Quelle est l'intensité du rayonnement laser. Composition spectrale du rayonnement

1. Le passage de la lumière monochromatique à travers un milieu transparent.

2. Création d'une inversion de population. Méthodes de pompage.

3. Le principe de fonctionnement du laser. Types de lasers.

4. Caractéristiques du rayonnement laser.

5. Caractéristiques du rayonnement laser utilisé en médecine.

6. Modifications des propriétés du tissu et de sa température sous l'influence d'un rayonnement laser puissant et continu.

7. Utilisation du rayonnement laser en médecine.

8. Concepts et formules de base.

9. Tâches.

Nous savons que la lumière est émise en unités distinctes - des photons, dont chacun résulte de la transition radiative d'un atome, d'une molécule ou d'un ion. La lumière naturelle est un ensemble d’un grand nombre de photons de ce type, variant en fréquence et en phase, émis à des moments aléatoires et dans des directions aléatoires. Obtenir de puissants faisceaux de lumière monochromatique à l’aide de sources naturelles est une tâche presque impossible. Dans le même temps, le besoin de tels faisceaux était ressenti à la fois par les physiciens et les spécialistes de nombreuses sciences appliquées. La création d'un laser a permis de résoudre ce problème.

Laser- un dispositif qui génère des ondes électromagnétiques cohérentes dues à l'émission stimulée de microparticules du milieu dans lequel est créé un degré élevé d'excitation de l'un des niveaux d'énergie.

Laser (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - amplification de la lumière à l'aide d'un rayonnement stimulé.

L'intensité du rayonnement laser (LR) est plusieurs fois supérieure à l'intensité des sources de lumière naturelle et la divergence du faisceau laser est inférieure à une minute d'arc (10 -4 rad).

31.1. Passage de la lumière monochromatique à travers un milieu transparent

Dans la leçon 27, nous avons découvert que le passage de la lumière à travers la matière s'accompagne de : excitation photonique ses particules et ses actes émission stimulée. Considérons la dynamique de ces processus. Laissez-le se propager dans l'environnement monochromatique lumière dont la fréquence (ν) correspond au passage des particules de ce milieu du niveau sol (E 1) au niveau excité (E 2) :

Les photons frappant les particules dans l'état fondamental être absorbé et les particules elles-mêmes entreront dans l'état excité E 2 (voir Fig. 27.4). Les photons qui frappent les particules excitées déclenchent une émission stimulée (voir Fig. 27.5). Dans ce cas, les photons sont doublés.

En état d'équilibre thermique, le rapport entre le nombre de particules excitées (N 2) et non excitées (N 1) obéit à la distribution de Boltzmann :

où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue.

Dans ce cas, N 1 >N 2 et l'absorption dominent le doublement. Par conséquent, l'intensité de la lumière émergente I sera inférieure à l'intensité de la lumière incidente I 0 (Fig. 31.1).

Riz. 31.1. Atténuation de la lumière traversant un milieu dont le degré d'excitation est inférieur à 50 % (N 1 > N 2)

À mesure que la lumière est absorbée, le degré d’excitation augmente. Lorsqu'il atteint 50% (N 1 = N 2), entre absorption Et doubler l'équilibre sera établi, puisque les probabilités que les photons frappent les particules excitées et non excitées deviendront les mêmes. Si l'éclairage du milieu s'arrête, après un certain temps, le milieu reviendra à l'état initial correspondant à la distribution de Boltzmann (N 1 > N 2). Faisons une conclusion préliminaire :

Lors de l’éclairage de l’environnement avec une lumière monochromatique (31.1) impossible à réaliser un tel état de l'environnement dans lequel le degré d'excitation dépasse 50 %. Considérons néanmoins la question du passage de la lumière à travers un milieu dans lequel l'état N 2 > N 1 a été atteint d'une manière ou d'une autre. Cet état est appelé un état avec population inverse(de lat. inverse- tournant).

Inversion de population- un état de l'environnement dans lequel le nombre de particules à l'un des niveaux supérieurs est supérieur à celui du niveau inférieur.

Dans un milieu à population inversée, la probabilité qu’un photon heurte une particule excitée est supérieure à celle d’une particule non excitée. Par conséquent, le processus de doublement domine le processus d’absorption et il existe gagner lumière (Fig. 31.2).

À mesure que la lumière traverse un milieu inversé de population, le degré d’excitation diminue. Quand il atteint 50%

Riz. 31.2. Amplification de la lumière traversant un milieu à population inversée (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), entre absorption Et doubler l'équilibre sera établi et l'effet d'amplification de la lumière disparaîtra. Si l'éclairage du milieu s'arrête, après un certain temps, le milieu reviendra à un état correspondant à la distribution de Boltzmann (N 1 > N 2).

Si toute cette énergie est libérée lors de transitions radiatives, nous recevrons alors une impulsion lumineuse d’une puissance énorme. Certes, il n'aura pas encore la cohérence et la directivité requises, mais sera fortement monochromatique (hv = E 2 - E 1). Ce n’est pas encore un laser, mais c’est déjà quelque chose de proche.

31.2. Création d'une inversion de population. Méthodes de pompage

Alors, est-il possible de réaliser une inversion de population ? Il s'avère que vous pouvez le faire si vous utilisez trois niveaux d'énergie avec la configuration suivante (Fig. 31.3).

Laissez l'environnement être illuminé par un puissant flash de lumière. Une partie du spectre d'émission sera absorbée lors du passage du niveau principal E 1 au niveau large E 3 . Rappelons que large est un niveau d'énergie avec un temps de relaxation court. Par conséquent, la majorité des particules qui entrent dans le niveau d'excitation E 3 sont transférées de manière non radiative vers le niveau métastable étroit E 2, où elles s'accumulent. En raison de l'étroitesse de ce niveau, seule une petite fraction des photons flash

Riz. 31.3. Création d'une inversion de population à un niveau métastable

capable de provoquer une transition forcée E 2 → E 1 . Cela fournit les conditions pour créer une population inverse.

Le processus de création d’une inversion de population est appelé gonflé. Les lasers modernes utilisent différents types de pompage.

Le pompage optique de supports actifs transparents utilise des impulsions lumineuses provenant d'une source externe.

Le pompage par décharge électrique de fluides actifs gazeux utilise une décharge électrique.

Le pompage par injection de supports actifs semi-conducteurs utilise du courant électrique.

Le pompage chimique d'un milieu actif à partir d'un mélange de gaz utilise l'énergie d'une réaction chimique entre les composants du mélange.

31.3. Le principe de fonctionnement du laser. Types de lasers

Le schéma fonctionnel du laser est présenté sur la Fig. 31.4. Le fluide de travail (milieu actif) est un cylindre long et étroit dont les extrémités sont recouvertes par deux miroirs. L'un des miroirs (1) est translucide. Un tel système est appelé résonateur optique.

Le système de pompage transfère les particules du niveau du sol E 1 au niveau d'absorption E 3 , d'où elles sont transférées de manière non radiative vers le niveau métastable E 2 , créant son inversion de population. Après cela, les transitions radiatives spontanées E 2 → E 1 commencent par l'émission de photons monochromatiques :

Riz. 31.4. Dispositif laser schématique

Les photons à émission spontanée, émis sous un angle par rapport à l'axe de la cavité, sortent par la surface latérale et ne participent pas au processus de génération. Leur flux se tarit rapidement.

Les photons qui, après émission spontanée, se déplacent le long de l'axe du résonateur, traversent à plusieurs reprises le fluide de travail et sont réfléchis par les miroirs. En même temps, ils interagissent avec les particules excitées, déclenchant une émission stimulée. De ce fait, une augmentation « semblable à une avalanche » de photons induits se déplaçant dans la même direction se produit. Un flux de photons multi-amplifié sort à travers un miroir translucide, créant un puissant faisceau de rayons cohérents presque parallèles. En fait, le rayonnement laser est généré d'abord un photon spontané qui se déplace le long de l’axe du résonateur. Cela garantit la cohérence du rayonnement.

Ainsi, le laser convertit l’énergie de la source de pompe en énergie de lumière cohérente monochromatique. L'efficacité d'une telle transformation, c'est-à-dire L'efficacité dépend du type de laser et varie de quelques fractions de pour cent à plusieurs dizaines de pour cent. La plupart des lasers ont une efficacité de 0,1 à 1 %.

Types de lasers

Le premier laser créé (1960) utilisait le rubis comme fluide de travail et système de pompage optique. Le rubis est un oxyde d'aluminium cristallin A1 2 O 3 contenant environ 0,05 % d'atomes de chrome (c'est le chrome qui donne au rubis sa couleur rose). Les atomes de chrome intégrés dans le réseau cristallin sont le milieu actif

avec la configuration des niveaux d'énergie illustrée à la Fig. 31.3. La longueur d'onde du rayonnement laser rubis est λ = 694,3 nm. Puis sont apparus les lasers utilisant d’autres supports actifs.

Selon le type de fluide de travail, les lasers sont divisés en lasers à gaz, à semi-conducteur, liquides et semi-conducteurs. Dans les lasers à solide, l'élément actif est généralement réalisé sous la forme d'un cylindre dont la longueur est bien supérieure à son diamètre. Les milieux actifs gazeux et liquides sont placés dans une cuvette cylindrique.

Selon la méthode de pompage, une génération continue et pulsée de rayonnement laser peut être obtenue. Avec un système de pompage continu, l’inversion de population est maintenue longtemps grâce à une source d’énergie externe. Par exemple, excitation continue par une décharge électrique en milieu gazeux. Avec un système de pompage pulsé, l'inversion de population est créée en mode pulsé. Fréquence de répétition des impulsions de 10 -3

Hz jusqu'à 10 3 Hz.

31.4. Caractéristiques du rayonnement laser

Le rayonnement laser dans ses propriétés diffère considérablement du rayonnement des sources lumineuses conventionnelles. Notons ses traits caractéristiques.

1. Cohérence. Le rayonnement est très cohérent, ce qui est dû aux propriétés d’émission stimulée. Dans ce cas, non seulement une cohérence temporelle, mais aussi spatiale a lieu : la différence de phase en deux points du plan perpendiculaire à la direction de propagation reste constante (Fig. 31.5, a).

2. Collimation. Le rayonnement laser est collimaté, ceux. tous les rayons du faisceau sont presque parallèles les uns aux autres (Fig. 31.5, b). Sur une grande distance, le diamètre du faisceau laser n’augmente que légèrement. Puisque l'angle de divergence φ est faible, l'intensité du faisceau laser diminue légèrement avec la distance. Cela permet aux signaux d'être transmis sur de grandes distances avec peu d'atténuation de leur intensité.

3. Monochromatique. Le rayonnement laser est très monochromatique, ceux. contient des ondes presque de la même fréquence (la largeur de la raie spectrale est Δλ ≈0,01 nm). Sur

La figure 31.5c montre une comparaison schématique de la largeur de raie d'un faisceau laser et d'un faisceau de lumière ordinaire.

Riz. 31.5. Cohérence (a), collimation (b), monochromaticité (c) du rayonnement laser

Avant l'avènement des lasers, un rayonnement avec un certain degré de monochromaticité pouvait être obtenu à l'aide de dispositifs - des monochromateurs, qui distinguent des intervalles spectraux étroits (bandes de longueurs d'onde étroites) d'un spectre continu, mais la puissance lumineuse dans ces bandes est faible.

4. Haute puissance.À l'aide d'un laser, il est possible de fournir une puissance de rayonnement monochromatique très élevée - jusqu'à 10 5 W en mode continu. La puissance des lasers pulsés est supérieure de plusieurs ordres de grandeur. Ainsi, un laser néodyme génère une impulsion d'énergie E = 75 J dont la durée est t = 3x10 -12 s. La puissance dans l'impulsion est égale à P = E/t = 2,5x10 13 W (à titre de comparaison : la puissance d'une centrale hydroélectrique est P ~ 10 9 W).

5. Haute intensité. Dans les lasers pulsés, l'intensité du rayonnement laser est très élevée et peut atteindre I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (cf. l'intensité de la lumière solaire près de la surface terrestre I = 0,1 W/cm 2).

6. Haute luminosité. Pour les lasers fonctionnant dans le domaine visible, luminosité le rayonnement laser (intensité lumineuse par unité de surface) est très élevé. Même les lasers les plus faibles ont une luminosité de 10 15 cd/m 2 (à titre de comparaison : la luminosité du Soleil est L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Pression. Lorsqu'un rayon laser tombe sur la surface d'un corps, il crée pression(D). Avec l'absorption complète du rayonnement laser incident perpendiculairement à la surface, une pression D = I/c est créée, où I est l'intensité du rayonnement, c est la vitesse de la lumière dans le vide. En réflexion totale, la pression est deux fois plus élevée. Pour l'intensité I = 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2 ; D = 3,3x10 9 Pa = 33 000 guichets automatiques.

8. Polarisation. Le rayonnement laser est complètement polarisé.

31.5. Caractéristiques du rayonnement laser utilisé en médecine

Longueur d'onde du rayonnement

Les longueurs d'onde de rayonnement (λ) des lasers médicaux se situent dans la plage de 0,2 à 10 µm, c'est-à-dire de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain.

Puissance de rayonnement

La puissance de rayonnement (P) des lasers médicaux varie dans de larges limites, déterminées par les objectifs d'application. Pour les lasers à pompage continu, P = 0,01-100 W. Les lasers pulsés sont caractérisés par la puissance d'impulsion P et la durée d'impulsion τ et

Pour les lasers chirurgicaux P et = 10 3 -10 8 W, et la durée d'impulsion t et = 10 -9 -10 -3 s.

Énergie dans une impulsion de rayonnement

L'énergie d'une impulsion de rayonnement laser (E et) est déterminée par la relation E et = P et -t et, où t et est la durée de l'impulsion de rayonnement (généralement t et = 10 -9 -10 -3 s) . Pour les lasers chirurgicaux E et = 0,1-10 J.

Taux de répétition des impulsions

Cette caractéristique (f) des lasers pulsés montre le nombre d'impulsions de rayonnement générées par le laser en 1 s. Pour les lasers thérapeutiques f = 10-3 000 Hz, pour les lasers chirurgicaux f = 1-100 Hz.

Puissance de rayonnement moyenne

Cette caractéristique (P moy) des lasers à impulsions périodiques montre la quantité d'énergie que le laser émet en 1 s et est déterminée par la relation suivante :

Intensité (densité de puissance)

Cette caractéristique (I) est définie comme le rapport entre la puissance du rayonnement laser et la surface de la section transversale du faisceau. Pour les lasers continus I = P/S. Dans le cas des lasers pulsés, il existe intensité du pouls I et = P et /S et intensité moyenne I moy = P moy /S.

L'intensité des lasers chirurgicaux et la pression créée par leur rayonnement ont les valeurs suivantes :

pour les lasers continus I ~ 10 3 W/cm 2, D = 0,033 Pa ;

pour les lasers pulsés I et ~ 10 5 -10 11 W/cm 2, D = 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Densité d'énergie d'impulsion

Cette valeur (W) caractérise l'énergie par unité de surface de la surface irradiée par impulsion et est déterminée par la relation W = E et /S, où S (cm 2) est l'aire de la tache lumineuse (c'est-à-dire la section transversale du faisceau laser) sur la surface des tissus biologiques. Pour les lasers utilisés en chirurgie, W ≈ 100 J/cm 2.

Le paramètre W peut être considéré comme la dose de rayonnement D pour 1 impulsion.

31.6. Modifications des propriétés des tissus et de leur température sous l'influence d'un rayonnement laser puissant et continu

Changements de température et propriétés du tissu

sous l'influence d'un rayonnement laser continu

L'absorption d'un rayonnement laser de haute puissance par les tissus biologiques s'accompagne d'un dégagement de chaleur. Pour calculer la chaleur dégagée, une valeur spéciale est utilisée - densité thermique volumétrique(q).

Le dégagement de chaleur s'accompagne d'une augmentation de la température et les processus suivants se produisent dans les tissus :

à 40-60°C, il se produit une activation enzymatique, une formation d'œdème, des modifications et, selon le temps d'action, une mort cellulaire, une dénaturation des protéines, un début de coagulation et une nécrose ;

à 60-80°C - dénaturation du collagène, défauts membranaires ; à 100°C - déshydratation, évaporation de l'eau des tissus ; plus de 150°C - carbonisation ;

au-dessus de 300°C - évaporation du tissu, formation de gaz. La dynamique de ces processus est représentée sur la Fig. 31.6.

Riz. 31.6. Dynamique des changements de température des tissus sous l'influence d'un rayonnement laser continu

1 phase. Premièrement, la température des tissus passe de 37 à 100 °C. Dans cette plage de température, les propriétés thermodynamiques du tissu restent pratiquement inchangées et la température augmente linéairement avec le temps (α = const et I = const).

2 phase.À une température de 100 °C, l’évaporation de l’eau des tissus commence et jusqu’à la fin de ce processus, la température reste constante.

3 phase. Une fois l’eau évaporée, la température recommence à augmenter, mais plus lentement que dans la section 1, car les tissus déshydratés absorbent moins d’énergie que la normale.

4 phase. Lorsqu’une température T ≈ 150 °C est atteinte, le processus de carbonisation et, par conséquent, de « noircissement » du tissu biologique commence. Dans ce cas, le coefficient d'absorption α augmente. On observe donc une augmentation non linéaire de la température, s’accélérant avec le temps.

5 phase. Lorsque la température T ≈ 300 °C est atteinte, le processus d'évaporation du tissu biologique carbonisé et déshydraté commence et l'augmentation de la température s'arrête à nouveau. C'est à ce moment que le faisceau laser coupe (enlève) le tissu, c'est-à-dire devient un scalpel.

Le degré d'augmentation de la température dépend de la profondeur du tissu (Fig. 31.7).

Riz. 31.7. Processus se produisant dans les tissus irradiés à différentes profondeurs : UN- dans la couche superficielle, le tissu chauffe jusqu'à plusieurs centaines de degrés et s'évapore ; b- la puissance du rayonnement affaibli par la couche supérieure est insuffisante pour évaporer le tissu. Une coagulation des tissus se produit (parfois accompagnée d'une carbonisation - une épaisse ligne noire) ; V- l'échauffement des tissus se produit en raison du transfert de chaleur de la zone (b)

L'étendue des zones individuelles est déterminée à la fois par les caractéristiques du rayonnement laser et par les propriétés du tissu lui-même (principalement les coefficients d'absorption et de conductivité thermique).

L'exposition à un puissant faisceau laser focalisé s'accompagne de l'apparition d'ondes de choc, qui peuvent provoquer des dommages mécaniques aux tissus adjacents.

Ablation de tissus sous l'influence d'un puissant rayonnement laser pulsé

Lorsque le tissu est exposé à de courtes impulsions de rayonnement laser avec une densité d'énergie élevée, un autre mécanisme de dissection et d'élimination du tissu biologique est réalisé. Dans ce cas, un chauffage très rapide du fluide tissulaire se produit jusqu'à une température T > T d'ébullition. Dans ce cas, le fluide tissulaire se retrouve dans un état de surchauffe métastable. Ensuite, une ébullition « explosive » du liquide tissulaire se produit, qui s'accompagne de l'élimination du tissu sans carbonisation. Ce phénomène est appelé ablation. L'ablation s'accompagne de la génération d'ondes de choc mécaniques pouvant provoquer des dommages mécaniques aux tissus à proximité de la zone d'irradiation laser. Ce fait doit être pris en compte lors du choix des paramètres du rayonnement laser pulsé, par exemple lors du meulage de la peau, du perçage des dents ou de la correction laser de l'acuité visuelle.

31.7. Utilisation du rayonnement laser en médecine

Les processus caractérisant l'interaction du rayonnement laser (LR) avec des objets biologiques peuvent être divisés en 3 groupes :

influence non perturbatrice(n'ayant pas d'effet notable sur l'objet biologique) ;

action photochimique(une particule excitée par un laser soit participe elle-même aux réactions chimiques correspondantes, soit transfère son excitation à une autre particule participant à une réaction chimique) ;

photodestruction(en raison du dégagement de chaleur ou d'ondes de choc).

Diagnostic laser

Le diagnostic laser est un effet non perturbateur sur un objet biologique utilisant cohérence rayonnement laser. Listons les principales méthodes de diagnostic.

Interférométrie. Lorsque le rayonnement laser est réfléchi par une surface rugueuse, des ondes secondaires apparaissent qui interfèrent les unes avec les autres. En conséquence, une image de taches sombres et claires (taches) est formée, dont l'emplacement fournit des informations sur la surface de l'objet biologique (méthode d'interférométrie des taches).

Holographie. Grâce au rayonnement laser, une image tridimensionnelle d'un objet est obtenue. En médecine, cette méthode permet d'obtenir des images tridimensionnelles des cavités internes de l'estomac, des yeux, etc.

Diffusion de la lumière. Lorsqu'un faisceau laser très dirigé traverse un objet transparent, la lumière se disperse. L'enregistrement de la dépendance angulaire de l'intensité de la lumière diffusée (méthode de néphélométrie) permet de déterminer la taille des particules du milieu (de 0,02 à 300 µm) et le degré de leur déformation.

Lorsqu'elle est diffusée, la polarisation de la lumière peut changer, ce qui est également utilisé dans le diagnostic (méthode de néphélométrie de polarisation).

Effet Doppler. Cette méthode est basée sur la mesure du décalage de fréquence Doppler du LR, qui se produit lorsque la lumière est réfléchie même par des particules en mouvement lent (méthode anénométrique). De cette manière, la vitesse du flux sanguin dans les vaisseaux, la mobilité des bactéries, etc. sont mesurées.

Diffusion quasi élastique. Avec une telle diffusion, un léger changement dans la longueur d'onde du sondage LR se produit. La raison en est une modification des propriétés de diffusion (configuration, conformation des particules) au cours du processus de mesure. Des changements temporaires dans les paramètres de la surface de diffusion se manifestent par une modification du spectre de diffusion par rapport au spectre du rayonnement d'alimentation (le spectre de diffusion s'élargit ou des maxima supplémentaires y apparaissent). Cette méthode permet d'obtenir des informations sur l'évolution des caractéristiques des diffuseurs : coefficient de diffusion, vitesse de transport dirigé, taille. C'est ainsi que les macromolécules protéiques sont diagnostiquées.

Spectroscopie de masse laser. Cette méthode est utilisée pour étudier la composition chimique d’un objet. De puissants faisceaux de rayonnement laser évaporent la matière de la surface d'un objet biologique. Les vapeurs sont soumises à une analyse spectrale de masse dont les résultats déterminent la composition de la substance.

Test sanguin au laser. Un faisceau laser traversant un étroit capillaire de quartz à travers lequel le sang spécialement traité est pompé provoque la fluorescence de ses cellules. La lumière fluorescente est ensuite détectée par un capteur sensible. Cette lueur est spécifique à chaque type de cellule traversant individuellement la section transversale du faisceau laser. Le nombre total de cellules dans un volume de sang donné est calculé. Des indicateurs quantitatifs précis pour chaque type de cellule sont déterminés.

Méthode de photodestruction. Il est utilisé pour étudier la surface composition objet. De puissants faisceaux LR permettent de prélever des microéchantillons à la surface d'objets biologiques en évaporant la substance et en effectuant ensuite une analyse spectrale de masse de cette vapeur.

Utilisation du rayonnement laser en thérapie

Les lasers de faible intensité sont utilisés en thérapie (intensité 0,1-10 W/cm2).

Le rayonnement de faible intensité ne provoque pas d'effet destructeur notable sur les tissus directement pendant l'irradiation. Dans les régions visibles et ultraviolettes du spectre, les effets de l'irradiation sont provoqués par des réactions photochimiques et ne diffèrent pas des effets provoqués par la lumière monochromatique reçue de sources incohérentes classiques. Dans ces cas, les lasers sont simplement des sources de lumière monochromatiques pratiques qui fournissent Riz. 31.8.

Schéma d'utilisation d'une source laser pour l'irradiation intravasculaire du sang

fournissant une localisation et un dosage précis de l'exposition. A titre d'exemple sur la Fig. La figure 31.8 montre un schéma de l'utilisation d'une source de rayonnement laser pour l'irradiation intravasculaire du sang chez des patients souffrant d'insuffisance cardiaque.

Les méthodes de thérapie au laser les plus courantes sont répertoriées ci-dessous. Thérapie par la lumière rouge.

Le rayonnement laser He-Ne d'une longueur d'onde de 632,8 nm est utilisé à des fins anti-inflammatoires pour traiter les plaies, les ulcères et les maladies coronariennes. L'effet thérapeutique est associé à l'influence de la lumière de cette longueur d'onde sur l'activité proliférative de la cellule. La lumière agit comme un régulateur du métabolisme cellulaire. Thérapie par la lumière bleue.

Un rayonnement laser dont la longueur d'onde se situe dans la région bleue de la lumière visible est utilisé, par exemple, pour traiter la jaunisse chez les nouveau-nés. Cette maladie est la conséquence d'une forte augmentation de la concentration de bilirubine dans le corps, dont l'absorption est maximale dans la région bleue. Si les enfants sont irradiés avec un rayonnement laser de cette gamme, la bilirubine se décompose, formant des produits solubles dans l'eau. Physiothérapie au laser -

l'utilisation du rayonnement laser en combinaison avec diverses méthodes d'électrophysiothérapie. Certains lasers sont dotés de fixations magnétiques pour l'action combinée du rayonnement laser et d'un champ magnétique - la thérapie laser magnétique. Il s’agit notamment de l’appareil thérapeutique laser infrarouge magnétique Milta.

L'efficacité de la thérapie au laser augmente lorsqu'elle est associée à des substances médicamenteuses préalablement appliquées sur la zone irradiée (phorèse laser). Thérapie photodynamique des tumeurs.

irradiation ultérieure avec de la lumière visible. La destruction des tumeurs lors de la PDT repose sur trois effets : 1) destruction photochimique directe des cellules tumorales ; 2) dommages aux vaisseaux sanguins de la tumeur, entraînant une ischémie et la mort de la tumeur ; 3) la survenue d'une réaction inflammatoire qui mobilise la défense immunitaire antitumorale des tissus corporels.

Pour irradier les tumeurs contenant des photosensibilisateurs, un rayonnement laser d'une longueur d'onde de 600 à 850 nm est utilisé. Dans cette région du spectre, la profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus biologiques est maximale.

La thérapie photodynamique est utilisée dans le traitement des tumeurs de la peau et des organes internes : poumons, œsophage (le rayonnement laser est délivré aux organes internes à l'aide de guides de lumière).

Utilisation du rayonnement laser en chirurgie

En chirurgie, des lasers de haute intensité sont utilisés pour couper les tissus, éliminer les zones pathologiques, arrêter les saignements et souder les tissus biologiques. En choisissant correctement la longueur d'onde du rayonnement, son intensité et la durée d'exposition, divers effets chirurgicaux peuvent être obtenus. Ainsi, pour couper les tissus biologiques, on utilise un faisceau focalisé d'un laser CO 2 continu, ayant une longueur d'onde λ = 10,6 µm et une puissance de 2x10 3 W/cm 2.

L'utilisation d'un faisceau laser en chirurgie permet une exposition sélective et contrôlée. La chirurgie au laser présente de nombreux avantages :

Sans contact, offrant une stérilité absolue ;

La sélectivité, qui permet le choix de la longueur d'onde du rayonnement pour détruire les tissus pathologiques à des doses sans affecter les tissus sains environnants ;

Exsangue (en raison de la coagulation des protéines) ;

Possibilité d'interventions microchirurgicales grâce au degré élevé de focalisation du faisceau.

Indiquons quelques domaines d'application chirurgicale des lasers.

Soudure laser des tissus. La connexion des tissus disséqués est une étape nécessaire dans de nombreuses opérations.

La figure 31.9 montre comment le soudage de l'un des troncs d'un gros nerf est réalisé en mode contact à l'aide de soudure, qui Riz. 31.9.

Soudage nerveux à l'aide d'un faisceau laser

des gouttes d'une pipette sont appliquées sur le site d'exposition laser. Destruction des zones pigmentées. Les lasers pulsés sont utilisés pour détruire les zones pigmentées. Cette méthode(photothermolyse)

utilisé pour traiter les angiomes, les tatouages, les plaques sclérotiques dans les vaisseaux sanguins, etc. L'introduction de l'endoscopie a révolutionné la médecine chirurgicale. Pour éviter de grandes opérations ouvertes, le rayonnement laser est délivré sur le site de traitement à l'aide de guides de lumière à fibre optique, qui permettent au rayonnement laser d'être délivré aux tissus biologiques des organes creux internes. Cela réduit considérablement le risque d’infection et de complications postopératoires.

Panne laser. Des lasers à impulsions courtes associés à des guides de lumière sont utilisés pour éliminer la plaque dentaire dans les vaisseaux sanguins, les calculs biliaires et rénaux.

Lasers en ophtalmologie. L'utilisation de lasers en ophtalmologie permet de réaliser des interventions chirurgicales sans effusion de sang sans compromettre l'intégrité du globe oculaire. Ce sont des opérations sur le corps vitré ; soudure de la rétine détachée ; traitement du glaucome en « perçant » des trous (50÷100 µm de diamètre) avec un faisceau laser pour l'écoulement du liquide intraoculaire. L'ablation couche par couche du tissu cornéen est utilisée pour la correction de la vision.

31.8. Concepts et formules de base

Fin de tableau

31.9. Tâches

1. Dans une molécule de phénylalanine, la différence d’énergie entre les états fondamental et excité est ΔE = 0,1 eV. Trouvez la relation entre les populations de ces niveaux à T = 300 K.

Répondre: n = 3,5*10 18.

Les lasers deviennent des outils de recherche de plus en plus importants en médecine, physique, chimie, géologie, biologie et ingénierie. S'ils sont utilisés incorrectement, ils peuvent provoquer un éblouissement et des blessures (y compris des brûlures et des chocs électriques) aux opérateurs et aux autres membres du personnel, y compris les spectateurs dans le laboratoire, ainsi que des dommages matériels importants. Les utilisateurs de ces appareils doivent bien comprendre et appliquer les précautions de sécurité nécessaires lors de leur manipulation.

Qu'est-ce qu'un laser ?

Le mot « laser » (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est une abréviation qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». La fréquence du rayonnement généré par un laser se situe dans ou près de la partie visible du spectre électromagnétique. L'énergie est amplifiée à une intensité extrêmement élevée grâce à un processus appelé émission induite par laser.

Le terme rayonnement est souvent mal compris car il est également utilisé pour décrire Dans ce contexte, il désigne le transfert d'énergie. L'énergie est transférée d'un endroit à un autre par conduction, convection et rayonnement.

Il existe de nombreux types de lasers qui fonctionnent dans différents environnements. Le milieu de travail utilisé est des gaz (par exemple de l'argon ou un mélange d'hélium et de néon), des cristaux solides (par exemple du rubis) ou des colorants liquides. Lorsque l’énergie est fournie au milieu de travail, elle est excitée et libère de l’énergie sous forme de particules de lumière (photons).

Une paire de miroirs à chaque extrémité d’un tube scellé réfléchit ou transmet la lumière dans un flux concentré appelé faisceau laser. Chaque environnement d’exploitation produit un faisceau d’une longueur d’onde et d’une couleur uniques.

La couleur de la lumière laser est généralement exprimée par la longueur d'onde. Il est non ionisant et comprend les parties ultraviolettes (100-400 nm), visibles (400-700 nm) et infrarouges (700 nm - 1 mm) du spectre.

Spectre électromagnétique

Chaque onde électromagnétique a une fréquence et une longueur uniques associées à ce paramètre. Tout comme la lumière rouge a sa propre fréquence et sa propre longueur d’onde, toutes les autres couleurs – orange, jaune, vert et bleu – ont des fréquences et des longueurs d’onde uniques. Les humains sont capables de percevoir ces ondes électromagnétiques, mais sont incapables de voir le reste du spectre.

Le rayonnement ultraviolet a également la fréquence la plus élevée. Les rayonnements infrarouges, micro-ondes et radioélectriques occupent les fréquences inférieures du spectre. La lumière visible se situe dans une plage très étroite entre les deux.

impact sur les humains

Le laser produit un faisceau de lumière intense et dirigé. S'il est dirigé, réfléchi ou focalisé sur un objet, le faisceau sera partiellement absorbé, augmentant la température de la surface et de l'intérieur de l'objet, ce qui peut entraîner une modification ou une déformation du matériau. Ces qualités, utilisées dans la chirurgie au laser et dans le traitement des matériaux, peuvent être dangereuses pour les tissus humains.

Outre les rayonnements qui ont un effet thermique sur les tissus, les rayonnements laser qui produisent un effet photochimique sont dangereux. Son état est une partie suffisamment courte, c'est-à-dire ultraviolette ou bleue du spectre. Les appareils modernes produisent un rayonnement laser dont l'impact sur l'homme est minimisé. Les lasers de faible puissance n’ont pas assez d’énergie pour causer des dommages et ne présentent aucun danger.

Les tissus humains sont sensibles à l’énergie et, dans certaines circonstances, les rayonnements électromagnétiques, notamment les rayonnements laser, peuvent causer des dommages aux yeux et à la peau. Des études ont été menées sur les niveaux seuils de rayonnement traumatique.

Risque pour les yeux

L’œil humain est plus susceptible aux blessures que la peau. La cornée (la surface externe transparente de l’œil), contrairement au derme, ne possède pas de couche externe de cellules mortes pour la protéger des influences environnementales. Le laser est absorbé par la cornée de l'œil, ce qui peut lui causer des dommages. La blessure s'accompagne d'un gonflement de l'épithélium et d'une érosion, et en cas de blessures graves, d'une opacification de la chambre antérieure.

Le cristallin de l’œil peut également être susceptible d’être blessé lorsqu’il est exposé à divers rayonnements laser – infrarouge et ultraviolet.

Le plus grand danger, cependant, est l'impact du laser sur la rétine dans la partie visible du spectre optique - de 400 nm (violet) à 1 400 nm (proche infrarouge). Dans cette région du spectre, les faisceaux collimatés sont focalisés sur de très petites zones de la rétine. L'impact le plus défavorable se produit lorsque l'œil regarde au loin et est touché par un faisceau direct ou réfléchi. Dans ce cas, sa concentration sur la rétine atteint 100 000 fois.

Ainsi, un faisceau visible d'une puissance de 10 mW/cm 2 affecte la rétine avec une puissance de 1000 W/cm 2. C’est plus que suffisant pour causer des dégâts. Si l’œil ne regarde pas au loin ou si le faisceau est réfléchi par une surface diffuse et non miroir, un rayonnement nettement plus puissant entraîne des blessures. L'exposition au laser sur la peau n'a pas d'effet de focalisation, elle est donc beaucoup moins susceptible d'être blessée à ces longueurs d'onde.

Rayons X

Certains systèmes haute tension avec des tensions supérieures à 15 kV peuvent générer des rayons X d'une puissance importante : le rayonnement laser, dont les sources sont de puissantes sources pompées électroniquement, ainsi que les systèmes plasma et les sources d'ions. Ces appareils doivent être testés pour garantir, entre autres, un blindage adéquat.

Classification

Selon la puissance ou l'énergie du faisceau et la longueur d'onde du rayonnement, les lasers sont divisés en plusieurs classes. La classification est basée sur le potentiel de l'appareil à provoquer des blessures immédiates aux yeux, à la peau ou un incendie lorsqu'il est directement exposé au faisceau ou lorsqu'il est réfléchi par des surfaces réfléchissantes diffuses. Tous les lasers commerciaux doivent être identifiés par des marquages ​​qui leur sont appliqués. Si le dispositif a été fabriqué maison ou s'il n'est pas marqué, des conseils doivent être obtenus concernant sa classification et son étiquetage appropriés. Les lasers se distinguent par leur puissance, leur longueur d'onde et leur durée d'exposition.

Appareils sécurisés

Les appareils de première classe génèrent un rayonnement laser de faible intensité. Il ne peut pas atteindre des niveaux dangereux, de sorte que les sources sont exemptées de la plupart des contrôles ou autres formes de surveillance. Exemple : imprimantes laser et lecteurs CD.

Appareils à sécurité conditionnelle

Les lasers de seconde classe émettent dans la partie visible du spectre. Il s'agit d'un rayonnement laser dont les sources provoquent chez l'homme une réaction normale d'aversion envers une lumière trop vive (réflexe de clignement). Lorsqu'il est exposé au faisceau, l'œil humain clignote en 0,25 s, ce qui offre une protection suffisante. Cependant, le rayonnement laser dans le domaine visible peut endommager l’œil en cas d’exposition constante. Exemples : pointeurs laser, lasers géodésiques.

Les lasers de classe 2a sont des appareils spéciaux dont la puissance de sortie est inférieure à 1 mW. Ces appareils ne causent des dommages que s’ils sont directement exposés pendant plus de 1 000 secondes au cours d’une journée de travail de 8 heures. Exemple : lecteurs de codes-barres.

Lasers dangereux

La classe 3a comprend les dispositifs qui ne provoquent pas de blessures lors d'une exposition à court terme à un œil non protégé. Peut présenter un danger lors de l'utilisation d'optiques de focalisation telles que des télescopes, des microscopes ou des jumelles. Exemples : laser hélium-néon 1-5 mW, certains pointeurs laser et niveaux de bâtiments.

Un faisceau laser de classe 3b peut provoquer des blessures par exposition directe ou réflexion spéculaire. Exemple : Laser Hélium-Néon 5-500 mW, nombreux lasers de recherche et thérapeutiques.

La classe 4 comprend les appareils dont les niveaux de puissance sont supérieurs à 500 mW. Ils sont dangereux pour les yeux, la peau et présentent également un risque d'incendie. L'exposition au faisceau, à ses réflexions spéculaires ou diffuses peut provoquer des blessures aux yeux et à la peau. Toutes les mesures de sécurité doivent être prises. Exemple : lasers Nd:YAG, écrans, chirurgie, découpe de métal.

Rayonnement laser : protection

Chaque laboratoire doit assurer une protection adéquate aux personnes travaillant avec des lasers. Les fenêtres de la pièce à travers lesquelles le rayonnement d'un appareil de classe 2, 3 ou 4 peut passer et causer des dommages dans des zones non contrôlées doivent être couvertes ou autrement protégées pendant que cet appareil fonctionne. Pour garantir une protection oculaire maximale, les mesures suivantes sont recommandées.

• Le paquet doit être enfermé dans une enceinte de protection non réfléchissante et ininflammable afin de minimiser le risque d'exposition accidentelle ou d'incendie. Pour aligner le faisceau, utilisez des écrans fluorescents ou des viseurs secondaires ; Évitez le contact direct avec les yeux.
• Utilisez la puissance la plus faible pour la procédure d’alignement du faisceau. Si possible, utilisez des appareils bas de gamme pour les procédures d'alignement préliminaires. Évitez la présence d'objets réfléchissants inutiles dans la zone d'exploitation du laser.
• Limitez le passage du faisceau dans la zone dangereuse en dehors des heures de travail à l'aide de volets et autres barrières. N'utilisez pas les murs de la pièce pour aligner le faisceau des lasers de classe 3b et 4.
• Utilisez des outils non réfléchissants. Certains équipements qui ne réfléchissent pas la lumière visible se reflètent dans la région invisible du spectre.
• Ne portez pas de bijoux réfléchissants. Les bijoux en métal augmentent également le risque de choc électrique.

Lunettes de sécurité

Lorsque vous travaillez avec des lasers de classe 4 dans une zone dangereuse ouverte ou lorsqu'il existe un risque de réflexion, des lunettes de sécurité doivent être portées. Leur type dépend du type de rayonnement. Les lunettes doivent être choisies pour protéger contre les reflets, en particulier les reflets diffus, et pour offrir une protection à un niveau tel que le réflexe de protection naturel peut prévenir les blessures aux yeux. De tels dispositifs optiques maintiendront une certaine visibilité du faisceau, préviendront les brûlures cutanées et réduiront le risque d’autres accidents.

Facteurs à considérer lors du choix des lunettes de sécurité :

• longueur d'onde ou région du spectre de rayonnement ;
• densité optique à une certaine longueur d'onde ;
• éclairement maximum (W/cm2) ou puissance du faisceau (W) ;
• type de système laser ;
• mode puissance - rayonnement laser pulsé ou mode continu ;
• possibilités de réflexion - spéculaire et diffuse ;
• champ de vision ;
• la présence de verres correcteurs ou de taille suffisante pour permettre le port de lunettes de correction de la vue ;
• confort;
• la présence de trous d'aération pour éviter la buée ;
• influence sur la vision des couleurs;
• résistance aux chocs;
• capacité à effectuer les tâches nécessaires.

Étant donné que les lunettes de sécurité sont susceptibles d'être endommagées et usées, le programme de sécurité du laboratoire doit inclure une inspection périodique de ces dispositifs de sécurité.

On nous pose souvent la question : que signifient ces lettres dans la description des détecteurs de radar : X, K, Ka, L, POP, VG-2 ?

X, K Et Ka Ce sont les gammes de fréquences radio dans lesquelles fonctionnent les radars de la police.

L(laser) - désigne la capacité de détecter des radars laser (lidars)

POPULAIRE- ce n'est pas une portée, c'est le mode de fonctionnement d'un radar de police (et pour un détecteur de radar - le mode détection).

TB-2 il s'agit d'un système de détection pour les détecteurs de radar (et dans les détecteurs de radar, par conséquent, d'une protection contre une telle détection)

Regardons cela de plus près.

Plage X(10,475 à 10,575 GHz) - La bande de fréquence radio la plus ancienne utilisée pour le contrôle de la vitesse. Les conducteurs plus âgés se souviennent des grands radars utilisés par la police en URSS, qui ressemblaient à un gros tuyau gris, d'où leur nom de « tuyau » ou de « phare ». Aujourd’hui, il n’en reste presque plus. Personnellement, la dernière fois que j’ai vu une telle chose sur les routes ukrainiennes, c’était en 2007. Ayant en service n'importe quel détecteur de radar, même le moins cher, vous aurez facilement le temps de ralentir, car... La vitesse de fonctionnement de ces radars est faible.

Bande K(24,0 à 24,25 GHz) - La bande K est la plage la plus courante dans laquelle fonctionnent actuellement la plupart des radars de police. Cette gamme a été introduite en 1976 aux USA et est encore largement utilisée dans le monde entier pour la détection de vitesse. Les radars fonctionnant en bande K se distinguent par leur taille et leur poids inférieurs à ceux des radars en bande X, ainsi que par leur vitesse de fonctionnement plus élevée. Cette gamme est utilisée par les radars "Vizir", "Berkut", "Iskra", etc. Tous présentés dans notre magasin détectent la gamme K.

Bande Ka(33,4 à 36,0 GHz) est une gamme plus récente. Les radars fonctionnant dans cette plage sont plus précis. Pour les détecteurs de radar, la détection de cette plage est plus difficile. Tous les détecteurs de radar modernes détectent le rayonnement radar dans la bande Ka. Cependant, comme ces radars de police fonctionnent très rapidement, il n'est pas certain que vous puissiez ralentir suffisamment pour éviter d'être attrapé. Sois prudent!

Portée laser. Les radars (lidars) fonctionnant dans la portée laser sont un cauchemar pour un intrus. Il est utilisé par les radars, tels que le dispositif TruCam. Un compteur de vitesse laser émet un faisceau dans le spectre infrarouge. Réfléchi par les phares d'une voiture ou d'une plaque d'immatriculation, le faisceau laser revient, et comme tout cela se produit à la vitesse de la lumière, vous n'avez tout simplement aucune chance de ralentir. Si votre détecteur de radar a signalé qu'un laser a été détecté, cela signifie que vous avez déjà été attrapé : (C'est une autre affaire si vous n'avez pas été attrapé du tout et que le détecteur de radar a « capté » le signal réfléchi, alors vous pourriez quand même avoir de la chance.
Tous les détecteurs de radar présentés dans notre magasin disposent de la fonction de détection de radar laser. Mais le moyen le plus efficace (le seul fiable !) de combattre les pistolets laser est ce qu'on appelle les « shifters » - des dispositifs qui trompent le compteur de vitesse laser. Notre magasin présente le complexe Beltronics SHIFTER ZR4, qui vous permet de détecter et de vous protéger contre la détection laser. C’est ce qui vous permet véritablement de vous protéger de TruCam ! Beltronics Shifter ZR4 peut fonctionner indépendamment ou en conjonction avec les détecteurs de radar Beltronics.

Mode POP- c'est le mode de fonctionnement d'un radar de police dans lequel il émet pendant un temps très court (des dizaines de millisecondes). Cela suffit souvent pour déterminer la vitesse, mais la vitesse n'est pas enregistrée et l'agent de la circulation n'a en principe rien à vous montrer. Mais il le présentera, rassurez-vous. La plupart des détecteurs de radar peuvent détecter les signaux dans ce mode, et beaucoup forcent l'activation de ce mode. Dans ce mode, votre détecteur de radar est plus sensible aux interférences, utilisez-le donc en dehors de la ville.

TB-2-Il s'agit d'un mode anti-détection pour votre détecteur de radar. Dans certains pays européens et dans certains États des États-Unis, l'utilisation de détecteurs de radar est interdite. C'est pourquoi les policiers sont armés de ce qu'on appelle des détecteurs de radar (Radar Detector Detector-RDD). Ils détectent le rayonnement spécifique produit par le détecteur de radar pendant son fonctionnement. De cette façon, un policier peut savoir à distance que vous avez un détecteur de radar installé dans votre voiture. Tous les détecteurs de radar modernes sont protégés contre la détection par les appareils VG-2. Le plus drôle, c'est que VG-2 est un système inventé au début des années 90 et qui n'est actuellement pratiquement pas utilisé. Désormais, les policiers utilisent les nouveaux systèmes RDD Spectre (Stalcar). Ces RDD sont très difficiles à défendre, presque aucun détecteur de radar sur le marché ne peut se défendre contre le système Spectre, à l'exception du radar Beltronics STI Driver - cette chose est 100 % invisible.

Après avoir lu cet article, vous aurez peut-être l'impression que les détecteurs de radar ne servent à rien - cela ne servira toujours à rien. Ce n’est pas vrai du tout. Premièrement, la plupart des radars fonctionnent dans les bandes K et Ka, vous serez donc prévenu à l'avance et aurez le temps de réduire votre vitesse.

Les pistolets laser et les caméras laser fixes posent problème. D'un autre côté, il existe très peu d'appareils de ce type, ils sont plusieurs fois plus chers qu'un radar conventionnel et sont moins courants que les radars conventionnels en bande K, même aux États-Unis, sans parler de l'Ukraine. De tels radars ne peuvent pas être utilisés de manière portable, uniquement à partir d'un trépied ou montés en permanence. Pour une protection à cent pour cent contre les radars laser, vous aurez besoin d'un levier de vitesse - coûteux mais fiable.

Même le « détecteur de radar » le plus simple détecte la plupart des radars en bande K à l'avance, à une distance suffisante pour que vous puissiez vous arrêter. Mes radars préférés à prix moyen sont Dard- mieux protégé contre les interférences et a une plus grande sensibilité. Eh bien, les détecteurs de radar Beltronics haut de gamme et surtout le STI Driver sont hors compétition !

Bonne chance sur les routes !

Extension de la gamme spectrale du laser. L'une des tâches principales des spécialistes développant des dispositifs laser est de créer des sources de rayonnement cohérent, dont la longueur d'onde peut être réglée sur toute la gamme spectrale allant de la région infrarouge lointaine à l'ultraviolet et au rayonnement de longueur d'onde encore plus courte.

La création d'un laser à colorant s'est avérée être un événement extrêmement important de ce point de vue, puisque son rayonnement peut être réglé dans une gamme de longueurs d'onde au-delà de la région visible du spectre. Cependant, il existe des lacunes importantes dans le spectre du rayonnement laser, c'est-à-dire des régions dans lesquelles les transitions laser connues sont rares, et le réglage de leur fréquence n'est possible que dans des plages spectrales étroites.

Les larges bandes de fluorescence sur lesquelles repose le fonctionnement d'un laser à colorant accordable ne sont pas détectées dans la région infrarouge lointain du spectre, et les colorants utilisés dans les lasers sont rapidement détruits par un rayonnement de pompe intense lorsque le colorant est excité, lorsque cela est nécessaire. pour générer un rayonnement laser dans la région ultraviolette du spectre.

Optique non linéaire.

À la recherche de moyens de combler ces lacunes, de nombreux scientifiques spécialisés dans les lasers ont exploité les effets non linéaires de certains matériaux optiques. En 1961, des chercheurs de l'Université du Michigan ont focalisé la lumière d'un laser à rubis d'une longueur d'onde de 694,3 nm dans un cristal de quartz et ont détecté dans le rayonnement traversant le cristal non seulement la lumière du laser à rubis elle-même, mais aussi le rayonnement. avec une double fréquence, c'est-à-dire à une longueur d'onde de 347, 2 nm. Bien que ce rayonnement soit beaucoup plus faible qu'à une longueur d'onde de 694,3 nm, ce rayonnement à ondes courtes présentait néanmoins la monochromaticité et la cohérence spatiale caractéristiques de la lumière laser.

Le processus de génération d’un tel rayonnement à ondes courtes est connu sous le nom de doublement de fréquence ou génération de seconde harmonique. SHG est un exemple de nombreux effets optiques non linéaires qui ont été utilisés pour élargir la plage spectrale accordable du rayonnement laser. SHG est souvent utilisé pour convertir le rayonnement infrarouge de 1,06 µm et d'autres raies d'un laser néodyme en rayonnement tombant dans la région jaune-vert du spectre, comme 530 nm, dans lequel seul un petit nombre de raies laser intenses peut être obtenu.

La génération d’harmoniques peut également être utilisée pour produire un rayonnement d’une fréquence trois fois supérieure à celle du rayonnement laser d’origine. Les caractéristiques non linéaires du rubidium et d'autres métaux alcalins sont utilisées, par exemple, pour tripler la fréquence d'un laser au néodyme jusqu'à une valeur correspondant à une longueur d'onde de 353 nm, c'est-à-dire tombant dans la région ultraviolette du spectre.

Théoriquement, des processus de génération d'harmoniques supérieures à la troisième sont possibles, mais l'efficacité d'une telle conversion est extrêmement faible, donc d'un point de vue pratique, ils ne présentent pas d'intérêt. La possibilité de générer un rayonnement cohérent à de nouvelles fréquences ne se limite pas au processus de génération d'harmoniques. L'un de ces processus est le processus d'amplification paramétrique, qui est le suivant.

Supposons qu'un milieu non linéaire soit affecté par trois ondes : une onde lumineuse puissante de fréquence 1, une onde de pompe et deux ondes lumineuses faibles de fréquences inférieures 2 et 3. Lorsque la condition 1 23 et la condition de synchronisme d'onde sont remplies, l'énergie d'un une onde puissante de fréquence 1 est pompée dans l'énergie d'ondes de fréquences 2 et 3. Si un cristal non linéaire est placé dans une cavité optique, nous obtenons un dispositif qui rappelle beaucoup un laser et s'appelle un oscillateur paramétrique.

Un tel procédé serait utile même si son utilisation se limitait à obtenir les différences entre les fréquences de deux fréquences existantes. sources laser. En fait, un oscillateur paramétrique est un dispositif capable de générer un rayonnement optique cohérent dont la fréquence peut être réglée dans presque toute la plage visible. Cette raison est qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des sources supplémentaires de rayonnement cohérent aux fréquences 2 et 3. Ces oscillations peuvent elles-mêmes provenir dans le cristal des photons de bruit du bruit thermique, qui y sont toujours présents.

Ces photons de bruit ont une large gamme de fréquences, situées principalement dans la région infrarouge du spectre. A une certaine température du cristal et son orientation par rapport à la direction de l'onde de pompe et à l'axe du résonateur, la condition d'adaptation d'onde mentionnée ci-dessus est satisfaite pour une certaine paire de fréquences 2 et 3. Pour ajuster le rayonnement fréquence, il est nécessaire de changer la température du cristal ou son orientation.

La fréquence de fonctionnement peut être l’une des deux fréquences 2 et 3, en fonction de la gamme de fréquences de rayonnement de l’appareil requise. Un réglage rapide de la fréquence dans une plage spectrale limitée peut être obtenu en utilisant des changements électro-optiques dans les indices de réfraction du cristal. Comme pour un laser, il existe un niveau de puissance de pompe seuil qui doit être dépassé pour obtenir des oscillations en régime permanent. La plupart des oscillateurs paramétriques utilisent des lasers visibles, tels qu'un laser à argon ou la deuxième harmonique d'un laser au néodyme, comme source de pompe.

La sortie de l'appareil produit un rayonnement infrarouge réglable. 2.

Fin des travaux -

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Laser à colorant

Les paramètres d'émission d'un laser à solide dépendent en grande partie des qualités optiques du cristal utilisé. Les inhomogénéités dans la structure cristalline peuvent sérieusement limiter.. Dans le même temps, les lasers à liquide ne sont pas aussi volumineux que les systèmes à gaz et sont plus faciles à utiliser parmi les types calculés..

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Attention! Précautions:

Ne dirigez pas le rayonnement laser vers vos yeux ! Le contact direct du rayonnement laser dans les yeux est dangereux pour la vision !

Avec l'autorisation du responsable des travaux, allumez le laser et installez l'écran et le réseau de manière à ce que le diagramme de diffraction soit aussi clair que possible.

Changer la distance L, voyez comment cela affecte la position des maxima. Décrivez et dessinez ce que vous avez observé.

Placer le réseau de diffraction à une certaine distance L de la fente et mesurez les distances je 1 et je 2 (voir Fig. 9.3) pour les maxima du premier ordre. Calculez la longueur d’onde du rayonnement laser. Estimez les erreurs de mesure absolues et relatives, notez le résultat pour la longueur d'onde du laser.

Tâche 2.Détermination des longueurs d'onde de certaines couleurs du spectre

Dans cette tâche, la source lumineuse est une lampe à incandescence qui produit un spectre continu.

Mesures en tâche 2 effectué conformément aux instructions du lieu de travail. Les résultats des mesures sont inscrits dans le tableau. 9.1. Les distances doivent être déterminées je 1 et je 2 pour chaque couleur quatre fois : avec deux valeurs k et deux distances différentes L.

Tableau 9.1

Analyse et traitement des résultats de mesure

1. Décrivez le spectre observé dans le rapport, expliquez le fait que les maxima ont une largeur si importante.

2. Remplissez complètement le tableau. 9.1. Valeur constante d obtenez-le sur votre lieu de travail . Décrivez l’image que vous observez dans le rapport. Réalisez des tableaux de traitement pour chaque couleur et notez le résultat final selon les règles générales.

3. Comparez les valeurs de longueur d'onde que vous avez obtenues pour chaque couleur avec celles indiquées dans le tableau P. ...

Questions de sécurité

1. Définir : la diffraction des ondes, le principe de Geygens-Fresnel, la cohérence des ondes. Une réponse écrite à cette question doit être incluse dans le rapport.

2. Nommez les composants de la configuration du laboratoire et leur objectif.

3. Quelles grandeurs sont mesurées directement dans ce travail ? Lesquels sont calculés ?

4. Quel est le phénomène de diffraction de la lumière ? Dans quelles conditions est-il observé ?

5. Qu'est-ce qu'un réseau de diffraction et quels sont ses principaux paramètres ?

6. Dérivez la formule du réseau de diffraction (9.3).

7. Définir la longueur d'onde. Quel est le rapport avec la fréquence de la lumière ?

8. Dans quelle gamme de longueurs d’onde se situe la lumière visible ?

9. Dérivez et notez les formules de calcul pour déterminer les longueurs d'onde de la lumière visible à l'aide d'un réseau de diffraction.

10. Comment l'angle de déviation du maximum de diffraction dépend-il de la longueur d'onde et de la période du réseau ?

11. Dans quel ordre les couleurs des maxima de diffraction se situent-elles à partir du maximum central ? Expliquez l’ordre des couleurs observé.

12.Quelle est la différence entre le rayonnement laser et la lumière naturelle ?

Ouvrage n°10. ÉTUDIER LA POLARISATION DE LA LUMIÈRE

But du travail: étudier le passage de la lumière à travers des polaroïds, vérifier la loi de Malus, évaluer la qualité des polaroïds, étudier la polarisation de la lumière traversant plusieurs plaques de verre.

Équipement: banc optique, source lumineuse, polariseur dans un cadre, analyseur combiné à une photocellule, jeu de plaques de verre, source d'alimentation, microampèremètre.

Brève théorie

De la théorie de Maxwell il résulte que l'onde lumineuse est transversale. Le caractère transversal des ondes lumineuses (comme toute autre onde électromagnétique) s'exprime dans le fait que les oscillations des vecteurs et sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde (Fig. 10.1). Onde plane monochromatique se propageant dans le vide le long de l'axe x, est décrit par les équations :

;	(10.1)
,	(10.2)

où et sont les valeurs actuelles des intensités des champs électriques et magnétiques ; et sont les amplitudes des oscillations, w est la fréquence des oscillations et est la phase initiale des oscillations.

Lorsque la lumière interagit avec la matière, un champ électrique alternatif agit sur les électrons chargés négativement des atomes et des molécules de cette substance, tandis que l'effet du champ magnétique sur les particules chargées est insignifiant. Par conséquent, dans les processus de propagation de la lumière, le vecteur joue le rôle principal et, à l'avenir, nous n'en parlerons que.

La polarisation de la lumière est observée lorsque la lumière traverse des substances anisotropes. La principale propriété de ces substances est qu'elles ne peuvent transmettre que les ondes lumineuses dans lesquelles les vecteurs ne vibrent que dans un plan strictement défini, appelé plan d'oscillation. Le plan dans lequel le champ magnétique est localisé est appelé plan de polarisation. Sur la fig. 10.1 le plan d'oscillation est vertical et le plan de polarisation est horizontal.

Pour obtenir et étudier la lumière polarisée, ils sont le plus souvent utilisés polaroïds. Ils sont fabriqués à partir de très petits cristaux de tourmaline ou de géropatite (sulfate d'iode-quinine), appliqués sur un film transparent ou du verre. Cependant, il existe d'autres moyens d'obtenir une lumière polarisée dans un plan à partir de la lumière naturelle, par exemple par réflexion sur un diélectrique sous un certain angle, en fonction de l'indice de réfraction du diélectrique. Cette méthode sera discutée plus en détail ci-dessous.

Réalisons mentalement l'expérience suivante. Prenons deux polaroïds et une source de lumière (Fig. 10.3). Le premier Polaroid s'appelle polariseur, parce que il polarise la lumière. Son plan d'oscillation est le plan PPS. Après avoir traversé le polariseur, le vecteur oscillera uniquement dans ce plan. En faisant tourner le polariseur dans la direction du faisceau lumineux, nous ne remarquerons aucun changement dans l’intensité de la lumière qui le traverse. Pensez pourquoi ? L'analyse de la lumière pour la polarisation est effectuée à l'aide d'un deuxième polaroïde à travers lequel passe la lumière testée. Dans ce cas, le deuxième polaroïd s'appelle analyseur, son plan de polarisation est le plan AAc. En faisant tourner l'analyseur, on remarquera que l'intensité de la lumière qui le traverse sera maximale si l'avion PPS Et AAc coïncident, et minimes si ces plans sont perpendiculaires. Si ces plans font un certain angle a (voir Fig. 10.3), alors l'intensité lumineuse derrière l'analyseur prendra une valeur intermédiaire.

Trouvons la relation entre l'angle a et l'intensité je lumière passant à travers les deux polaroïds. Notons l'amplitude du vecteur électrique du faisceau traversant le polariseur par la lettre E 0 . Plan d'oscillation de l'analyseur AAc tourné par rapport au plan d'oscillation du polariseur PPS par l'angle a (voir Fig. 10.4). Décomposons le vecteur en composantes : parallèles au plan d'oscillation de l'analyseur кк et perpendiculaires à celui-ci ^. La composante parallèle кк traversera l’analyseur, mais pas la composante perpendiculaire ^.

De la fig. 10.4 il s'ensuit que l'amplitude de l'onde lumineuse derrière l'analyseur

Où S– zone sur laquelle l'énergie est distribuée ; t- temps. Puisque l’énergie de la lumière est l’énergie totale des champs électriques et magnétiques, sa valeur est proportionnelle aux carrés des intensités de ces champs :

L’égalité résultante s’appelle La loi de Malus: l'intensité de la lumière traversant l'analyseur est égale à l'intensité de la lumière traversant le polariseur multipliée par le carré du cosinus de l'angle entre plans de polarisation analyseur et polariseur.

Notez que la lumière traversant le polariseur deviendra non seulement polarisée dans un plan, mais réduira également son intensité de moitié. Si l’intensité de la lumière naturelle est considérée comme la même dans toutes les directions perpendiculaires au vecteur vitesse, alors l’intensité de la lumière derrière le polariseur

Où je maximum et je min – les intensités lumineuses les plus élevées et les plus basses derrière l'analyseur, correspondant aux tensions E maximum et E min sur la Fig. 10.2, ch.

Le phénomène de polarisation peut également être observé lorsque la lumière est réfléchie ou réfractée à l'interface de deux diélectriques isotropes. Dans ce cas, le faisceau réfléchi sera dominé par des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence (elles sont indiquées par des points sur la Fig. 10.5). Il a été démontré expérimentalement que le degré de polarisation dans le faisceau réfléchi dépend de l'angle d'incidence, et avec l'augmentation de l'angle d'incidence, la proportion de lumière polarisée augmente, et à une certaine valeur, la lumière réfléchie s'avère complètement polarisée. Brewster a découvert que l'amplitude de cet angle de polarisation totale dépend de l'indice de réfraction relatif et est déterminée par la relation :

La relation est appelée loi de Brewster et l'angle a B est appelé angle de Brewster. Avec une nouvelle augmentation de l'angle d'incidence, le degré de polarisation de la lumière diminue à nouveau. Ainsi, sous un angle d'incidence égal à l'angle de Brewster, la lumière réfléchie est polarisée linéairement dans un plan perpendiculaire au plan d'incidence. En utilisant (10.9) et la loi de la réfraction, on peut montrer que lorsqu'ils sont incidents à l'angle de Brewster, les rayons réfléchis et réfractés sont de 90°. Vérifiez-le!.

Lorsque la lumière arrive à l’angle de Brewster, le faisceau réfracté est également polarisé. Dans le faisceau réfracté, des vibrations parallèles au plan d'incidence prévaudront (elles sont indiquées par des flèches sur la Fig. 10.5). La polarisation des rayons réfractés à cet angle d'incidence sera maximale, mais loin d'être complète. Si vous soumettez les rayons réfractés au deuxième, au troisième, etc. réfraction, le degré de polarisation augmentera. Par conséquent, 8 à 10 plaques peuvent être utilisées pour polariser la lumière (ce qu’on appelle le pied de Stoletov). La lumière qui les traverse sera presque entièrement polarisée. Ainsi, ce pied peut servir de polariseur ou d'analyseur. Dans notre configuration, des ensembles de 2 à 12 plaques sont utilisés comme polariseur.

Description de l'installation

Pour étudier la polarisation, on utilise un montage monté sur un banc optique dont le schéma est présenté sur la Fig. 10.6.

Les chiffres sur le diagramme indiquent : 1– lampe, 2 – amovible polariseur, 3 – rotatif tableau, 4 – ensemble d'assiettes en verre, mettre les broches du plateau tournant, 5 – analyseur, 6 – photocellule, 7 – mètre l'intensité lumineuse (IIS), qui convertit l'énergie lumineuse en signal électrique ; ses lectures sont proportionnelles au flux lumineux incident sur la photocellule. Le plateau tournant 3 peut tourner autour d'un axe vertical, modifiant ainsi l'angle d'incidence de la lumière sur la plaque de verre 4. Il existe une échelle spéciale pour mesurer cet angle d'incidence. La position de la table est fixée avec une vis. L'analyseur 5 peut tourner autour d'un axe horizontal ; une flèche dessus indique la position du plan de polarisation. L'analyseur a échelle 8, qui détermine la position de son plan de polarisation ( AAc). Le polariseur amovible 2 comporte également une flèche verticale qui montre la position de son plan de polarisation PPS. La photocellule combinée à l'analyseur peut également tourner autour d'un axe vertical. Ceci permet de mesurer l'intensité de la lumière réfléchie par l'ensemble de plaques 4.

Faire le travail

Tâche 1 . Vérifier la loi de Malus

1. Installez un polariseur amovible 2 (retirez le jeu de plaques 4).

2. Allumez la lampe. Faites pivoter la photocellule-analyseur 6 pour que la lumière de la lampe tombe dessus. Obtenez une disposition symétrique des éléments d'installation par rapport au faisceau lumineux.

3. Définir la position du plan AAc sur une échelle de 8 à 0°. Enregistrez les lectures du compteur 7 dans le tableau. 10.1. Ce sera l'intensité de la lumière traversant le polariseur et l'analyseur en unités relatives. Répétez les mesures en changeant l'angle entre les plans de polarisation du polariseur et de l'analyseur de 0° à 360° tous les 10°, et notez-les également dans le tableau. 10.1.

Tableau 10.1

Tâche 2. Etude de la polarisation de la lumière réfractée

1. Installez la plaque amovible avec deux verres ( N = 2).

2. Réglez l'angle d'incidence de la lumière sur la plaque à 56° (c'est l'angle de Brewster pour le verre à indice de réfraction n = 1,5).

3. Installez une cellule photoélectrique pour enregistrer l'intensité de la lumière traversant les plaques selon la Fig. 10,7 (la valeur maximale des lectures IIS confirme une bonne pénétration de la lumière dans la photocellule).

4. Veuillez noter que la lumière réfractée est polarisée dans le plan d'incidence, la valeur d'intensité maximale sera donc à la position AAc 90° sur une échelle de 8 (questions 12, 13, 14). Mesurer l'intensité de la lumière transmise à travers les plaques à deux positions AAc: à 90° et à 0°. Enregistrez les résultats des mesures dans le tableau. 10.2.

5. Effectuez des mesures similaires pour N= 4, 7, 12 assiettes. Enregistrez les résultats des mesures dans le tableau. 10.2.

Tableau 10.2

Informations connexes.