52.Понятие об индуцированном излучении света. Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в медицине

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается).

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. В завис. от причины,вызывающей квантовый переход с испусканием фотона,различают 2 вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбуждённая частица самрпроизвольно переходит на нижний энергетич. ур. , то такое излучение наз. спонтанным (оно случайно и хаотично по времени,частоте и поляризации).

Другое излучение вынужденное или индуцированное возник. при взаимодействии фотона с возбуждённой частицей,если энергия фотона равна разности уровней энергий.В рез. Вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в родном направлении 2 одинаковых фотона: один -первичный, а др. – вторичный.Число вынужден. переходов, совершаемых в секунду, будет зависеть от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т.е. от интенсивности света. Вынужденные переходы также будут определяться заполненностью соответствующих возбуждённых энергетических состояний.

Лазер создаёт импульсноео излучение. Применение лазеров основано на свойствах их излучения: строгая монохроматичность, большая мощ-сть, узкость пучка. Применение в седицине:2 осн. напр-я :

1. Свойство лазеров разрушать биологические ткани, бескровные рассечения (безоперационное лечение отслойки сетчатки, световой бескровный нож в хирургии).

2. Голография. На основе гелий-неонового лазера разработаны гастроскопы,кот. позволяют галографически формировать обюъёмное изображение полости желудка.

53.Люминесценция. Виды люминесценции. Флюоресценция, фосфоресценция. Правило Стокса. Квантовый выход люминесценции. Закон Вавилова.

Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и независимо от него. С.И. Вавилов определил явление люминесценции следующим образом: люминесценция есть излучение телом электромагнитных волн в оптическом диапазоне, представляющее собой избыток над тепловым излучением при данной температуре тела и имеющее длительность, значительно превышающую период колебаний световых волн (10^-15с).

Люминесценцию классифицируют:

а) по виду процессов, которые вызывают возбуждение атомов и молекул:

1. биолюминесценция – свечение живых организмов (светлячки,

бактерии, грибы);

2. электролюминесценция – свечение газов при электрическом разряде;

3. радиолюминесценция – вызывается радиактивным излучением;

4. хемилюминесценция – свечение при экзотермических химических реакциях;

5. фотолюминесценция – вызывается коротковолновой частью оптического спектра.

б) по длительности свечения люминесценция делится на флуоресценцию, когда послесвечение длится до 10^-3с, и фосфоресценцию, время

послесвечения составляет от 10^-3с до нескольких минут и даже часов.

в) по механизму элементарных процессов, протекающих в люмине-сцирующих атомах и молекулах:

1. Резонансная

2. Спонтанная

3. Индуцированная (метастабильная):

4. Рекомбинационная люминесценция – является результатом рекомбинационных процессов – электронов и дырок в полупроводниках, электронов и ионов в газах.

Вещества способные люминесцировать называют люминофорами.

Вещества с особенно длительным послесвечением называются фосфорами.

Особый интерес для медиков представляет фотолюминесценция, которая наблюдается у многих жидких и твердых тел, как неорганической, так и органической природы. .

Как правило, фотолюминесцентное излучение имеет бόльшую длину волны, чем возбуждающее излучение.

Это обстоятельство изложено в правиле Стокса: При фотолюминесценции спектр излучения в целом и его максимум, сдвинуты по отношению к спектру поглощенного излучения в сторону более длинных волн.

Если фотон поглощается уже возбужденным атомом или молекулой, то λ_люм < λ_пгл. Такое излучение называется антистоксовым.

Не все фотоны, поглощенные веществом, вызывают вторичное свечение. Часть их расходует свою энергию на другие внутримолекулярные процессы, например, на увеличение скорости теплового движения. Количественно эту сторону процесса характеризуют величиной, называемой выходом люминесценции.

Квантовый выход – отношение числа квантов люминесцентного излучения к числу поглощаемых квантов за единицу времени:

. (18)

Вавилов установил: в интервале длин волн, вызывающих в данном веществе люминесценцию, число излучаемых квантов пропорционально числу поглощенных и не зависит от длины волны, т.е.: η_кв= соnst

Энергетический выход – отношение мощности люминесцентного излучения к мощности поглощенного:

. (19)

Выход люминесценции зависит от природы вещества, наличия примесей, температуры и некоторых других параметров и имеет величину от 1-2 % до 70-80 %.

Закон Вавилова: энергетический выход люминесценции сначала растет ~ λ_возб, а затем, достигнув максимума, резко падает до нуля.

ФЛЮОРЕСЦЕНЦИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ —

виды люминесценции, различающиеся длительностью остаточного свечения, продолжающегося после прекращения возбуждения. Фосфоресценция характеризуется сравнительно большой длительностью остаточного свечения, флюоресценция исчезает непосредственно по устранении источника возбуждения. Различие это чисто качественное. Свойство фосфоресценции присуще далеко не всем люминесцирующим веществам, поэтому термин флюоресценция иногда применяется как син. термина люминесценция. Способностью фосфоресцировать обладают преимущественно кристаллические тела; известно большое количество искусственно приготовленных фосфоресцирующих веществ — фосфоров.