Лекция №13

Лазеры

Достижения в познании структуры атома, механизмов поглощения и излучения им света привели в середине ХХ века к созданию новой области науки – квантовой электроники. Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Методы квантовой физики и квантовые приборы широко используются в медицине.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного состояния в другое. Эти переходы связаны с изменением энергии атомных электронов, перемещающихся с одного энергетического уровня на другой (эти процессы обычно называют квантовыми переходами).

Различают квантовые переходы: без излучения (когда энергия атома теряется в результате упругого или неупругого столкновения атомов), а также с испусканием или поглощением фотонов. В возбужденном состоянии атом неустойчив и при отсутствии внешнего воздействия переходит в основное состояние с испусканием фотона – кванта света. Такой переход называют спонтанным. Он представлен на рис.12.10а. Время нахождения атома в возбужденном состоянии (так называемое «время жизни» возбужденного состояния) невелико и составляет порядка 10^-8 с. Спонтанное излучение происходит случайным образом, так что атомы излучают не одновременно и независимо друг от друга, что приводит к различию частот и фаз колебаний, а также направления их поляризации. Следовательно, спонтанное излучение является некогерентным[13].Если атом подвергается внешнему воздействию, то его «время жизни» в возбужденном состояниисокращается и возникает излучение, которое называют вынужденным или индуцированным [14] (рис.12.10б).

Рис.12.10. Спонтанный переход атома в возбужденное состояние и обратно в основное (а) и вынужденный переход атома из возбужденного состояния в основное (б).

Такое излучение света атомом происходит при воздействии на него кванта света, частота которого совпадает с частотой самопроизвольного испускания света атомом. При этом атом переходит на более низкий уровень и к первичному фотону добавляется фотон, испущенный атомом.

Если каким-либо способом перевести в возбужденное состояние множество атомов, а при определенных условиях «сбросить» их одновременно в основное состояние можно существенно увеличить интенсивность излучения.

Излучаемая атомами или молекулами энергия в зависимости от частоты или длины волны формирует спектр [15] испускания, а поглощенная – спектр поглощения. Интенсивность излученной или поглощенной энергии определяется числом переходов, происходящих в секунду с одинаковой энергией фотонов.

В обычном веществе число возбужденных атомов много меньше, чем невозбужденных. Оно определяется распределением Больцмана и, следовательно, с ростом энергии уровня число атомов в таких возбужденных состояниях спадает экспоненциально. Даже если число таких атомов было бы равно числу невозбужденных атомов, то при прохождении электромагнитного излучения через вещество при обычных условиях, усиления проходящего излучения не происходило бы вследствие его сильного поглощения в веществе.

В 1954 году в СССР советские физики А.М.Прохоров и Н.Г.Басов, а также независимо от них в США Ч.Таунс, Д.Гордон и Х.Цейгер впервые создали квантовый генератор, в котором вынужденное излучение преобладало над поглощенным[16] излучением. В результате генерировалось мощное электромагнитное излучение в области частот радиодиапазона. Созданный ими генератор получил название «мазер»[17]. В 1960 американский ученый Т.Мейман создал квантовый генератор, действующий в оптическом диапазоне. Новый генератор получил название лазер[18].

Для создания квантовых генераторов необходимо, чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над процессом поглощения, то есть найти способ одновременного перевода множества атомов в возбужденное состояние, число которых в течение достаточно длительного времени превышало бы число невозбужденных атомов. Такой способ был предложен в 1940 году советским физиком Фабрикантом.

Суть способа заключается в том, что у некоторых атомов или молекул среди возбужденных состояний существуют такие, в которых атомы могут находиться существенно дольше, чем в обычных возбужденных состояниях. Такие состояния называют метастабильными.

Примером такого вещества может служить рубин – кристалл оксида алюминия Al₂O₃, в котором 0.05% атомов алюминия Al замещены ионами хрома Cr.

При облучении рубина сине – зеленым светом (с помощью специальной мощной лампы – вспышки) ионы хрома возбуждаются и из основного состояния, которому соответствует энергетический уровень 1 (рис.12.11),переходят в возбужденное состояние 3. Через очень короткий промежуток времени порядка 10^-8 с большинство ионов хрома самопроизвольно переходят с энергетического уровня 3 на метастабильный уровень 2, в котором они могут находиться около 10^-3 с (в 10⁵ раз дольше, чем в обычном возбужденном состоянии).

Рис. 12.11. Схема уровней рубинового лазера

Таким образом, возникает «перенаселенность» метастабильного уровня 2 и выполняются условия, когда число возбужденных атомов больше числа невозбужденных атомов. При этом переход с уровня 3 на метастабильный уровень 2 происходит без излучения света (в этом случае освобождаемая энергия передается кристаллической решетке рубина). Этот способ, основанный на трехуровневой схеме, лежит в основе принципа действия лазеров.

Рис.12.12. Устройство рубинового лазера

Устройство рубинового лазера приводится на рис. 12.12. Он состоит из рубинового кристалла, газоразрядной лампы, системы зеркал, системы охлаждения и батареи конденсаторов.

Рубиновый кристалл представляет собой цилиндр, торцы которого тщательно отполированы и параллельны с высокой степенью точности. Он расположен между двумя параллельными друг другу плоскими зеркалами. Одно из зеркал отражает свет, другое полупрозрачное – пропускает около 1- 2% света.

Газоразрядная лампа имеет вид спирали, охватывающей рубиновый стержень. При ее зажигании от разряда батареи конденсаторов большой емкости, происходит яркая вспышка лампы, имеющая сине – зеленый свет. С помощью лампы (называемой лампой накачки) ионы хрома переводятся в возбужденное состояние 3. Система охлаждения охлаждает рубиновый кристалл, который нагревается во время работы.

Работает рубиновый лазер следующим образом. При вспышке лампы накачки ионы хрома переходят в возбужденное состояние 3, как видно на рис.12.12, а затем самопроизвольно переходят в метастабильное состояние 2, передавая энергию кристаллу в виде тепла. Фотоны внешнего излучения стимулируют вынужденные переходы атомов с метастабильного уровня 2 на уровень 1. При том число фотонов лавинообразно возрастает. Достигнув непрозрачного зеркала, фотоны отражаются и вновь проходят рубиновый стержень, что приводит к дальнейшему росту числа вынужденных переходов. Через другое, полупрозрачное зеркало, часть пучка выходит наружу, а часть отражается обратно в кристалл. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, испуская короткие (длительностью ~ 0.1 мс) очень мощные вспышки когерентного красного света. Фокусируя лазерное излучение системами линз, можно получать очень большую мощность потока энергии излучения.

В медицине лазерное излучение находит все более широкое применение. Наша страна первой в мире стала развивать методы лечения и диагностики в медицине с использованием лазерного излучения.

К методам применения лазерного излучения в медицине относится хирургия, терапия внутренних органов и диагностика.

В хирургии лазерное излучение используется для разрезания, ампутации, сшивания тканей в результате сильного нагрева ткани до вскипания и образования тромбов (коагуляции). Большое количество лазерных технологий действует в офтальмологии (например, для «приваривания» сетчатки сварки сосудов глазной сосудистой оболочки). Лазеры также применяются для обработки каких-либо объектов, например в косметологии, бородавок, папиллом, после чего новообразование засыхает и отпадает. Операция является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани. В онкологии установлено, что 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 разрушению опухолевых клеток. Примером прибора, используемого для этих целей, является аппарат лазерный АТКУС-10, созданный вЗАО «Полупроводниковые приборы» (рис.12.13а). Он действует лазерным излучением с двумя различными длинами волн 661 и 810 нм на новообразования. При использовании аппарата отсутствуют выраженные деструктивные поражения кожи и мягких тканей. Удаление опухолей хирургическим лазером уменьшает число рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран. На рис.12.13б приведена лазерная хирургическая установка «Скальпель 1», которая применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно–пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Для этого используется СО₂ лазер непрерывного излучения с мощностью 20 Вт на выходе из световода. Диаметр лазерного пятна составляет 1 - 20 мкм.

Рис.12.13. Хирургические аппараты: а) лазерный аппарат АТКУС-10 б) лазерная установка «Скальпель-1».

Широко применяются лазеры в терапии. 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. Для этой цели используют излучение в красной области спектра λ=0.63мкм и мощностью 1.5 – 2 мВт. В физиотерапии на основе лазерного излучения действует большое количество приборов, (например, для прогревания тканей на различных глубинах используется излучение с различными частотами и интенсивностями).

В онкологии очень перспективно направление - фотодинамическая терапия. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество – фотосенсибилизатор. Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки. В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта. Лазерный луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

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 по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода).

Последние годы развиваются технологии изготовления заменителей костной ткани, соответствующей по форме реальной ткани и многие другие.

Контрольные вопросы к лекции №12:

1. Как возникло представление о квантах?

2. В чем смысл закона смещения Вина?

3. Как выглядит спектр абсолютно черного тела? Как он зависит от температуры тела?

4. Сформулируйте закон фотоэффекта?

5. В чем различие фотоэффекта и эффекта Комптона?

6. В чем заключалась идея Планка?

7. В чем заключался смысл первой модели атома, предложенной Д.Д.Томсоном?

8. Модель атома Резерфорда? Ее достоинства и недостатки?

9. К каким выводам приводил анализ атомных спектров?

10. Какие серии спектральных линий Вы знаете?

11. Перечислите постулаты Бора.

12. Получите в рамках модели Бора радиус орбиты и энергию уровня атома.

13. Как объясняет спектральные серии модель Бора?

14. Как выглядит постоянная Ридберга в рамках модели Бора?

15. Какими недостатками обладала модель Бора?

16. Что стало основой создания лазера?

17. Объясните, что такое спонтанный и вынужденный переходы?

18. В чем заключается принцип действия лазера?

19. Из каких основных элементов состоит лазер? В чем заключается их назначение?

20. Приведите примеры применения лазерного излучения в медицине.

[1] Закон распределения энергии в спектре равновесного излучения (излучения абсолютно чёрного тела) в зависимости от температуры теоретически был выведен в 1893году В. Вином (1864-1928).

[2] М.Планк (1858-1947) немецкий физик-теоретик, член корреспондент немецкой академии наук, основатель квантовой теории.

[3] А.Эйнштейн (1879-1955) один из величайших физиков всех времен, Нобелевский лауреат, член множества академий разных стран мира. Им был объяснен фотоэффект, за что был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Он дал интерпретацию броуновскому движению частиц, заложив основы статистической физики. Им разработана специальная и общая теория относительности, теория возникновения лазерного излучения.

[4] Фотоэффект был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые детальные исследования фотоэффекта в 1888 году выполнены профессором Московского университета А. Г. Столетовым (1839 - 1896).

[5] Комптон (1892 – 1962) занимался изучением рассеяния коротковолнового света (рентгеновского излучения) в веществе. Им был открыт эффект рассеяния фотонов на свободных электронах в 1923 году, за который в 1927году он получил Нобелевскую премию.

[6] А.Беккерель (1852 — 1908) французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике и один из первооткрывателей радиоактивности.

⁶Эрнест Резерфорд (1871-1937) — английский физик, уроженец Новой Зеландии, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, член всех академий наук мира, иностранный член АН СССР, лауреат Нобелевской премии по химии (1908), член (в 1925-30 президент) Лондонского Королевского общества, Директор Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа -лучи, бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Фредериком Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона.

[8] Много лет спустя он в своих письмах писал: «Только что заново прочел некоторые из моих ранних работ и, представьте, когда закончил, сказал себе: «Резерфорд, мой мальчик, а ты, оказывается, был чертовски умным малым».

[9] Эта формула получила позднее имя Резерфорда.

[10] На этой идее действует и развивается целая область науки – спектрометрия, занимающаяся исследованием вещества по их спектрам. Этот метод используется и при изучении состава звезд, комет и других космических объектов.

[11] Йоханнес Роберт Ридберг (1854 — 1919), шведский физик. После окончания университета в Лунде (1879) стал доцентом, а с 1901 года профессором. Основные его работы посвящены изучению периодической системы элементов Д. И. Менделеева и атомных спектров. Показал, что расположение линий в атомных эмиссионных спектрах может быть описано формулами, аналогичными формуле Бальмера для спектра водорода. Постоянная, входящая в эти формулы, названа его именем.

[12] Датский физик Нильс Бор (1885 – 1962), лауреат Нобелевской премии по физике 1922 года, присужденной за создание квантовой теории строения атома, автор теории составного ядра.

[13] Когерентными называют источники излучения одинаковой частоты и разность фаз которых является постоянной величиной.

[14] Понятие вынужденного излучения было введено в 1916 году А.Эйнштейном.

[15] По виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, по интенсивности спектральных линий определяют их состав и концентрацию с точностью до 10^-5 – 10^-6%. По спектрам определяют строение атома или молекулы, структуру энергетических уровней.

[16] За эти работы Ч.Таунс, А.М.Прохоров и Н.Г.Басов в 1964 году получили Нобелевскую премию.

[17] Мазер представляет собой аббревиатуру английского выражения «microwave amplication by stimulated emission of radiation», что в русском переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»

[18] Лазер имеет ту же самую аббревиатуру английского выражения для слова «свет» - «light».

Дата добавления: 2014-01-06