Didelė naftos ir dujų enciklopedija. Lazerio spinduliuotės ypatybės

1. Monochromatinės šviesos pratekėjimas per skaidrią terpę.

2. Populiacijos inversijos sukūrimas. Siurbimo būdai.

3. Lazerio veikimo principas. Lazerių tipai.

4. Lazerio spinduliavimo ypatumai.

5. Medicinoje naudojamos lazerio spinduliuotės charakteristikos.

6. Audinių savybių ir jo temperatūros pokyčiai veikiant nuolatinei galingai lazerio spinduliuotei.

7. Lazerio spinduliuotės panaudojimas medicinoje.

8. Pagrindinės sąvokos ir formulės.

9. Užduotys.

Žinome, kad šviesa skleidžiama atskiromis dalimis – fotonais, kurių kiekviena atsiranda dėl atomo, molekulės ar jono spinduliavimo perėjimo. Natūrali šviesa yra daugybės tokių fotonų, kurių dažnis ir fazė skiriasi, atsitiktiniu laiku atsitiktinėmis kryptimis, rinkinys. Išgauti galingus monochromatinės šviesos spindulius naudojant natūralius šaltinius yra beveik neįmanoma užduotis. Tuo pačiu metu tokių sijų poreikį jautė ir fizikai, ir daugelio taikomųjų mokslų specialistai. Lazerio sukūrimas leido išspręsti šią problemą.

Lazeris- prietaisas, generuojantis koherentines elektromagnetines bangas dėl stimuliuojamos terpės mikrodalelių emisijos, kurioje sukuriamas aukštas vieno iš energijos lygių sužadinimo laipsnis.

Lazeris (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) – šviesos stiprinimas naudojant stimuliuojamą spinduliuotę.

Lazerio spinduliuotės (LR) intensyvumas yra daug kartų didesnis nei natūralių šviesos šaltinių intensyvumas, o lazerio spindulio divergencija yra mažesnė nei viena lanko minutė (10 -4 rad).

31.1. Monochromatinės šviesos praleidimas per skaidrią terpę

27 paskaitoje išsiaiškinome, kad šviesos perėjimą per materiją lydi: fotonų sužadinimas jo daleles ir veiksmus stimuliuojama emisija. Panagrinėkime šių procesų dinamiką. Tegul pasklinda aplinkoje vienspalvisšviesa, kurios dažnis (ν) atitinka šios terpės dalelių perėjimą iš žemės lygio (E 1) į sužadintą lygį (E 2):

Fotonai, atsitrenkę į pradinės būsenos daleles būti absorbuojamas o pačios dalelės pereis į sužadintą būseną E 2 (žr. 27.4 pav.). Fotonai, kurie atsitrenkia į sužadintas daleles, inicijuoja stimuliuojamą emisiją (žr. 27.5 pav.). Šiuo atveju fotonai padvigubėja.

Šiluminės pusiausvyros būsenoje sužadintų (N 2) ir nesužadintų (N 1) dalelių skaičiaus santykis paklūsta Boltzmanno skirstiniui:

kur k yra Boltzmanno konstanta, T yra absoliuti temperatūra.

Šiuo atveju N 1 >N 2 ir absorbcija dominuoja prieš padvigubėjimą. Vadinasi, kylančios šviesos I intensyvumas bus mažesnis už krintančios šviesos intensyvumą I 0 (31.1 pav.).

Ryžiai. 31.1.Šviesos, praeinančios per terpę, kurioje sužadinimo laipsnis mažesnis nei 50 %, slopinimas (N 1 > N 2)

Sugeriant šviesą, sužadinimo laipsnis padidės. Kai jis pasiekia 50 % (N 1 = N 2), tarp absorbcija Ir padvigubinti bus nustatyta pusiausvyra, nes tikimybė, kad fotonai atsitrenks į sužadintas ir nesužadintas daleles, taps vienodos. Jei terpės apšvietimas nutrūksta, po kurio laiko terpė grįš į pradinę būseną, atitinkančią Boltzmanno skirstinį (N 1 > N 2). Padarykime preliminarią išvadą:

Apšviečiant aplinką monochromatine šviesa (31.1) neįmanoma pasiekti tokia aplinkos būsena, kurioje sužadinimo laipsnis viršija 50 proc. Vis dėlto panagrinėkime klausimą apie šviesos praėjimą per terpę, kurioje tam tikru būdu buvo pasiekta būsena N 2 > N 1. Ši būsena vadinama būsena su atvirkštinė populiacija(nuo lat. inversija- tekinimas).

Gyventojų inversija- aplinkos būklė, kai dalelių skaičius viename iš viršutinių lygių yra didesnis nei žemesniame lygyje.

Apverstos populiacijos terpėje tikimybė, kad fotonas atsitrenks į sužadintą dalelę, yra didesnė nei nesužadintos. Todėl dvigubinimo procesas dominuoja virš absorbcijos proceso ir yra įgyti šviesa (31.2 pav.).

Kai šviesa praeina per apverstą populiacijos terpę, sužadinimo laipsnis sumažės. Kai pasieks 50 proc.

Ryžiai. 31.2.Šviesos, praeinančios per terpę su apverstą populiaciją, stiprinimas (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), tarp absorbcija Ir padvigubinti bus nustatyta pusiausvyra ir išnyks šviesos stiprinimo efektas. Jei terpės apšvietimas nutrūksta, po kurio laiko terpė grįš į būseną, atitinkančią Boltzmanno skirstinį (N 1 > N 2).

Jei visa ši energija bus išleista spinduliavimo perėjimais, tada gausime didžiulės galios šviesos impulsą. Tiesa, jis dar neturės reikiamos darnos ir kryptingumo, bet bus labai vienspalvis (hv = E 2 - E 1). Tai dar ne lazeris, bet jau kažkas artimo.

31.2. Populiacijos inversijos kūrimas. Siurbimo būdai

Taigi ar įmanoma pasiekti populiacijos inversiją? Pasirodo, kad galite, jei naudosite trys energijos lygiai su tokia konfigūracija (31.3 pav.).

Tegul aplinka būna apšviesta galingu šviesos blyksniu. Dalis emisijos spektro bus absorbuojama pereinant iš pagrindinio lygio E 1 į platųjį E 3 lygį. Leiskite jums tai priminti platus yra energijos lygis su trumpu atsipalaidavimo laiku. Todėl didžioji dalis dalelių, kurios patenka į sužadinimo lygį E 3, nespinduliuojančiai pereina į siaurą metastabilų lygį E 2, kur kaupiasi. Dėl šio lygio siaurumo blyksnių fotonų tik nedidelė dalis

Ryžiai. 31.3. Populiacijos inversijos sukūrimas metastabiliu lygiu

galintis sukelti priverstinį perėjimą E 2 → E 1. Tai sudaro sąlygas sukurti atvirkštinę populiaciją.

Populiacijos inversijos kūrimo procesas vadinamas išpumpuotas.Šiuolaikiniai lazeriai naudoja įvairius siurbimo būdus.

Permatomos aktyviosios terpės optinis siurbimas naudoja šviesos impulsus iš išorinio šaltinio.

Dujinių aktyviųjų terpių elektros išlydžio siurbimui naudojamas elektros išlydis.

Puslaidininkinės aktyviosios terpės įpurškimui siurbiant naudojama elektros srovė.

Chemiškai pumpuojant aktyvią terpę iš dujų mišinio, naudojama cheminės reakcijos tarp mišinio komponentų energija.

31.3. Lazerio veikimo principas. Lazerių tipai

Lazerio funkcinė schema parodyta fig. 31.4. Darbinis skystis (aktyvioji terpė) yra ilgas siauras cilindras, kurio galus dengia du veidrodžiai. Vienas iš veidrodžių (1) yra permatomas. Tokia sistema vadinama optiniu rezonatoriumi.

Siurbimo sistema daleles iš žemės lygio E 1 perneša į absorbcijos lygį E 3 , iš kur jos neradiatyviai pereina į metastabilų lygį E 2, sukurdamos jo populiacijos inversiją. Po to spontaniški spinduliavimo perėjimai E 2 → E 1 prasideda monochromatinių fotonų emisija:

Ryžiai. 31.4. Scheminis lazerinis įrenginys

Spontaninės emisijos fotonai, išspinduliuojami kampu į ertmės ašį, išeina per šoninį paviršių ir generavimo procese nedalyvauja. Jų srautas greitai išdžiūsta.

Fotonai, kurie po spontaninės emisijos juda išilgai rezonatoriaus ašies, pakartotinai praeina pro darbinį skystį, atsispindėdami nuo veidrodžių. Tuo pačiu metu jie sąveikauja su sužadintomis dalelėmis, inicijuodami stimuliuojamą emisiją. Dėl šios priežasties ta pačia kryptimi judančių indukuotų fotonų skaičius „panašus į laviną“. Daug kartų sustiprintas fotonų srautas išeina per permatomą veidrodį, sukurdamas galingą beveik lygiagrečių koherentinių spindulių spindulį. Tiesą sakant, sukuriama lazerio spinduliuotė pirma spontaniškas fotonas, judantis išilgai rezonatoriaus ašies. Tai užtikrina spinduliuotės darną.

Taigi lazeris siurblio šaltinio energiją paverčia monochromatinės koherentinės šviesos energija. Tokios transformacijos efektyvumas, t.y. Efektyvumas priklauso nuo lazerio tipo ir svyruoja nuo procentų dalių iki kelių dešimčių procentų. Daugumos lazerių efektyvumas yra 0,1-1%.

Lazerių tipai

Pirmasis sukurtas lazeris (1960 m.) naudojo rubiną kaip darbinį skystį ir optinę siurbimo sistemą. Rubinas yra kristalinis aliuminio oksidas A1 2 O 3, kuriame yra apie 0,05% chromo atomų (būtent chromas suteikia rubinui rausvą spalvą). Chromo atomai, įterpti į kristalinę gardelę, yra aktyvi terpė

su energijos lygių konfigūracija, parodyta Fig. 31.3. Rubino lazerio spinduliuotės bangos ilgis yra λ = 694,3 nm. Tada atsirado lazeriai, naudojantys kitas aktyvias mediagas.

Priklausomai nuo darbinio skysčio tipo, lazeriai skirstomi į dujinius, kietojo kūno, skystuosius ir puslaidininkinius. Kietojo kūno lazeriuose aktyvusis elementas dažniausiai gaminamas cilindro pavidalu, kurio ilgis yra daug didesnis už jo skersmenį. Dujos ir skystoji aktyvioji terpė dedamos į cilindrinę kiuvetę.

Priklausomai nuo siurbimo metodo, gali būti gaunama nuolatinė ir impulsinė lazerio spinduliuotė. Naudojant nuolatinę siurbimo sistemą, gyventojų inversija išlaikoma ilgą laiką dėl išorinio energijos šaltinio. Pavyzdžiui, nuolatinis sužadinimas elektros išlydžiu dujinėje aplinkoje. Naudojant impulsinę siurbimo sistemą, populiacijos inversija sukuriama impulsiniu režimu. Pulso pasikartojimo dažnis nuo 10 -3

Hz iki 10 3 Hz.

31.4. Lazerio spinduliuotės ypatybės

Lazerio spinduliuotė savo savybėmis labai skiriasi nuo įprastų šviesos šaltinių spinduliuotės. Atkreipkite dėmesį į jo būdingus bruožus.

1. Darna. Radiacija yra labai nuoseklus, kuri yra dėl stimuliuojamos emisijos savybių. Šiuo atveju vyksta ne tik laiko, bet ir erdvinė darna: fazių skirtumas dviejuose sklidimo krypčiai statmenos plokštumos taškuose išlieka pastovus (31.5 pav., a).

2. Kolimacija. Lazerio spinduliuotė yra kolimuotas, tie. visi spinduliai spindulyje yra beveik lygiagreti vienas kitam (31.5 pav., b). Didesniais atstumais lazerio spindulio skersmuo tik šiek tiek padidėja. Kadangi nuokrypio kampas φ yra mažas, tada lazerio spindulio intensyvumas šiek tiek mažėja didėjant atstumui. Tai leidžia perduoti signalus dideliais atstumais, mažai susilpninant jų intensyvumą.

3. Vienspalvis. Lazerio spinduliuotė yra labai vienspalvis, tie. yra beveik tokio pat dažnio bangos (spektro linijos plotis yra Δλ ≈0,01 nm). Įjungta

31.5c paveiksle parodytas scheminis lazerio ir įprastos šviesos pluošto linijos pločio palyginimas.

Ryžiai. 31.5. Lazerio spinduliuotės koherencija (a), kolimacija (b), monochromatiškumas (c).

Prieš atsirandant lazeriams, tam tikro monochromatiškumo laipsnio spinduliuotę buvo galima gauti naudojant prietaisus – monochromatorius, kurie skiria siaurus spektrinius intervalus (siauras bangos ilgio juostas) nuo ištisinio spektro, tačiau šviesos galia tokiose juostose yra maža.

4. Didelė galia. Naudojant lazerį galima užtikrinti labai didelę monochromatinės spinduliuotės galią – iki 10 5 W nepertraukiamu režimu. Impulsinių lazerių galia yra keliomis eilėmis didesnė. Taigi neodimio lazeris generuoja impulsą, kurio energija E = 75 J, kurio trukmė t = 3x10 -12 s. Galia impulse lygi P = E/t = 2,5x10 13 W (palyginimui: hidroelektrinės galia P ~ 10 9 W).

5. Didelis intensyvumas. Impulsiniuose lazeriuose lazerio spinduliuotės intensyvumas yra labai didelis ir gali siekti I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (plg. saulės šviesos intensyvumą prie žemės paviršiaus I = 0,1 W/cm 2).

6. Didelis ryškumas. Lazeriams, veikiantiems matomame diapazone, ryškumą lazerio spinduliuotė (šviesos intensyvumas paviršiaus vienetui) yra labai didelis. Net ir pačių silpniausių lazerių ryškumas yra 10 15 cd/m 2 (palyginimui: Saulės ryškumas L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Spaudimas. Kai lazerio spindulys krenta ant kūno paviršiaus, jis sukuria spaudimas(D).

8. Visiškai sugeriant lazerio spinduliuotę, krintantį statmenai paviršiui, susidaro slėgis D = I/c, kur I – spinduliavimo intensyvumas, c – šviesos greitis vakuume. Esant visiškam atspindžiui, slėgis yra dvigubai didesnis. Esant intensyvumui I = 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2; D = 3,3x10 9 Pa = 33 000 atm. Poliarizacija. Lazerio spinduliuotė yra visiškai

poliarizuotas.

31.5. Medicinoje naudojamos lazerio spinduliuotės charakteristikos

Radiacijos bangos ilgis

Medicininių lazerių spinduliuotės bangos ilgiai (λ) yra 0,2–10 µm diapazone, t.y. nuo ultravioletinių iki tolimųjų infraraudonųjų spindulių srities.

Radiacinė galia

Medicininių lazerių spinduliuotės galia (P) svyruoja plačiose ribose, kurias lemia panaudojimo tikslai. Lazeriams su nuolatiniu siurbimu P = 0,01-100 W. Impulsiniams lazeriams būdinga impulsų galia P ir impulso trukmė τ ir

Chirurginiams lazeriams P ir = 10 3 -10 8 W, o impulso trukmė t ir = 10 -9 -10 -3 s.

Energija spinduliuotės impulse

Vieno lazerio spinduliuotės impulso energija (E ir) nustatoma pagal ryšį E ir = P ir -t ir, kur t ir yra spinduliuotės impulso trukmė (dažniausiai t ir = 10 -9 -10 -3 s) . Chirurginiams lazeriams E ir = 0,1-10 J.

Pulso pasikartojimo dažnis

Ši impulsinių lazerių charakteristika (f) parodo lazerio sugeneruotų spinduliuotės impulsų skaičių per 1 s. Terapiniams lazeriams f = 10-3000 Hz, chirurginiams lazeriams f = 1-100 Hz.

Vidutinė spinduliuotės galia

Ši impulsinių periodinių lazerių charakteristika (P avg) parodo, kiek energijos lazeris išspinduliuoja per 1 s, ir ją lemia toks ryšys:

Intensyvumas (galios tankis) Ši charakteristika (I) apibrėžiama kaip lazerio spinduliuotės galios ir pluošto skerspjūvio ploto santykis. Nepertraukiamiems lazeriams I = P/S. Impulsinių lazerių atveju yra pulso intensyvumas

I ir = P ir /S ir vidutinis intensyvumas I av = P av /S.

Chirurginių lazerių intensyvumas ir jų spinduliuotės sukuriamas slėgis turi šias reikšmes:

nuolatiniams lazeriams I ~ 10 3 W/cm 2, D = 0,033 Pa;

impulsiniams lazeriams I ir ~ 10 5 -10 11 W/cm 2, D = 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Impulso energijos tankis

Parametras W gali būti laikomas spinduliuotės doze D 1 impulsui.

31.6. Audinių savybių ir jo temperatūros pokyčiai veikiant nuolatinei galingai lazerio spinduliuotei

Temperatūros ir audinio savybių pokyčiai

veikiant nuolatinei lazerio spinduliuotei

Didelės galios lazerio spinduliuotės absorbciją biologiniame audinyje lydi šilumos išsiskyrimas. Išskiriamai šilumai apskaičiuoti naudojama speciali vertė - tūrinis šilumos tankis(q).

Šilumos išsiskyrimą lydi temperatūros padidėjimas, o audiniuose vyksta šie procesai:

40-60°C temperatūroje suaktyvėja fermentai, susidaro edema, pakitimai ir, priklausomai nuo veikimo laiko, miršta ląstelės, denatūruojasi baltymai, prasideda krešėjimas ir nekrozė;

esant 60-80°C - kolageno denatūracija, membranos defektai; 100°C temperatūroje - dehidratacija, audinių vandens išgarinimas; virš 150°C – anglėjimas;

virš 300°C – audinio išgaravimas, dujų susidarymas. Šių procesų dinamika parodyta fig. 31.6.

Ryžiai. 31.6. Audinių temperatūros pokyčių dinamika veikiant nuolatinei lazerio spinduliuotei

1 fazė. Pirma, audinių temperatūra pakyla nuo 37 iki 100 °C. Šiame temperatūrų intervale audinio termodinaminės savybės praktiškai nesikeičia, o temperatūra bėgant laikui didėja tiesiškai (α = const ir I = const).

2 fazė. Esant 100 °C temperatūrai, prasideda audinių vandens garavimas ir iki šio proceso pabaigos temperatūra išlieka pastovi.

3 fazė. Vandeniui išgaravus, temperatūra vėl pradeda kilti, bet lėčiau nei 1 skyriuje, nes dehidratuotas audinys sugeria mažiau energijos nei įprastai.

4 fazė. Pasiekus temperatūrą T ≈ 150 °C, prasideda biologinio audinio anglėjimo ir atitinkamai „juodėjimo“ procesas. Šiuo atveju absorbcijos koeficientas α didėja. Todėl stebimas netiesinis temperatūros padidėjimas, greitėjantis laikui bėgant.

5 fazė. Pasiekus temperatūrą T ≈ 300 °C, prasideda dehidratuoto suanglėjusio biologinio audinio išgaravimo procesas ir vėl sustoja temperatūros kilimas. Būtent šiuo momentu lazerio spindulys nupjauna (pašalina) audinį, t.y. tampa skalpeliu.

Temperatūros padidėjimo laipsnis priklauso nuo audinio gylio (31.7 pav.).

Ryžiai. 31.7. Procesai, vykstantys apšvitintuose audiniuose skirtinguose gyliuose: A- paviršiniame sluoksnyje audinys įkaista iki kelių šimtų laipsnių ir išgaruoja; b- viršutinio sluoksnio susilpnintos spinduliuotės galios nepakanka audiniams išgaruoti. Vyksta audinių krešėjimas (kartais kartu su anglėjimu – stora juoda linija); V- audinių įkaitimas atsiranda dėl šilumos perdavimo iš zonos b)

Atskirų zonų apimtį lemia tiek lazerio spinduliuotės charakteristikos, tiek paties audinio savybės (pirmiausia sugerties ir šilumos laidumo koeficientai).

Veikiant galingam fokusuoto lazerio spindulio pluoštui, atsiranda smūginių bangų, kurios gali sukelti mechaninius gretimų audinių pažeidimus.

Audinių abliacija veikiant galingam impulsiniam lazerio spinduliuotei

Kai audinys veikiamas trumpais didelio energijos tankio lazerio spinduliuotės impulsais, realizuojamas kitas biologinio audinio išpjaustymo ir pašalinimo mechanizmas. Tokiu atveju labai greitai įkaista audinių skystis iki temperatūros T > T virimo. Tokiu atveju audinių skystis atsiduria metastabilioje perkaitintoje būsenoje. Tada įvyksta „sprogius“ audinių skysčio virimas, kurį lydi audinys pašalinamas be anglies. Šis reiškinys vadinamas abliacija. Abliaciją lydi mechaninių smūginių bangų generavimas, galintis sukelti mechaninius audinių pažeidimus, esančius šalia lazerio spinduliuotės zonos. Į šį faktą būtina atsižvelgti renkantis impulsinio lazerio spinduliuotės parametrus, pavyzdžiui, šlifuojant odą, gręžiant dantis ar atliekant regėjimo aštrumo korekciją lazeriu.

31.7. Lazerio spinduliuotės naudojimas medicinoje

Lazerio spinduliuotės (LR) sąveiką su biologiniais objektais apibūdinančius procesus galima suskirstyti į 3 grupes:

netrikdoma įtaka(neturi pastebimo poveikio biologiniam objektui);

fotocheminis veiksmas(lazeriu sužadinta dalelė arba pati dalyvauja atitinkamose cheminėse reakcijose, arba perduoda savo sužadinimą kitai dalelei, dalyvaujančiai cheminėje reakcijoje);

fotodestrukcija(dėl šilumos ar smūgio bangų išsiskyrimo).

Lazerinė diagnostika

Lazerinė diagnostika – tai netrukdantis poveikis biologiniam objektui naudojant darna lazerio spinduliuotė. Išvardinkime pagrindinius diagnostikos metodus.

Interferometrija. Kai lazerio spinduliuotė atsispindi nuo grubaus paviršiaus, atsiranda antrinės bangos, kurios trukdo viena kitai. Dėl to susidaro tamsių ir šviesių dėmių (taškelių) vaizdas, kurio vieta suteikia informacijos apie biologinio objekto paviršių (taškelių interferometrijos metodas).

Holografija. Naudojant lazerio spinduliuotę gaunamas 3 dimensijos objekto vaizdas. Medicinoje šis metodas leidžia gauti trimačius skrandžio, akių ir kt. vidinių ertmių vaizdus.

Šviesos sklaida. Kai labai nukreiptas lazerio spindulys praeina per skaidrų objektą, šviesa yra išsklaidyta. Išsklaidytos šviesos intensyvumo kampinės priklausomybės registravimas (nefelometrijos metodas) leidžia nustatyti terpės dalelių dydį (nuo 0,02 iki 300 μm) ir jų deformacijos laipsnį.

Išsklaidant gali pakisti šviesos poliarizacija, kuri naudojama ir diagnostikoje (poliarizacijos nefelometrijos metodas).

Doplerio efektas.Šis metodas pagrįstas LR Doplerio dažnio poslinkio matavimu, kuris atsiranda, kai šviesa atsispindi net nuo lėtai judančių dalelių (anenometrijos metodas). Tokiu būdu matuojamas kraujo tėkmės greitis induose, bakterijų judrumas ir kt.

Kvazielastinė sklaida. Esant tokiai sklaidai, šiek tiek pasikeičia zondavimo LR bangos ilgis. To priežastis – matavimo proceso metu pasikeitusios sklaidos savybės (konfigūracija, dalelių konformacija). Laikini sklaidos paviršiaus parametrų pokyčiai pasireiškia sklaidos spektro pasikeitimu, lyginant su tiekiamos spinduliuotės spektru (sklaidos spektras arba plečiasi, arba jame atsiranda papildomų maksimumų). Šis metodas leidžia gauti informaciją apie besikeičiančias sklaidytuvų charakteristikas: difuzijos koeficientą, nukreipto transportavimo greitį, dydį. Taip diagnozuojamos baltymų makromolekulės.

Lazerinė masės spektroskopija.Šis metodas naudojamas tiriant objekto cheminę sudėtį. Galingi lazerio spinduliuotės pluoštai išgarina medžiagą nuo biologinio objekto paviršiaus. Garams atliekama masės spektrinė analizė, kurios rezultatai lemia medžiagos sudėtį.

Lazerinis kraujo tyrimas. Lazerio spindulys, praleidžiamas per siaurą kvarcinį kapiliarą, per kurį pumpuojamas specialiai apdorotas kraujas, sukelia jo ląstelių fluorescenciją. Tada fluorescencinę šviesą aptinka jautrus jutiklis. Šis švytėjimas būdingas kiekvienam ląstelių tipui, atskirai praeinančiam per lazerio spindulio skerspjūvį. Apskaičiuojamas bendras ląstelių skaičius tam tikrame kraujo tūryje. Kiekvienam ląstelių tipui nustatomi tikslūs kiekybiniai rodikliai.

Fotodestrukcijos metodas. Jis naudojamas paviršiui tirti kompozicija objektas.

Galingi LR spinduliai leidžia paimti mikromėginius nuo biologinių objektų paviršiaus išgarinant medžiagą ir vėliau atliekant šių garų masės spektrinę analizę.

Terapijoje naudojami žemo intensyvumo lazeriai (intensyvumas 0,1-10 W/cm2).

Mažo intensyvumo spinduliuotė nesukelia pastebimo destruktyvaus poveikio audiniams tiesiogiai švitinimo metu. Matomoje ir ultravioletinėje spektro srityse švitinimo poveikį sukelia fotocheminės reakcijos ir jie nesiskiria nuo monochromatinės šviesos, gaunamos iš įprastų nenuoseklių šaltinių, poveikio. Tokiais atvejais lazeriai yra tiesiog patogūs monochromatinės šviesos šaltiniai, kurie suteikia Ryžiai. 31.8.

Lazerio šaltinio panaudojimo intravaskuliniam kraujo švitinimui schema

nurodant tikslią ekspozicijos lokalizaciją ir dozę. Kaip pavyzdys pav. 31.8 paveiksle parodyta lazerio spinduliuotės šaltinio panaudojimo intravaskuliniam kraujo švitinimui pacientams, sergantiems širdies nepakankamumu, schema.

Žemiau pateikiami dažniausiai naudojami lazerio terapijos metodai. Raudonos šviesos terapija.

He-Ne lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 632,8 nm, yra naudojama priešuždegiminiais tikslais, gydant žaizdas, opas ir koronarinę širdies ligą. Terapinis poveikis yra susijęs su šio bangos ilgio šviesos įtaka ląstelės proliferaciniam aktyvumui. Šviesa veikia kaip ląstelių metabolizmo reguliatorius. Mėlynosios šviesos terapija.

Lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra mėlynoje matomos šviesos srityje, naudojama, pavyzdžiui, naujagimių geltai gydyti. Ši liga yra staigiai padidėjusios bilirubino koncentracijos organizme pasekmė, kuri maksimaliai absorbuojama mėlynojoje srityje. Jei vaikai apšvitinami tokio diapazono lazeriu, bilirubinas suyra ir susidaro vandenyje tirpūs produktai. Lazerio fizioterapija -

lazerio spinduliuotės naudojimas kartu su įvairiais elektrofizioterapijos metodais. Kai kurie lazeriai turi magnetinius priedus, skirtus bendram lazerio spinduliuotės ir magnetinio lauko veikimui – magnetinio lazerio terapijai. Tai magnetinio infraraudonųjų spindulių lazerinis terapinis prietaisas „Milta“.

Lazerio terapijos veiksmingumas padidėja, kai ji derinama su vaistiniais preparatais, anksčiau užteptais į apšvitintą vietą (lazerio forezė). Fotodinaminė navikų terapija.

vėlesnis švitinimas matoma šviesa. Navikų naikinimas PDT metu pagrįstas trimis efektais: 1) tiesioginiu fotocheminiu naviko ląstelių sunaikinimu; 2) naviko kraujagyslių pažeidimas, sukeliantis išemiją ir naviko mirtį; 3) uždegiminės reakcijos, kuri mobilizuoja priešnavikinę kūno audinių imuninę apsaugą, atsiradimas.

Norint apšvitinti navikus, kuriuose yra fotosensibilizatorių, naudojama lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 600–850 nm. Šiame spektro regione šviesos prasiskverbimo į biologinius audinius gylis yra didžiausias.

Fotodinaminė terapija taikoma gydant odos ir vidaus organų: plaučių, stemplės navikus (šviesolaidžiais į vidaus organus tiekiama lazerio spinduliuotė).

Lazerio spinduliuotės naudojimas chirurgijoje

Chirurgijoje didelio intensyvumo lazeriai naudojami audiniams pjaustyti, patologinėms vietoms šalinti, kraujavimui stabdyti, biologiniams audiniams virinti. Tinkamai parinkus spinduliuotės bangos ilgį, intensyvumą ir poveikio trukmę, galima gauti įvairių chirurginių efektų. Taigi biologiniams audiniams pjauti naudojamas sufokusuotas ištisinio CO 2 lazerio spindulys, kurio bangos ilgis λ = 10,6 μm ir 2x10 3 W/cm 2 galia.

Lazerio spindulio naudojimas chirurgijoje užtikrina selektyvų ir kontroliuojamą ekspoziciją. Lazerinė chirurgija turi keletą privalumų:

Nekontaktinis, užtikrinantis visišką sterilumą;

Selektyvumas, leidžiantis pasirinkti spinduliuotės bangos ilgį dozėmis sunaikinti patologinius audinius, nedarant įtakos aplinkiniams sveikiems audiniams;

kraujo netekimas (dėl baltymų krešėjimo);

Mikrochirurginių intervencijų galimybė dėl didelio pluošto fokusavimo.

Nurodykime kai kurias lazerių chirurginio taikymo sritis.

Lazerinis audinių suvirinimas. Išpjaustytų audinių sujungimas yra būtinas daugelio operacijų žingsnis.

31.9 paveiksle parodyta, kaip suvirinamas vienas iš didelio nervo kamienų kontaktiniu režimu, naudojant litavimą, kuris Ryžiai. 31.9.

Nervų suvirinimas naudojant lazerio spindulį

lašai iš pipetės užlašinami į lazeravimo vietą. Pigmentinių vietų sunaikinimas. Pigmentinėms vietoms naikinti naudojami impulsiniai lazeriai. Šis metodas(fototermolizė)

vartojamas gydant angiomas, tatuiruotes, sklerozines apnašas kraujagyslėse ir kt. Endoskopijos įdiegimas sukėlė revoliuciją chirurginėje medicinoje. Siekiant išvengti didelių atvirų operacijų, lazerio spinduliuotė į gydymo vietą tiekiama naudojant šviesolaidinius šviesos kreiptuvus, kurie leidžia lazerio spinduliuotę perduoti į vidinių tuščiavidurių organų biologinius audinius. Tai žymiai sumažina infekcijos ir pooperacinių komplikacijų riziką.

Lazerio gedimas. Trumpo impulso lazeriai kartu su šviesos kreiptuvais naudojami apnašoms pašalinti iš kraujagyslių, tulžies akmenų ir inkstų akmenų.

Lazeriai oftalmologijoje. Lazerių naudojimas oftalmologijoje leidžia atlikti chirurgines intervencijas be kraujo, nepažeidžiant akies obuolio vientisumo. Tai stiklakūnio operacijos; atskilusios tinklainės suvirinimas; glaukomos gydymas „praduriant“ skylutes (50÷100 µm skersmens) lazerio spinduliu akies skysčiui nutekėti. Regėjimo korekcijai naudojamas sluoksnis po sluoksnio ragenos audinio abliacija.

31.8. Pagrindinės sąvokos ir formulės

Stalo pabaiga

31.9. Užduotys

1. Fenilalanino molekulėje energijos skirtumas žemės ir sužadintos būsenose yra ΔE = 0,1 eV. Raskite ryšį tarp šių lygių populiacijų esant T = 300 K.

Atsakymas: n = 3,5*10 18.

Nuo kietojo kūno lazerių sukūrimo iki šių dienų jų spinduliuotės galia nuolat didėjo. Tačiau jei pirmaisiais metais visų pagrindinių kietojo kūno lazerių tipų augimo tempai buvo maždaug vienodi, tai pastaruoju metu pastebimai sumažėjo rubino ir granato lazerių spinduliuotės galios augimo tempai, palyginti su neodimiu. stiklo lazeriai.  

Lazerio emisija atsiranda dėl stimuliuotos emisijos, dėl kurios fotonų emisija iš dalies sinchronizuojama. Sinchronizacijos laipsnis ir bet kuriuo metu išspinduliuojamų kvantų skaičius apibūdinamas statistiniais parametrais, tokiais kaip vidutinis išspinduliuotų fotonų skaičius ir vidutinis emisijos intensyvumas. Todėl lazerio spinduliuotės galios spektras pasirodo esąs daugiau ar mažiau siauras ir jo autokoreliacinė funkcija veikia kaip sinusinio virpesių generatoriaus, kurio išėjimo signalas yra nestabilios fazės ir amplitudės, autokoreliacijos funkcija.  

Tai daugiausia paaiškinama tuo, kad priimtinų parametrų dujinius lazerius gamina vidaus ir užsienio pramonė ir praktiškai gali naudoti telegrafo operatoriai. Tačiau šie lazeriai turi ribotą skaičių diskrečiųjų bangų ilgių, tinkamų vienspalviams ir spalvotiems holografiniams vaizdams užfiksuoti. Bangos ilgio pasirinkimą lemia ne tik lazerio spinduliuotės galia esant šiam bangos ilgiui, bet ir galimybė maksimaliai suderinti įrašymo ir atkūrimo bangos ilgius, siekiant sukurti optimalų vaizdą subjektyviam žiūrovo suvokimui.  

Fig. 147, b rodo jutiklių išdėstymo parinktis, kai naudojamas šis matavimo metodas. Matavimui naudojant vieną jutiklį, jį patartina dėti į tašką A atitinkančios difrakcijos paveikslo vietą. Tačiau naudojant vieną jutiklį, matavimo rezultatui didelę įtaką daro lazerio spinduliuotės galios nestabilumas ir netolygus intensyvumo pasiskirstymas sijos skerspjūvyje, pasireiškiantis matuojamo gaminio poslinkiu į šoną.  

Jų savybės aptartos aukščiau. Komerciniu būdu gaminamų rūšių skaičius siekia keliasdešimt. Jų spinduliuotės bangų ilgių diapazonas apima UV, VI ir IR spektrinius diapazonus. Lazerių spinduliuotės galia svyruoja nuo 0 1 mW iki 10 W.  

Mikrofluorescencija naudoja lazerio sužadinimą, kuris natūraliai turi pranašumų prieš sužadinimą įprastais šviesos šaltiniais. Didelė lazerio spinduliuotės koherentiškumas ir kryptingumas leidžia pasiekti itin didelius spinduliuotės galios tankius. Lentelėje 8.2 paveiksle palyginami skirtingų šaltinių galios tankiai. Lazerinis apšvietimas yra pats intensyviausias, o dėl didelio lazerių galios tankio mikrofluorescencinė analizė turi keletą privalumų.  

Tačiau dauguma jų buvo tiriami tirpaluose, o su pavieniais kristalais buvo atlikti tik keli išsamūs tyrimai su poliarizacijos matavimais. Situacija visiškai pasikeitė, kai atsirado nuolatinių bangų lazeris, kurio kolimuota, poliarizuota ir praktiškai monochromatinė spinduliuotė idealiai tinka net mažų pavienių kristalų Ramano spektroskopijai. Iš karto po Ramano efekto atradimo paaiškėjo kristalų Ramano anizotropijos matavimo svarba vibracijų priskyrimui. Tačiau tokie tyrimai galėjo tapti įprastiniais tik po to, kai lazeriai buvo naudojami kaip spinduliuotės šaltinis. Spindulio kolimacija yra svarbesnė už lazerio galią, o pastaroji dažnai yra mažesnė nei gerų Toronto tipo lempų, kurių naudojimas paskatino Ramano spektroskopijos vystymąsi šeštajame dešimtmetyje ir 60-ųjų pradžioje.  

Norint padidinti atomų, dalyvaujančių beveik vienu metu didinant šviesos srautą, skaičių, reikia atidėti generacijos pradžią, kad būtų sukaupta kuo daugiau sužadintų atomų, sukuriant atvirkštinę populiaciją, kuriai būtina padidinti lazerio generaciją. slenkstį ir sumažinti kokybės koeficientą. Pavyzdžiui, gali sutrikti veidrodžių lygiagretumas, o tai smarkiai sumažins sistemos kokybės koeficientą. Jei tokioje situacijoje pradedamas siurbimas, tada net ir reikšmingai apvertus populiacijos lygį, generavimas neprasideda, nes generavimo slenkstis yra aukštas. Veidrodžio pasukimas į padėtį, lygiagrečią kitam veidrodžiui, padidina sistemos kokybės koeficientą ir taip sumažina lazeravimo slenkstį. Todėl lazerio spinduliuotės galia labai padidėja. Šis lazerio generavimo valdymo būdas vadinamas Q perjungimo metodu.  

Ši galimybė praktiškai realizuojama perjungiant lazerio Q koeficientą. Tai daroma taip. Įsivaizduokite, kad pašalintas vienas iš lazerio ertmės veidrodžių. Lazeris pumpuojamas naudojant apšvietimą, o viršutinio lygio populiacija pasiekia maksimalią vertę, tačiau stimuliuojamos emisijos dar nėra. Kol populiacija vis dar apversta, anksčiau pašalintas veidrodis greitai perkeliamas į vietą. Tokiu atveju atsiranda stimuliuojama emisija, sparčiai mažėja viršutinio lygio populiacija ir atsiranda milžiniškas impulsas, kurio trukmė yra tik 10–8 s. Impulsu išspinduliavus 25 J energiją, lazerio spinduliuotės galia siekia 2 5 - 109 W – labai įspūdinga reikšmė, maždaug prilygstanti didelės jėgainės galiai. Tiesa, tokiu galios lygiu jėgainė dirba ištisus metus, o ne 10 - - 8 s. Pirmuosiuose lazeriniuose modeliuose veidrodžiai buvo judinami mechaniškai, tačiau dabar tai daroma elektrooptiškai naudojant Kerr arba Pockels celę.  

Lazeriai tampa vis svarbesnėmis medicinos, fizikos, chemijos, geologijos, biologijos ir inžinerijos tyrimų priemonėmis. Jei naudojami netinkamai, jie gali apakinti ir sužaloti (įskaitant nudegimus ir elektros šoką) operatoriams ir kitiems darbuotojams, įskaitant pašalinius asmenis laboratorijoje, taip pat padaryti didelę žalą turtui. Šių prietaisų naudotojai, dirbdami su šiais įrenginiais, turi visiškai suprasti ir laikytis būtinų saugos priemonių.

Kas yra lazeris?

Žodis „lazeris“ (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) yra santrumpa, reiškianti „šviesos stiprinimą skatinant spinduliuotę“. Lazerio generuojamos spinduliuotės dažnis yra matomoje elektromagnetinio spektro dalyje arba šalia jos. Energija sustiprinama iki itin didelio intensyvumo per procesą, vadinamą lazerio sukelta emisija.

Terminas spinduliavimas dažnai nesuprantamas, nes jis taip pat vartojamas apibūdinti Šiame kontekste jis reiškia energijos perdavimą. Energija perduodama iš vienos vietos į kitą laidumo, konvekcijos ir spinduliuotės būdu.

Yra daug skirtingų lazerių tipų, kurie veikia skirtingose ​​aplinkose. Darbo terpė yra dujos (pavyzdžiui, argonas arba helio ir neono mišinys), kietieji kristalai (pavyzdžiui, rubinas) arba skysti dažikliai. Kai energija tiekiama į darbo terpę, ji susijaudina ir išskiria energiją šviesos dalelių (fotonų) pavidalu.

Pora veidrodžių abiejuose sandaraus vamzdžio galuose atspindi arba perduoda šviesą koncentruotu srautu, vadinamu lazerio spinduliu. Kiekviena darbo aplinka sukuria unikalaus bangos ilgio ir spalvos spindulį.

Lazerio šviesos spalva paprastai išreiškiama bangos ilgiu. Jis yra nejonizuojantis ir apima ultravioletinę (100-400 nm), matomą (400-700 nm) ir infraraudonąją (700 nm - 1 mm) spektro dalis.

Elektromagnetinis spektras

Kiekviena elektromagnetinė banga turi unikalų dažnį ir ilgį, susietą su šiuo parametru. Kaip raudona šviesa turi savo dažnį ir bangos ilgį, taip ir visos kitos spalvos – oranžinė, geltona, žalia ir mėlyna – turi unikalų dažnį ir bangos ilgį. Žmonės gali suvokti šias elektromagnetines bangas, bet negali matyti likusio spektro.

Ultravioletinė spinduliuotė taip pat turi didžiausią dažnį. Infraraudonieji spinduliai, mikrobangų spinduliuotė ir radijo bangos užima žemesnius spektro dažnius. Matoma šviesa yra labai siaurame diapazone tarp šių dviejų.

poveikis žmonėms

Lazeris sukuria intensyvų, nukreiptą šviesos spindulį. Jei jis nukreipiamas, atsispindi arba sufokusuojamas į objektą, spindulys bus iš dalies sugertas, todėl pakyla objekto paviršiaus ir vidaus temperatūra, todėl medžiaga gali pasikeisti arba deformuotis. Šios savybės, naudojamos lazerinėje chirurgijoje ir medžiagų apdirbime, gali būti pavojingos žmogaus audiniams.

Be spinduliuotės, kuri turi šiluminį poveikį audiniams, pavojinga yra lazerio spinduliuotė, sukelianti fotocheminį poveikį. Jo būklė yra pakankamai trumpa, ty ultravioletinė arba mėlyna spektro dalis. Šiuolaikiniai prietaisai gamina lazerio spinduliuotę, kurios poveikis žmogui yra minimalus. Mažos galios lazeriai neturi pakankamai energijos, kad padarytų žalą, ir jie nekelia pavojaus.

Žmogaus audinys yra jautrus energijai, todėl tam tikromis aplinkybėmis elektromagnetinė spinduliuotė, įskaitant lazerio spinduliuotę, gali pažeisti akis ir odą. Buvo atlikti trauminės spinduliuotės ribinių lygių tyrimai.

Pavojus akims

Žmogaus akis yra jautresnė traumoms nei oda. Ragena (skaidrus išorinis priekinis akies paviršius), skirtingai nei dermoje, neturi išorinio negyvų ląstelių sluoksnio, kuris apsaugotų nuo aplinkos poveikio. Lazeris sugeriamas akies ragenoje, todėl gali jai pakenkti. Sužalojimą lydi epitelio paburkimas ir erozija, o sunkių traumų atveju – priekinės kameros drumstimas.

Akies lęšiukas taip pat gali būti pažeidžiamas, kai jį veikia įvairi lazerio spinduliuotė – infraraudonoji ir ultravioletinė.

Tačiau didžiausią pavojų kelia lazerio poveikis tinklainei matomoje optinio spektro dalyje – nuo ​​400 nm (violetinė) iki 1400 nm (šalia infraraudonųjų spindulių). Šiame spektro regione kolimuoti pluoštai yra sutelkti į labai mažas tinklainės sritis. Nepalankiausias smūgis būna tada, kai akis žiūri į tolį ir yra patekusi į tiesioginį arba atsispindėjusį pluoštą. Šiuo atveju jo koncentracija tinklainėje siekia 100 000 kartų.

Taigi matomas spindulys, kurio galia yra 10 mW/cm 2, veikia tinklainę, kurios galia yra 1000 W/cm 2. Tai yra daugiau nei pakankamai, kad būtų padaryta žala. Jei akis nežiūri į tolį arba spindulys atsispindi nuo difuzinio, neveidrodinio paviršiaus, žymiai galingesnė spinduliuotė sukelia sužalojimą. Lazerio poveikis odai nesukelia fokusavimo efekto, todėl esant tokiam bangos ilgiui ji yra daug mažiau pažeidžiama.

rentgeno spinduliai

Kai kurios aukštos įtampos sistemos, kurių įtampa didesnė nei 15 kV, gali generuoti didelės galios rentgeno spindulius: lazerio spinduliuotę, kurios šaltiniai yra galingi elektroniniu būdu pumpuojami, taip pat plazmines sistemas ir jonų šaltinius. Šie įtaisai turi būti išbandyti, kad, be kita ko, būtų užtikrintas tinkamas ekranavimas.

Klasifikacija

Priklausomai nuo pluošto galios ar energijos ir spinduliuotės bangos ilgio, lazeriai skirstomi į kelias klases. Klasifikacija pagrįsta prietaiso galimybe nedelsiant sužaloti akis, odą arba sukelti gaisrą, kai jis tiesiogiai veikiamas spindulio arba atsispindi nuo išsklaidytų atspindinčių paviršių. Visi komerciniai lazeriai turi būti identifikuojami pagal ant jų pritvirtintus ženklus. Jei prietaisas buvo pagamintas namuose arba kitaip nepažymėtas, reikėtų pasitarti dėl tinkamo jo klasifikavimo ir ženklinimo. Lazeriai išsiskiria galia, bangos ilgiu ir ekspozicijos trukme.

Saugūs įrenginiai

Pirmos klasės prietaisai generuoja mažo intensyvumo lazerio spinduliuotę. Jis negali pasiekti pavojingo lygio, todėl šaltiniams netaikoma dauguma kontrolės ar kitų priežiūros formų. Pavyzdys: lazeriniai spausdintuvai ir CD grotuvai.

Sąlygiškai saugūs įrenginiai

Antros klasės lazeriai spinduliuoja matomoje spektro dalyje. Tai lazerio spinduliuotė, kurios šaltiniai žmonėms sukelia įprastą pasibjaurėjimo reakciją į per ryškią šviesą (mirksėjimo refleksą). Patekus į spindulį, žmogaus akis sumirksi per 0,25 s, o tai užtikrina pakankamą apsaugą. Tačiau lazerio spinduliuotė matomame diapazone gali pažeisti akį nuolat veikiant. Pavyzdžiai: lazeriniai rodyklės, geodeziniai lazeriai.

2a klasės lazeriai yra specialios paskirties įrenginiai, kurių išėjimo galia mažesnė nei 1 mW. Šie prietaisai daro žalą tik tada, kai yra tiesiogiai veikiami ilgiau nei 1000 sekundžių per 8 valandų darbo dieną. Pavyzdys: brūkšninio kodo skaitytuvai.

Pavojingi lazeriai

3a klasei priskiriami prietaisai, kurie nesukelia sužalojimų trumpalaikio poveikio neapsaugotos akies metu. Gali kelti pavojų naudojant fokusavimo optiką, pvz., teleskopus, mikroskopus ar žiūronus. Pavyzdžiai: 1–5 mW helio-neono lazeris, kai kurios lazerinės rodyklės ir pastato lygiai.

3b klasės lazerio spindulys gali susižaloti dėl tiesioginio poveikio arba atspindžio. Pavyzdys: helio-neoninis lazeris 5-500 mW, daug tiriamųjų ir gydomųjų lazerių.

4 klasė apima įrenginius, kurių galios lygis didesnis nei 500 mW. Jie pavojingi akims, odai, taip pat kelia gaisro pavojų. Spindulys, jo veidrodiniai ar išsklaidyti atspindžiai gali sužaloti akis ir odą. Turi būti imtasi visų saugos priemonių. Pavyzdys: Nd:YAG lazeriai, ekranai, chirurgija, metalo pjovimas.

Lazerio spinduliuotė: apsauga

Kiekviena laboratorija turi užtikrinti tinkamą asmenų, dirbančių su lazeriais, apsaugą. Kambario langai, pro kuriuos gali prasiskverbti spinduliuotė iš 2, 3 ar 4 klasės prietaiso, sukeldama žalą nekontroliuojamose vietose, turi būti uždengti arba kitaip apsaugoti, kol toks įrenginys veikia. Siekiant užtikrinti maksimalią akių apsaugą, rekomenduojama atlikti šiuos veiksmus.

• Ryšys turi būti įdėtas į neatspindintį, nedegią apsauginį gaubtą, kad būtų sumažinta atsitiktinio poveikio ar gaisro rizika. Norėdami išlygiuoti spindulį, naudokite fluorescencinius ekranus arba antrinius taikiklius; Vengti tiesioginio kontakto su akimis.
• Spindulio išlygiavimo procedūrai naudokite mažiausią galią. Jei įmanoma, pirminėms išlyginimo procedūroms naudokite žemos klasės prietaisus. Venkite nereikalingų atspindinčių objektų buvimo lazerio veikimo zonoje.
• Apriboti spindulio patekimą į pavojingą zoną ne darbo valandomis naudojant langines ir kitas užtvaras. Nenaudokite kambario sienų 3b ir 4 klasės lazerių spinduliams išlyginti.
• Naudokite neatspindinčias priemones. Kai kurie įrenginiai, kurie neatspindi matomos šviesos, atsispindi nematomoje spektro srityje.
• Nedėvėkite šviesą atspindinčių papuošalų. Metaliniai papuošalai taip pat padidina elektros smūgio riziką.

Apsauginiai akiniai

Dirbant su 4 klasės lazeriais atviroje pavojingoje zonoje arba ten, kur yra atspindžio rizika, reikia dėvėti apsauginius akinius. Jų tipas priklauso nuo spinduliuotės tipo. Akiniai turėtų būti parinkti taip, kad apsaugotų nuo atspindžių, ypač išsklaidytų atspindžių, ir užtikrintų tokio lygio apsaugą, kad natūralus apsauginis refleksas galėtų užkirsti kelią akių sužalojimui. Tokie optiniai įrenginiai išlaikys tam tikrą spindulio matomumą, išvengs odos nudegimų ir sumažins kitų nelaimingų atsitikimų tikimybę.

Renkantis apsauginius akinius reikia atsižvelgti į šiuos veiksnius:

• spinduliuotės spektro bangos ilgis arba sritis;
• optinis tankis esant tam tikram bangos ilgiui;
• didžiausias apšvietimas (W/cm2) arba spindulio galia (W);
• lazerinės sistemos tipas;
• galios režimas - impulsinis lazerio spinduliavimas arba nuolatinis režimas;
• atspindžio galimybės – veidrodinės ir difuzinės;
• matymo laukas;
• korekcinių lęšių buvimas arba pakankamo dydžio, kad būtų galima nešioti regėjimo korekcijos akinius;
• komfortas;
• ventiliacijos angų buvimas, kad būtų išvengta rasojimo;
• įtaka spalvų regėjimui;
• atsparumas smūgiams;
• gebėjimas atlikti būtinas užduotis.

Kadangi apsauginiai akiniai gali būti pažeisti ir nusidėvėti, laboratorijos saugos programoje turėtų būti periodiškai tikrinamos šios saugos priemonės.

Pagrindinės lazerio spinduliuotės savybės: monochromatiškumas, erdvinė ir laiko darna, kryptingumas, didelė galia ir ryškumas.

Monochromatiškumas ir poliarizacija .

Monochromatiškumas apibūdina spinduliuotės koncentracijos laipsnį visame spektre. Kiekybinė monochromatiškumo laipsnio charakteristika yra spektrinės linijos plotis 0,5 lygyje nuo jos maksimumo arba spektro diapazono, kurį užima linijų grupė.

Objektyvesnė charakteristika yra santykinis spektro plotis
, Kur ,- kampinis dažnis ir bangos ilgis, atitinkantys spektro maksimumą.

Rezonatoriaus skleidžiamo spektrinio režimo plotis nustatomas pagal jo kokybės koeficientą
. Savo ruožtu vertė lemia nuostoliai rezonatoriuje.

Teorinę lazerio spinduliuotės spektrinės linijos pločio ribą lemia du veiksniai: 1) triukšmas, kurį sukelia šiluminė spinduliuotė rezonatoriuje; 2) triukšmas, susijęs su spontanišku veikliosios medžiagos išmetimu. Optiniame diapazone triukšmas, atsirandantis dėl spontaniškos emisijos, vyrauja prieš šiluminį triukšmą. Jei atsižvelgsime tik į spontaniškų perėjimų sukeliamą triukšmą, paaiškėja, kad išėjimo lazerio spinduliuotės spektrinė linija turi Lorenco formulę (žr. 1.7 skyrių) su pusės pločiu.
, Kur R– lazerio spinduliuotės išėjimo galia.

Dėl lazerio išėjimo galios R= 1 mW, spinduliuoja raudonojoje spektro srityje ( λ 0 = 0,63 µm) ir turėdami rezonatoriaus kokybės koeficientą 10 8, gauname
≈ 5∙10 -16.
Nes , adresu L
=1m leistinas rezonatoriaus ilgio nuokrypis yra

= 5∙10 -7 nm. Akivaizdu, kad rezonatoriaus ilgio stabilizavimas tokiose ribose yra labai problemiškas. Realiomis sąlygomis monochromatinę lazerio spinduliuotę lemia ertmės ilgio pokyčiai, kuriuos sukelia šiluminiai efektai, vibracijos ir kt. Panagrinėkime klausimą poliarizacija lazerio spinduliuotė.Šviesa, kurios intensyvumo vektoriai yra tvarkingai orientuotiEIrH, vadinamas poliarizuotu . Lazeris, paprastai kalbant, gali generuoti nepoliarizuotą šviesą, tačiau tai kenkia stabiliam lazerio darbui. Norint užtikrinti, kad lazeris veiktų pagal vieną poliarizaciją ir išvestyje gautų plokštuminę poliarizaciją, pakanka įvesti nuostolius vienai iš dviejų poliarizacijų rezonatoriaus viduje.Šviesa, kurios intensyvumo vektoriai yra tvarkingai orientuotiEIrPlokštuminė poliarizuota šviesa yra šviesa, kurios virpesių vektorių kryptis yra bet kuriame erdvės taške lieka nepakitęs laike

. Kietojo kūno lazeriuose tam naudojama veikliosios medžiagos optinių savybių anizotropija. Pavyzdžiui, rubino lazerio spinduliavimas paprastai yra poliarizuotas dėl jo dvigubo lūžio ir kristalo optinės ašies neatitikimo rezonatoriaus ašiai. apibūdina dviejų ar kelių virpesių bangų procesų, atsirandančių juos sudėjus, suderintą įvykį laike ir erdvėje.

Paprasčiausia forma optikoje koherentiškumas siejamas su fazių skirtumo tarp dviejų skirtingų spindulių arba dviejų vienos spinduliuotės dalių pastovumu. Dviejų spindulių trukdžiai gali būti stebimi tik tada, kai jie yra tarpusavyje koherentiški.

Elektromagnetinei bangai galima apibrėžti dvi nepriklausomas sąvokas – erdvę ir koherentinį laiką.

Erdvinė darna reiškia elektromagnetinių bangų, skleidžiamų iš dviejų skirtingų šaltinio taškų tuo pačiu laiko momentu, fazių koreliaciją.

Laikinoji darna reiškia koreliaciją tarp elektromagnetinių bangų, skleidžiamų iš to paties taško, fazių.

Erdvinė ir laiko darna yra nepriklausomi parametrai: vienos rūšies darna gali egzistuoti, jei nėra kitos. Erdvinė darna priklauso nuo skersinio lazerio išvesties režimo. Nepertraukiamų bangų lazeris, veikiantis vienu skersiniu režimu, turi beveik tobulą erdvinę darną. Impulsinis lazeris daugiamodiu režimu turi ribotą erdvinę darną.

Laikinoji darna yra tiesiogiai susijusi su monochromatiškumu. Vieno dažnio (vieno režimo) nuolatinių bangų lazeriai turi aukštą laiko darnos laipsnį.

Dviejų emiterių tarpusavio darnos laipsnį galima eksperimentiškai nustatyti pagal trukdžių modelio kontrastą

, (1)

Ir
- intensyvumas didžiausiuose ir mažiausiuose trukdžių pakraščiuose.

Matuojant intensyvumą
Ir
šalia pasirinktų taškų ekrane, galite nustatyti funkciją , apibūdinantis pirmosios eilės tarpusavio darnos laipsnį.

. (2)

Stebėti tik erdvinę darną taškuose X 1 Ir X 2
, t.y. atlikti matavimus netoli taško 0 (žr. 2.10 pav.). Stebėti tik laikiną skylės darną X 1 Ir X 2 turi būti išdėstyti taip arti, kiek norima (sutapti), bet dviejų trukdančių bangų laiko delsa , pavyzdžiui, atskiriant bangą nuo skylės X 1 į dvi dalis naudojant papildomą permatomą veidrodį, kaip tai daroma Michelson interferometre.

Ryžiai. 2.10. Elektromagnetinės bangos koherentiškumo laipsnio matavimas Youngo interferometru.

Darnos laikas yra 1/∆ ω , Kur ∆ ω – linijos plotis Hz. Koherencijos laikas, padaugintas iš šviesos greičio, yra koherencijos ilgis. Pastarasis apibūdina holografijos lauko gylį ir didžiausius atstumus, kuriais galima atlikti interferometrinius matavimus.

Spinduliuotės koherentiškumas yra svarbus tais atvejais, kai lazerio pluoštas dalijasi ir vėliau susijungia. Šios programos apima interferometrinį lazerinį diapazoną ir holografiją.

Jei optinės spinduliuotės šaltinius išdėstysime mažėjančio jų generavimo koherentiškumo laipsnio tvarka, tai turėsime: dujinius lazerius - skystuosius - kietojo kūno dielektrinius lazerius - puslaidininkinius lazerius - dujų išlydžio lempas - šviesos diodus - kaitinamąsias lempas.

Kryptis ir ryškumas.

Spinduliavimo kryptis yra spinduliuotės lokalizacija šalia vienos krypties, kuri yra spinduliuotės sklidimo ašis.

Lazerio spinduliuotė pagal savo prigimtį yra labai kryptinga. Lazerio spinduliuotės kryptingumo koeficientas gali siekti 2000. Lazerio spinduliuotės divergenciją riboja difrakcijos reiškiniai..

Lazerio spinduliuotės kryptingumą apibūdina jos divergencija, kurią lemia generuojamos spinduliuotės bangos ilgio ir tiesinio rezonatoriaus dydžio santykis.  Lazerio spinduliuotė yra koherentiška, todėl bangos frontas, kaip taisyklė, yra beveik plokštuma arba labai didelio spindulio sfera. Taigi lazeris gali būti laikomas beveik lygiagrečių spindulių, kurių divergencija yra labai maža, šaltiniu. Iš esmės šį skirtumą lemia spindulių difrakcija išėjimo apertūroje. Kampinis nukrypimas izl
, Kur , nustatomas pagal difrakciją, įvertinamas pagal išraišką d

– skylės skersmuo arba sijos skersmuo siauriausioje jos vietoje.

Koherentinė lazerio spinduliuotė gali būti sufokusuota į itin mažą tašką, kur energijos tankis bus labai didelis. Teorinė mažiausio lazerio spindulio dydžio riba yra bangos ilgis. Pramoniniams lazeriams sufokusuoto šviesos taško matmenys yra 0,001-0,01 cm. Šiuo metu lazeriai yra pasiekę 10 11 W/cm 2 spinduliuotės galią (Saulės spinduliavimo tankis yra tik 7∙10 3 W/cm 2). Didelis lazerio spinduliuotės kryptingumas lemia ir didelį jo ryškumą.

Be energetinio ryškumo, pristatoma fotometrinio ryškumo sąvoka. Jis skirtas įvertinti šviesos poveikio žmogaus akims veiksmingumą. Perėjimas nuo energijos kiekių prie fotometrinių vyksta per koeficientą
, priklausomai nuo bangos ilgio.

Šis koeficientas yra spinduliuotės srauto šviesos ekvivalentas ir vadinamas monochromatinės spinduliuotės spektrinis šviesos efektyvumas arba matomumas. Normaliam regėjimui dienos metu matomumo funkcijos maksimumas atsiranda ties bangos ilgiu = 555 nm (veidrodžio šviesa). At =380 ir 780 nm matomumas sumažėja beveik iki nulio.

Lazerio spinduliuotės trukmė

Trukmė nustatoma pagal lazerio konstrukciją. Galima išskirti šiuos tipinius spinduliuotės pasiskirstymo laikui bėgant būdus:

Nepertraukiamas režimas;

Impulsinis režimas, impulso trukmė nustatoma pagal siurblio lempos blyksnio trukmę, tipinė trukmė Dfl ~ 10-3 s;

Rezonatoriaus Q perjungimo režimas (spinduliavimo impulso trukmę lemia siurbimo perteklius virš lazerio slenksčio ir Q faktoriaus įjungimo greitis ir greitis, tipinė trukmė yra 10-9-10 intervale -8 s, tai vadinamasis nanosekundžių spinduliavimo trukmės diapazonas);

Sinchronizacijos režimas ir išilginiai režimai rezonatoriuje (spinduliavimo impulso trukmė Dfl ~ 10-11 s - pikosekundinis spinduliavimo trukmės diapazonas);

Įvairūs priverstinio spinduliavimo impulsų trumpinimo režimai (Dfl ~ 10-12 s).

Spinduliuotės galios tankis

Lazerio spinduliuotę galima sutelkti į siaurą spindulį su dideliu galios tankiu.

Spinduliuotės galios tankis Ps nustatomas pagal spinduliuotės galios, einančios per lazerio pluošto skerspjūvį, santykį su skerspjūvio plotu ir turi matmenį W cm-2.

Atitinkamai, spinduliuotės energijos tankis Ws nustatomas pagal energijos, einančios per lazerio pluošto skerspjūvį, santykį su skerspjūvio plotu ir turi matmenį J cm-2.

Lazerio spindulio galios tankis pasiekia dideles reikšmes, nes pridedama daugybė atskirų atomų, kurie toje pačioje fazėje patenka į pasirinktą erdvės tašką, koherentinės spinduliuotės energiją.

Naudojant optinių lęšių sistemą, koherentinė lazerio spinduliuotė gali būti sufokusuota į mažą plotą, panašų į objekto paviršiaus bangos ilgį.

Lazerio spinduliuotės galios tankis šioje vietoje pasiekia milžiniškas vertes. Svetainės centre galios tankis yra:

čia P – lazerio spinduliuotės išėjimo galia;

D – optinės sistemos lęšio skersmuo;

l - bangos ilgis;

f yra optinės sistemos židinio nuotolis.

Didžiulio galios tankio lazerio spinduliuotė, veikianti įvairias medžiagas, sunaikina ir net išgarina jas krintančios fokusuotos spinduliuotės srityje. Tuo pačiu metu lazerio spinduliuotės patekimo į medžiagos paviršių srityje ant jo susidaro šimtų tūkstančių megapaskalių lengvas slėgis.

Dėl to pastebime, kad fokusuojant lazerio spinduliuotę į tašką, kurio skersmuo yra maždaug lygus spinduliuotės bangos ilgiui, galima gauti 106 MPa šviesos slėgį, taip pat didžiulius spinduliuotės galios tankius, siekiančius 1014 -1016 W.cm-2, o temperatūra iki kelių milijonų kelvinų.

Optinio kvantinio rezonatoriaus blokinė schema

Lazeris susideda iš trijų pagrindinių dalių: aktyviosios terpės, siurblio įrenginio ir optinės ertmės. Kartais pridedamas ir terminio stabilizavimo įtaisas.

3 pav. Lazerinė blokinė schema

1) Aktyvi terpė.

Rezonansinei absorbcijai ir stiprinimui dėl stimuliuojamos emisijos būtina, kad banga praeitų per medžiagą, kurios atomai ar atomų sistemos būtų „suderintos“ į norimą dažnį. Kitaip tariant, energijos lygių E2 - E1 skirtumas medžiagos atomams turi būti lygus elektromagnetinės bangos dažniui, padaugintam iš Planko konstantos: E2 - E1 = hn. Be to, kad stimuliuojama emisija vyrautų prieš absorbciją, viršutiniame energijos lygyje turi būti daugiau atomų nei apatiniame. Paprastai tai neįvyksta. Be to, bet kuri atomų sistema, pakankamai ilgam palikta sau, žemoje temperatūroje patenka į pusiausvyrą su aplinka, t.y. pasiekia žemiausios energijos būseną. Esant aukštesnei temperatūrai, kai kurie sistemos atomai yra sužadinami šiluminiu judėjimu. Esant be galo aukštai temperatūrai, visos kvantinės būsenos būtų vienodai užpildytos. Tačiau kadangi temperatūra visada yra baigtinė, vyraujanti atomų dalis yra žemiausioje būsenoje, o kuo aukštesnės būsenos, tuo jos mažiau užpildytos. Jei esant absoliučiai temperatūrai T žemiausioje būsenoje yra n0 atomų, tai sužadintos būsenos atomų, kurių energija dydžiu E viršija žemiausios būsenos energiją, gaunamas Boltzmanno skirstinys: n=n0e -E/kT, kur k yra Boltzmanno konstanta. Kadangi pusiausvyros sąlygomis žemesnėse būsenose visada yra daugiau atomų nei aukštesnėse, tokiomis sąlygomis visada vyrauja absorbcija, o ne amplifikacija dėl stimuliuojamos emisijos. Tam tikros sužadintos būsenos atomų perteklius gali būti sukurtas ir palaikomas tik dirbtinai perkeliant juos į šią būseną ir greičiau nei jie grįžta į šiluminę pusiausvyrą. Sistema, kurioje yra sužadintų atomų perteklius, linkusi į šiluminę pusiausvyrą ir turi būti palaikoma nepusiausvyros būsenoje, sukuriant joje tokius atomus.

2) Rezonatorius.

Optinis rezonatorius – tai specialiai suderintų dviejų veidrodžių sistema, parinkta taip, kad dėl spontaniškų perėjimų rezonatoriuje atsirandanti silpna stimuliuojama emisija būtų daug kartų sustiprinta, pereidama per tarp veidrodžių esančią aktyvią terpę. Dėl daugybinių spinduliuotės atspindžių tarp veidrodžių vyksta aktyviosios terpės pailgėjimas rezonatoriaus ašies kryptimi, o tai lemia didelį lazerio spinduliuotės kryptingumą. Sudėtingesni lazeriai naudoja keturis ar daugiau veidrodžių, kad suformuotų ertmę. Šių veidrodžių gamybos ir montavimo kokybė yra labai svarbi gautos lazerinės sistemos kokybei. Taip pat lazerinėje sistemoje gali būti montuojami papildomi įrenginiai įvairiems efektams pasiekti, pavyzdžiui, besisukantys veidrodžiai, moduliatoriai, filtrai ir absorberiai. Jų naudojimas leidžia keisti lazerio spinduliuotės parametrus, pavyzdžiui, bangos ilgį, impulso trukmę ir kt.

Rezonatorius yra pagrindinis veiksnys, lemiantis veikimo bangos ilgį, taip pat kitas lazerio savybes. Yra šimtai ar net tūkstančiai įvairių darbinių skysčių, ant kurių gali būti pastatytas lazeris. Darbinis skystis „siurbiamas“, kad būtų gautas elektronų populiacijos inversijos efektas, kuris sukelia stimuliuojamą fotonų emisiją ir optinio stiprinimo efektą. Lazeriuose naudojami šie darbiniai skysčiai.

Skystis, pavyzdžiui, dažų lazeriuose, susideda iš organinio tirpiklio, tokio kaip metanolis, etanolis arba etilenglikolis, kuriame yra ištirpinti cheminiai dažai, tokie kaip kumarinas arba rodaminas. Dažų molekulių konfigūracija lemia darbinį bangos ilgį.

Dujos, tokios kaip anglies dioksidas, argonas, kriptonas arba mišiniai, pvz., helio-neono lazeriuose. Tokie lazeriai dažniausiai pumpuojami elektros iškrovomis.

Kietosios medžiagos, tokios kaip kristalai ir stiklas. Kieta medžiaga dažniausiai legiruojama (aktyvuojama) pridedant nedidelį kiekį chromo, neodimio, erbio ar titano jonų. Tipiški naudojami kristalai yra aliuminio granatas (YAG), itrio ličio fluoridas (YLF), safyras (aliuminio oksidas) ir silikatinis stiklas. Dažniausi variantai yra Nd:YAG, titano safyras, chromo safyras (taip pat žinomas kaip rubinas), chromu legiruotas stroncio ličio aliuminio fluoridas (Cr:LiSAF), Er:YLF ir Nd:stiklas (neodimio stiklas). Kietojo kūno lazeriai dažniausiai pumpuojami blykstės lempa ar kitu lazeriu.

Puslaidininkiai. Medžiaga, kurioje elektronų perėjimą tarp energijos lygių gali lydėti spinduliuotė. Puslaidininkiniai lazeriai yra labai kompaktiški ir pumpuojami elektros srove, todėl juos galima naudoti vartotojų įrenginiuose, pavyzdžiui, CD grotuvuose.

3) Siurbimo įrenginys.

Siurblio šaltinis tiekia energiją sistemai. Tai gali būti elektros kibirkšties tarpas, blykstės lempa, lanko lempa, kitas lazeris, cheminė reakcija ar net sprogmuo. Naudojamo siurbimo įrenginio tipas tiesiogiai priklauso nuo naudojamo darbinio skysčio, taip pat lemia energijos tiekimo į sistemą būdą. Pavyzdžiui, helio-neoniniai lazeriai naudoja elektros iškrovas helio ir neono dujų mišinyje, o lazeriuose, kurių pagrindas yra neodimiu legiruotas itrio aliuminio granatas (Nd:YAG lazeriai), naudojama fokusuota šviesa iš ksenoninės blykstės lempos, o eksimeriniai lazeriai naudoja cheminės reakcijos.