела осуществляется двумя способами: 1. Использование жидких кристаллов, изменяющих цвет при изменении температуры. 2. Использование тепловизоров с электронно-оптическими преобразователями, которые преобразуют сигнал из ИК диапазона в видимый диапазон излучения.

Контактная термография с помощью пленок, содержащих жидкокристаллические соединения: светлая зона на пленке соответствует очагу гипертермии на тыле левой стопы.

Термограмма лица, шеи и передней поверхности груди в норме; температурная градация соседних участков шкалы по возрастанию слева направо — 0, 1°. Термограмма лица, шеи и передней поверхности груди при раке щитовидной железы: зона гипертермии на передней поверхности шеи обусловлена опухолью.

Тепловизоры