Типи лазерних вказівок. Потужність портативних лазерів та лазерних указок

Лазери

Урок пояснення нового матеріалу, 2 ч. 11-й клас

Матеріал розрахований на два уроки, домашнє заняття та 3-й урок, на якому заслуховують підготовлені повідомлення про застосування лазерів. Структура і зміст уроку повинні бути як розширенню кругозору з урахуванням отриманих знань з квантової оптиці, а й розвивати вміння думати, зіставляти, узагальнювати, аналізувати.

Хід уроку

I.Назва теми сьогоднішнього уроку записана англійською. А що це означає російською? ( Відповідь.Лазер – англійська абревіатура назви.) Підберіть до слова «лазерний» відповідні іменники. (Відповідь. Шоу, зброя, принтер, указка, диск...) Відповіді показують, що ви знайомі із застосуванням дивовижного винаходу ХХ ст. - Лазера. Підтвердженням його важливості є присудження у 1964 р. Нобелівської премії Н.Г.Басову, А.М.Прохорову та Ч.Таунсу «за фундаментальні роботи в галузі квантової електроніки, що призвели до створення генераторів та підсилювачів на основі принципу мазера – лазера».

Перед вами лабораторний лазер та лазерні указки. Цікаво, що особливого в цих джерелах світла, як вони влаштовані, адже настільки висока оцінка винаходу лазера, напевно, заслужена?

ІІ.В основі квантового посилення електромагнітних хвиль (ЕМВ) лежать два процеси: збудження індукованого випромінювання та накопичення збудження.

Випромінювання взагалі пов'язане з переходом атомів (молекул) із збудженого стану з енергією E mу стабільний стан з нижчою енергією E n. Частота випромінювання при цьому. У звичайних джерелах світла кількість переходів E m E nдорівнює кількості переходів E n E m, Випромінювання відбувається в широкому діапазоні частот, фази хвиль, випромінюваних окремими атомами, довільні. Таке випромінювання називається мимовільним, або спонтанним.

Якщо ж штучно створити перенаселеність верхніх енергетичних рівнів E m, то, за припущенням В.А.Фабриканта, зовнішнє випромінювання частотою mn, що проходить через таке активне середовище, може бути посилено за рахунок «спровокованих» ним переходів у середовищі E m E n. Таке вимушене, або індуковане, випромінювання відрізняється від спонтанного: напрямок поширення, поляризація, частота і фаза хвиль, що випромінюються окремими атомами, повністю тотожні зовнішньої хвилі.

Створити стабільну перенаселеність рівнів у дворівневій системі довго вдавалося, т.к. переходи нижній рівень відбувалися дуже швидко, через 10 –8 з. Найбільш стабільною виявилася трирівнева система, коли електрони переходили спочатку з верхнього рівня на середній (підрівень), причому цей перехід не супроводжувався випромінюванням, затримувалися на ньому до 10 -3 с, а потім уже з випромінюванням «звалювалися» на нижній рівень. У рубінових лазерах підрівень створюється рахунок введення домішок хрому в кристал оксиду алюмінію (рубіну). Бувають і чотирирівневі системи.

Рівень m _____________
________________Подуровень

Рівень n _____________

У квантових генераторах між дзеркалами, що утворюють так званий резонатор Фабрі-Перо, поміщають активне середовище Проходячи кілька разів від одного дзеркала до іншого хвиля посилюється і частково виходить через напівпрозоре дзеркало назовні. Як ви вважаєте, довжина резонатора – шлях між дзеркалами – може бути будь-якою? Виявляється, ні, має виконуватися умова резонансу: на довжині резонатора повинно укладатися ціле число довжин хвиль хвилі, що розповсюджується в резонаторі: 2 L = n, де L– відстань між дзеркалами, – довжина хвилі, n- ціле число.

Ця умова є найважливішою для генерації хвилі, вона забезпечує монохроматичність випромінювання. У лазері (квантовому генераторі) що неспроможні виникати хвилі довільної частоти. Генеруються хвилі лише з дискретним набором частот:

Лазер, по суті, є автоколивальною системою, в якій порушуються незатухаючі коливання на одній із власних частот резонатора.

ІІІ.Перевіримо, як ви зрозуміли розказане, які думки, питання виникли у вас.

– Чому лазери називають квантовими джерелами, адже й у звичайних джерелах випромінювання виникає також унаслідок переходів електронів із верхніх енергетичних рівнів на нижні? ( Відповідь. Лазер – штучне джерело випромінювання, основними властивостями якого, що відрізняють його від природних джерел, є монохроматичність та когерентність випромінювання.

– Які характеристики первинної хвилі, що падає на активне середовище, змінюються у лазері? ( Відповідь. Інтенсивність.)

– Назвіть процес, обернений до процесу індукованого випромінювання. ( Відповідь. Процес збудження, якому відповідають переходи електронів із нижніх рівнів енергії на верхні.)

– Назвіть елементи лазера як автоколивальну систему. ( Відповідь. Резонатори, активне середовище.)

- Що в конструкції лазера визначає монохроматичність хвилі, що випромінюється? ( Відповідь. Відстань між дзеркалами.)

– У чому фізика індукованого випромінювання? ( Відповідь. Явище резонансу.)

IV.За отриманою літературою за 3 хвилини підготуйте повідомлення у групах про роботу рубінового, напівпровідникового, газового, хімічного лазерів. При викладі дотримуйтесь плану: спосіб отримання трирівневих систем, спосіб збудження, особливості пристрою та сферу застосування. На аркуші ватману накресліть спрощену схему.

V.Ви заслухали повідомлення. Перевірте ступінь засвоєння, відповівши на запитання:

– Що спільного у роботі різних типів лазерів? ( Відповідь. Різні види енергії переходять в енергію оптичного випромінювання.

– Назвіть режими роботи лазера. Чим зумовлений режим роботи? ( Відповідь. Імпульсний, безперервний; обумовлений способом збудження та видом активного середовища.)

– Назвіть діапазони хвиль, які випромінюють квантові генератори. Чим вони зумовлені? ( Відповідь. Радіодіапазон – мазери; рентгенівський, оптичний, у тому числі інфрачервоний – лазери.)

- Чи є межа посилення випромінювання? ( Відповідь. Так. Інакше сама система себе зруйнує. Але використання багатоканальних установок значно розширює цю межу.)

VI.На аркуші з'являється запис: «Не дивися в лазер оком, що залишилося».

Дивитися прямо в лазер, навіть слабкий, не варто - інтенсивність світла на сітківці може виявитися в 10 4 разів вище, ніж максимальна інтенсивність сонячного променя. Якщо промінь випадково «мазнув» по очах, сфокусованих на якомусь іншому предметі, можна осліпнути лише на якийсь час, без незворотних пошкоджень ока. Але шукати кордону між цими крайнощами не варто!

VII. Експериментальне дослідження особливостей випромінювання лазерів

1. Монохроматичність– електромагнітне випромінювання має одну, певну та строго постійну, частоту. Це пов'язано з тим, що посилюються лише хвилі, задовольняють умові резонансу. Однак співвідношення невизначеностей E thпризводить до того, що енергія збудженого стану на рівні mможе мати значення між E m – Eі E m + E, Тому і частоти, що випромінюються лазером, будуть відрізнятися на , причому .

де d= 1 мм – відстань між штрихами, +3 та –3 – кути, під якими спостерігаються максимуми +3-го та –3-го порядків, L= 1 м. Зробивши перетворення, знаходимо:

де h+3 та h-3 - Висоти розташування відповідних максимумів. Вимірявши h-3 = 10 см і h+3 = 14 см і підставивши всі числові значення отримуємо: = 730 нм. - Ред.]

Школярі готуються до вимірювання довжини хвилі лазерного випромінювання за допомогою штангенциркуля

Для перевірки проведемо вимірювання зі стандартними дифракційними гратами з N= 600 штр./мм. Направивши промінь на неї перпендикулярно, отримаємо:

Відповідно до вимірювань, L= 1 м, k= ±1, h+1 = 43,5 см = 0,435 м, h-1 = 45 см = 0,45 м. Тоді:

Вимірювання довжини хвилі лазерного випромінювання за допомогою звичайної дифракційної решітки

2. Когерентність– узгодженість у часі та просторі кількох коливальних або хвильових процесів, що дозволяє отримати при їх складанні чітку інтерференційну картину.

Час когерентність відповідає за формування інтерференційної картини при розподілі променя на два. Чим ширший спектр випромінювання, тим менш когерентно: Таким чином, монохроматичність пов'язана з когерентністю.

Якщо направити промінь лазера на екран або чорний копіювальний папір, то ми побачимо, що він являє собою не рівну пляму, як промінь електричного ліхтаря, а візерунок з окремих зерен, що танцюють. Ця структура так і називається - зернистої, або гранульованою, або пеклом. Вона створюється паралельним пучком просторово когерентного світла, яке дифузно розсіюється на тонкій структурі аркуша паперу і пояснюється інтерференцією світла, що розсіюється окремими шорсткістю, розміри яких можна порівняти з довжиною хвилі світла. Просторова когерентність означає, що фази світлових хвиль, випромінюваних будь-якою частиною лазера, збігаються, що забезпечує стійкість інтерференційної картини.

Чіткість інтерференційної картини визначається розмірами області просторової когерентності. У цьому можна переконатися досвідченим шляхом, спостерігаючи інтерференцію променів, що пройшли через два маленькі отвори, як у досвіді Юнга. Для цього ми наклали один на одного дві голки з маленькими вушками та отримали при освітленні лазерною указкою чітку інтерференційну картину, що є доказом просторової когерентності лазерного променя.

3. Мінімальна розбіжність пучка.Завдяки слабкій розбіжності лазерний пучок видно, як точка на перешкоді, навіть віддаленій на велику відстань. Переконаємось у цьому на досвіді. Лазерний промінь, відбившись у дзеркалі, потрапляв на екран.

При L= 10 м (довжина кабінету) та діаметрі променя ( = 740 нм) при виході з указки D= 3 мм діаметр променя при падінні на дзеркало становив D 1 = 6 мм та при падінні на екран D 2 = 8 мм. Вийшла розбіжність променя приблизно 2 мм з відривом 10 м.

Справді, теоретично кут розбіжності a визначається лише діаметром пучка Dі довжиною хвилі:

На довжині 10 м розмір пучка має збільшитись до 10 м 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 м = 2,5 мм. Промінь кишенькового ліхтарика розходиться значно більше.

4. Потужність випромінювання.Лазери є найпотужнішим джерелом випромінювання: їхня потужність досягає 10 14 Вт/см 2 , тоді як потужність випромінювання Сонця 7 10 3 Вт/см 2 . Спектральна потужність випромінювання (припадає на вузький інтервал довжин хвиль = 10 -6 см) становить 0,2 Вт/см 2 у Сонця у лазерної указки.

Виміряємо на нашій установці потужність випромінювання лазерної указки та порівняємо її з потужністю випромінювання електричної лампи.

Струм, що споживається лампою, становить 0,15 А при напрузі 3,6 В. Потужність лампи P 1 = 0,15 А 3,6 В = 0,54 Вт. Фотострум, отриманий при опроміненні фотоелемента цією лампою, розташованою на відстані L= 10 см, становив 25 мкА.

Потужність світлового потоку лампи з урахуванням світловіддачі лампи (5%) та діаметра фотоелемента (3 см) складає всього:

Фотострум від лазерної указки, розташованої на такій же відстані L= 10 см, становив 300 мкА.

Якщо світловіддача лазерної указки дорівнює 0,6, то відношення фотострумів:

отже, потужність випромінювання лазерної указки

VIII.Сьогодні на уроці ви дізналися ( кажуть учні): чим та чому лазерне випромінювання відрізняється від випромінювання інших джерел; як утворюється це випромінювання. Залишилося розібратися, як ці властивості використовуються у технічних пристроях: медіатехніці, медичних апаратах, голографічних засобах запису та відтворення зображень, зброї, термоядерних реакторах. Кожна група вдома готує одне питання та вирішує завдання.

Основними властивостями лазерного випромінювання є: монохроматичність, просторова та тимчасова когерентність, спрямованість, висока потужність та яскравість.

Монохроматичність та поляризація .

Монохроматичність характеризує ступінь концентрації випромінювання за спектром. Кількісною характеристикою ступеня монохроматичності є ширина спектральної лінії на рівні 0,5 від її максимуму або спектральний діапазон займаний групою лінії.

Більш об'єктивною характеристикою є відносна ширина спектра
, де ,- кутова частота та довжина хвилі, що відповідають максимуму спектра.

Ширина спектральної моди, що виділяється резонатором, визначається його добротністю
. У свою чергу величина визначається втратами у резонаторі.

Теоретична межа ширини спектральної лінії лазерного випромінювання визначається двома факторами: 1) шумами, зумовленими тепловим випромінюванням у резонаторі; 2) шумами, пов'язаними із спонтанним випромінюванням активної речовини. В оптичному діапазоні шуми за рахунок спонтанного випромінювання переважаю над тепловими шумами. Якщо враховувати лише шуми, спричинені спонтанними переходами, то виявиться, що спектральна лінія вихідного лазерного випромінювання має лоренцеву формулу (див. п.1.7) з напівшириною
, де Р- Вихідна потужність лазерного випромінювання.

Для лазера з вихідною потужністю Р= 1 мВт, що випромінює в червоній області спектру ( λ 0 = 0,63 мкм) і має добротність резонатора 10 8 отримуємо
≈ 5∙10 -16 . Так як
, при L=1м допустиме відхилення довжини резонатора становить
= 5∙10 -7 нм. Вочевидь, стабілізувати довжину резонатора у межах дуже проблематично. У реальних умовах монохроматичне лазерне випромінювання визначається змінами довжини резонатора, спричиненими тепловими ефектами, вібраціями тощо.

Розглянемо питання про поляризації лазерного випромінювання Світло, яке має впорядкованість орієнтації векторів напруженостейEіH, називається поляризованим. Лазер, взагалі кажучи, може генерувати неполяризоване світло, але це шкодить стабільній роботі лазера. Для забезпечення роботи лазера на одній поляризації та отримати на виході плоскополяризоване світло, достатньо всередину резонатора ввести втрати для однієї з двох поляризацій. Плоскополяризованим називається світло, у якого напрямки коливань векторівEіHу будь-якій точці простору залишаються незмінними у часі. У твердотільних лазерах при цьому використовується анізотропія оптичних властивостей активної речовини. Наприклад, випромінювання рубінового лазера, як правило, поляризовано внаслідок його двопроменеломлення і розбіжності оптичної осі кристала з віссю резонатора.

Когерентність характеризує узгоджене протікання у часі та у просторі двох або кількох коливальних хвильових процесів, що з'являється при їх складанні.

У найпростішому вигляді в оптиці когерентність пов'язана з сталістю різниці фаз двох різних випромінювань або двох частин одного випромінювання. Інтерференція двох випромінювань при їх складанні може спостерігатися тільки якщо вони взаємно когерентні.

Для електромагнітної хвилі можна визначити два незалежні поняття - простір і час когерентності.

Під просторовою когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених із різних точок джерела в однакові моменти часу.

Під тимчасової когерентністю розуміють кореляцію фаз електромагнітних хвиль, випущених із однієї й тієї точки.

Просторова та тимчасова когерентність – незалежні параметри: один вид когерентності може існувати без іншого. Просторова когерентність залежить від поперечної вихідної моди лазера. Лазер безперервної дії, що працює на одній поперечній моді, має майже ідеальну просторову когерентність. Імпульсний лазер у багатомодовому режимі має обмежену просторову когерентність.

Тимчасова когерентність безпосередньо з монохроматичностью. Одночастотні (одномодові) лазери безперервної дії мають високий рівень тимчасової когерентності.

Ступінь взаємної когерентності двох випромінювачів можна експериментально визначити за контрастом інтерференційної картини

, (1)

і
- Інтенсивності в максимумі та мінімумі інтерференційних смуг.

Вимірявши інтенсивності
і
поблизу вибраних точок екрана можна визначити функцію , Що характеризує ступінь взаємної когерентності першого порядку

. (2)

Для спостереження лише просторової когерентності у точках х 1 і х 2
, тобто. проводити вимірювання поблизу точки 0 (див. рис. 2.10). Для спостереження лише тимчасової когерентності отвору х 1 і х 2 повинні бути розташовані як завгодно близько (збігатися), але для двох хвиль, що інтерферують, повинна бути забезпечена затримка в часі на наприклад, шляхом поділу хвилі від отвору х 1 дві частини за допомогою додаткового напівпрозорого дзеркала, як це робиться в інтерферометрі Майкельсона.

Рис. 2.10. Вимір ступеня когерентності електромагнітної хвилі за допомогою інтерферометра Юнга.

Час когерентності дорівнює 1/∆ ω , де ∆ ω - Ширина лінії в Гц. Час когерентності, помножений на швидкість світла, є довжиною когерентності. Остання характеризує глибину різкості в голографії та граничні дистанції, на яких можливі інтерферометричні виміри.

Когерентність випромінювання має значення тих застосуваннях лазера, де відбувається розщеплення і наступне складання складових лазерного пучка. До цих застосувань відносяться інтерферометрична лазерна далекометрія, голографія.

Якщо розташувати джерела оптичного випромінювання у порядку зменшення ступеня когерентності генерації ними випромінювання, матимемо: газові лазери – рідинні - твердотільні лазери на діелектриках- напівпровідникові лазери- газорозрядні лампи – світлодіоди - лампи розжарювання.

Спрямованість та яскравість.

Спрямованістю випромінювання називають локалізацію випромінювання поблизу одного напрямку, що є віссю розповсюдження випромінювання. Лазерне випромінювання за своєю природою має високий ступінь спрямованості. Для лазерного випромінювання коефіцієнт спрямованості може досягати 2000. Розбіжність лазерного випромінювання обмежується явищами дифракції.

Спрямованість лазерного випромінювання характеризується його розбіжністю, яка визначається відношенням довжини хвилі випромінювання, що генерується, до лінійного розміру резонатора..

Випромінювання лазерів є когерентним і тому фронт хвилі є, як правило, майже площиною або сферою з дуже великим радіусом. Таким чином, лазер можна розглядати як джерело майже паралельного проміння з дуже малою розбіжністю. У принципі, ця розбіжність визначається дифракцією променів на вихідному отворі. Кутова розбіжність  изл, що визначається дифракцією, оцінюється виразом
, де d- Діаметр отвору або діаметр пучка в найбільш вузькій його частині.

Когерентне випромінювання лазера можна сфокусувати на пляму надзвичайно малих розмірів, де щільність енергії буде дуже великою. Теоретичною межею мінімального розміру лазерного пучка є довжина хвилі. Для промислових лазерів розміри сфокусованої світлової плями становлять 0,001-0,01 см. В даний час за допомогою лазерів досягнуто потужності випромінювання 10 11 Вт/см 2 (щільність випромінювання Сонця становить лише 7 10 3 Вт/см 2).

Висока спрямованість лазерного випромінювання визначає його високу яскравість. Яскравість джерела електромагнітної хвилі є потужність випромінювання, що випускається з одиниці поверхні в одиничному вугіллі тілесному в напрямку, перпендикулярному випромінювальної поверхні.

Крім енергетичної яскравості, вводиться поняття фотометричної яскравості. Вона служить для оцінки ефективності впливу світла на око людини. Перехід від енергетичних величин до фотометричних здійснюється через коефіцієнт
, що залежить від довжини хвилі.

Цей коефіцієнт є світловим еквівалентом потоку випромінювання та називається спектральною світловою ефективністю монохроматичного випромінюваннячи видністю. Для нормального денного зору максимум функції видності посідає довжину хвилі = 555 нм (дзеркальне світло). При =380 і 780 нм видимість зменшується майже нуля.

Лазери стають все більш важливими інструментами дослідження в галузі медицини, фізики, хімії, геології, біології та техніки. При неправильному використанні вони можуть засліплювати та наносити травми (в т. ч. опіки та електротравми) операторам та іншому персоналу, включаючи випадкових відвідувачів лабораторії, а також завдати значної шкоди майну. Користувачі цих пристроїв повинні повною мірою розуміти та вживати необхідних заходів безпеки при користуванні ними.

Що таке лазер?

Слово «лазер» (LASS, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) є абревіатурою, яка розшифровується як «посилення світла індукованим випромінюванням». Частота випромінювання, що генерується лазером, знаходиться в межах або поблизу видимої частини електромагнітного спектра. Енергія посилюється до стану надзвичайно високої інтенсивності за допомогою процесу, що зветься «випромінювання лазерне індуковане».

Термін «радіація» часто розуміється неправильно, тому що його також використовують при описі. У даному контексті воно означає передачу енергії. Енергія переноситься з одного місця в інше за допомогою провідності, конвекції та випромінювання.

Існує безліч різних типів лазерів, що працюють у різних середовищах. Як робоче середовище використовуються гази (наприклад, аргон або суміш гелію з неоном), тверді кристали (наприклад, рубін) або рідкі барвники. Коли енергія подається у робоче середовище, вона перетворюється на збуджений стан і вивільняє енергію як частинок світла (фотонів).

Пара дзеркал на обох кінцях герметизованої трубки або відбиває, або передає світло як концентрованого потоку, званого лазерним променем. Кожне робоче середовище виробляє промінь унікальної довжини хвилі та кольору.

Колір світла лазера, зазвичай, виражається довжиною хвилі. Він є неіонізуючим і включає ультрафіолетову (100-400 нм), видиму (400-700 нм) та інфрачервону (700 нм - 1 мм) частину спектра.

Електромагнітний спектр

Кожна електромагнітна хвиля має унікальну частоту і довжину, пов'язану з цим параметром. Подібно до того, як червоне світло має свою власну частоту і довжину хвилі, так і всі інші кольори - помаранчевий, жовтий, зелений і синій - мають унікальні частоти і довжини хвиль. Люди здатні сприймати ці електромагнітні хвилі, але не в змозі бачити решту спектра.

Найбільшу частоту мають ультрафіолет. Інфрачервоне, мікрохвильова радіація та радіохвилі займають нижні частоти спектра. Видиме світло знаходиться у дуже вузькому діапазоні між ними.

вплив на людину

Лазер виробляє інтенсивний спрямований пучок світла. Якщо його направити, відобразити або сфокусувати на об'єкт, промінь частково поглинеться, підвищуючи температуру поверхні та внутрішньої частини об'єкта, що може спричинити зміну або деформацію матеріалу. Ці якості, які знайшли застосування в лазерній хірургії та обробці матеріалів, можуть бути небезпечними для тканин людини.

Крім радіації, що чинить тепловий вплив на тканини, небезпечне лазерне випромінювання, що справляє фотохімічний ефект. Його умовою є досить коротка, тобто ультрафіолетова або синя частини спектру. Сучасні пристрої виробляють лазерне випромінювання, вплив на людину якого зведено до мінімуму. Енергії малопотужних лазерів недостатньо для завдання шкоди, і небезпеки вони не становлять.

Тканини людини чутливі до впливу енергії, і при певних обставинах електромагнітне випромінювання, лазерне в тому числі, може призвести до пошкодження очей та шкіри. Було проведено дослідження порогових рівнів травмуючої радіації.

Небезпека для очей

Людське око більш схильний до травм, ніж шкіра. Рогівка (прозора зовнішня передня поверхня ока), на відміну від дерми, не має зовнішнього шару відмерлих клітин, що захищають від впливу навколишнього середовища. Лазерне та поглинається рогівкою ока, що може завдати їй шкоди. Травма супроводжується набряком епітелію та ерозією, а при тяжких ушкодженнях – помутнінням передньої камери.

Кришталик ока також може бути схильний до травм, коли на нього впливає різне лазерне випромінювання - інфрачервоне та ультрафіолетове.

Найбільшу небезпеку, однак, є вплив лазера на сітківку ока у видимій частині оптичного спектру - від 400 нм (фіолетовий) до 1400 нм (ближній інфрачервоний). У межах цієї області діапазону колімовані промені фокусуються на дуже невеликих ділянках сітківки. Найбільш несприятливий варіант впливу відбувається, коли око дивиться в далечінь і в нього потрапляє прямий або відбитий промінь. В цьому випадку його концентрація на сітківці досягає 100 000 разів.

Таким чином, видимий пучок потужністю 10 мВт/см2 впливає на сітківку ока з потужністю 1000 Вт/см2. Цього більш ніж достатньо, щоб спричинити пошкодження. Якщо око не дивиться вдалину, або якщо промінь відбивається від дифузної, не дзеркальної поверхні, до травм веде значно сильніше випромінювання. Лазерна дія на шкіру позбавлена ефекту фокусування, тому вона набагато менше схильна до травм при цих довжинах хвиль.

Рентгенівське проміння

Деякі високовольтні системи з напругою понад 15 кВ можуть генерувати рентгенівські промені значної потужності: лазерне випромінювання, джерела якого - потужні з електронним накачуванням, а також плазмові системи та джерела іонів. Ці пристрої повинні бути перевірені у тому числі для забезпечення належного екранування.

Класифікація

Залежно від потужності чи енергії пучка та довжини хвилі випромінювання, лазери діляться на кілька класів. Класифікація заснована на потенційній здатності пристрою викликати негайну травму очей, шкіри, займання при прямому впливі променя або при відображенні від дифузних поверхонь, що відбивають. Всі комерційні лазери підлягають ідентифікації за допомогою намічених на них міток. Якщо пристрій було виготовлено вдома або іншим чином не позначено, слід отримати консультацію щодо відповідної класифікації та маркування. Лазери розрізняють за потужністю, довжиною хвилі та тривалістю експозиції.

Безпечні пристрої

Пристрої першого класу генерують низькоінтенсивне лазерне випромінювання. Воно не може досягти небезпечного рівня, тому джерела звільняються від більшості заходів контролю чи інших форм спостереження. Приклад: лазерні принтери та програвачі компакт-дисків.

Умовно безпечні пристрої

Лазери другого класу випромінюють у видимій частині спектра. Це лазерне випромінювання, джерела якого викликають у людини нормальну реакцію неприйняття надто яскравого світла (миготливий рефлекс). При дії променя людське око моргає через 0,25 с, що забезпечує достатній захист. Однак лазерне випромінювання у видимому діапазоні здатне пошкодити око при постійному впливі. Приклади: лазерні покажчики, геодезичні лазери.

Лазери 2а-класу є пристроями спеціального призначення із вихідною потужністю менше 1 мВт. Ці прилади викликають пошкодження лише при безпосередньому впливі протягом більше 1000 с за 8-годинний робочий день. Приклад: пристрої зчитування штрих-коду.

Небезпечні лазери

До класу 3а відносять пристрої, які не травмують при короткочасному впливі на незахищене око. Можуть становити небезпеку під час використання фокусуючої оптики, наприклад, телескопів, мікроскопів або біноклів. Приклади: гелій-неоновий лазер потужністю 1-5 мВт, деякі лазерні покажчики та будівельні рівні.

Промінь лазера класу 3b може призвести до травми при безпосередньому впливі або його дзеркальному відображенні. Приклад: гелій-неоновий лазер потужністю 5-500 мВт, багато дослідних та терапевтичних лазерів.

Клас 4 включає пристрої з рівнями потужності понад 500 мВт. Вони небезпечні для очей, шкіри, а також пожежонебезпечні. Вплив пучка, його дзеркального чи дифузного відбиття може стати причиною очних та шкірних травм. Мають бути вжиті всі заходи безпеки. Приклад: Nd:YAG-лазери, дисплеї, хірургія, металорізання.

Лазерне випромінювання: захист

Кожна лабораторія має забезпечити відповідний захист осіб, які працюють із лазерами. Вікна приміщень, через які може проходити випромінювання пристроїв 2, 3 або 4 класу з шкодою на неконтрольованих ділянках, повинні бути покриті або іншим чином захищені під час роботи такого приладу. Для максимального захисту очей рекомендується наступне.

Пучок необхідно укласти в негорючу захисну оболонку, що не відображає, щоб звести до мінімуму ризик випадкового впливу або пожежі. Для вирівнювання променя використовувати люмінесцентні екрани чи вторинні візири; уникати прямого на очі.
Для процедури вирівнювання променя використати найменшу потужність. По можливості для попередніх процедур вирівнювання використовувати пристрої низького класу. Уникати присутності зайвих відбиваючих об'єктів у зоні роботи лазера.
Обмежити проходження променя у небезпечній зоні у неробочий час, використовуючи заслінки та інші перепони. Не використовувати стіни для вирівнювання променя лазерів класу 3b і 4.
Використовувати інструменти, що не відображають. Деякий інвентар, що не відображає видиме світло, стає дзеркальним у невидимій області спектра.
Не носити ювелірні вироби, що відображають. Металеві прикраси також підвищують небезпеку ураження електричним струмом.

Захисні окуляри

При роботі з лазерами 4 класу з відкритою небезпечною зоною або ризику відображення слід користуватися захисними окулярами. Тип залежить від виду випромінювання. Окуляри необхідно вибирати для захисту від відбиття, особливо дифузних, а також для забезпечення захисту до рівня, коли природний захисний рефлекс може запобігти травмам очей. Такі оптичні прилади збережуть деяку видимість променя, запобігають опікам шкіри, зменшать можливість інших нещасних випадків.

Чинники, які слід враховувати при виборі захисних окулярів:

довжина хвилі або область спектра випромінювання;
оптична щільність за певної довжини хвилі;
максимальна освітленість (Вт/см2) або потужність пучка (Вт);
тип лазерної системи;
режим потужності – імпульсне лазерне випромінювання або безперервний режим;
можливості відображення - дзеркального та дифузного;
поле зору;
наявність коригувальних лінз або достатнього розміру, що дозволяє носити окуляри для корекції зору;
комфорт;
наявність вентиляційних отворів, що запобігають запотіванню;
вплив на колірний зір;
ударостійкість;
можливість виконання необхідних завдань.

Оскільки захисні окуляри зазнають пошкоджень та зношування, програма безпеки лабораторії повинна включати періодичні перевірки цих захисних елементів.

Тривалість дії лазерного випромінювання

Тривалість визначається конструкцією лазера. Можна виділити такі типові режими розподілу випромінювання у часі:

Безперервний режим;

Імпульсний режим, тривалість імпульсу визначається тривалістю спалаху лампи накачування, типова тривалість Дфл~10-3с;

Режим модуляції добротності резонатора (тривалість імпульсу випромінювання визначається перевищенням накачування над порогом генерації та швидкістю та швидкістю включення добротності, типова тривалість лежить в інтервалі 10-9 - 10-8 с, це так званий наносекундний діапазон тривалостей випромінювання);

Режим синхронізації та поздовжніх мод у резонаторі (тривалість імпульсу випромінювання Дфл~10-11с - пікосекундний діапазон тривалостей випромінювання);

Різні режими примусового скорочення імпульсів випромінювання (Дфл ~10-12с).

Щільність потужності випромінювання

Лазерне випромінювання може бути сконцентровано у вузькоспрямованому промені з великою густиною потужності.

Щільність Ps потужності випромінювання визначається ставленням потужності випромінювання, що проходить через переріз лазерного пучка, до площі перерізу та має розмірність Вт см-2.

Відповідно щільність Ws енергії випромінювання визначається ставленням енергії, що проходить через переріз лазерного пучка, до площі перерізу та має розмірність Дж см-2

Щільність потужності в промені лазера досягає великих величин внаслідок складання енергії величезної множини когерентних випромінювань окремих атомів, що приходять в обрану точку простору в однаковій фазі.

Когерентне випромінювання лазера за допомогою оптичної системи лінз можна сфокусувати на малу, порівнянну із довжиною хвилі майданчик на поверхні об'єкта.

Щільність потужності лазерного випромінювання цьому майданчику сягає величезної величини. У центрі майданчика щільність потужності:

де Р – вихідна потужність лазерного випромінювання;

D – діаметр об'єктиву оптичної системи;

л – довжина хвилі;

f – фокусна відстань оптичної системи.

Випромінювання лазера з величезною щільністю потужності, впливаючи на різні матеріали, руйнує і навіть випаровує їх в області падаючого сфокусованого випромінювання. Одночасно в області падіння лазерного випромінювання на поверхню матеріалу на ньому створюється світловий тиск у сотні тисяч мегапаскалів.

У результаті відзначимо, що фокусуючи випромінювання ОКГ до плями, діаметр якого приблизно дорівнює довжині хвилі випромінювання, можна отримати світлове тиск в 106МПа, а також величезні щільності потужності випромінювання, що досягають величин 1014-1016Вт.см-2, при цьому виникають температури до декількох мільйонів кельвінів.

Блок схема оптичного квантового резонатора

Лазер складається з трьох основних частин: активне середовище, пристрій накачування та оптичний резонатор. Іноді додають і пристрій термостабілізації.

Малюнок 3 - Блок-схема лазера

1) Активне середовище.

Для резонансного поглинання та посилення за рахунок вимушеного випромінювання необхідно, щоб хвиля проходила крізь матеріал, атоми або системи атомів якого налаштовані на потрібну частоту. Інакше кажучи, різниця енергетичних рівнів E2 - E1 для атомів матеріалу повинна дорівнювати частоті електромагнітної хвилі, помноженої на постійну Планка: E2 - E1 = hn. Далі, щоб вимушене випромінювання переважало над поглинанням, атомів на верхньому енергетичному рівні має бути більше, ніж нижньому. Зазвичай цього немає. Понад те, будь-яка система атомів, досить тривалий час надана собі, входить у рівновагу зі своїм оточенням за низької температури, тобто. досягає стану найнижчої енергії. За підвищених температур частина атомів системи збуджується тепловим рухом. За нескінченно високої температури всі квантові стани були б однаково заповнені. Але оскільки температура завжди кінцева, переважна частка атомів перебуває у нижчому стані, і що вище стану, тим менше вони заповнені. Якщо за абсолютної температурі T у нижчому стані знаходиться n0 атомів, то число атомів у збудженому стані, енергія якого на величину E перевищує енергію нижчого стану, дається розподілом Больцмана: n=n0e-E/kT, де k - постійна Больцмана. Оскільки атомів, що у нижчих станах, за умов рівноваги завжди більше, ніж у вищих, за таких умов завжди переважає поглинання, а чи не посилення з допомогою вимушеного випромінювання. Надлишок атомів у певному збудженому стані можна створювати та підтримувати, тільки штучно переводячи їх у цей стан, причому швидше, ніж вони повертаються до теплової рівноваги. Система, в якій є надлишок збуджених атомів, прагне теплової рівноваги, і її необхідно підтримувати в нерівноважному стані, створюючи в ній такі атоми.

2) Резонатор.

Оптичний резонатор являє собою систему спеціально узгоджених двох дзеркал, підібраних таким чином, щоб слабке вимушене випромінювання, що виникає в резонаторі за рахунок спонтанних переходів, багаторазово посилювалося, проходячи через активне середовище, вміщене між дзеркалами. Внаслідок багаторазових відбитків випромінювання між дзеркалами відбувається ніби подовження активного середовища у бік осі резонатора, що визначає високу спрямованість лазерного випромінювання. У складніших лазерах застосовуються чотири і більше дзеркал, що утворюють резонатор. Якість виготовлення та встановлення цих дзеркал є для якості отриманої лазерної системи. Також, в лазерній системі можуть монтуватися додаткові пристрої для отримання різних ефектів, такі як дзеркала, що повертаються, модулятори, фільтри і поглиначі. Їх застосування дозволяє змінювати параметри випромінювання лазера, наприклад, довжину хвилі, тривалість імпульсів тощо.

Резонатор - основний визначальний чинник робочої довжини хвилі, і навіть інших властивостей лазера. Існують сотні чи навіть тисячі різних робочих тіл, на основі яких можна побудувати лазер. Робоче тіло піддається «накачування», щоб отримати ефект інверсії електронних населень, що викликає вимушене випромінювання фотонів та ефект оптичного посилення. У лазерах застосовуються такі робочі тіла.

Рідина, наприклад, у лазерах на барвниках складається з органічного розчинника, наприклад, метанолу, етанолу або етиленгліколю, в яких розчинені хімічні барвники, наприклад, кумарин або родамін. Конфігурація молекул барвника визначає робочу довжину хвилі.

Гази, наприклад, вуглекислий газ, аргон, криптон або суміші, такі як гелій-неонових лазерах. Такі лазери найчастіше накачуються електричними розрядами.

Тверді тіла, такі як кристали та скло. Суцільний матеріал зазвичай легується (активується) добавкою невеликої кількості іонів хрому, неодиму, ербію або титану. Типові кристали: алюмінієвий гранат (YAG), літієво-іттрієвий фторид (YLF), сапфір (оксид алюмінію) і силікатне скло. Найпоширеніші варіанти: Nd:YAG, титан-сапфір, хром-сапфір (відомий також як рубін), легований хромом стронцій-літій-алюмінієвий фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF та Nd:glass (неодимове скло). Твердотілі лазери зазвичай накачуються імпульсною лампою або іншим лазером.

Напівпровідники. Матеріал, у якому перехід електронів між енергетичними рівнями може супроводжуватись випромінюванням. Напівпровідникові лазери дуже компактні, накачуються електричним струмом, що дозволяє використовувати їх у побутових пристроях, таких як програвачі компакт-дисків.

3) Пристрій накачування.

Джерело накачування подає енергію у систему. Це може бути електричний розрядник, імпульсна лампа, дугова лампа, інший лазер, хімічна реакція або вибухова речовина. Тип пристрою накачування безпосередньо залежить від використовуваного робочого тіла, а також визначає спосіб підведення енергії до системи. Наприклад, гелій-неонові лазери використовують електричні розряди в гелій-неоновій газовій суміші, а лазери на основі алюмо-іттрієвого гранату з неодимовим легуванням (Nd:YAG лазери) - сфокусоване світло ксенонової імпульсної лампи, ексімерні лазери - енергію хімічних реакцій.

1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище.

2. Створення інверсної населеності. Способи накачування.

3. Принцип впливу лазера. Типи лазерів.

4. Особливості лазерного випромінювання.

5. Характеристики лазерного випромінювання, що застосовується у медицині.

6. Зміни властивостей тканини та її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання.

7. Використання лазерного випромінювання у медицині.

8. Основні поняття та формули.

9. Завдання.

Ми знаємо, що світло випускається окремими порціями - фотонами, кожен із яких виникає внаслідок випромінювального переходу атома, молекули чи іона. Природне світло - це сукупність великої кількості таких фотонів, що розрізняються за частотою і фазою, випущених у випадкові моменти часу у випадкових напрямках. Отримання потужних пучків монохроматичного світла за допомогою природних джерел – завдання практично нерозв'язне. У той самий час потреба у таких пучках відчувалася як фізиками, і фахівцями багатьох прикладних наук. Створення лазера дозволило вирішити це завдання.

Лазер- пристрій, що генерує когерентні електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випромінювання мікрочастинок середовища, в якому створено високий ступінь збудження одного з енергетичних рівнів.

Лазер - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання.

Інтенсивність лазерного випромінювання (ЛИ) у багато разів перевищує інтенсивність природних джерел світла, а розбіжність лазерного променя менше однієї кутової хвилини (10 -4 рад).

31.1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище

У лекції 27 ми з'ясували, що проходження світла через речовину супроводжується як фотонним збудженнямйого частинок, а також актами вимушеного випромінювання.Розглянемо динаміку цих процесів. Нехай серед поширюється монохроматичнийсвітло, частота якого (ν) відповідає переходу частинок цього середовища з основного рівня (E 1) на збуджений (Е 2):

Фотони, що потрапляють у частинки, що перебувають у основному стані, будуть поглинатися,а самі частинки переходитимуть у збуджений стан Е2 (див. рис. 27.4). Фотони, які потрапляють до збуджених частинок, ініціюють вимушене випромінювання (див. рис. 27.5). При цьому відбувається подвоєння фотонів.

У стані теплової рівноваги співвідношення між числом збуджених (N 2) і незбуджених (N 1) частинок підпорядковується розподілу Больцмана:

де k – постійна Больцмана, T – абсолютна температура.

При цьому N 1 >N 2 поглинання домінує над подвоєнням. Отже, інтенсивність світла, що виходить, I буде менше інтенсивності падаючого світла I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1.Ослаблення світла, що проходить через середовище, в якому ступінь збудження менше 50% (N 1 > N 2)

У міру поглинання світла ступінь збудження зростатиме. Коли вона досягне 50% (N 1 = N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновага, тому що ймовірності попадання фотонів у збуджену та незбуджену частинки стануть однаковими. Якщо освітлення середовища припиниться, через деякий час середа повернеться у початковий стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1 > N 2). Зробимо попередній висновок:

При освітленні середовища монохроматичним світлом (31.1) неможливо досягти такого стану середовища, у якому ступінь порушення перевищує 50 %. І все-таки давайте розглянемо питання про проходження світла через середовище, в якому якимось способом досягнуто стан N 2 > N 1 . Такий стан називається станом з інверсною населеністю(Від лат. inversio- Перевертання).

Інверсне населення- такий стан середовища, у якому число частинок одному з верхніх рівнів більше, ніж нижньому.

У середовищі з інверсною населеністю ймовірність попадання фотона в збуджену частинку більша, ніж у збуджену. Тому процес подвоєння домінує над процесом поглинання та має місце посилення світла (рис. 31.2).

У міру проходження світла через середу з інверсною населеністю ступінь збудження знижуватиметься. Коли вона досягне 50%

Рис. 31.2.Посилення світла, що проходить через середовище з інверсною населеністю (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновага та ефект посилення світла зникне. Якщо освітлення середовища припиниться, через деякий час середа повернеться у стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1 > N 2).

Якщо вся ця енергія виділиться у випромінювальних переходах, ми отримаємо світловий імпульс величезної потужності. Правда, він ще не матиме необхідної когерентності і спрямованості, але буде високою мірою монохроматичний (hv = E 2 - E 1). Це ще лазер, але вже щось близьке.

31.2. Створення інверсної населеності. Способи накачування

Тож чи можна досягти інверсної населеності? Виявляється, можна, якщо використати триенергетичного рівня з наступною конфігурацією (рис. 31.3).

Нехай середовище висвітлюється потужним спалахом світла. Частина спектра випромінювання буде поглинена у переході з основного рівня Е1 на широкий рівень Е3. Нагадаємо, що широкимє енергетичний рівень із малим часом релаксації. Тому більшість частинок, що потрапили на рівень збудження Е 3 , без випромінювання переходить на вузький метастабільний рівень Е 2 де відбувається їх накопичення. Внаслідок вузькості цього рівня лише мала частка фотонів спалаху

Рис. 31.3.Створення інверсної населеності на метастабільному рівні

здатна викликати вимушений перехід Е2 → Е1. Цим і забезпечуються умови створення інверсної населеності.

Процес створення інверсної населеності називається накачуванням.У сучасних лазерах застосовуються різні види накачування.

Оптична накачування прозорих активних середовищ використовує імпульси світла від зовнішнього джерела.

Електророзрядне накачування газових активних середовищ використовує електричний розряд.

Інжекційне накачування напівпровідникових активних середовищ використовує електричний струм.

Хімічна накачування активного середовища із суміші газів використовує енергію хімічної реакції між компонентами суміші.

31.3. Принцип дії лазера. Типи лазерів

Функціональна схема лазера показано на рис. 31.4. Робоче тіло (активне середовище) є довгим вузьким циліндром, торці якого закриті двома дзеркалами. Одне із дзеркал (1) напівпрозоре. Така система називається оптичним резонатором.

Система накачування переводить частинки з основного рівня Е 1 на поглинальний рівень Е 3, звідки вони безвипромінно переходять на метастабільний рівень Е 2 створюючи його інверсну населеність. Після цього починаються спонтанні випромінювальні переходи Е 2 → Е 1 з випромінюванням монохроматичних фотонів:

Рис. 31.4.Схематичний пристрій лазера

Фотони спонтанного випромінювання, випущені під кутом до осі резонатора, виходять через бічну поверхню і в процесі генерації не беруть участь. Їхній потік швидко вичерпується.

Фотони, які після спонтанного випромінювання рухаються вздовж осі резонатора, багаторазово проходять через робоче тіло, відбиваючись від дзеркал. При цьому вони взаємодіють із збудженими частинками, ініціюючи вимушене випромінювання. За рахунок цього відбувається «лавиноподібне» наростання індукованих фотонів, що рухаються у тому самому напрямку. Багаторазово посилений потік фотонів виходить через напівпрозоре дзеркало, створюючи потужний пучок майже паралельних променів когерентних. Фактично лазерне випромінювання породжується першимспонтанним фотоном, що рухається вздовж осі резонатора. Це забезпечує когерентність випромінювання.

Таким чином, лазер перетворює енергію джерела накачування на енергію монохроматичного когерентного світла. Ефективність такого перетворення, тобто. ККД залежить від типу лазера і лежить в діапазоні від часток відсотка до декількох десятків відсотків. Більшість лазерів ККД становить 0,1-1 %.

Типи лазерів

Перший створений лазер (1960 р.) використовував як робоче тіло рубін і оптичну систему накачування. Рубін - це кристалічний окис алюмінію А1 2 Про 3 містить близько 0,05% атомів хрому (саме хром надає рубіну рожевий колір). Атоми хрому, впроваджені в кристалічні ґрати, є активним середовищем

зі зміною енергетичних рівнів, зображеної на рис. 31.3. Довжина хвилі випромінювання рубінового лазера дорівнює λ = 694,3 нм. Потім з'явилися лазери, які використовують інші активні середовища.

Залежно від типу робочого тіла лазери поділяються на газові, твердотільні, рідинні, напівпровідникові. У твердотільних лазерах активний елемент зазвичай виготовляється у вигляді циліндра, довжина якого набагато більша за його діаметр. Газові та рідкі активні середовища поміщають у циліндричну кювету.

Залежно від способу накачування можна отримати безперервну та імпульсну генерацію лазерного випромінювання. За безперервної системи накачування інверсія населеності підтримується тривалий час за рахунок зовнішнього джерела енергії. Наприклад, безперервне збудження електричним розрядом у газовому середовищі. При імпульсній системі накачування інверсія населення створюється в імпульсному режимі. Частота проходження імпульсів від 10 -3

Гц до 103 Гц.

31.4. Особливості лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання своїми властивостями значно відрізняється від випромінювання звичайних джерел світла. Зазначимо його характерні риси.

1. Когерентність.Випромінювання є висококогерентним,що з властивостями вимушеного випромінювання. У цьому має місце як тимчасова, а й просторова когерентність: різниця фаз у двох точках площині, перпендикулярної напряму поширення, зберігається постійної (рис. 31.5, а).

2. Колімованість.Лазерне випромінювання є колімованим,тобто. всі промені в пучку майже паралельні один до одного (рис. 31.5, б). На великій відстані лазерний пучок лише трохи збільшується в діаметрі. Так як кут розбіжності φ малий, то інтенсивність лазерного пучка слабо зменшується з відстанню. Це дозволяє передавати сигнали на великі відстані при малому послабленні їхньої інтенсивності.

3. Монохроматичність.Лазерне випромінювання є в високого ступеня монохроматичним,тобто. містить хвилі практично однакової частоти (ширина спектральної лінії становить Δλ ≈0,01 нм). на

малюнку 31.5, наведено схематичне порівняння ширини лінії лазерного променя і променя звичайного світла.

Рис. 31.5.Когерентність (а), колімованість (б), монохроматичність (в) лазерного випромінювання

До появи лазерів випромінювання з деяким ступенем монохроматичності вдавалося отримати за допомогою приладів - монохроматорів, що виділяють із суцільного спектра вузькі спектральні інтервали (вузькі смуги довжин хвиль), проте потужність світла таких смугах мала.

4. Висока потужність.За допомогою лазера можна забезпечити дуже високу потужність монохроматичного випромінювання – до 10 5 Вт у безперервному режимі. Потужність імпульсних лазерів на кілька порядків вища. Так, неодимовий лазер генерує імпульс з енергією Е = 75 Дж, тривалість якого t = 3х10-12 с. Потужність в імпульсі дорівнює Р = Е/t = 2,5 х10 13 Вт (для порівняння: потужність ГЕС становить Р ~ 109 Вт).

5. Висока інтенсивність.У імпульсних лазерах інтенсивність лазерного випромінювання дуже висока може досягати I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (порівн. інтенсивність сонячного світла поблизу земної поверхні I = 0,1 Вт/см 2).

6. Висока яскравість.У лазерів, що працюють у видимому діапазоні, яскравістьлазерного випромінювання (сила світла з одиниці поверхні) дуже велика. Навіть найслабші лазери мають яскравість 1015 кд/м2 (для порівняння: яскравість Сонця L ~ 109 кд/м2).

7. Тиск.При падінні лазерного променя на поверхню тіла створюється тиск(Д). При повному поглинанні лазерного випромінювання, що падає перпендикулярно до поверхні, створюється тиск Д = I/c, де I -інтенсивність випромінювання, з - швидкість світла у вакуумі. При повному відображенні величина тиску вдвічі більша. Для інтенсивності I = 1014 Вт/см 2 = 1018 Вт/м 2 ; Д = 3,3 х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованість.Лазерне випромінювання повністю поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного випромінювання, що застосовується в медицині

Довжина хвилі випромінювання

Довжини хвиль випромінювання (λ) медичних лазерів лежать діапазоні 0,2 -10 мкм, тобто. від ультрафіолетової до далекої інфрачервоної області.

Потужність випромінювання

Потужність випромінювання (P) медичних лазерів варіюється в широких межах, що визначаються цілями застосування. У лазерів з безперервним накачуванням Р = 0,01-100 Вт. Імпульсні лазери характеризуються потужністю в імпульсі Р та тривалістю імпульсу τ і

Для хірургічних лазерів Р і = 103 -108 Вт, а тривалість імпульсу т і = 10 -9 -10 -3 с.

Енергія в імпульсі випромінювання

Енергія одного імпульсу лазерного випромінювання (Е і) визначається співвідношенням Е і = Р і -т і де т і - тривалість імпульсу випромінювання (зазвичай т і = 10 -9 -10 -3 с). Для хірургічних лазерів Е та = 0,1-10 Дж.

Частота проходження імпульсів

Ця характеристика (f) імпульсних лазерів показує кількість імпульсів випромінювання, що генеруються лазером за 1 с. Для терапевтичних лазерів f = 10-3000 Гц, для хірургічних f = 1-100 Гц.

Середня потужність випромінювання

Ця характеристика (Р ср) імпульсно-періодичних лазерів показує, яку енергію лазер випромінює за 1 с, і визначається наступним співвідношенням:

Інтенсивність (щільність потужності)

Ця характеристика (I) визначається як відношення потужності лазерного випромінювання до площі поперечного перерізу пучка. Для безперервних лазерів I = P/S. У разі імпульсних лазерів розрізняють інтенсивність у імпульсі I і = P і /S та середню інтенсивність I ср = Р ср /S.

Інтенсивність хірургічних лазерів та тиск, що створюється їх випромінюванням, мають такі значення:

для безперервних лазерів I ~ 10 3 Вт/см 2 Д = 0,033 Па;

для імпульсних лазерів I і ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Щільність енергії в імпульсі

Ця величина (W) характеризує енергію, яка припадає на одиницю площі поверхні, що опромінюється за один імпульс і визначається співвідношенням W = E і /S, де S (см 2) - площа світлової плями (тобто поперечного перерізу лазерного променя) на поверхні біотканини. У лазерів, що використовуються в хірургії, W 100 Дж/см 2 .

Параметр W можна як дозу опромінення D за 1 імпульс.

31.6. Зміни властивостей тканини та її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання

Зміна температури та властивостей тканини

під дією безперервного лазерного випромінювання

Поглинання потужного лазерного випромінювання біологічної тканини супроводжується виділенням теплоти. Для розрахунку теплоти, що виділяється, використовують спеціальну величину - об'ємну щільність теплоти(q).

Виділення теплоти супроводжується підвищенням температури та в тканинах протікають такі процеси:

при 40-60°С мають місце активація ферментів, утворення набряків, зміна та залежно від часу дії загибель клітин денатурація протеїну, початок коагуляції та некрози;

при 60-80 ° С - денатурація колагену, дефекти мембран; при 100 ° С - зневоднення, випарювання тканинної води; понад 150 ° С - обвуглювання;

понад 300 ° С - випарювання тканини, газоутворення. Динаміка перебігу цих процесів зображено на рис. 31.6.

Рис. 31.6.Динаміка зміни температури тканини під впливом безперервного лазерного випромінювання

1 фаза.Спочатку температура тканини збільшується від 37 до 100 °С. У цьому діапазоні температур термодинамічні властивості тканини залишаються практично незмінними і відбувається лінійне зростання температури з часом (α = const і I = const).

2 фаза.При температурі 100 °С починається випарювання тканинної води, і до закінчення цього процесу температура залишається постійною.

3 фаза.Після випарювання води температура знову починає зростати, але повільніше, ніж на ділянці 1, так як зневоднена тканина поглинає енергію слабше за нормальну.

4 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 150 °С починається процес обвуглювання і, отже, «почорніння» біотканини. При цьому коефіцієнт поглинання збільшується. Тому спостерігається нелінійне зростання температури, що прискорюється з часом.

5 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 300 °С починається процес випаровування обезводненої обвугленої біотканини і зростання температури знову припиняється. Саме на цей момент лазерний промінь розтинає (видаляє) тканину, тобто. стає скальпелем.

Ступінь підвищення температури залежить від глибини залягання тканини (рис. 31.7).

Рис. 31.7.Процеси, що протікають в опромінених тканинах на різній глибині: а- у поверхневому шарі тканина нагрівається до кількох сотень градусів та випаровується; б- Потужність випромінювання, ослабленого верхнім шаром, недостатня для випаровування тканини. Відбувається коагуляція тканини (іноді разом із обвуглюванням - чорна жирна лінія); в- відбувається нагрівання тканини внаслідок передачі теплоти із зони (б)

Протяжності окремих зон визначаються як характеристиками лазерного випромінювання, і властивостями самої тканини (насамперед коефіцієнтами поглинання і теплопровідності).

Вплив потужного сфокусованого пучка лазерного випромінювання супроводжується виникненням ударних хвиль, які можуть стати причиною механічного пошкодження прилеглих тканин.

Абляція тканини під впливом потужного імпульсного лазерного випромінювання

При дії на тканину коротких імпульсів лазерного випромінювання з високою щільністю енергії реалізується інший механізм розсічення та видалення біотканини. У цьому випадку відбувається дуже швидке нагрівання тканинної рідини до температури Т > Т кип. При цьому тканинна рідина виявляється у метастабільному перегрітому стані. Потім відбувається «вибухове» закипання тканинної рідини, яке супроводжується видаленням тканини без обвуглювання. Це явище називається абляцією.Абляція супроводжується генерацією механічних ударних хвиль, здатних викликати механічне пошкодження тканин на околицях зони лазерного впливу. Цей факт необхідно враховувати при виборі параметрів імпульсного лазерного випромінювання, наприклад, при шліфуванні шкіри, свердлінні зубів або при лазерній корекції гостроти зору.

31.7. Використання лазерного випромінювання у медицині

Процеси, що характеризують взаємодію лазерного випромінювання (ЛИ) з біооб'єктами, можна розділити на 3 групи:

непорушний вплив(що не помітно впливає на біооб'єкт);

фотохімічна дія(збуджена лазером частка або сама бере участь у відповідних хімічних реакціях, або передає своє збудження іншій частинці, що бере участь у хімічній реакції);

фоторуйнування(за рахунок виділення тепла чи ударних хвиль).

Лазерна діагностика

Лазерна діагностика є незбурним впливом на біооб'єкт, що використовує когерентністьлазерного випромінювання Перелічимо основні методи діагностики.

Інтерферометрія.При відображенні лазерного випромінювання від шорсткої поверхні з'являються вторинні хвилі, які інтерферують між собою. В результаті утворюється картина темних та світлих плям (спеклів), розташування яких дає інформацію про поверхню біооб'єкта (метод спеклоінтерферометрії).

Голографія.За допомогою лазерного випромінювання одержують 3-мірне зображення об'єкта. У медицині цей метод дозволяє отримувати об'ємні зображення внутрішніх порожнин шлунка, очей і т.д.

Розсіювання світла.При проходженні гостроспрямованого лазерного пучка через прозорий об'єкт відбувається розсіювання світла. Реєстрація кутової залежності інтенсивності розсіяного світла (метод нефелометрії) дозволяє визначати розміри частинок середовища (від 0,02 до 300 мкм) та ступінь їхньої деформації.

При розсіюванні може змінюватися поляризація світла, що також використовується в діагностиці (метод поляризаційної нефелометрії).

Ефект Доплера.Цей метод заснований на вимірі доплерівського зсуву ЧС, який виникає при відображенні світла навіть від повільно рухомих частинок (метод аненометрії). У такий спосіб вимірюється швидкість кровотоку в судинах, рухливість бактерій тощо.

Квазіпружне розсіювання.При такому розсіянні відбувається незначна зміна довжини хвилі зондуючого. Причина цього - зміна у процесі вимірювання властивостей, що розсіюють (конфігурації, конформації частинок). Тимчасові зміни параметрів поверхні, що розсіює, проявляються в зміні спектру розсіювання в порівнянні зі спектром подаючого випромінювання (спектр розсіювання або поширюється, або в ньому з'являються додаткові максимуми). Даний метод дозволяє отримувати інформацію про мінливі характеристики розсіювачів: коефіцієнт дифузії, швидкість спрямованого транспорту, розміри. Так здійснюється діагностика макромолекул білків.

Лазерна мас-спектроскопія.Цей метод використовують із дослідження хімічного складу об'єкта. Потужні пучки лазерного випромінювання випаровують речовину з біооб'єкта. Пари піддають мас-спектрального аналізу, за результатами якого судять про склад речовини.

Лазерний аналіз крові.Лазерний промінь, що пропускається через вузький кварцовий капіляр, яким прокачується спеціально оброблена кров, викликає флуоресценцію її клітин. Флуоресцентне світіння потім уловлюється чутливим датчиком. Це світіння специфічне для кожного типу клітин, що проходять поодинці через переріз лазерного променя. Підраховується загальна кількість клітин у заданому обсязі крові. Визначаються точні кількісні показники щодо кожного типу клітин.

Метод фоторуйнування.Його використовують для дослідження поверхневого складуоб'єкт. Потужні пучки дозволяють брати мікропроби з поверхні біооб'єктів шляхом випаровування речовини і подальшого мас-спектрального аналізу цієї пари.

Використання лазерного випромінювання у терапії

У терапії використовують низькоінтенсивні лазери (інтенсивність 0,1-10 Вт/см 2 ). Низькоінтенсивне випромінювання не викликає помітної деструктивної дії на тканині безпосередньо під час опромінення. У видимій та ультрафіолетовій областях спектру ефекти опромінення обумовлені фотохімічними реакціями і не відрізняються від ефектів, що викликаються монохроматичним світлом, отриманим від звичайних джерел некогерентних. У цих випадках лазери є просто зручними монохроматичними джерелами світла, забезпеч-

Рис. 31.8.Схема застосування лазерного джерела для внутрішньосудинного опромінення крові

що мають точну локалізацію та дозування впливу. Як приклад на рис. 31.8 наведено схему використання джерела лазерного випромінювання для внутрішньосудинного опромінення крові у хворих з серцевою недостатністю.

Нижче наведено найбільш поширені методи лазеротерапії.

Терапія за допомогою червоного світла.Випромінювання Не-Ne лазера з довжиною хвилі 632,8 нм використовується із протизапальною метою для лікування ран, виразок, ішемічної хвороби серця. Лікувальний ефект пов'язаний із впливом світла цієї довжини хвилі на проліферативну активність клітини. Світло виступає у ролі регулятора клітинного метаболізму.

Терапія за допомогою синього світла.Лазерне випромінювання з довжиною хвилі у синій області видимого світла використовується, наприклад, для лікування жовтяниці новонароджених. Це захворювання – наслідок різкого зростання в організмі концентрації білірубіну, який має максимум поглинання у синій ділянці. Якщо опромінювати дітей лазерним випромінюванням такого діапазону, то білірубін розпадається, утворюючи водорозчинні продукти.

Лазерофізіотерапіявикористання лазерного випромінювання при поєднанні з різними методами електрофізіотерапії Деякі лазери мають магнітні насадки для поєднаної дії лазерного випромінювання та магнітного поля – магнітолазеротерапії. До них відноситься магніто-інфрачервоний лазерний терапевтичний апарат "Мільта".

Ефективність лазеротерапії збільшується при поєднаній дії з лікарськими речовинами, попередньо нанесеними на опромінену зону (лазерофорез).

Фотодинамічна терапія пухлин.Фотодинамічна терапія (ФДТ) використовується для видалення пухлин, доступних для опромінення світлом. ФДТ заснована на застосуванні локалізуючихся в пухлинах фотосенсибілізаторів, що підвищують чутливість тканин при їх

подальшому опроміненні видимим світлом. Руйнування пухлин при ФДТ засноване на трьох ефектах: 1) пряме фотохімічне знищення клітин пухлини; 2) пошкодження кровоносних судин пухлини, що призводить до ішемії та загибелі пухлини; 3) виникнення запальної реакції, що мобілізує протипухлинний імунний захист тканин організму.

Для опромінення пухлин, що містять фотосенсибілізатори, використовують лазерне випромінювання з довжиною хвилі 600-850 нм. У цій галузі спектра глибина проникнення світла у біологічні тканини максимальна.

Фотодинамічна терапія застосовується для лікування пухлин шкіри, внутрішніх органів: легенів, стравоходу (при цьому до внутрішніх органів лазерне випромінювання доставляється за допомогою світловодів).

Використання лазерного випромінювання у хірургії

У хірургії високоінтенсивні лазери використовуються для розтину тканин, видалення патологічних ділянок, зупинки кровотечі, зварювання біотканин. Вибираючи належним чином довжину хвилі випромінювання, його інтенсивність та тривалість дії, можна отримувати різні хірургічні ефекти. Так, для розрізання біологічних тканин використовується сфокусований промінь безперервного 2 -лазера, що має довжину хвилі λ = 10,6 мкм, потужність 2х10 3 Вт/см 2 .

Застосування лазерного променя в хірургії забезпечує вибіркову та контрольовану дію. Лазерна хірургія має низку переваг:

Безконтактність, що дає абсолютну стерильність;

Селективність, що дозволяє вибором довжини хвилі випромінювання дозовано руйнувати патологічні тканини, не торкаючись оточуючих здорових тканин;

Безкровність (за рахунок коагуляції білків);

Можливість мікрохірургічних впливів завдяки високому ступеню фокусування променя.

Вкажемо деякі галузі хірургічного застосування лазерів.

Лазерне зварювання тканин.З'єднання розсічених тканин є необхідним етапом багатьох операцій. На малюнку 31.9 показано, як зварювання одного зі стволів великого нерва здійснюється в контактному режимі з використанням припою, який

Рис. 31.9.Зварювання нерва за допомогою лазерного променя

краплями з піпетки подається за місцем лазіння.

Руйнування пігментованих ділянок.Лазери, що працюють у імпульсному режимі, використовуються для руйнування пігментованих ділянок. Цей метод (Фототермоліз)використовується для лікування ангіом, татуювань, склеротичних бляшок у кровоносних судинах тощо.

Лазерна ендоскопіяВикористання ендоскопії здійснило корінний переворот в оперативній медицині. Щоб уникнути великих відкритих операцій, лазерне випромінювання доставляється до місця впливу за допомогою волоконно-оптичних світловодів, які дозволяють підводити лазерне випромінювання до біотканин внутрішніх порожнистих органів. При цьому значно знижується ризик інфікування та виникнення післяопераційних ускладнень.

Лазерний пробій.Короткоімпульсні лазери у поєднанні зі світловодами застосовують для видалення бляшок у судинах, каменів у жовчному міхурі та нирках.

Лазери у офтальмології.Використання лазерів в офтальмології дозволяє виконувати безкровні оперативні втручання без порушення цілісності очного яблука. Це операції на склоподібному тілі; приварювання сітківки, що відшарувалася; лікування глаукоми шляхом «проколювання» лазерним променем отворів (діаметром 50÷100 мкм) для відтоку внутрішньоочної рідини. Пошарова абляція тканин рогівки застосовується при корекції зору.

31.8. Основні поняття та формули

Закінчення таблиці

31.9. Завдання

1. У молекулі фенілаланіну різниця енергій в основному та збудженому станах становить ΔЕ = 0,1 еВ. Знайти співвідношення між заселеностями цих рівнів за Т = 300 До.

Відповідь: n = 3,5 * 10 18 .