Занятие 15. Лазер, его применение дл

• Название: Лазер, его применение дл
• Дата: 19.11.2020
• Размер: 141.39 Kb.
• Имя файла: Занятие 15.docx
• Тип: Занятие; #151972

Занятие № 15

Тема: Лазер, его применение для оценки размеров эритроцитов

1. 
   Цель работы: Изучить принцип работы лазера; свойства лазерного излучения; Определить размер эритроцита, используя явление дифракции лазерного излучения.
   

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, дифракционная решетка,

лазер, гистологический препарат эритроцита.
студент должен знать: Индуцированное излучение, инверсная заселенность, принцип работы лазера, основные характеристики лазерного излучения, применение лазерного излучения в медицине.

студент должен уметь: Определять длины волны излуче­ния и размер эритроцита.

Содержание занятия:

1. 
   Контроль теоретический знаний по теме занятие;
   
2. 
   Получить допуск к выполнению лабораторной работы;
   
3. 
   Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе;
   
4. 
   Оформить отчет;
   
5. 
   Защитить работу с оценкой.
   

Основные источники информации:

1. 
   Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. 4-е издание, исрав. и перераб. М.:ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 114-129 с.
   
2. 
   Федорова В.Н., Фаустов Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами и решениями Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2011. – 20-29 с.
   
3. 
   Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика.курс лекций для студентов медицинских вузов. Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2010. -7-19 с.
   
4. 
   Ливенцев Н.М. Курс физики. Москва: Высшая школа, 1978. – 67-76 с.
   
5. 
   Лекционный материал.
   

Глоссарий (проверьте свою компетентность):

Спонтанное излучение, индуцированное излучение, лазер, инверсной заселенность, гелий-неоновый лазер.
Вопросы теории самостоятельной подготовки

1. 
   Опишите механизм возникновения, спонтанного и индуцированного излучений атомов?
   
2. 
   Какое состояние называется инверсной заселенностью?
   
3. 
   Опишите устройство и принцип работы лазера.
   
4. 
   Укажите основные характеристики лазерного излучения.
   
5. 
   Укажите возможности применение лазерного излучения в медицине.
   

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. 
   Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. 4-е издание, исрав. и перераб. М.:ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 585-589 с.
   
2. 
   Федорова В.Н., Фаустов Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами и решениями Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2011. – 500 -413 с.
   
3. 
   Лекционный материал.
   

Блок информации
Лазером (или оптическим квантовым генератором) называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонаторе. Лазеры нашли применения в медицине, физиологии, биофизике. Их использование требует от врача понимание принципов работы лазера и знания основных свойств лазерного излучения.

В этой работе изучается принцип работы лазера, применение лазерного излучения для изучения явления дифракции света, использование лазерного излучения для оценки разме­ров клеток.

Лазер, как всякий генератор, состоит из трех элементов (рис. 1а): источника энергии (И), регулятора (Р), колебатель­ной системы (КС), причем два последних соединены обратной связью (ОС). Источник энергии поставляет ее в виде, удобном для переработки ее в лазерное излучение. В качестве колебательного устройства служит электронные переходы между энергетическими уровнями активной среды. Регулятором яв­ляется система возбуждения энергетических уровней. Поло­жительная обратная связь обеспечивает подкачку энергии в колебательную систему в нужной фазе колебаний.

Конструктивно схема лазера представлена на рис. 1б. Он включает в себя активную среду (А), два параллельных зеркала — "глухое" З₁ с высоким коэффициентом отражения (около 100%) и полупрозрачное зеркало З₂, через которое излучение (показано символом hv) выходит из лазера наружу. Между схе­мами а и б имеется следующее соответствие. ИсточникИ вво­дит энергию в активную среду (А) — этот путь показан стрел­ками — например, с помощью газового разряда или импульса света. Колебательной системой являются электронные перехо­ды между энергетическими уровнями атомов, ионов, молекул или полупроводников, из которых состоит активная среда. Зеркала осуществляют обратную связь.

Рис.1

Рис.1. Блок схема лазера как автоколебательной системы (а) и его схематичес­кое изображения (б), а: И — источник энергии, Р — регулятор, КС — коле­бательная система, ОС — обратная связь; б: 3₁ — "глухое зеркало", 3₂ — полупрозрачное зеркало, А — активная среда. Точки — условные изобра­жения атомов. Стрелки, направленные снаружи в активную среду, показы­вают пути ввода энергии от источника, hv — условное изображение выхо­дящего из лазера генерируемого излучения






Чтобы заставить активную среду излучать, надо каким-то образом перевести возможно большее число атомов в возбуж­денное состояние. Для этой цели можно использовать газовый разряд. Полученное при разряде излучение будет монохроматическим. Однако, при этом каждый атом излучает независимо, отдельные акты излучения происходят несогласо­ванно (рис. 2а). В результате электромагнитные поля, излучаемые различными точками этого источника, некогерентны, то есть имеют разные фазы, а излучение от этого источника распространяется во все стороны, как от обычной лампочки накаливания. Таким образом, существование только двух элементов из трех (рис. la) — источника энергии и колебательной системы — не позволяет получить когерентное излучение.




Рис. 2. Схемы спонтанного (самопроизвольного) (а) и вынужденного (индуциро­ванного) излучения (б) в двухуровневой системе. Е₂ — энергия верхнего уровня, Е₁ — нижнего. Соотношение hv = Е₂ – Е₁ выполняется для всех квантов, изображенных на рис.: а — спонтанное излучение кванта атомом, находящимся на верхнем энергетическом уровне (местонахождение электрона показано кружком); б — индуцированное излучение фотоном (1), действующим на возбужденный атом; 2 — тот же фотон после взаимодей­ствия с атомом; 3 — фотон, излученный при электронном переходе; в — формирование "лавины" фотонов в активной среде А в результате инду­цированного излучения возбужденными атомами (кружки)

Для того, чтобы получить такое излучение, должен быть задействован регулятор и обратная связь между атомами: излучение одного из них должно влиять на излучение других. Это оказалось возможным при использовании явления индуцированного излучения. Оно состоит в том, что вероятность перехода с верхнего энергетического уровня E₂ на вежи E возрастает, если на атом действует электромагнитное излучение, частота которого равна частоте, которая излучается при спутанном переходе с верхнего уровня на нижний. Чтобы получить когерентное излучение, должен быть за­действован регулятор и обратная связь между атомами: излу­чение одного из них должно влиять на излучение других. Это оказалось возможным при использовании явления индуциро­ванного излучения. Оно состоит в том, что вероятность пере­хода с верхнего энергетического уровня Е₂ на нижний Е₁ воз­растает, если на атом действует электромагнитное излучение, частота которого равна частоте, которая излучается при спон­танном переходе с верхнего уровня на нижний. Схематически это показано на рис. 2б. Если на атом до перехода действует фо­тон 1, то вследствие электронного перехода появляется новый фотон 3, при этом фотон 1 не изменился (его обозначим фотон 2). Особенность возникающего индуцированного излучения состоит в том, что свойства излученного фотона 3 тождествен­ны свойствам фотона 1, вызвавшего индуцированное излучение, то есть он имеет ту же частоту, направление поляризации и фазу. Если в активной среде А находится много возбужден­ных атомов, то проход одного фотона способен, в принципе, вызвать "лавину" фотонов вследствие индуцированного излу­чения (рис. 2в). При каждом взаимодействии фотона с возбуж­денным атомом вместо одного фотона возникает два одинако­вых фотона. Таким образом возникает когерентное излучение.

На самом деле каждый фотон не сильно увеличивает вероят­ность излучения. Ее можно увеличить, если не давать фотонам уходить в окружающую среду, а заставить их многократно проходить через активную среду. Для этого используют два зеркала З₁ и З₂ (рис. 1б). Излученные фотоны отражаются от них и повторно воздействуют на возбужденные атомы. Таким образом зеркала осуществляют положительную обратную связь: излучение одного атома увеличивает вероятность излу­чения других.

Если не использовать специальную конструкцию лазера, количество атомов в возбужденном состоянии будет ничтожно. Рассмотрим два энергетических уровня с разностью энергий Е₂ – Е₁. Тогда в условиях теплового равновесия согласно закону Больцмана отношение населенностей — количества атомов N₂, находящихся на верхнем уровне, к таковому N₁ на ниж­нем уровне — относится как , где k — по­стоянная Больцмана, Т = 300 К абсолютная температура. Если взять разность энергий, соответствующую излучению гелий – неонового лазера (длина волны

λ = 632,8 нм), то при комнат­ной температуре величина . Соот­ветственно отношение населенностей — это ничтожная вели­чина порядка 10 ^-33, то есть N₂ <<N₁ (рис. За).

Как следует из квантовой теории, вероятность кванту инду­цировать излучение с верхнего уровня или поглотиться на нижнем уровне, переведя атом в возбужденное состояние, оди­наковы. Поэтому для работы лазера нужно резко увеличить концентрацию возбужденных атомов вещества. Это достигает­ся выбором такой активной среды, чтобы в ней можно было со­здать инверсную населенность.

Инверсной населенностью называется состояние активной среды, при котором в возбужденном состоянии находится боль­ше атомов, чем в основном



Рис.3 Нормальная (а) и инверсная (б) заселенность двух энергетических уров­ней с энергией Е₂ и энергией Е₁; а — На нижнем уровне атомов больше, чем на верхнем, N₂<₁; б – На верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем, N₂>N₁

N₂ > N₁ (рис. 3б). Чтобы его достичь, используют метастабильные состояния атомов. Метастабильными состояниями называют уровни энергии, в которых атом мо­жет находиться в течение длительного по атомным масштабам промежутка времени. Существование долгоживущих состоя­ний находит свое объяснение в квантовой теории. Обычно время жизни возбужденного состояния составляет 10^-9 – 10^-8 с, а в метастабильном — оно увеличивается до 10^-3 с. Из-за большо­го времени жизни метастабильных состояний удается накопить в возбужденном состоянии много атомов.

Основная часть работы проводится с помощью гелий-неоно­вого лазера или с помощью полупроводникового лазера.

Гелий-неоновый лазер испускает красный свет с длиной волны 632,8 нм и устроен в соответствии с рис. 1б. Активную среду образует смесь атомов гелия и неона, помещенная в газо­разрядную трубку. Источником энергии служит газовый раз­ряд. На рис. 4 приведена упрощенная схема возбужденных уровней энергии гелия и неона. Атомы гелия служат для пре­образования энергии источника энергии в возбуждение ато­мов — переход с основного уровня на возбужденный показан прямой стрелкой. Возбужденные атомы гелия находятся в ме­тастабильном долгоживущем состоянии и при столкновениях передают энергию возбуждения атомам неона (волнистая стрелка). Переход, показанный наклонной прямой стрелкой, с верхнего возбужденного уровня атома неона на промежуточный и дает квант лазерного излучения с длиной волны 632 нм. Это излучение является индуцированным, его интенсивность определяют кванты этого излучения, существующие в лазере. Зеркала способствуют тому, что излучение за счет многократ­ного прохода через активную среду осуществляет сильную положительную обратную связь, вызывая появление новых квантов излучения. Последующий переход атома неона в ос­новное состояние (наклонная волнистая стрелка) не дает ла­зерного излучения.

Полупроводниковый лазер также испускает красный свет с длиной волны близкой к той, которую дает гелий-неоновый ла­зер. Уровни энергии, между которыми происходит переход, являются уровнями энергии кристалла. Энергию в лазер под­качивают, пропуская через границу двух полупроводников сильный электрический ток. Зеркала можно и не использо­вать, т.к. излучение сильно отражается от граней кристалла. Эти лазеры отличаются высокой компактностью – размер кристалла порядка 1 мм — и высоким коэффициентом полез­ного действия (до 70%).



Рис.4. Гелий-неоновый лазер. Упрощенная схема возбужденных уровней энер­гии гелия и неона. Прямая стрелка вверх — возбуждение гелия газовым разря­дом, горизонтальная волнистая стрелка — безызлучательная передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонная прямая стрелка — излучение атомами неона с длиной волны 632,8 нм, волнистая стрелка вниз — дальнейшая релакса­ция энергии с возбужденного уровня
Основные характеристики лазерного излучения. Длина волны зависит от состава активной среды и может находиться в пределах от ультрафиолетового излучения (220 нм) до ин­фракрасного (10 мкм). Монохроматичностью излучения на­зывают его характеристику, показывающую в какой степени излучение представляет собой излучение одной определенной и строго постоянной частоты.

В зависимости от интенсивности излучения и его зависимости от времени лазеры делятся на непрерывные и импульсные. У первых в активную среду энергия подается непрерывно, и мощность лазерного излучения постоянна во времени. Таков, например, гелий-неоновый лазер. У импульсных лазеров энер­гию подают короткими порциями, например, освещают лам­пой-вспышкой в течение 1 мс. В ответ они выдают короткие импульсы излучения длительностью от десятков микросекунд (10^-6 с) до нескольких наносекунд (10 ^-9 с).

Мощность Р непрерывных лазеров невелика — несколько мВт. У импульсных лазеров мощность излучения в импульсе Р = W/τ на много порядков выше за счет того, что вся энергия W излучается за короткое время τ. Средняя же мощность лазер­ного излучения за все время действия лазера сравнительно ма­ла, например, в режиме получения коротких импульсов при ча­стоте повторения 1 Гц и энергии одного импульса 0,02—20 Дж она не превосходит мощности очень слабой электрической лампочки (25 Вт).

Когерентностью называют согласованное во времени и в про­странстве протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Лазерное излучение обладает высокой когерентнос­тью за счет явления вынужденного излучения.

Спектральной плотностью излучения называют отноше­ние мощности Р излучения к ширине диапазона излученных волн Δλ. Поскольку у лазерного излучения величина Δλ черезвы­чайно мала, спектральная плотность лазерного излучения очень велика.

Расходимость излучения — это параметр, показывающий в каком телесном угле распространяется излучение данного ис­точника. От лампы накаливания, например, излучение распро­страняется во все стороны (в телесном угле 4π радиан). Лазер­ное излучение распространяется в пределах узкого конуса –расходимость лазерного излучения в 1000 - 10000 раз меньше.

Лазерное излучение применяется в хирургии для бескров­ного разреза сильно кровоточащих тканей (печень, легкие). Излучение подводится через световод. Разрез производится за счет испарения тканей в зоне нагрева; за счет тепловой денату­рации ("сваривания") тканей, из которых состоят стенки кро­веносных капилляров, они закупориваются, и предотвращает­ся кровотечение.

В офтальмологии лазерное излучение используется для приваривания отслоившейся сетчатки. При глаукоме — повы­шении давления внутриглазной жидкости — с помощью лазе­ра пробивают отверстия диаметром 50 – 100 мкм для ее оттока.

В терапии используют наружное или внутреннее облучение больного органа низкоинтенсивным лазерным излучением (ла­зерная физио - и рефлексотерапия).

Разность хода лучей 1 и 2, dsin φ, должна равняться целому числу длин волн mλ, где m=0; ±1; ±2 и т.д. — порядок дифрак­ции, а именно: dsinφ = mλ. Т.к. угол φ мал, то вместо этого уравнения можно записать:

dx_m/ l = mλ(1)

где x_m — расстояние от центрального, нулевого максимума до максимума m-го порядка.

Дифракция на эритроцитах в мазке крови. Нормальный эритроцит по своей форме похож на двояковогнутую линзу со средней толщиной около 2 мкм и диаметром около 8,5 мкм. В мазке крови на стекле он лежит как плоский диск. Внутри эри­троцит содержит белок гемоглобин, который сильно поглощает свет. Поэтому как оптический объект одиночный эритроцит в первом приближении представляет собой непрозрачный кру­жок, размеры которого сопоставимы с длиной волны. Соответ­ствующая дифракционная картина имеет вид чередующихся светлых и темных концентрических колец с ярким пятном – нулевым максимумом в центре. Распределение интенсивностей вдоль диаметра этих колец представлено на рис. 6б. Если число эритроцитов на мазке велико, и они расположены случайным образом друг относительно друга, то картина не изменяется.

Экспериментально точнее измерять не радиусы ярких ко­лец, а радиусы r_l r₂ темных колец. Как показывают результа­ты точного решения, соответствующие им углы дифракции оп­ределяются формулами:

sinφ₁ = 1.22λ/D; sinφ₂ = 2.23λ/D(2)

для соответственно 1-го и 2-го минимумов, где D — диаметр эритроцитов. Синус соответствующего угла дифракции вычисляется по формуле:

;

где l — расстояние от образца до экрана.
Выполнение работы

1. Определение длины волны излуче­ния.

Установите дифракционную решетку на оптической ска­мье перпендикулярно лазерному лучу. На расстоянии l= 30 см от решетки расположите экран. Измерьте это расстоя­ние точно.

Зарисуйте наблюдаемую дифракционную картину.

Измерьте расстояния х_m — от нулевого максимума до максимумов m-го и --m – го порядков по три раза для каждого максимума. Найдите средние расстояния и , а также среднее расстояние до максимумов ±m по­рядков. С помощью формулы (1), приняв d = 0,01 мм, найдите длину волны λ лазерного излучения для всех рассчитанных значений Х_m. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

Порядок мак­симумов, m	Расстояние до Среднее максимумов расстояние			Sinφm		Длина волны λ, нм
	, мм	, мм	Хm, мм
1
2
3

2. Определение размера эритроцита.

Установите на штативе вместо дифракционной решетки стекло с мазком крови. Перемещая образец в плоскости, пер­пендикулярной лазерному лучу, найдите место на краю мазка, для которого получается наиболее четкая дифракционная кар­тина из светлых и темных колец — чередующихся максиму­мов и минимумов различных порядков.

Измерьте радиусы середин темных колец. Расчет размера эритроцита производится по формулам (2). Использовать дли­ну волны лазерного излучения, полученную в задании 1.

Если виден максимум только первого порядка, то надо трижды определять радиус кольца в разных направлениях и рассчитать три значения диаметра эритроцита.



где i = 1,2,3.

Оценка погрешности при определении размеров эритро­цитов.

Среднее значение диаметра подсчитывается по формуле:


Среднеквадратическая ошибка данного измерения



Доверительный интервал среднего арифметического изме­ряемой величины рассчитывается по формуле:

где t_n,p = 4,3 – коэффициент Стьюдента для n = 3 и довери­тельной вероятности р = 0,95.

Окончательный результат записывается в виде:

Относительная погрешность:


ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. 
   При индуцированном излучении квантов происходит переход атомов из возбужденного состояния в основное . . .
   

а) под действием внешнего фотона;

б) при соударении с невозбужденными атомами;

в) за счет повышения внутренней энергии;

г) при соударении с другим возбужденным атомом

2. 
   He-Ne лазер представляет из себя . . . генератор.
   

а) химический; б) оптический квантовый;

в) тепловой; г) переменного тока.

3. 
   В основе работы He-Ne лазера лежит:
   

а) спонтанное излучение частиц;

б) переход электронов с одного уровня на другой;

в) электронный парамагнитный резонанс;

г) вынужденное испускание фотонов возбужденными атомами неона.

4. 
   Вынужденное испускание фотонов в лазере происходит . . .
   

а) при самопроизвольном переходе возбужденных частиц на нижний уровень;

б) при переходе частиц из основного состояния в возбужденное;

в) при взаимодействии фотонов с возбужденной частицей;

г) при выбивании электронов из внутренних слоев атома.

5. 
   При электрическом разряде в трубке газового лазера происходит . .
   

а) переход атомов газа из возбужденного состояния в основное;

б) переход атомов газа в возбужденное состояние;

в ) спонтанное излучение;

г) спонтанное поглощение квантов.

6. 
   В каком диапазоне длин волн находится излучение Не-Ne лазеров:
   

а) радиодиапазон;

б) область видимого света и инфракрасного излучения;

в) область рентгеновского и g-излучения;

г) ультрафиолетовое узлучение.

7. 
   Увеличение населенности третьего уровня Ne в He-Ne лазерах происходит в результате:
   

а) электрического разряда в трубке;

б) воздействия света на атомы He и Ne;

в) спонтанного перехода атомов He и Ne;

г)соударения возбужденных атомов He с невозбужденными атомами Ne.

8. 
   Лазер работает в режиме генерации :
   

а) когда число возбужденных атомов равно числу невозбужденных атомов;

б) когда происходит только спонтанное излучение;

в) когда потери энергии световой волны при прохождении через среду меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения;

г) когда термодинамическая температура газовой смеси положительна.

9. 
   Возбуждение атомов в Не-Ne лазере осуществляется . . .
   

а) внешним высокочастотным магнитным полем;

б) ртутной лампой;

в) импульсными токами;

г) электрическим разрядом;

10. 
    Система зеркал в Не-Ne лазере является . . .
    

а) резонатором; б) отражателем; в) фотоумножителем; г) генератором.