Контрольные вопросы
В чем заключается и проявляется корпускулярно-волновой дуализм света.
Объясните дифракционную картину, возникающую при дифракции света на щели с точки зрения волновой и корпускулярной теории.
Какие физические величины и как могут быть оценены с использованием соотношения неопределенности?
Почему принцип неопределенности считается фундаментальным принципом квантовой механики?
Почему движение микрочастиц нельзя описать с помощью понятия траектории?
ЛАЗЕРЫ
Лазеры - это источники когерентного излучения, в основе действия которых лежит явление усиления света с помощью вынужденного излучения. Лазеры генерируют свет в оптическом диапазоне: в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях.
Рис. 1
Из квантовой механики известно, что атомы любого вещества могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретным значением энергии Е1, Е2, Е3,… . Рассмотрим для простоты какие-либо два из них. Если атом находится в основном состоянии 1 (минимальная энергия), то под действием внешнего излучения он может перейти в возбужденное состояние 2 (рис.1а). Если разность энергии Е2-Е1 равна энергии фотона внешнего излучения, то произойдет поглощение внешнего излучения. Вероятность подобных переходов тем выше, чем больше плотность потока внешнего излучения. Через некоторый промежуток времени атом из возбужденного состояния может перейти снова в основное без каких-либо внешних воздействий (рис.1б.). При этом он испускает фотон с энергией hv = Е2-Е1. Процесс испускания возбужденным атомом фотона без внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как спонтанные переходы различных атомов взаимно никак не связаны.
Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с резонансной частотой, удовлетворяющей условию hv = Е2-Е1, то произойдет вынужденный переход атома в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv = Е2 – Е1 (рис.1в.), т.е. при таком переходе происходит излучение фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошло излучение. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным излучением.
Таким образом, результатом вынужденного перехода атома являются два фотона – первичный, который вызвал излучение, и вторичный –испущенный атомом, причем, существенно, что вторичный фотон является точной копией первичного, т.е. они не различимы. Вынужденное излучение, как было показано Эйнштейном и Дираком, тождественно вынуждающему излучению: оно имеет такую же частоту, поляризацию и направление распространения, т.е. вынужденное и вынуждающее излучения когерентны. Если испущенные фотоны встречают на своем пути (а они движутся в одном направлении) другие возбужденные атомы, то они вызывают новые вынужденные (индуцированные) переходы, и число фотонов нарастает лавинообразно.
Однако, наряду с процессом вынужденного излучения идет процесс поглощения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы в среде атомов, находящихся в возбужденном состоянии, было больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей уровней, а среда в таком состоянии – активной средой. Осуществить инверсную населенность в системе, имеющей два энергетических уровня (рис.1) невозможно. Необходимо иметь по крайней мере трехуровневую систему (рис.3). Процесс перевода среды в состояние с инверсией населенностей уровней называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими, химическими и другими способами.
Любой лазер имеет три основных компонента: 1.активную среду 2.Оптический резонатор, который используется для выделения направления лазерной генерации. 3. Систему накачки ( рис. 2.).
1 - активный элемент; 2 - О - зеркала резонатор; 3 - Система накачки.
Рис. 2
В простейшем случае резонатором служит пара обращенных друг к другу параллельно зеркал на общей оптической оси, между которыми находится активная среда (кристалл или кювета с газом). Обычно одно из зеркал полностью отражающее, а второе- частично прозрачно. Фотоны, которые излучаются под углом к оптической оси, выходят через боковую поверхность, а движущееся вдоль оси, многократно отражаются от зеркальных торцов, вызывая вынужденное излучение встречающихся на пути атомов. Этот процесс протекает лавинообразно. Многократно усиленный поток фотонов выходит через частично прозрачное зеркало, создавая направленный поток излучения большой яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направленный (вдоль оси) фотонный поток, обладающий высокими когерентными свойствами.
В данной работе используется газовый лазер, рабочей средой которого является смесь атомов гелия и неона.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОВОГО He-Ne ЛАЗЕРА.
Как и любой другой, газовый лазер состоит из трех основных частей:
1. Активной среды, в которой создаются фотоны и 2. Оптического резонатора.
3. Система накачки.
Активная среда, помещена в разрядную трубку 1 (рис.2) представляет собой смесь гелия под давлением 1 мм рт.ст. и неона под давлением 0,1 мм рт.ст. Оптический резонатор представляет собой два соосных зеркала, перпендикулярных к продольной оси лазера. Накачка в лазере осуществляется за счет электрического тлеющего разряда. Вывод излучения производится через частично прозрачное плоское зеркало(см рис.2).
рис.3
Разряд возбуждает атомы гелия, переводя их на метастабильный уровень 2s (рис. 3). Вероятность спонтанного перехода с метастабильного уровня 2s на основной уровень весьма мала. Поэтому метастабильные атомы гелия теряют свою энергию возбуждения в основном при столкновениях с другими частицами, передавая последним свою энергию, т.е. гелий играет роль буферного газа.. Передача энергии возбуждения от атома He атомам Ne приводит к тому, что атомы Ne переходят на уровни 5s и 4s . Вследствие этого возникает инверсная населенность уровней 5s и 4s атома Ne и создаются условия для вынужденного излучения. Взаимодействие атомов Ne , находящихся на уровнях 4s и 5s , с фотонами определенных энергий приводит к переходам 5s 3p или 4s 3p дающих лазерное излучение, причем переход 5s 3p дает видимое излучение (=0,63км), а переход 4s 3p – инфракрасное ( = 3,39км). (уровни атома Ne 5s, 4s, и 3p обладают системой подуровней, что показано на рис. 3 рядом горизонтальных линий).
Фотоны, возникающие в активной среде в результате вынужденного излучения, после отражений от зеркал ( оно может быть многократным) снова индуцируют излучение, что приводит к увеличению общего числа фотонов, летящих в направлении продольной оси лазера, т.е. к усилению светового пучка).
Для изучения лазеров характерны: 1. Временная и пространственная когерентность; 2. Высокая монохроматичность (спектральная ширина лазерного излучения = 0,1А ); 3. Большой диапазон мощностей (от микроватт до сотен Гигаватт) и 4. Малая расходимость или направленность пучка.
Газовые лазеры могут работать как в непрерывном так и в импульсном режимах. Используемый а настоящей работе гелий- неоновый лазер типа ЛГ-52 работает в непрерывном режиме. Мощность излучения этого лазера порядка 5 мвт.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ.
Применение лазеров в биологии и медицине основано на использовании широкого круга явлений, связанных с разнообразными проявлениями взаимодействия света с биологическими объектами. Лазерное излучение, также как и обычный свет, может отражаться, поглощаться, рассеиваться биологической средой и каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре этой среды, движении и форме отдельных ее составляющих. Видимый и ультрафиолетовый свет могут оказывать фотохимическое действие.
Процессы, характеризующие виды взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами , можно разделить на три группы: 1) процессы не возмущающие взаимодействие; 2) процессы, в которых проявляется фотохимическое действие; и 3) процессы, приводящие к фоторазрушению. На схеме 1 представлена классификация основных принципов применения лазеров в биологии и медицине, учитывающая указанные группы процессов.
Лазерная диагностика. Методы лазерной диагностики делятся на микродиагностические (на уровне атомов и молекул) и макродиагностические ( на уровне клеток и органов). Микродиагностика использует все средства линейной и нелинейной лазерной спектроскопии, а макродиагностика – методы упругого и квазиупругого рассеяния, голографию.
Традиционно, спектральный анализ широко применяется в биологии для анализа, например, следовых концентраций веществ при изучении метаболизма живых организмов и в токсикологии. Нелазерные источники дают возможность детектировать сигнал от 1010 атомов, а с использованием лазера детектируются даже отдельные атомы и молекулы, а также возможно проводить атомный анализ непосредственно на реальных объектах, не прибегая к их предварительной подготовке. Одним из примеров является метод прямой резонансной фотоионизации, успешно примененный к определению следовых концентраций алюминия в крови человека.
Лазерно-флуоресцентная спектроскопия с применением сенсибилизаторов патологических тканей, например, производных гематопорфирина, оказывается очень эффективной при ранней диагностике раковых и других заболеваний. Существуют и неразрушающие методы микроспектрального анализа биообъектов, например, лазерная микрофлуориметрия отдельных живых клеток или органелл.
В основе биомедицинской макродиагностики лежит использование высокой монохроматичности и высокой пространственной когерентности лазерного излучения, которая позволяет измерять положение, скорость, малые перемещения и форму различных компонентов биологических объектов.
Одно из эффективных применений лазеров в биомедицине – это лазерная анемометрия, которая заключается в измерении малых скоростей движения биологических жидкостей, например, скорости кровотока в сосудах, подвижности бактерий и т. д. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты излучения лазера, который возникает при обратном рассеянии света движущихся частиц микронного размера.
Основы лазерной терапии. В основе лазерной терапии лежит управление биохимическими процессами с помощью света, который возбуждает биомолекулы. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими молекулами реализуется чаще всего на клеточных мембранах, что приводит к изменению их физикохимических свойств (поверхностного заряда, диэлектрической проницаемости, вязкости, подвижности макромолекулярных комплексов), а также их основных функций (механической, барьерной и матричной). В результате избирательного поглощения энергии активируются системы мембранной организации биомолекул. К их числу относятся прежде всего белоксинтетический аппарат клеточного ядра, дыхательная цепь, внутренние мембраны митохондрий, антиоксидантная система, комплекс микросомальных гидроксилаз. Активация этих комплексов стимулирует синтез белков и нуклеиновых кислот, гликолиз, липолиз и окислительное фосфорилирование клеток. Можно выделить три основных механизма физиотерапевтического действия лазерного излучения: 1) воздействие электромагнитным полем; 2) термическое воздействие; 3) механическое воздействие (давление света, ударные волны).
Основы лазерной хирургии. Преимущества лазерной хирургии хорошо известны – это бесконтактность, дающая абсолютную стерильность; селективность, позволяющая выбором длины волны облучения разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые; широкий диапазон интенсивностей лазерного излучения дает возможность обеспечивать требуемое воздействие на биообъект: плавление и выпаривание при сравнительно небольшом разогреве, разрушение за счет локального интенсивного импульсного нагрева или фотохимическое разрушение. Отметим еще бескровность лазерных операций, а также широкие возможности при микрохирургии тканей и клеток благодаря высокой степени фокусировки пучка пороговому характеру фоторазрушения.
Наиболее значительные достижения лазерная хирургия имеет в офтальмологии. Это операции на стекловидном теле, фотокоагуляция сетчатки, лечение диабетической ретинопатии, приваривание отслоившейся сетчатки, пробивка отверстий для обеспечения нормального функционирования шлеммова канала при лечении глаукомы и пр.
Широкие возможности открываются у лазерной хирургии, диагностики, физиотерапии при использовании волоконных световодов, способных передавать значительные мощности. Например, применение волоконно-оптических катетеров позволяет реализовать лазерную ангиопластику - разрушение склеротических бляшек в кровеносных сосудах. Значительные перспективы в биологии имеет микрохирургия живых клеток. Локальность воздействия может быть доведена до 0,01 мкм. Широкие пределы изменения длины волны лазерного излучения и длительности импульса позволяет реализовать любой из видов фоторазрушения от теплового до фотохимического. Все это дает новые возможности в микрохирургии хромосом, митатических органелл и цитоплазмы, имеет выход в генетическую инженерию.