Индуцированное излучение

Размещено на http://www.allbest.ru/

План реализации темы реферата

Введение

1. Индуцированное излучение. Инверсная заселенность уровней. Метастабильные уровни

2. Оптический резонатор

3. Процесс генерации

4. Накачка

5. Режимы генерации

6. Принцип работы рубинового лазера

7. Принцип работы гелий-неонового лазера

8. Использование лазерного излучения в медицине и фармации

Список литературы

лазер оптический рубиновый

Введение

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант впервые указал на возможность получения сред, в которых свет будет усиливаться за счет вынужденного излучения. В 1953 г. советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и американскими учеными Таунсом и Вебером независимо были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. Слово «мазер» - это аббревиатура английского словосочетания «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (MASER) - «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, - лазер. Слово «лазер» - аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation» (LASER) - «усиление света вынужденным излучением».

Лазером, или оптическим квантовым генератором, называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Существующие лазеры охватывают широкий диапазон длин волн - от ультрафиолетового до субмиллиметрового.

Основными характеристиками излучения лазера являются когерентность и направленность. Когерентность - это согласованное протекание во времени и в пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющихся при их сложении. Лазер является автоколебательной системой, в которой все частицы излучают согласованно (вынужденное излучение), синфазно с колебанием, установившемся в резонаторе. Соотношения фаз слагающих колебаний всегда благоприятны для образования устойчивой амплитуды суммарного колебания.

Главными процессами, приводящими к генерации, являются вынужденное излучение и обратная связь. Обратная связь - это воздействие результатов какого-либо процесса на его результат. Если при этом интенсивность процесса возрастает, то обратная связь называется положительной, в противоположном случае - отрицательной. В явлении вынужденного излучения содержится принцип положительной обратной связи. Возникшая в активной среде или посланная в это вещество извне электромагнитная волна порождает в веществе вторичное излучение с теми же частотой, поляризацией и направлением распространения, что и у вынуждающей волны. В результате этого происходит усиление первичной волны. Если часть вынужденного излучения возвращается в объем, занятый активным веществом, то возникает обратная связь. Для достижения режима генерации активное вещество помещают в резонатор с достаточно большой добротностью с тем, чтобы потери в нем были меньше энергии, выделенной активным веществом. Обратная связь в лазерах положительна только для излучения с определенными длинами волн, зависящими от размеров резонатора, содержащее активное вещество.

Существуют также лазеры-усилители, в которых усиление приходящих извне электромагнитных волн осуществляется при отсутствии обратной связи. В некоторых лазерных системах вслед за лазером-генератором следует один или несколько лазеров-усилителей.

До создания лазеров когерентные электромагнитные волны существовали практически лишь в радиодиапазоне, где они возбуждались генераторами радиоволн. В оптическом диапазоне имелись лишь некогерентные источники, излучение которых представляет суперэкспозицию волн, испускаемых множеством независимых микроскопических излучателей. В этом случае фаза результирующей волны изменяется хаотически, излучение занимает значительный диапазон длин волн и обычно не имеет определенного направления в пространстве. С квантовой точки зрения излучение нелазерных источников света складывается из фотонов, испускаемых независимо отдельными частицами, причем их испускание происходит спонтанно, в случайные моменты времени, а длина волны, возникающей при сложении множества актов испускания, не имеет точно определенного значения и лежит в пределах, зависящих от разброса индивидуальных свойств излучающих микросистем. Действие лазера основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля.

1. Индуцированное излучение. Инверсная заселённость уровней. Метастабильные уровни

Вероятность вынужденного испускания для системы, находящейся в возбужденном состоянии E2, пропорциональна спектральной плотности излучения с(щ) действующей волны и равна вероятности поглощения для системы., находящейся в нижнем состоянии E1. При термодинамическом равновесии в ансамбле, состоящем из большого количества частиц, каждая из которых может находиться только, например, в двух энергетических состояниях E1 и E2,числа частиц N1 и N2, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причем N2 < N1:

[2, стр. 147]

Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает электромагнитные волны, хотя для единичного акта вероятность вынужденного испускания фотона равна вероятности его поглощения, полная вероятность поглощения, пропорциональная числу N1 частиц на нижнем уровне, больше вероятности вынужденного испускания, пропорциональной числу N2 частиц на верхнем уровне.

Поглощение может уступить место усилению электромагнитной волны при ее распространении сквозь вещество, если N2 < N1. Такое состояние вещества называется инверсным (обращенным), или состоянием с инверсией населенностей, и не является равновесным.

Если через среду с инверсией населенности проходит электромагнитная волна с частотой щ = (E2 - E1)•h, то по мере ее распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счет актов вынужденного испускания, число которых N2с превосходит число актов поглощения N1с. Увеличение интенсивности волны (усиление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну:

Усиление электромагнитной волны за счет вынужденного испускания приводит к экспоненциальному закону роста ее интенсивности I по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в веществе:

I = I0·exp(б·z), [1, стр. 338]

где I0 - интенсивность входящей волны, б ~ (N2 - N1) - коэффициент квантового усиления. В реальном веществе наряду с усилением неизбежны потери, связанные с нерезонансным поглощением, рассеянием и т.п. Если ввести для описания суммарных потерь коэффициент потерь в, то:

I = I0·exp[(б - в)·z], [1, стр. 338]

Вещество, приведенное каким-либо образом в инверсное состояние, неизбежно возвращается в равновесное состояние, т.е. релаксирует. При этом избыточная энергия выделяется в виде фотонов (излучательные переходы) или переходит в тепловую энергию (безызлучательные переходы). Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации является сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при в < б), усиливается за счет актов вынужденного испускания (сверхлюминесценция). Мощность сверхлюминесценции W зависит от размеров l среды вдоль направления наблюдения. Сверхлюминесценция отличается от обычной люминесценции большей яркостью, более узким спектром и частичной когерентностью. Для превращения сверхлюминесценции в генерацию когерентных волн необходимо наличие обратной связи, в результате которой электромагнитная волна, испущенная частицами инвертированной среды, многократно вызывает в этой среде новые акты вынужденного испускания точно таких же волн. В оптическом диапазоне обратную связь осуществляют применением той или иной комбинации отражателей, например, зеркал.

Лазер содержит три основных компонента:

- активную среду 1 (активный элемент), в которой создают инверсию населенностей;

- устройство 3 для создания населенности в активной среде (система накачки);

- устройство 2-2' для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор), состоящее из двух зеркал, одно из которых полупрозрачное (2').

2. Оптический резонатор

Оптический резонатор - устройство, в котором могут возбуждаться стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона. Оптический резонатор представляет собой совокупность нескольких зеркал и является открытым резонатором, спектр которого сильно разрежен. В оптическом резонаторе может существовать множество собственных стоячих волн, отличающихся тем, что для каждой из них между зеркалами укладывается целое число полуволн.

Простейшим оптическим резонатором является интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоских зеркал, расположенных параллельно. Если допустить, что между этими зеркалами, расположенными на расстоянии L друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения ее от зеркал в пространстве между ними образуются стоячие волны. Условие резонанса имеет вид L = qл/2, где q - целое число, называемое продольным индексом колебания (продольные моды). Собственные частоты оптического резонатора образуют арифметическую прогрессию с разностью c/2L (эквидистантный спектр). В действительности из-за влияния краев оптического резонатора поле колебаний зависит от поперечных координат и характеризуется различными поперечными индексами m и n, определяющими число осцилляций электрических и магнитных полей в поперечных направлениях и распределение токов на поверхности зеркал:

Чем больше индексы m и n, тем число осцилляций больше и тем выше затухание колебания, обусловленное излучением в пространство, т.е. в сущности дифракцией света на краях зеркал. Резонансная кривая плоского оптического резонатора имеет вид (схематически):

Поскольку коэффициент затухания растет с увеличением m и n быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим m и n, перекрываются, и соответствующие колебания не проявляются. Коэффициент затухания, вызванного излучением, зависит как от индексов m и n, так и от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диаметром R из центра другого зеркала, находящегося от первого на расстоянии L:

N = R2 / 2Lл.

При N ~ 1 остается 1-2 колебания, сопутствующие основному колебанию.

Оптические резонаторы с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого недостатка лишены оптические резонаторы со сферическими зеркалами, в которых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности - каустики. Сферические оптические резонаторы делятся на:

1) устойчивые - проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней луч (параксиальный луч) не уходит из приосевой области;

2) неустойчивые - параксиальный луч после отражений неограниченно удаляется от оси;

3) софокусные - фокусы обоих зеркал совпадают.

3. Процесс генерации

После того, как в активном элементе, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, в нем возникают многочисленные акты люминесценции. Фотоны вызывают в активной среде сверхлюминесценцию. Те фотоны, которые были первоначально испущены перпендикулярно оси резонатора, порождают лишь короткие дуги сверхлюминесценции в этих направлениях. Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вызывая в нем акты вынужденного испускания. Генерация начинается в том случае, когда увеличение энергии волны за счет усиления превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Условия начала генерации (порог генерации) определяются равенством б0 - в0 = 0, где б0 - пороговое значение коэффициента усиления активного элемента, в0 - коэффициент полных потерь электромагнитной энергии за один проход. Порог генерации определяется по формуле:

.

В начале возникновения генерации лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. Фазы этих волн независимы между собой, но когерентность каждой из них и их интенсивность постоянно увеличиваются за счет процессов вынужденного испускания. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между длиной волны и размерами резонатора. Во время первого пролета усиливаются все фотоны, испущенные в результате спонтанных процессов. Однако после отражения от зеркал в преимущественном положении оказываются лишь те фотоны, для которых выполняются условия возникновения стоячих волн. Их длины волн соответствуют нормальным колебаниям резонатора - модам, интенсивность которых быстро увеличивается. В наиболее благоприятных условиях оказываются те из мод резонатора, для которых длина волны совпадает с вершиной спектральной линии активной среды или расположена вблизи ее вершины. Интенсивность таких волн возрастает (вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности вынуждающей волны) лавинообразно, подавляя усиление волн, удаленных от вершины спектральной линии. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора и содержащее лишь небольшое количество мод резонатора:

Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к одномодовому режиму генерации, при котором в пределах спектральной линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Для этого в резонатор обычно вводят дополнительный селектирующий элемент (оптическую призму, дифракционную решетку, второй резонатор и т.п.), выделяющий одну из мод резонатора и подавляющий остальные. В длинноволновой части инфракрасного диапазона одномодовую генерацию можно получить уменьшением длины резонатора.

4. Накачка

Накачкой называется процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние.

В зависимости от способа осуществления инверсии населенности можно получить непрерывную и импульсную генерацию. При непрерывной генерации инверсия в активной среде поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Для осуществления импульсной генерации инверсия возбуждается импульсами. При непрерывной генерации лавинообразный рост интенсивности вынужденного излучения ограничивается нелинейными процессами в веществе и мощностью источника накачки. В результате этих ограничений в активном веществе возникает насыщение - количество актов вынужденного испускания становится равным количеству актов поглощения, т.к. число частиц на верхнем и нижнем энергетических уровнях выравнивается и рост интенсивности волны прекращается.

Потери энергии в лазере складываются из внутренних потерь (например, из-за поглощения и рассеяния света в активной среде, зеркалах и других элементах лазера) и за счет вывода части генерируемой энергии сквозь зеркала резонатора, одно из которых для этого должно быть полупрозрачным (или иметь излучающее отверстие).

Способы достижения и поддержания инверсии в активной среде лазера зависят от ее структуры. В твердых телах и жидкостях используется главным образом накачка - освещение активного элемента специальными лампами, сфокусированным солнечным излучением или излучением другого лазера. В этом случае необходимо, чтобы в процессе оптической накачки участвовало по крайней мере три энергетических уровня рабочих частиц (обычно ионов или молекул). Если роль верхнего уровня играет широкая полоса поглощения, это позволяет использовать значительную часть спектра нелазерного источника накачки. Ниже должен располагаться узкий (метастабильный) уровень, время жизни которого велико.

Такая ситуация обеспечивает возможность накопления большого числа частиц на метастабильном уровне. Для достижения порога генерации необходимо, чтобы плотность частиц на метастабильном уровне превышала их плотность на основном (нижнем) уровне, с которого для этого требуется возбудить более 50% частиц. Наиболее распространенной трехуровневой средой для лазеров является рубин (корунд Al2O3 с примесью ионов Cr3+).

Значительно легче достигается порог генерации в активных средах, работающих по четырехуровневой схеме:

Между метастабильным и основным уровнями имеется промежуточный - «нижний рабочий уровень», который должен быть расположен настолько выше основного, чтобы в условиях термодинамического равновесия он был заселён достаточно слабо. При этом порог генерации достигается, когда населенность метастабильного уровня превосходит населенность нижнего рабочего уровня. Таким образом, на основном уровне может оставаться более 50% частиц, что существенно снижает требования к источнику накачки. Наиболее эффективным четырехуровневым ионом является трехвалентный ион неодима Nd3+, введенный в состав специальных сортов стекла или кристаллов.

Мощные газовые лазеры также обычно работают по четырехуровневой схеме. Для возбуждения газовых лазеров оптическая накачка применяется редко, т.к. для газов существуют более эффективные методы: электрический разряд, газодинамическое истечение (газодинамический лазер), химические реакции (химический лазер) и другие, обеспечивающие высокие мощности - до сотни кВт.

Возбуждение полупроводниковых лазеров производят непосредственно постоянным током (инжекционные лазеры), пучком электронов, оптической накачкой и др.

5. Режимы генерации

Импульсный режим работы лазера обусловлен обычно импульсным режимом возбуждения, но может быть связан и с условиями генерации. Если не приняты специальные меры, то в режиме импульсного возбуждения возникает т.н. режим свободной генерации, при котором процесс генерации развивается, а после прекращения импульса возбуждения генерация прекращается. В зависимости от мощности и длительности импульса возбуждения начало генерации запаздывает относительно начала импульса возбуждения, и генерация может пойти на убыль, не достигнув стационарного состояния.

Особый практический интерес представляет режим т. н. гигантских импульсов, для получения которых используется метод модуляции добротности резонатора лазера. Например, перед импульсом возбуждения лазера закрывают одно из зеркал резонатора специальным оптическим затвором, нарушая положительную обратную связь. В этих условиях генерация невозможна, и включение импульса возбуждения приводит к монотонному нарастанию инверсии в активной среде лазера. Величина энергии возбуждения, запасаемая в единице объёма активной среды, пропорциональна плотности активных частиц и ограничивается только процессом сверхлюминесценции. Открыв затвор в конце импульса возбуждения, т. е. включая механизм обратной связи, создают условия быстрого развития генерации, которая реализуется в виде короткого мощного (гигантского) импульса. Длительность таких импульсов и их энергия зависят от скорости включения затвора и свойств активной среды. Обычные значения: длительность 20-50 нс, энергия - от долей до сотен Дж.

Для получения сверхкоротких мощных лазерных импульсов применяются затворы в виде кювет, наполненных раствором специальных красителей, быстро (и обратимо) просветляющихся (выцветающих) под влиянием излучения активной среды. Такой затвор, помещённый в резонатор лазера, нарушает обратную связь. Импульс возбуждения вызывает накопление энергии в активной среде и возникновение сверхлюминесценции. Интенсивность хаотических импульсов сверхлюминесценции быстро возрастает. Когда один из них окажется достаточно мощным, чтобы вызвать просветление затвора, возникает лавинообразное развитие генерации. При этом фазы генерации всех мод резонатора оказываются взаимно связанными так, что все генерируемые волны складываются, образуя сверхкороткий импульс, длительность которого может составлять всего единицы и даже доли нс. Энергия, забираемая таким импульсом из активной среды, обычно составляет лишь малую долю запасённой в среде энергии, поэтому первый импульс, отразившись от зеркал резонатора, многократно пробегает между ними, образуя последовательность сверхкоротких импульсов, следующих один за другим через время, определяемое размерами резонатора (временем двойного пробега светового импульса между зеркалами). Применяя дополнительные устройства, удаётся выделить один из сверхкоротких импульсов.

6. Принцип работы рубинового лазера

Твердотельные лазеры - лазеры, в которых активным веществом являются диэлектрические кристаллы и стёкла, содержащие ионы редкоземельных или переходных элементов, энергетические уровни которых используются для создания инверсии населённостей. Полупроводниковые лазеры, являясь также твердотельными, выделяются в особую группу, т. к. в них используются не квантовые переходы между энергетическими уровнями «рабочих» ионов, а квантовые переходы между разрешёнными энергетическими зонами полупроводников. Твердотельные лазеры находят широкое применение как в фундаментальных научных исследованиях, так и в промышленности и медицине, что обусловлено главным образом возможностью достижения большой удельной энергии и импульсной мощности генерации благодаря высокой концентрации активных частиц. К 1982 г. лазерный эффект был обнаружен более чем у 250 диэлектрических кристаллов с примесями. Среди них можно выделить группу т.н. оксидных лазерных кристаллов и группы фторидных кристаллов.

Большинство твердотельных лазеров работает в импульсном режиме. Если для накачки твердотельных лазеров используется лампа с длительностью импульса ДtН ~ 10-3, то импульс генерации длится примерно такое же время. Небольшое запаздывание начала генерации по сравнению с импульсом накачки обусловлено тем, что для развития генерации необходимо превысить пороговое значение инверсии населённостей, после чего усиление за один «проход» рабочего объёма начинает превышать суммарные потери энергии в зеркалах резонатора за счёт поглощения и рассеяния света, а также за счёт полезного излучения. Режим работы твердотельных лазеров, когда длительность лазерного импульса ДtН ? ДtЛ, называется режимом свободной генерации. Он характеризуется тем, что импульс генерации состоит из совокупности множества хаотических коротких (10-6 с) пичков (пичковый режим).

В построенном Т. Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина - около 5 см. Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой - таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. Красный цвет кристалла рубина обусловлен излучением иона хрома Cr3+, который в кристаллической решетке замещает ион Al3+. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Cr3+, в темно-красном рубине концентрация Cr3+ достигает 1%. Кристалл рубина имеет две полосы поглощения: в зеленой и в голубой части спектра. Помимо этих полос имеются два узких энергетических уровня, при переходе с которых на основной уровень атом излучает свет с длинами волн л = 694,3 нм и л = 692,8 нм. Ширина этих линий ~0,4 нм, вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для линии 692,8 нм (т.к. эта вероятность обратно пропорциональна частоте в кубе н-3). При облучении рубина белым светом голубая и зеленые части спектра поглощаются, а красная отражается.

Кристалл рубина выращивают в виде круглого цилиндра длиной L ? 5 см и диаметром d ? 1 см. Ксеноновая лампа, имеющая форму цилиндра, и кристалл рубина помещаются в зеркальную полость с эллиптическим сечением в фокусы эллипса. Благодаря этому обеспечивается практически полная фокусировка излучения накачки. Один из торцов кристалла рубина срезают так, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение в рубине, а другой торец - под углом Брюстера. Такой срез обеспечивает выход из кристалла излучения с соответствующей линейной поляризацией. Далее по ходу луча располагают полупрозрачное зеркало.

При поглощении света ионы хрома Cr3+ (в таком виде хром находится в кристалле рубина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10-3 с) примерно в 105 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильногов состояния переходят в основное, излучая фотон с л = 6943Е. Под действием фотонов такой же длины волны, т. е, при вынужденном излучении переход ионов хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот:

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Схема нижних энергетических состояний иона Cr3+ в рубине следующая:

Время жизни уровня 3 очень мало (~10-8 с). В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Однако большинство ионов перейдет на метастабильный уровень 2 (вероятность такого перехода значительно больше, чем перехода с 3 на 1 уровень). При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, происходит инверсия уровней 1 и 2.

Переход R2 с 2 уровня (метастабильного) на 1 (основной) является спонтанным. Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (переход R1), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т. д. В результате образуется каскад фотонов. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность. Поэтому лазерным является переход с 2 уровня на 1, и соответствующее излучение находится в красной части спектра при 693,4 нм.

До начала импульса ионы хрома находятся в основном состоянии. Свет накачки переводит большинство ионов в возбужденное состояние. Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кристалла). Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается, т.к. фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов. Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (с частотой порядка нескольких импульсов в минуту). Кристалл возбуждается с помощью импульсного источника света, и часть энергии (обычно очень небольшая) излучается в виде лазерного пучка; это излучение является когерентным, ква- зимонохроматичным и имеет высокую степень направленности. Однако лазер не является «источником» энергии, потому что в действительности только очень небольшая доля входной энергии перекачивается в пучок. Тем не менее некоторые современные лазеры дают вспышки излучения, в которых за 10-12 с излучается энергия, равная десяткам джоулей. Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его приходится интенсивно охлаждать, что осуществляется с помощью жидкого воздуха.

7. Принцип работы гелий-неонового лазера

В 1961 г. А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В настоящее время семейство газовых лазеров многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн от ультрафиолетовой области спектра до субмиллиметровых волн. Большинство газовых лазеров работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют получать большие выходные мощности при высокой направленности излучения и стабильности его частоты.

Газы по сравнению с конденсировованными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. В результате направленность излучения газовых лазеров достигает предела, обусловленного дифракцией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча газовых лазеров в видимом диапазоне ~10-5 - 10-4 рад.В инфракрасном диапазоне ~10-4 - 10-3 рад.

Благодаря малой плотности газа ширина спектральной линии обусловлена главным образом доплеровским уширением, величина которого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих свойства доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты. Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высокой плотности возбуждённых частиц, которая характерна для твердых тел и жидкостей. Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако переход к более высоким давлениям и создание быстропроточных газовых лазеров резко увеличили их мощность (см. ниже).

Оптическая накачка с помощью газоразрядных ламп, применяемая в жидкостных и твёрдотельных лазерах, мало эффективна для большинства газовых лазеров, т. к. газы обладают узкими линиями поглощения. В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населённостей создаётся в электрич. разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде при столкновениях с частицами газа (электронный удар), возбуждают их, т.е. переводят на более высокие уровни энергии. Возбуждёние электронным ударом обычно сочетается в газовых лазерах с другим механизмом возбуждения - резонансной передачей энергии частицам одного сорта (рабочим частицам) от добавляемых частиц другого сорта (вспомогательных) при неупругих соударениях.

В настоящее время гелий-неоновый лазер является наиболее распространенным и наименее дорогим современным лазером.

Конструкция гелий-неонового лазера:

Собственно лазер состоит из двух стеклянных трубок, соединенных между собой двумя короткими патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при относительно низком давлении (активная среда). Первая трубка (лазерная), как и в случае рубинового лазера, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало - на другом. Вторая трубка (разрядная) имеет электроды, впаянные в торцы. Эти электроды присоединены к источнику питания.

Метод накачки гелий-неонового лазера существенно отличается от метода накачки рубинового лазера. После включения источника питания через газ от одного электрода к другому протекает электрический ток. Атомы газа возбуждаются за счет столкновений с движущимися электронами и испускают спонтанное излучение. При этом газ в трубке светится красным цветом. Именно таким способом возбуждается свечение и в неоновых индикаторных трубках. Область возбуждения атомов газа не ограничивается разрядной трубкой, а быстро распространяется и в лазерную трубку. Вся система трубок светит одинаковым красным цветом.

Собственно лазерный переход происходит между двумя состояниями в атоме неона. Однако атом неона непосредственно не возбуждается.

Как видно из рисунка, столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния E4. Так как атомы газа находятся в состоянии непрерывного движения, то между ними происходят частые столкновения. Если атом гелия в возбужденном состоянии E4 сталкивается с атомом неона в основном состоянии, то энергия возбуждения атома гелия будет передана атому неона. В результате атом неона окажется в состоянии E5, которое является метастабиль- ным. Это и есть то состояние, после стимулирования которого испускаются лазерные фотоны. Лазерный переход E5 > E4 является источником красных фотонов с длиной волны 632,8 нм.

В отличие от рубинового лазера гелий-неоновый лазер может работать непрерывно. Возбуждение электрическим током более эффективно по сравнению с поглощением света от лампы-вспышки, поэтому проблема перегрева является не столь серьезной. В ряде случаев это обстоятельство является весьма важным. На торцы лазерной трубки наклеены многослойные зеркала под углами Брюстера к оси. Это обеспечивает линейную поляризацию излучения. Давление He - 332 Па, Ne - 66 Па в трубке, постоянное напряжение на электродах в трубке 4 кВ, коэффициенты отражения зеркал 0,999 и 0,990.

Т.к. уровни неона состоят из множества подуровней, то гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия, что позволяет создавать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в лазере генерацию на требуемой частоте.

Мощность генерации гелий-неонового лазера достигает всего десятых долей Вт при КПД ? 0,1%. Тем не менее, высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых газовых лазеров. Красный гелий-неоновый лазер (л=0,6328 мкм) используется при котировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты.

Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положительном столбе тлеющего разряда при плотности тока j ~ 100-200 А/см2. Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с крутым фронтом - сотен и тысяч А/см2, что создаёт высокую пиковую мощность генерации.

8. Использование лазерного излучения в медицине и фармации

Применения лазеров многообразны. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко:

1) нерезонансное взаимодействие мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах (лазерная технология, лазерный термоядерный синтез и др.);

2) селективное воздействие на атомы, ионы, молекулы и мол. комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции (лазерная химия, лазерное разделение изотопов и др.).

Для лазерного способа ввода энергии в вещество характерны точная локализация, дозированность и стерильность.

Открытие и развитие лазерной техники существенно отразилось на медицинских исследованиях и практике. В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня лазерные технологии применяются практически при любых заболеваниях.

Одно из важнейших направлений биомедицинских исследований сосредоточено на изучении функций отдельных компонентов клетки. Эти функции исследуются посредством разрушения отдельных компонентов и наблюдения последующего поведения клетки. Если клетка не способна выполнять одну из своих нормальных функций, то резонно приписать эту функцию разрушенному компоненту. До появления лазеров повреждения производились тонкой иглой или микрозондом. Этим способом можно было исследовать только большие клеточные структуры, и результаты зачастую были двусмысленными. При использовании в качестве зондов лучей лазера этот метод исследования значительно усовершенствовался. Луч лазера можно сфокусировать до диаметра 0,5 мкм и даже меньше. Луч такого размера позволяет зондировать клеточные компоненты, недоступные обычным микрозондам. Например, важнейший компонент клетки - это митохондрия, которая имеет почти цилиндрическую форму с диаметром примерно 0,5 мкм и длиной приблизительно 10 мкм. Луч лазера с диаметром 0,5 мкм может разрушить отдельную митохондрию или даже ее часть.

В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и постановке диагноза по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения. Известны методы обнаружения раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также методы измерения практически любых параметров крови.

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань. Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры по механизму воздействия ближе к скальпелю. Неабляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём происходит серия биологических эффектов, и он отмирает. В хирургии применяются также CO2-лазеры непрерывного действия, осуществляющие тепловое воздействие. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани.

Лазеры используются также для микрохирургии и заживления кровоточащих участков в труднодоступных местах. Например, лазер используется для контроля острых кровотечений при гастритах и язвах желудка. В ходе этих процедур связка оптических волокон погружается в желудок через рот. Лучи для освещения поступают через одну часть световода, а хирург наблюдает за ними через другую. Когда установлен кровоточащий участок, вспышка, направляемая на него, прижигает участок. Это очень быстрая процедура, а результат ее зачастую весьма надежен.

Хирургия с использованием лучей лазера применяется для удаления повреждений голосовых связок и шейных полипов. Некоторые виды раковых заболеваний также оперируются с помощью лазеров. Эти операции проходят без боли, кровотечения, рубцов или нарушения функций. Лучи лазера могут уничтожать родимые пятна и даже стирать татуировки.

Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Они позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани).

Лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток. Лазер используется в фотодинамической терапии, суть которой состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество - фотосенсибилизатор, которое избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения. Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра (0,63 мкм) мощностью 1,5-2 мВт.

В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов. Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра - это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода. При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени.

В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.

Лазерный луч применяется для иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, т.е. процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

В офтальмологии лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии в лечении глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения успешно используются эксимерные лазеры.

Видимая часть излучения лазера проходит через глаз к сетчатке так же, как и обычный видимый свет. Поэтому лучи лазера особенно удобны для лечения повреждений сетчатки. Кровь, которая поставляет питательные вещества и кислород внутренним слоям сетчатки, подается по центральной артерии сетчатки, которая входит в глаз вдоль зрительного нерва, а затем разделяется на систему мелких сосудов для снабжения всей сетчатки. При диабетической ретинопатии эти кровеносные сосуды повреждаются и кровоточат. Более того, на поверхности сетчатки образуются новые сосуды, которые выступают наружу и могут приводить к кровоизлияниям в глазном яблоке. Зарубцевавшаяся ткань образует с новыми сосудами комплекс, который может привести к тому, что она станет способной отделиться от роговой оболочки, лежащей между сетчаткой и склерой. Используя хорошо сфокусированный луч лазера, слабые сосуды можно собрать и сварить, а появление новых будет приостановлено. У пациентов, подвергнутых лечению лазером при диабетической ретинопатии, случаи потери зрения уменьшились на 60%.

Иногда сетчатка отделяется от поверхности роговицы. Чаще всего это связано с расщеплением волокон коллагена в глазном яблоке, которые неравномерно отталкивают сетчатку в глубину глаза. Внешние слои сетчатки, включающие внешние сегменты палочек и колбочек, получают питание, в особенности кислород, в основном за счет диффузии из сосудов роговой оболочки. Если сетчатка отслаивается, то часть потребностей сетчатки диффузионные процессы могут удовлетворить, и она будет сопротивляться уничтожению в течение ряда дней. Однако если повреждение вовремя не устранить, сетчатка может разрушиться до такой степени, что не будет способна функционировать даже после хирургического вмешательства. Уже более десяти лет лазеры повсеместно используются для лечения отслоившейся сетчатки. Короткая вспышка лазерного излучения (продолжительность ее примерно 1 мс) фокусируется на сетчатке и разрушает часть ее и прилегающие слои роговицы. Результат «ожога» заключается в образовании сплава, который хорошо соединяет обе поверхности. Так как продолжительность требующегося импульса излучения очень мала, пациент не реагирует на свет до окончания облучения, а значит не требуется никакого закрепления головы. И в дальнейшем пациент не испытывает никакого неудобства.

Хотя лучи лазера и можно использовать для лечения глаза, при слишком большой дозе излучения он может быть и поврежден. Многие маломощные лазеры, использующиеся в лабораториях и классных комнатах, имеют мощность луча 1 мВт, а иногда и больше. Было установлено, что облучение глаза лучом мощностью 2 мВт в течение 1-2 с может привести к ожогу сетчатки. Чтобы избежать последствий, к которым может привести ожог сетчатки, каждый человек при обращении с лазерами должен быть предельно осторожен.

Список литературы

1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - 4 изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с., ил., 2 л. цв. ил.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. Том 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Изд-во «Наука», 1979. - 304 с., ил.

3. Мэрион Дж. Б. Общая физика с биологическими примерами. Пер. с англ. / Под ред. А. Д. Суханова. Предисл. и коммент. А. Д. Суханова. - М.: Высшая школа, 1986. - 623 с., ил.

4. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. - 2 изд., перераб. и доп. - К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с.

5. Канюков В. Н., Терегулов Н. Г., Винярский В. Ф., Осипов В. В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. - Оренбург: ОГУ, 2000. - 255 с.

6. Борейшо А. С. Лазеры: Устройство и действие: Учеб. пособие. - СПб.: Мех. ин-т, 1992. - 215 с.

7. Захаров В. П., Шахматов Е. В. Лазерная техника: Учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. - 278 с.

8. Жуков Б. Н., Лысов Н. А., Бакуцкий В. Н., Анисимов В. И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. - Самара: СМИ, 1993. - 52 с.

Размещено на Allbest.ru