Занятие 15. Лазер, его применение дл
![]()
|
Занятие № 15 Тема: Лазер, его применение для оценки размеров эритроцитов 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: Контроль теоретический знаний по теме занятие; Получить допуск к выполнению лабораторной работы; Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе; Оформить отчет; Защитить работу с оценкой. Основные источники информации: Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. 4-е издание, исрав. и перераб. М.:ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 114-129 с. Федорова В.Н., Фаустов Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами и решениями Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2011. – 20-29 с. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика.курс лекций для студентов медицинских вузов. Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2010. -7-19 с. Ливенцев Н.М. Курс физики. Москва: Высшая школа, 1978. – 67-76 с. Лекционный материал. Глоссарий (проверьте свою компетентность): Спонтанное излучение, индуцированное излучение, лазер, инверсной заселенность, гелий-неоновый лазер. Вопросы теории самостоятельной подготовки Опишите механизм возникновения, спонтанного и индуцированного излучений атомов? Какое состояние называется инверсной заселенностью? Опишите устройство и принцип работы лазера. Укажите основные характеристики лазерного излучения. Укажите возможности применение лазерного излучения в медицине. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ: Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. 4-е издание, исрав. и перераб. М.:ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 585-589 с. Федорова В.Н., Фаустов Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами и решениями Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2011. – 500 -413 с. 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 ![]() ![]() 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 ![]() λ = 632,8 нм), то при комнатной температуре величина ![]() 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< 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: dxm/ l = mλ(1) где xm — 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 rl 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 хm — от нулевого максимума до максимумов m-го и --m – го порядков по три раза для каждого максимума. Найдите средние расстояния ![]() ![]() ![]()
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 tn,p = 4,3 – коэффициент Стьюдента для n = 3 и доверительной вероятности р = 0,95. Окончательный результат записывается в виде: ![]() Относительная погрешность: ![]() ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ 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 He-Ne лазер представляет из себя . . . генератор. а) химический; б) оптический квантовый; в) тепловой; г) переменного тока. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Возбуждение атомов в Не-Ne лазере осуществляется . . . а) внешним высокочастотным магнитным полем; б) ртутной лампой; в) импульсными токами; г) электрическим разрядом; Система зеркал в Не-Ne лазере является . . . а) резонатором; б) отражателем; в) фотоумножителем; г) генератором. |