Содержание

 

Введение 2

Понятие лазера. История создания. 3

Строение лазера. Генерация лазерного излучения. 6

Процесс генерации лазерного излучения. 8

Схема генерации лазерного излучения по трехуровневой системе для рубинового лазера. 9

Свойства лазерного излучения. 11

Применение в медицине. 12

Список литературы 17

 

 

Введение

 

Свет использовался  для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки  и римляне часто «принимали солнце»  в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.

Настоящий рассвет  фототерапии пришелся на 19 век –  с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В  конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые  ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения  психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.

В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня  лазерные технологии применяются практически  при любых заболеваниях.

 

Понятие лазера. История создания.

 

Лазер (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов), основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.

Слово «лазер» - это аббревиатура слов английского  выражения «Light Amplifacation bz Stimulated of Radiation», что означает «усиление света вынужденным излучением.

Основой лазеров  служит явление индуцированного  излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в  1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют следующие типы переходов между энергетическими состояниями: спонтанное и вынужденное излучение.

Спонтанное излучение  – самопроизвольное испускание электромагнитного  излучения атомами и другими квантовыми системами, находящимися на возбужденных уровнях энергии. Спонтанное излучение происходит без внешнего воздействия. Закономерности спонтанного излучения определяются исключительно свойствами самой системы. Спонтанное излучение возникает при спонтанном квантовом переходе возбужденной системы с более высоко уровня энергии на более низкий.

 

Вынужденное излучение еще называют вынужденным испускание или индуцированным излучением. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равно частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона.

Для получения  лазерного излучения необходимо выполнение еще одного условия, так  называемой инверсии населенностей. Инверсия населенностей  - неравновесное состояние  вещества, при котором для составляющих его частиц (молекул, атомов) выполняются  следующие неравенства:

> , < .

То есть, для  того, чтобы происходило вынужденное  излучение необходимо, чтобы на возбужденном уровне находилось больше атомов, чем на невозбужденном уровне .

Для того, чтобы инверсия населенностей долгое время сохранялась, необходимо, чтобы время жизни на возбужденном уровне было как можно больше метастабильным.

Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в  то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при  взаимодействии электромагнитного  излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.

Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения  или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения  в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. За создание этого прибора физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров а также И. Таунс получили Нобелевскую премию.  По предложению распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер.

 

Строение  лазера. Генерация  лазерного излучения.

 

Лазер содержит три основных элемента:

1. активная среда (активный элемент, рабочее тело), в которой создают инверсию населенностей.

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей  длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например, в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин.
• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
• Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

 

2) устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки).

Источник накачки  подаёт энергию в систему. В его  качестве могут выступать:

• электрический разрядник
• импульсная лампа
• дуговая лампа
• другой лазер
• химическая реакция
• взрывчатое вещество

Тип используемого  устройства накачки напрямую зависит  от используемого рабочего тела, а  также определяет способ подвода  энергии к системе.

3) устройство для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор). Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

 

Процесс генерации лазерного излучения.

 

После того, как в активном элемента, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, в нем возникают многочисленны акты люминесценции. ( Люминесценция – электромагнитное излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжавшееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний). Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вызывая в нем акты вынужденного испускания. В начале возникновения генерации лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между длиной волны излучения и размерами резонатора (расстояние между зеркалами l). Во время первого пролета усиливаются все фотоны, испущенные в результате  спонтанных процессов, однако после отражения от зеркал в преимущественном положении оказываются лишь те фотоны,  для которых выполняются условия возникновения стоячих волн. В наиболее благоприятных условия оказываются тез из мод резонатора, для которых λ совпадает с вершиной спектральной линии активной среду или расположена вблизи. Интенсивность таких волн лавинообразно возрастает. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора. Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к одновременному режиму генерации. Потери энергии в лазере складываются из внутренних потерь в активной среде и за счет вывода части генерируемой энергии сквозь зеркала резонатора. Одно из зеркал резонатора должно быть полупрозрачным.

 

Схема генерации лазерного  излучения по трехуровневой  системе для рубинового лазера.

 

Специальная ксеноновая газоразрядная лампа испускает кванты зеленого цвета, которые поглощаются ионами Cr³⁺, которые находятся в рабочей среде лазера. Ион Cr³⁺ переходит на возбужденный уровень (3).

Большинство ионов  Cr³⁺ переходят далее на метастабильный уровень (2). Это безызлучательный переход на уровень с огромным временем жизни (> секунд). Поскольку время жизни велико, на нем накапливается большое число ионов, и он становится инверсно населен по отношению к уровню .

Какой-либо ион  спонтанно переходит с уровня на уровень и при этом рождается квант света (красный). Он является заправочным. Двигаясь внутри кристалла, этот квант встречает ионы Cr³⁺  в метастабильном состоянии и «сшибает» их на уровень .

Специальными  методами добиваются того, чтобы лазерный луч был очень узким, монохроматичным.

Верхний уровень (3) – широкая полоса поглощения. Это позволяет использовать значительную часть спектра некогерентного источника  накачки для возбуждения атомов активного вещества.

Ниже располагается  метастабильный уровень (2). Среднее  время метастабильного уровня, т. е. среднее время до спонтанного  испускания фотона частицей, попавшей на этот уровень, велико. Для рубинового лазера время жизни метастабильного уровня составляет около с. Для сравнения, время жизни уровня (1) составляет около с. Такая ситуация обеспечивает возможность накопления большого числа частиц на метастабильном уровне. Таким образом, может возникнуть инверсия населенностей между уровнями (1) и (2), между которыми и возникнет рабочий (лазерный) переход. Наиболее распространенной трехуровневой средой является рубин, в состав которого входит кристалл корунда Al₂O₃ с примесью ионов Cr³⁺, которые и являются источником лазерного излучения.  

Используются  также активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Например, четырехуровневым ионом является ион неодима Nd³⁺, введенный в состав специальных стекол или кристаллов. По четырехуровневой системе часто работают и газовые лазеры.