Connaissances en matière de sécurité laser

1. Qu'est-ce qu'un laser ?
Appareil laser qui émet de la lumière (rayonnement électromagnétique) grâce à un processus d'amplification optique basé sur l'émission stimulée de photons. Le terme « laser » est à l'origine une abréviation pour émission stimulée d'amplification de lumière. Le rayonnement laser émis présente un haut degré de cohérence spatiale et temporelle, inaccessible avec d’autres technologies.

2. Schéma fonctionnel du pointeur laser


3. Qu'est-ce que l'application laser ?
Les lasers sont largement utilisés dans la vie quotidienne. Les lasers sont particulièrement utiles dans les présentations pour signaler des objets, les approbations de construction et de projets, les traitements médicaux pour les procédures esthétiques et chirurgicales. L'indicateur de puissance laser inférieur est idéal pour les présentations et l'observation des étoiles. Une puissance de pointeur laser plus élevée, pouvant atteindre 100 mW, serait idéale pour une expérience de combustion. Le laser de classe IV haute puissance est utilisé pour l'expérimentation, la recherche scientifique, l'armée, etc. ciblage

4. Qu'est-ce que la longueur d'onde ?
Nos yeux sont sensibles à la lumière située dans une très petite région du spectre électromagnétique appelée « lumière visible ». Cette lumière visible correspond à une gamme de longueurs d'onde de 400 à 700 nanomètres (nm) et à une gamme de couleurs allant du violet au rouge. L’œil humain est incapable de « voir » les rayonnements dont les longueurs d’onde se situent en dehors du spectre visible. Les couleurs visibles des longueurs d'onde les plus courtes aux plus longues sont : violet, bleu, vert, jaune, orange et rouge. Le rayonnement ultraviolet a une longueur d'onde plus courte que la lumière violette visible. Le rayonnement infrarouge a une longueur d’onde supérieure à celle de la lumière rouge visible. La lumière blanche est un mélange de couleurs du spectre visible. Le noir est l'absence totale de lumière.

Couleurs spectrales et longueurs d'onde

Ce graphique montre les couleurs du spectre de la lumière visible et les longueurs d'onde associées en nanomètres. Les plages sont traditionnellement données comme suit :
lumière ultraviolette, 100 nm, 400 nm ;
lumière visible, 400 nm-750 nm ;
lumière infrarouge, 750 nm-1 nm.

5. Qu'est-ce que le mode transversal du laser ?


La structure du mode électromagnétique transversal (TEM) d'un faisceau laser décrit la répartition de la puissance sur la section transversale du faisceau. La plupart des applications laser nécessiteront un mode de faisceau fondamental (TEM00) avec une distribution de puissance gaussienne sur la section transversale du faisceau, comme le montre la figure de droite. Ce principe fondamental se traduit par le plus petit diamètre de faisceau et le plus petit mode de divergence de faisceau et peut être concentré sur la plus petite taille de spot possible.
D'autres applications à puissance plus élevée sont disponibles dans le mode de premier ordre (TEM01*), voire dans le mode d'ordre supérieur. La puissance laser ayant un mode de structure supérieur au fondamental est généralement appelée mode multitransverse (MTM). Le mode de structure de production laser peut être modifié simplement en changeant les miroirs.

6. Différentes classifications de lasers

Classe I

Intrinsèquement sûr, il n’y a aucune possibilité de dommages oculaires. Cela peut être dû soit à une faible puissance de sortie (en cas de lésions oculaires, impossible même après plusieurs heures d'exposition), soit à un boîtier empêchant les utilisateurs d'accéder au faisceau laser pendant le fonctionnement normal, comme les lecteurs CD ou les imprimantes laser.

Classe II

Le réflexe de clignement de l'œil humain (réponse d'aversion) préviendra les lésions oculaires si une personne regarde intentionnellement un faisceau pendant une période prolongée. La puissance de sortie peut atteindre 1 mW. Cette classe comprend uniquement les lasers émettant de la lumière visible. La plupart des pointeurs laser et des scanners commerciaux appartiennent à cette catégorie.

Classe IIIa

Les lasers de cette classe sont principalement dangereux lorsqu'ils sont combinés avec des instruments optiques qui modifient le diamètre du faisceau ou la densité de puissance, même si même sans instrument optique, un contact direct accru avec l'œil pendant deux minutes peut provoquer de graves lésions rétiniennes. La puissance de sortie ne dépasse pas 5 mW. La densité de puissance de rayonnement ne dépasse pas 2,5 mW/cm2 à moins que l'appareil ne porte une étiquette d'avertissement « attention », sinon une étiquette d'avertissement « danger » n'est pas requise. De nombreux viseurs laser pour armes à feu et pointeurs laser entrent dans cette catégorie.

Classe IIIb

Les lasers de cette classe peuvent causer des dommages si le faisceau frappe directement l'œil. Cela s'applique généralement aux lasers alimentés entre 5 et 500 mW. Les lasers de cette catégorie peuvent causer des lésions oculaires permanentes avec une exposition de 1/100e de seconde ou moins selon la puissance du laser. Les réflexions diffuses ne sont généralement pas dangereuses, mais les réflexions spéculaires peuvent être tout aussi dangereuses que les réflexions directes. Des lunettes de sécurité sont recommandées lorsque la visualisation directe d'un faisceau laser de classe IIIb peut se produire. Les lasers haut de gamme de cette classe peuvent également présenter un risque d'incendie et brûler légèrement la peau.

Classe IV

Les lasers de cette classe ont une puissance de sortie supérieure à 500 mW par faisceau et peuvent causer des dommages graves et irréversibles aux yeux ou à la peau sans une optique ou une instrumentation oculaire améliorée. La réflexion diffuse du faisceau laser peut être dangereuse pour la peau ou les yeux dans la zone de danger nominale. De nombreux lasers industriels, scientifiques, militaires et médicaux entrent dans cette catégorie.

7. Qu'est-ce que les connaissances en matière de sécurité laser ?
Même le premier laser a été reconnu comme potentiellement dangereux. Theodore Maiman a caractérisé le premier laser comme ayant la puissance d'une seule « Gillette », tout comme il pouvait brûler une seule lame de rasoir Gillette. Aujourd'hui, il est généralement admis que même les lasers de faible puissance, avec seulement quelques milliwatts de puissance, peuvent être dangereux pour la vision humaine lorsque le faisceau d'un tel laser frappe directement les yeux ou après réflexion sur une surface brillante. Aux longueurs d'onde sur lesquelles la cornée et le cristallin peuvent bien se concentrer, la cohérence et la faible divergence de la lumière laser signifient qu'elle peut être dirigée vers l'œil vers un très petit point de la rétine, entraînant des brûlures et des dommages localisés en quelques secondes, voire moins de temps. . Les lasers sont généralement désignés par un certain nombre de classes de sécurité, qui déterminent le degré de dangerosité du laser :

. Classe I/1 sont intrinsèquement sûrs, généralement en raison de la lumière contenue dans le boîtier, comme les lecteurs CD.
. Classe II/2 est sûr lors d’une utilisation normale ; le réflexe de clignement des yeux évitera les dommages. Généralement jusqu'à 1 mW, pour les pointeurs tels que les lasers.
. Classe IIIa/3A Les lasers atteignent généralement 5 mW et comportent un faible risque de lésions oculaires lors du réflexe de clignement. Regarder un tel faisceau pendant plusieurs secondes peut endommager une tache sur la rétine.
. Classe IIIb/3B peut provoquer des lésions oculaires immédiates lors de l'exposition.
. Classe IV/4 Les lasers peuvent brûler la peau et, dans certains cas, même la lumière parasite peut provoquer une irritation des yeux et/ou des lésions cutanées. De nombreux lasers industriels et scientifiques appartiennent à cette classe. Les puissances spécifiées concernent les lasers continus à lumière visible. Pour les lasers pulsés et les ondes invisibles, différentes limites de puissance s'appliquent.

Les personnes travaillant avec des lasers de classe 3B et 4 peuvent protéger leurs yeux avec des lunettes de sécurité conçues pour absorber la lumière d'une longueur d'onde spécifique.

Certains lasers infrarouges dont les longueurs d'onde dépassent environ 1,4 micromètres sont souvent qualifiés de « sans danger pour les yeux ». Cela est dû au fait que les vibrations moléculaires internes des molécules d'eau absorbent très fortement la lumière dans cette partie du spectre et que les faisceaux laser à ces longueurs d'onde sont donc atténués. dans la mesure où il traverse la cornée de l'œil, il ne reste plus de lumière à focaliser sur la rétine du cristallin. L'étiquette « sans danger pour les yeux » peut cependant être trompeuse, car elle ne s'applique qu'à une puissance continue relativement faible. les faisceaux d'ondes de toute puissance élevée ou les lasers à commutation Q à ces longueurs d'onde peuvent brûler la cornée, provoquant de graves lésions oculaires.

8. Dangers du rayonnement laser
Les pointeurs laser sont largement utilisés depuis leur première apparition. Les lasers sont principalement utilisés comme outil de présentation dans l'enseignement, l'astronomie d'observation des étoiles et les réunions. Cependant, ces lasers deviennent progressivement la propriété de fans et de passionnés de laser, y compris d'enfants, en raison de leur faible coût et du nombre incalculable de fournisseurs, et sont utilisés d'une manière non prévue par les fabricants. En conséquence, il est très important de comprendre les dangers des pointeurs laser avant de posséder un pointeur laser.

Danger laser
Le rayonnement laser provoque principalement des dommages par effets thermiques. Même une puissance laser modérée peut provoquer des blessures aux yeux. Les lasers à haute puissance peuvent également brûler la peau. Certains lasers sont si puissants que même une réflexion diffuse sur une surface peut être dangereuse pour les yeux.

Bien qu’il existe un risque potentiel pour la rétine, tous les lasers à faisceau visible ne sont pas susceptibles de provoquer des lésions rétiniennes permanentes. L'exposition au faisceau d'un pointeur laser est la plus susceptible de provoquer une image rémanente, une cécité par flash et un éblouissement. La douleur temporaire dans la rétine disparaîtra en quelques minutes.

Le faible angle de divergence de la lumière laser et le mécanisme de focalisation sur l’œil permettent de concentrer la lumière laser sur un très petit point de la rétine. Si le laser est suffisamment puissant, des dommages permanents peuvent survenir en une fraction de seconde, littéralement plus rapidement qu’un clin d’œil. Un rayonnement laser visible au proche infrarouge suffisamment puissant (400-1 400 nm) pénétrera dans le globe oculaire et peut entraîner un échauffement de la rétine, tandis que l'exposition à un rayonnement laser de longueurs d'onde inférieures à 400 nm et supérieures à 1 400 nm est principalement absorbée par la cornée et le cristallin. . conduit au développement de cataractes ou de brûlures.

Les lasers infrarouges sont particulièrement dangereux car la réponse protectrice du corps, le « réflexe de clignement », est déclenchée uniquement par la lumière visible. Par exemple, certaines personnes exposées à des lasers Nd:YAG haute puissance avec un rayonnement invisible 1064 peuvent ne pas ressentir de douleur ni remarquer de dommages immédiats à leur vision. Un bruit de claquement ou de clic émanant du globe oculaire peut être la seule indication d'une lésion rétinienne, c'est-à-dire que la rétine est chauffée à 100°C, ce qui entraîne une effervescence explosive localisée suivie de la création immédiate d'une tache aveugle permanente.

Les propriétaires de laser responsables doivent pleinement comprendre les dangers du rayonnement laser et reconnaître les réglementations de la FAA associées à l'utilisation d'un pointeur laser. Des lunettes de sécurité sont généralement nécessaires lorsqu'une observation directe d'un faisceau puissant est susceptible de se produire.

9. Comment se protéger du danger laser ?
Ceci est essentiel pour adopter des méthodes efficaces visant à prévenir les dommages de classe 3B ou de classe IIIb. Les lunettes de sécurité laser sont le premier accessoire de protection oculaire sur le marché aujourd'hui. Sélection différente de capteurs laser, les lunettes doivent être sélectionnées pour un type spécifique afin de bloquer la longueur d'onde appropriée. Par exemple, un absorbeur de 532 points a généralement des points orange.

Il est strictement interdit de regarder directement les pointeurs laser, quelles que soient les conditions. N'oubliez pas de porter des lunettes de sécurité avant d'utiliser le pointeur laser.

Conseils de sécurité pour le pointeur laser :

● Placez le laser hors de portée des mineurs. Ne permettez pas aux mineurs (de moins de 18 ans) d’acheter ou d’utiliser un pointeur laser sous quelque surveillance que ce soit. Seuls les adultes peuvent utiliser des pointeurs laser après avoir compris la sécurité et les dangers des produits laser.

● Soyez particulièrement prudent si vous utilisez un rayonnement laser de haute puissance. Vous ne devez jamais essayer de pointer votre pointeur laser vers une personne ou un animal, un pilote d'avion ou un véhicule en mouvement, sinon vous serez emprisonné pour mauvaise utilisation d'appareils laser.

● Tenir à l'écart des lasers haute puissance. Veuillez toujours vous tenir à l'écart des lasers puissants tels que la gravure au laser. Ils diffèrent considérablement des lasers de présentation formelle. N'essayez jamais d'acheter un laser sans aucune indication de classe et de puissance.

10. Quelle sera la puissance des pointeurs laser ?

Différentes applications nécessitent des lasers avec des puissances de sortie différentes. Les lasers qui produisent un faisceau continu ou une série d'impulsions courtes peuvent être comparés en fonction de leur puissance moyenne. Les lasers qui produisent des impulsions peuvent être caractérisés en fonction de la puissance maximale de chaque impulsion. La puissance maximale d’un laser pulsé est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à sa puissance moyenne. La puissance moyenne produite est toujours inférieure à la puissance absorbée.

Puissance continue ou moyenne requise pour certaines applications :
Consommation d'énergie
Pointeur laser 1-5 mW
CD de 5 mW
Lecteur DVD ou DVD 5-10 mW
Graveur CD-RW haute vitesse de 100 mW
Graveur DVD-R 16x grand public de 250 mW
Combustion de 400 mW à travers le boîtier du disque, y compris pendant 4 secondes
Laser vert 1 W dans le disque prototype de développement universel holographique actuel
1-20 W Sortie de la plupart des lasers à semi-conducteurs disponibles dans le commerce utilisés pour le micro-usinage
Lasers chirurgicaux CO2 scellés typiques de 30 à 100 W
100-3000 W Lasers CO2 scellés typiques utilisés dans la découpe laser industrielle
Une puissance de sortie de 5 KW est obtenue grâce à une diode laser à barre de 1 cm
Laser CO2 de puissance revendiquée de 100 KW en cours de développement par Northrop Grumman pour les applications militaires (armes)

11. Qu'est-ce que le service laser ?

Un bon entretien de votre laser prolongera considérablement sa durée de vie. Il suffit de suivre les conseils suivants :

Ce dont vous avez besoin :
1. Chiffon en microfibre
Veuillez vous assurer que le chiffon en microfibre est spécialement conçu pour nettoyer les lentilles. Vous pouvez le trouver dans votre magasin d'appareils photo ou de lunettes local.
2. Choix d’un coton-tige ou d’une dent
Vous devrez replier le tissu sur l'un d'eux pour pouvoir atteindre correctement l'objectif.
3. Lentille de nettoyage de solution (en option)
Utilisez la solution de nettoyage pour lentilles uniquement si la lentille ne peut pas être nettoyée uniquement avec un chiffon en microfibre. Veuillez vous assurer que la solution de nettoyage est formulée spécifiquement pour nettoyer la lentille.
*Attention : Ne pas utiliser d'eau.

Procédure:
1. Lavez-vous les mains à l’eau et au savon. Assurez-vous de les sécher correctement.
2. Pliez le chiffon en microfibre sur le cure-dent ou manipulez une partie du Q-Tip. Assurez-vous de ne pas toucher la partie du chiffon qui nettoiera les lentilles. Vous ne pourrez probablement pas plier le tissu en deux, vous devez donc faire très attention à ne pas appuyer trop fort sur l'objectif.
3. Déplacez doucement le tissu dans le trou lorsqu'il entre en contact avec la lentille. Frottez-le d'un côté à l'autre, mais n'appuyez pas trop fort. Faites pivoter doucement le tissu dans un mouvement de rotation d'avant en arrière. Répétez cette procédure jusqu'à ce que votre lentille laser soit propre.
4. Retournez votre unité laser pour voir si la lentille est propre.

Toujours sale ? Essayez d'utiliser une solution de nettoyage pour lentilles.
Appliquez 1 goutte à la fois uniquement sur la partie du chiffon qui va nettoyer les lentilles, suivez la même procédure que ci-dessus. Vous voudrez terminer en utilisant un morceau de tissu sec pour essuyer la lentille, cela devrait prendre un passage latéral ou tourner doucement.

Lasers

Leçon expliquant le nouveau matériel, 2 heures, 11e année

Le matériel est conçu pour deux cours, un cours à domicile et un 3ème cours, au cours desquels sont entendus des messages préparés sur l'utilisation des lasers. La structure et le contenu de la leçon doivent servir non seulement à élargir les horizons sur la base des connaissances acquises en optique quantique, mais également à développer la capacité de penser, de comparer, de généraliser et d’analyser.

Progression de la leçon

JE. Le titre du sujet de la leçon d'aujourd'hui est rédigé en anglais. Qu'est-ce que cela signifie en russe ? ( Répondre. Laser est l'abréviation anglaise du nom.) Choisissez des noms appropriés pour le mot « laser ». (Réponse : Spectacle, arme, imprimante, pointeur, disque...) Les réponses montrent que vous connaissez l'utilisation d'une invention étonnante du 20ème siècle. -laser. La confirmation de son importance est l'attribution en 1964 du prix Nobel à N.G Basov, A.M. Prokhorov et C. Townes « pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui ont conduit à la création de générateurs et d'amplificateurs basés sur le principe maser-laser. .»

Devant vous se trouvent un laser de laboratoire et des pointeurs laser. Je me demande quelle est la particularité de ces sources lumineuses, comment elles sont conçues, puisqu'une évaluation aussi élevée de l'invention du laser est probablement méritée ?

II. L'amplification quantique des ondes électromagnétiques (EMW) repose sur deux processus : l'excitation du rayonnement stimulé et l'accumulation de l'excitation.

Le rayonnement est généralement associé à la transition des atomes (molécules) d'un état excité avec de l'énergie E mà un état stable avec une énergie inférieure F n. La fréquence de rayonnement dans ce cas est . Dans les sources lumineuses conventionnelles, le nombre de transitions E m F négal au nombre de transitions F n E m, le rayonnement se produit dans une large gamme de fréquences, les phases des ondes émises par les atomes individuels sont arbitraires. Ce type de rayonnement est appelé spontané, ou spontané.

Si nous créons artificiellement une surpopulation des niveaux d'énergie supérieurs E m, alors, selon la supposition de V.A. Fabrikant, un rayonnement externe avec une fréquence minute le passage à travers un tel milieu actif peut être amélioré en raison des transitions dans le milieu « provoquées » par celui-ci E m F n. Ce forcé, ou induit, le rayonnement diffère du rayonnement spontané : la direction de propagation, la polarisation, la fréquence et la phase des ondes émises par les atomes individuels sont complètement identiques à l'onde externe.

Il n'a pas été possible pendant longtemps de créer une surpopulation stable des niveaux dans un système à deux niveaux, car les transitions vers le niveau inférieur se sont produites trop rapidement, après 10 à 8 s. Un système à trois niveaux s'est avéré plus stable lorsque les électrons sont passés pour la première fois du niveau supérieur au niveau intermédiaire (sous-niveau), et cette transition n'était pas accompagnée de rayonnement, y sont restés jusqu'à 10 –3 s, puis « sont tombés ». » au niveau inférieur avec rayonnement. Dans les lasers à rubis, un sous-niveau est créé en introduisant des impuretés de chrome dans un cristal d'oxyde d'aluminium (rubis). Il existe également des systèmes à quatre niveaux.

Niveau m _____________
________________ Sous-niveau

Niveau n _____________

Dans les générateurs quantiques entre les miroirs formant ce qu'on appelle Résonateur Fabry – Perot, placez le milieu actif. En passant plusieurs fois d'un miroir à l'autre, l'onde s'intensifie et sort partiellement à travers le miroir translucide vers l'extérieur. Pensez-vous que la longueur du résonateur - le chemin entre les miroirs - peut être quelconque ? Il s'avère que non, la condition de résonance doit être satisfaite : la longueur du résonateur doit contenir un nombre entier de longueurs d'onde de l'onde se propageant dans le résonateur : 2 L = n, Où L– la distance entre miroirs, – la longueur d'onde, n– un entier.

Cette condition est la plus importante pour la génération des ondes ; elle assure la monochromaticité du rayonnement. Des ondes de fréquences arbitraires ne peuvent pas apparaître dans un laser (générateur quantique). Les ondes sont générées uniquement avec un ensemble discret de fréquences :

Un laser est essentiellement un système auto-oscillant dans lequel des oscillations non amorties sont excitées à l’une des fréquences naturelles du résonateur.

III. Vérifions comment vous avez compris ce qui a été dit, quelles pensées et quelles questions vous sont venues à l'esprit.

– Pourquoi les lasers sont-ils appelés sources quantiques, après tout, dans les sources conventionnelles, le rayonnement résulte également des transitions électroniques des niveaux d'énergie supérieurs aux niveaux d'énergie inférieurs ? ( Répondre. Un laser est une source artificielle de rayonnement dont les principales propriétés, qui le distinguent des sources naturelles, sont la monochromaticité et la cohérence du rayonnement.)

– Quelles caractéristiques de l’onde primaire incidente sur le milieu actif évoluent dans le laser ? ( Répondre. Intensité.)

– Nommez le processus inverse du processus d’émission stimulée. ( Répondre. Processus d'excitation, qui correspond aux transitions des électrons des niveaux d'énergie inférieurs aux niveaux supérieurs.)

– Nommer les éléments d’un laser comme un système auto-oscillant. ( Répondre. Résonateurs, milieu actif.)

– Qu'est-ce qui, dans la conception du laser, détermine la monochromaticité de l'onde émise ? ( Répondre. Distance entre les miroirs.)

– Quelle est la physique de l’émission stimulée ? ( Répondre. Le phénomène de résonance.)

IV. Sur la base de la littérature reçue, en 3 minutes, préparez des rapports en groupes sur le fonctionnement des lasers à rubis, à semi-conducteurs, à gaz et chimiques. Lors de la présentation, respectez le plan : la méthode d'obtention des systèmes à trois niveaux, la méthode d'excitation, les caractéristiques de l'appareil et le champ d'application. Dessinez un schéma simplifié sur un morceau de papier Whatman.

V. Vous avez entendu les messages. Vérifiez votre compréhension en répondant aux questions suivantes :

– Qu’ont en commun les différents types de lasers ? ( Répondre. Différents types d'énergie sont convertis en énergie de rayonnement optique.)

– Nommer les modes de fonctionnement du laser. Qu'est-ce qui détermine le mode de fonctionnement ? ( Répondre. Pouls, continu ; déterminé par la méthode d’excitation et le type de milieu actif.)

– Nommez les gammes d’ondes émises par les générateurs quantiques. A quoi sont-ils dus ? ( Répondre. Portée radio – masers ; Rayons X, optiques, y compris infrarouges, lasers.)

– Y a-t-il une limite à l’amplification des rayonnements ? ( Répondre. Oui. Sinon, le système lui-même se détruira. Mais l'utilisation d'installations multicanaux étend considérablement cette limite.)

VI. Une note apparaît sur la feuille : « Ne regardez pas le laser avec votre œil restant. »

Cela ne vaut pas la peine de regarder directement dans un laser, même de faible puissance : l'intensité de la lumière sur la rétine peut être 10 à 4 fois supérieure à l'intensité maximale d'un rayon solaire. Si le faisceau « macule » accidentellement les yeux, qui sont concentrés sur un autre objet, vous ne pouvez alors devenir aveugle que temporairement, sans dommages irréversibles à l'œil. Mais cela ne sert à rien de chercher la frontière entre ces extrêmes !

VII. Etude expérimentale des caractéristiques du rayonnement laser

1. Monochromatique– le rayonnement électromagnétique a une fréquence unique, spécifique et strictement constante. Cela est dû au fait que seules les ondes qui satisfont à la condition de résonance sont amplifiées. Cependant, le taux d'incertitude E th conduit au fait que l'énergie de l'état excité est au niveau m peut avoir des significations entre E m – E Et E m + E, donc les fréquences émises par le laser différeront de , et .

Où d= 1 mm – distance entre les courses, +3 et –3 – angles auxquels des maxima de +3ème et –3ème ordres sont observés, L= 1 m Après avoir effectué les transformations, on trouve :

Où h+3 et h–3 – hauteurs des maxima correspondants. Ayant mesuré h–3 = 10 cm et h+3 = 14 cm et en remplaçant toutes les valeurs numériques, nous obtenons : = 730 nm. – Rouge.]

Les écoliers se préparent à mesurer la longueur d'onde du rayonnement laser à l'aide d'un pied à coulisse

Pour vérifier, nous effectuerons des mesures avec un réseau de diffraction standard avec N= 600 lignes/mm. En dirigeant le faisceau perpendiculairement vers lui, on obtient :

D'après les mesures, L= 1 m, k= ±1, h+1 = 43,5 cm = 0,435 m, h–1 = 45 cm = 0,45 m Alors :

Mesurer la longueur d'onde du rayonnement laser à l'aide d'un réseau de diffraction conventionnel

2. Cohérence– cohérence dans le temps et dans l'espace de plusieurs processus oscillatoires ou ondulatoires, ce qui permet d'obtenir une figure d'interférence claire lorsqu'ils sont additionnés.

La cohérence temporelle est responsable de la formation du motif d’interférence lorsque le faisceau est divisé en deux. Plus le spectre du rayonnement est large, moins il est cohérent : Ainsi, la monochromaticité est liée à la cohérence.

Si nous dirigeons un faisceau laser sur un écran ou sur du papier noir, nous verrons qu'il ne s'agit pas d'un point uniforme, comme le faisceau d'une lampe de poche électrique, mais d'un motif de grains individuels, comme s'ils dansaient. Cette structure s'appelle - granuleux, ou granulaire, ou tacheté. Il est créé par un faisceau parallèle de lumière spatialement cohérente, diffusé de manière diffuse sur la structure fine d'une feuille de papier et s'explique par l'interférence de la lumière diffusée par des rugosités individuelles dont les dimensions sont comparables à la longueur d'onde de la lumière. La cohérence spatiale signifie que les phases des ondes lumineuses émises par n'importe quelle partie du laser coïncident, ce qui garantit la stabilité du motif d'interférence.

La clarté du motif d'interférence est déterminée par la taille de la région de cohérence spatiale. Cela peut être vérifié expérimentalement en observant l’interférence des rayons passant à travers deux petits trous, comme dans l’expérience de Young. Pour ce faire, nous avons placé deux aiguilles avec de petites oreilles l'une sur l'autre et, lorsqu'elles sont éclairées par un pointeur laser, nous avons obtenu un motif d'interférence clair, preuve de la cohérence spatiale du faisceau laser.

3. Divergence des feux de croisement. En raison de la faible divergence, le faisceau laser est visible comme un point sur un obstacle, même à grande distance. Vérifions cela par expérience. Le faisceau laser, réfléchi dans le miroir, a frappé l'écran.

À L= 10 m (longueur de l'armoire) et diamètre du faisceau ( = 740 nm) à la sortie du pointeur D= 3 mm de diamètre du faisceau en tombant sur le miroir était D 1 = 6 mm et en cas de chute sur l'écran D 2 = 8 mm. Le résultat était une divergence de faisceau d'environ 2 mm à une distance de 10 m.

En effet, théoriquement, l'angle de divergence a est déterminé uniquement par le diamètre du faisceau D et longueur d'onde :

À une longueur de 10 m, la taille du faisceau doit augmenter jusqu'à 10 m 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 m = 2,5 mm. Le faisceau d’une lampe de poche diverge beaucoup plus.

4. Puissance de rayonnement. Les lasers sont la source de rayonnement la plus puissante : leur puissance atteint 10 14 W/cm 2, tandis que la puissance de rayonnement du Soleil est de 7 10 3 W/cm 2. La puissance spectrale du rayonnement (attribuable à un intervalle de longueur d'onde étroit = ​​10 –6 cm) est de 0,2 W/cm 2 pour le Soleil et au pointeur laser.

Mesurons la puissance de rayonnement d'un pointeur laser à l'aide de notre installation et comparons-la avec la puissance de rayonnement d'une lampe électrique.

Le courant consommé par la lampe est de 0,15 A à une tension de 3,6 V. Puissance de la lampe P. 1 = 0,15 A 3,6 V = 0,54 W. Le photocourant obtenu en irradiant une photocellule avec cette lampe située à distance L= 10 cm, s'élève à 25 μA.

La puissance du flux lumineux de la lampe, compte tenu de l'efficacité lumineuse de la lampe (5%) et du diamètre de la photocellule (3 cm), est de seulement :

Photocourant d'un pointeur laser situé à la même distance L= 10 cm, s'élève à 300 μA.

Si le rendement lumineux d'un pointeur laser est de 0,6, alors le rapport des photocourants est :

par conséquent, la puissance de rayonnement du pointeur laser

VIII. Aujourd'hui, en classe, vous avez appris ( les étudiants disent) : comment et pourquoi le rayonnement laser diffère du rayonnement provenant d'autres sources ; Comment ce rayonnement est-il produit ? Reste à comprendre comment ces propriétés sont utilisées dans les dispositifs techniques : technologie des médias, dispositifs médicaux, moyens holographiques d'enregistrement et de reproduction d'images, armes, réacteurs thermonucléaires. Chaque groupe à la maison prépare une question et résout le problème.

Dans un faisceau étroit, un faisceau biconvexe est généralement utilisé lentille -collimateur. Cependant, avec une mise au point de haute qualité faisceau(ce qui peut être fait indépendamment en serrant l'écrou de serrage de l'objectif), le pointeur peut être utilisé pour effectuer expériences avec un faisceau laser (par exemple pour étudier les interférences). La puissance des pointeurs laser les plus courants est de 0,1 à 50 mW, des plus puissants jusqu'à 2000 sont également disponibles à la vente mW. Dans la plupart d'entre eux, la diode laser n'est pas fermée, ils doivent donc être démontés avec une extrême prudence. Au fil du temps, la diode laser ouverte « grille », entraînant une diminution de sa puissance. Au fil du temps, un tel indicateur cessera pratiquement de briller, quel que soit le niveau de charge piles. Les pointeurs laser verts ont une structure complexe et leur conception rappelle davantage celle des vrais lasers.

Pointeur laser

Types de pointeurs laser

Les premiers modèles de pointeurs laser utilisaient des lasers à gaz hélium-néon (HeNe) et émettaient un rayonnement dans la gamme 633 nm. Ils avaient une puissance ne dépassant pas 1 mW et étaient très chers. De nos jours, les pointeurs laser utilisent généralement des diodes rouges moins coûteuses avec une longueur d'onde de 650 à 670 nm. Les pointeurs légèrement plus chers utilisent des diodes orange-rouge avec λ = 635 nm, ce qui les rend plus brillants pour l'œil, car l'œil humain voit mieux la lumière avec λ = 635 nm que la lumière avec λ = 670 nm. Des pointeurs laser d'autres couleurs sont également produits ; par exemple, un pointeur vert avec λ=532 nm est une bonne alternative à un pointeur rouge avec λ=635 nm, puisque l'humain œil environ 6 fois plus sensible à la lumière verte qu’au rouge. Récemment, les pointeurs jaune-orange avec λ=593,5 nm et les pointeurs laser bleus avec λ=473 nm ont gagné en popularité.

Pointeurs laser rouges

Le type de pointeur laser le plus courant. Ces pointeurs utilisent des diodes laser avec un collimateur. La puissance varie d'environ un milliwatt à un watt. Les pointeurs de faible consommation sous la forme d'un porte-clés sont alimentés par de petites piles « tablettes » et coûtent aujourd'hui (avril 2012) environ 1 $. Les puissants pointeurs rouges sont parmi les moins chers en termes de rapport prix/puissance. Ainsi, un pointeur laser focalisable d'une puissance de 200 mW, capable d'enflammer des matériaux absorbant bien les rayonnements (allumettes, ruban isolant, plastique sombre, etc.), coûte environ 20 à 30 dollars. La longueur d'onde est d'environ 650 nm.

Utilisation de pointeurs laser rouges plus rares Laser à semi-conducteurs avec pompage par diode (diode-pumped solid-state, DPSS) et fonctionnent à une longueur d'onde de 671 nm.

Pointeurs laser verts

Dispositif pointeur laser vert, type DPSS, longueur d'onde 532nm.

Un faisceau pointeur laser de 100 mW dirigé vers le ciel nocturne.

Les pointeurs laser verts ont commencé à être vendus en 2000. Le type le plus courant de laser à semi-conducteurs pompé par diode (DPSS). Les diodes laser vertes ne sont pas produites, un circuit différent est donc utilisé. Le dispositif est beaucoup plus complexe que les pointeurs rouges classiques, et le feu vert est obtenu de manière assez lourde.

Puissant en premier (généralement > 100 mW) infrarouge Une diode laser avec λ = 808 nm pompe un cristal d'orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme (Nd: YVO 4), où le rayonnement est converti en 1064 nm. Puis, en passant à travers un cristal de phosphate de titane de potassium (KTiOPO 4, en abrégé KTP), la fréquence du rayonnement double (1064 nm → 532 nm) et une lumière verte visible est obtenue. L'efficacité du circuit est d'environ 20%, la majeure partie provient d'une combinaison de 808 et 1064 nm IR. Sur les pointeurs puissants >50 mW, un filtre infrarouge (filtre IR) doit être installé pour éliminer le rayonnement IR résiduel et éviter des dommages à la vision. Il convient également de noter la forte consommation d'énergie des lasers verts : la plupart utilisent deux piles AA/AAA/CR123.

473 nm (couleur turquoise)

Ces pointeurs laser sont apparus en 2006 et ont un principe de fonctionnement similaire aux pointeurs laser verts. La lumière de 473 nm est généralement produite en doublant la fréquence de la lumière laser de 946 nm. Pour obtenir 946 nm, un cristal d'yttrium et d'aluminium est utilisé grenade avec des additifs néodyme(Sans référence : YAG).

445 nm (bleu)

Dans ces pointeurs laser, la lumière est émise par une puissante diode laser bleue. La plupart de ces instructions font référence à Classe de danger laser 4 et présente un risque très grave pour les yeux et la peau. Ils ont commencé leur distribution active dans le cadre de la sortie de la société Casio projecteurs utilisant de puissantes diodes laser au lieu de lampes conventionnelles.

Pointeurs laser violets

La lumière des pointeurs violets est générée par une diode laser émettant un faisceau d'une longueur d'onde de 405 nm. La longueur d'onde de 405 nm se situe à la limite de la plage perçue vision humaine et par conséquent, le rayonnement laser de ces pointeurs semble faible. Cependant, le voyant lumineux provoque fluorescence certains objets vers lesquels il est dirigé, dont la luminosité pour l'œil est supérieure à la luminosité du laser lui-même.

Des pointeurs laser violets sont apparus immédiatement après l'introduction Blu-ray-drives, en lien avec le démarrage de la production en série de diodes laser 405 nm.

Pointeurs laser jaunes

Les pointeurs laser jaunes utilisent un laser DPSS qui émet deux lignes simultanément : 1 064 nm et 1 342 nm. Ce rayonnement pénètre dans un cristal non linéaire, qui absorbe les photons de ces deux raies et émet des photons de 593,5 nm (l'énergie totale des photons de 1064 et 1342 nm est égale à l'énergie du photon de 593,5 nm). L'efficacité de ces lasers jaunes est d'environ 1 %.

Utiliser des pointeurs laser

Sécurité

Le rayonnement laser est dangereux s'il entre en contact avec les yeux.

Les pointeurs laser conventionnels ont une puissance de 1 à 5 mW et appartiennent à la classe de danger 2 à 3A et peuvent présenter un danger si le faisceau est dirigé suffisamment longtemps vers l'œil humain ou via des appareils optiques. Les pointeurs laser d'une puissance de 50 à 300 mW sont de classe 3B et peuvent causer de graves dommages rétine même avec une exposition à court terme à un faisceau laser direct, spéculaire ou réfléchi de manière diffuse.

Au mieux, les pointeurs laser ne sont qu’irritants. Mais les conséquences seront dangereuses si le faisceau atteint l'œil d'une personne ou s'il est dirigé vers un conducteur ou un pilote et peut le distraire, voire l'aveugler. Si cela conduit à un accident, cela entraînera une responsabilité pénale.

Les « incidents laser » de plus en plus nombreux suscitent des demandes en Russie, au Canada, aux États-Unis et au Royaume-Uni pour limiter ou interdire les pointeurs laser. En Nouvelle-Galles du Sud, il existe déjà une amende pour possession d'un pointeur laser et pour « attaque au laser » : une peine de prison pouvant aller jusqu'à 14 ans.

Il est également important de considérer que la plupart des lasers chinois bon marché qui fonctionnent selon le principe de la pompe (c'est-à-dire vert, jaune et orange) ne disposent pas de filtre IR pour des raisons d'économie, et que ces lasers présentent en réalité un plus grand danger pour les yeux que indiqués par les constructeurs.

Remarques

Links

• Site Web sur la sécurité du pointeur laser Comprend des données de sécurité

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 en se réfléchissant sur 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 d'une fraction 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 av) 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 est diffusée. 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.

Le 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.