Квантова физика електронен микроскоп
Лазери. Характеристика на лазерната светлина. Приложение на
Изтегляне 454.89 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- Фиг. 7. 5. 1. Принципна схема на лазер (вляво) и енергийни преходи в активната му среда (вдясно).
7. 5. Лазери. Характеристика на лазерната светлина. Приложение на лазерите в медицината. Лазерите (оптичните квантови генератори) са светлинни източници, които генерират светлина с особени качества, благодарение на квантово-механичния принцип на усилване на светлината. Названието “лазер” се получава от началните букви на английския израз Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усилване на светлината чрез стимулирано излъчване. Лазерите съдържат активна среда, поставена между две огледала (резонатор) и източник на енергия - Фиг. 7.5.1. Източникът на енергия (източник на обикновена светлина, електричен ток и др.) предава енергията си на определен вид примесни атоми на активната среда. Този процес се нарича напомпване на средата при което тези примесни атоми се възбуждат. Активната среда има формата на оптично прозрачен цилиндър, в единия край на който е поставено огледало, а в другия - полупрозрачно (или полуотразяващо) огледало. Цилиндърът може да е от рубинов кристал с примеси на хром, от стъкло с подходящи примеси или съд запълнен с инертни газове - хелии и неон, въглероден двуокис и др. Възможно е активната среда да представлява разтвор на органични багрила. Генерирането и усилването на светлината е възможно, ако голям брой от посочените примесни атоми на средата се възбудят. Генерирането и усилването на светлината започва, когато някой от тези възбудени атоми на активната среда излъчи спонтанно фотон, движещ се перпендикулярно към огледалата. Чрез отражение от огледалата този фотон преминава многократно през средата и принуждава всеки друг възбуден атом, разположен на пътя му да отделя фотон, подобен на него. Така се генерират голям брой еднакви фотони, движещи се в еднаква посока. Всеки един от тези фотони става източник на нова лавина от подобни фотони. Накрая всички фотони вкупом напускат системата през полупрозрачното огледало. В края на усилващия процес, през полупрозрачното огледало на лазера излиза мощен лъч от лазерна светлина със следните качества. Тя е кохерентна (съдържа лъчи с еднаква честота и фаза), плоско поляризирана и има извънредно висока интензивност. Лазерната светлина представлява сноп от строго успоредни лъчи, които могат да се фокусират в дадена точка или да се разфокусират равномерно върху широка повърхнина. Активната среда представлява квантова система от възбудени примесни атоми, които имат инверсна населеност. Тя е квантова система в този смисъл, че при възбуждане, примесните атоми (молекули) заемат отделни дискретни енергийни нива - Ео, Е1, Е2 и т.н. (Фиг. 7.5.1). Когато активната среда се напомпва, примесните атоми преминават от основното си ниво (Ео) в по-горно ниво (Е1, Е2 и т.н.) като поглъщат порции енергия, равна на разликите (Е1-Ео), (Е2 - Ео) и т.н. Само нивото Ео е стабилно, по-горните нива са нестабилни и възбудените атоми много бързо се връщат на Ео (дезактивират се). Броят на атомите в дадено ниво се нарича населеност на това ниво. В състояние на равновесие, населеността на отделните нива (No, N1, N2 и т.н.) е постоянна с времето. В обикновените квантови среди, колкото по-високо е разположено нивото (колкото по-голяма енергия имат атомите в това ниво), толкова по-малко населено е то – нормално разпределение, т.е. No N1 N2 и т.н . Активната среда на лазерите се отличава с това, че притежава примесни атоми с обърната (инверсна) населеност, т.е., тези атоми притежават енергийно ниво с по-голяма населеност от по-долните нива. За разлика от обикновените енергийни нива, които са кратко живущи, нивото с инверсна населеност е дългоживущо, метастабилно. При метастабилното ниво е в сила квантовомеханично правило за забрана на прехода към основното ниво, т.е., забрана на обикновената (самостоятелна, спонтанна) дезактивация. Поради това, времето на живот на метастабилното възбудено ниво е милиони пъти по-голямо от това на обикновеното възбудено ниво и в него се задържат голям брой възбудени атоми и молекули. 
Фиг. 7. 5. 1. Принципна схема на лазер (вляво) и енергийни преходи в активната му среда (вдясно). В зависимост от вида на възбудното ниво, дезактивирането на възбуден атом може да стане по два начина: самопроизволно (самостоятелно, спонтанно) и принудено (Фиг. 7.5.1). Дезактивирането е спонтанно, когато настъпва от обикновено (краткоживущо) ниво, докато принуденото дезактивиране се извършва от метастабилно (дългоживущо) ниво. При обикновените източници на светлина, връщането на основно ниво се извършва само по един начин - спонтанно. Спонтанната дезактивация има случаен характер и поради това, отделните атоми излъчат фотони с различна посока и фаза и, макар и слабо, с различна честота – получава се обикновена светлина. Лазерите са друг вид светлинни източници, които притежават примесни атоми с метастабилно ниво, което се дезактивира предимно принудено. Един такъв възбуден атом е принудено дезактивиран от метостабилното ниво Е1 до основното ниво Ео, когато атомът е улучен от фотон имащ енергия равна на разликата Е1-Ео, излъчен от подобен атом на активната среда. При такава принудена дезактивация, падащият фотон не се поглъща, а атомът излъчва фотон, който е точно копие на падащия фотон. Така се появяват два фотона, които имат строго еднаква посока, честота и фаза. По своя път, тези два фотона дезактивирват други два атома, при което броят на еднаквите фотони става четири. По-нататък се дезактивират още четири атома и броят на фотоните става осем и т.н.- лавинообразно усилване на светлината. Това е принципът на квантово-механичното усилване на светлината. Ясно е, че за да се увеличи броят на еднаквите фотони и като резултат да се излъчи лазерна светлина, трябва принуденото дезактивиране да преобладава над спонтанното. Това се среща само в активните среди, т.е. в среди, които съдържат примесни атоми с метастабилно ниво, в което е възможно да се създаде инверсна населеност. В практиката се използват предимно следните три начина за получаване на инверсна населеност (Фиг. 7.5.2): 1) Твърдотелен лазер с три нива (рубинов лазер - Фиг. 7.5.2 - А). Активната среда са атомите на хрома, вложени като примеси в рубинов кристал (Al2O3). При напомпмавено най-напред атомите на рубина поемат енергия и застават на ниво Е2. Чрез топлинното си движение, възбудените атоми на рубина предават енергията си на атомите на хрома, които застават в нивото Е1. Нивото Е1 обаче е метастабилно, с голямо време на живот и в него се натрупват много възбудени атоми - възниква инверсна населеност на Е1 спрямо Ео. Поради това дезактивацията на възбудените атоми от Е1 до основното ниво Ео е много по-вероятно да настъпи чрез принуден преход, отколкото чрез спонтанен преход. Така се генерира лазерна светлина, чийто фотони имат енергия Е1 - Ео. Напомпването е импулсно, чрез светлина от ксенонова лампа. Лазерната светлина е също импулсна, с около 700 nm. 2) Газови лазери с четири нива (например хелий-неонов лазер - Фиг. 7.5.2 - Б). Този и другите газови лазери са с непрекъснато действие. Газовата смес от хелий и неон се възбужда чрез електричен ток (газов разряд), при което атомите на хелия се възбуждат от основно Ео до ниво Е3. Чрез взаимни сблъсквания, възбудените атоми на хелия предават енергията си на атомите на неона (прехода Е3 Е2). Нивото Е2 обаче е метастабилно, с голямо време на живот и в него се натрупват много възбудени атоми. Така възниква инверсна населеност на нивото Е2 спрямо нивото Е1, която тук е много по-силно изразена отколкото при лазерите с три нива, защото по принцип нивото Е1 има много по-малка населеност от нивото Ео. Съответно, получава се много по-мощна лазерна светлина. 3) Ексимерен лазер – (Фиг. 7. 5. 2 – В). При него активната среда са смес от молекули на благороден газ (криптон, аргон, или ксенон) и реактивоспособен газ (хлор или флуор). Когато през такава газова смес, примерно от криптон и флуор се пропусне ток чрез газов разряд, образуват се възбудени псевдомолекули KrF (ниво Е1). Такава псевдомолекула се нарича ексимер (excimer, съкращение от excited dimer), защото е съставена от един възбуден атом и втори атом в основно състояние. Ексимерните молекули са краткоживущи, излъчват светлина и се разпадат на съставните си невъзбудени атоми. Така, основното ниво на активната среда (невъзбудените и стабилни молекули KrF) е винаги ненаселена и възниква силна инверсна населеност на горното ниво спрямо основното. Ексимерните лазери излъчват импулсна светлина с голяма мощност и къса дължина на вълната в ултравиолетовата област. Ф  иг. 7. 5. 2. Три начина за създаване на инверсна населеност в активна среда. (А) Схема от три нива на енергията с междинно метастабилно ниво; (Б) Схема от четири нива с междинно метастабилно ниво и (В) Среда съдържаща ексимерни молекули.
Съществуват и полупроводникови лазери (във вид на светодиоди), които излъчват лазерна светлина в инфрачервената или видимата област, когато през тях тече електричен ток. Инфрачервените светодиоди се използват в уредите за дистанционно управление на различни машини и електронни устройства. Лазерната светлина има топлинен, фотохимичен и фотобиологичен ефект. Когато някакво тяло поглъща фокусиран, високоинтензивен лъч лазерна светлина, енергията на светлината се превръща в топлина. Топлинният ефект на лазерния лъч може да предизвика силно локално нагряване, денатурация и коагулация на белтъците. Топлинният ефект на лазерния лъч се използва за залепване на отлепена ретина и при лазерния скалпел. Коагулацията на белтъците чрез лазерна светлина причинява залепване и заваряване на нарушените кръвоносни съдове – хемостазен ефект. На основата на тези ефекти в офталмологията се прави корекция на роговицата при астигматизъм и кривогледство, пробива се отвор за намаляване на очното налягане при глаукома. В хирургията, топлинният ефект на лазерният лъч се използва за отваряне на запушени кръвоносни съдове, за разбиване на бъбречни камъни (лазерна литотрипсия) и за отстраняване на туморни тъкани чрез прецизен лазерен скалпел, работещ предимно с инфрачервена светлина. В много случаи лазерният лъч се насочва чрез гъвкав световод, който се вкарва в кръвоносния съд или телесната кухина чрез канюла. В лазерната онкохирургия и в микрохирургията, с помощта на световод (гъвкав оптичен кабел), лъчът на лазарния скалпел се насочва към трудно достъпни места за отстраняване на тумор – лазерна клонация. Оптична биопсия – лазерен лъч прониква дълбоко в кожата и частично се отразява. Отразеният лъч се използва за създаване на микроскопски образ на кожата, който се представя на монитор. Фотохимичният, съответно фотобиологичния ефект настъпват, когато тъканите и организмите се облъчват с нискоинтензивна светлина от нефокусиран лазер, при което светлината се поглъща резонансно от хромофорни групи, свързани с биомакромолекулите. Така се постига лечебно действие при кожни болести, при заболяване на венците и лигавиците, ускорява се зарастването на рани и костни счупвания. Каталог: Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> 5 Спектър на електромагнитните лъчения. Получаване и биологични ефекти на електромагнитните лъчения Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> Основи на геометричната оптика. Пречупване и отражение на светлината. Нишкова оптика. Ендоскопи Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> U = (волт, v). Електричното поле въздейства върху зарядите със сила и ги принуждава да се движат Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> Въпросник по медицинска физика за учебната 2016-2017 г Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> Радиоактивност и йонизираща радиация радиоактивност. Алфа и бета радиоактивно превръщане. Алфа, бета и гама лъчи Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> Механични вълни и звук. Физични параметри на звука: честота, интензивност, скорост на разпространение, звуково налягане. Звуково съпротивление. Екстракорпорална литотрипсия Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> 2 Сили на взаимодействие между частиците на веществото. Молекулен строеж на течните и твърди тела. Полимери и биополимери. Течни кристали. Фазови преходи Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> 8 Рентгенови лъчи – качества и ефекти. Генерация на рентгенови лъчи с помощта на рентгенова тръба. Спирачно и характеристично рентгеново лъчение. Рентгенов луминесцентен и рентгенов структурен анализ Uchebnik%20po%20Meditsinska%20fizika -> Медицинската физика е част от приложната физика в която се описват принципите и методите на физиката, използвани в медицината Изтегляне 454.89 Kb. Сподели с приятели:
|