Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
247
ЛЕКЦИЯ №19
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
1. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Проблема создания мощных остронаправленных источников электромагнитного излучения издавна существовала в практической жизни человека. Она была решена с открытием явления вынужденного излучения. Возник новый раздел физики квантовая электроника, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных волн, основанные на использовании вынужденного излучения квантовых систем. Были созданы квантовые генераторы волн СВЧ-диапазона – мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), а чуть позже оптические квантовые генераторы – лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Явление вынужденного (индуцированного) излучения было предсказано А. Эйнштейном в 1916 году. Анализируя состояние термодинамического равновесия тел, он пришёл к выводу, что в квантовых системах помимо поглощения (рис.1а) и спонтанного излучения (рис.1б) должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия тела и излучения. Сущность этого взаимодействия заключается в следующем. Если на атом, который находится в возбуждённом состоянии воздействовать внешним излучением с частотой ν, удовлетворяющей условию hν = Е2 – Е1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход с возбуждённого уровня Е2 в основное состояние Е1 (рис.1в). В результате вынужденного квантового перехода излучается новый фотон, и от частицы будут распространяться два фотона: первичный, внешний и второй – излученный. Эйнштейн и Дирак показали, что эти фотоны во всех отношениях тождественны друг другу: они имеют одинаковую частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении, т.е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Эти два фотона, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют дальнейшие вынужденные переходы. При соответствующих условиях число фотонов лавинообразно нарастает. Возникает строго когерентное индуцированное излучение.
Число вынужденных переходов будет определяться заселённостью энергетических уровней соответствующих данному возбуждённому состоянию атомов среды.
С другой стороны параллельно с вынужденным излучением имеет место конкурирующий процесс – поглощение фотонов. Число актов поглощения пропорционально заполненности энергетических уровней соответствующих основному состоянию атомов среды. В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана (рис.2). По оси абсцисс откладывается вероятность нахождения атома в данном энергетическом состоянии. Как видно из рисунка (кривая 1) «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Это означает, что актов поглощения будет больше, чем актов излучения. Кванты индуцированного излучения будут поглощены, так и не успев вызвать последующие вынужденные переходы. Т.О. усиление света не произойдёт.
Чтобы осуществить усиление света, необходимо создать неравновесное состояние, при котором число атомов в возбуждённых состояниях больше их числа в основном (кривая 2). Такие состояния называются состояниями с инверсией населённости. Процесс перевода среды в состояние с инверсной населённостью уровней возбуждения называется накачкой. Среды, которые допускают перевод в инверсное состояние, и вследствие этого способные усиливать падающий на них пучок света называются активными. В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.
2. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)
Впервые вынужденное излучение наблюдалось в 1939 г. русским физиком В.А.Фабрикантом в эксперименте с парами ртути. В 1951 г. было зарегистрировано авторское свидетельство, в котором предлагался способ генерации и усиления электромагнитного излучения за счёт индуцированного излучения. С этого момента в физике возникло новое направление – квантовая электроника. На практике первый принципиально новый генератор электромагнитного излучения в микроволновом (СВЧ) диапазоне (мазер) сконструирован в 1955 году русскими учёными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским учёным И. Таунсом. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. В 1960 году Т. Мейманом был построен первый генератор, работающий в оптическом диапазоне (лазер), с рубином в качестве рабочего вещества. А спустя несколько месяцев другой американский учёный А. Джаван создал первый газовый лазер. В качестве активной среды он использовал смесь газов гелия и неона.
Функциональная схема любого лазера обязательно включает в себя три основных компонента:
Рассмотрим принцип получения индуцированного излучения на примере рубинового лазера (рис.3). Рубин – это кристаллическая окись алюминия Al2O3 с примесью трехвалентных ионов хрома Cr3+ (0,03 – 0,05%).
Рабочим телом этого лазера является кристалл рубина в виде стержня цилиндрической формы, со строго параллельными тщательно отшлифованными торцами (образуют зеркальный резонатор). Один торец покрыт толстым слоем серебра и непрозрачен для света. Толщину покрытия другого торца подбирают таким образом, чтобы оно было полупрозрачным для испускаемого лазером излучения. Длина стержня ограничена. Использование рубина длиной более 30 см не целесообразно, т.к. усложняется накачка атомов и фокусировка излучения.
В рубиновом лазере применяется оптическая накачка активной среды. С этой целью используется импульсная ксеноновая лампа, в виде спирали, обвивающей рубиновый стержень. Плазма, возникающая в лампе в результате электрического разряда, излучает мощный импульс света, который проникает в рубиновый стержень и возбуждает атомы хрома. Из всего потока света атомы хрома поглощают фотоны только с длиной волны λ = 560 нм (соответствуют зелёному цвету), в результате чего переходят с энергетического уровня 1 на уровень 3.
Время жизни в возбуждённом состоянии на этом уровне ~10-8 с. После чего происходит спонтанный переход на уровень1 или, что наиболее вероятно, безизлучательный переход на более низкий уровень 2. Энергия безизлучательного перехода 3→2 превращается в тепловую энергию кристаллической решётки рубина. Переход 2→1 запрещён правилами отбора. Это означает, что спонтанные переходы 2→1 маловероятны, т.е. уровень 2 является метастабильным. Время жизни в возбуждённом состоянии 2 порядка 10-3 с. Это примерно в 100 000 раз больше, чем в состоянии 3. При достаточной мощности накачки на уровне 2 будет создано состояние с инверсной населённостью. Теперь каждый случайно родившийся при спонтанном переходе 2→1 фотон может вызвать лавину индуцированных переходов 2→1, в результате чего появятся вторичные фотоны, точная копия первичных. Зарождается когерентное индуцированное излучение с длиной волны соответствующей переходу 2→1 (λ = 694,3 нм).
Индуцированное излучение возникает одновременно во множестве точек рабочего тела лазера. Т.к. первичные фотоны, инициирующие этот процесс, испускаются в разных направлениях, то и вынужденное излучение будет распространяться в самых разных направлениях. Потоки вторичных фотонов, направленных под углом к оси рубинового стержня выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же фотоны, которые будут двигаться параллельно оси стержня, испытают многократное отражение от зеркальных торцов рабочего тела лазера. При каждом отражении поток фотонов будет нарастать. В конечном итоге резонатор сформирует когерентный строго направленный пучок огромной яркости, который выйдет из лазера через полупрозрачное зеркало.
Как и большинство твёрдотельных оптических квантовых генераторов, лазер на рубине работает в импульсном режиме. Средняя мощность излучения около 1Вт, коэффициент полезного действия до 2%.
Наряду с кристаллическими, в настоящее время широкое распространение получили газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется газ или смесь газов. Характерным для таких лазеров является непрерывность режима излучения.
В первом газовом лазере (рис.5) в качестве активной среды использовали смесь газов гелия и неона, которыми в пропорции 10 : 1 заполняли кварцевую газоразрядную трубку. Накачка газа производилась с помощью высокочастотного (ВЧ) генератора, который создаёт между вмонтированными в трубку электродами (катод 1 и анод 5) тлеющий разряд. Резонатор представляет собой два параллельных зеркала 6 установленных вне газоразрядной трубки перпендикулярно её оптической оси 00. Выходные окна 5 располагаются так, что перпендикуляр к их плоскости составляет с осью 00 угол Брюстера. Благодаря этому получают высокомонохроматическое, плоскополяризованное излучение и, кроме того, практически исключают потери на отражение от поверхностей выходных окон трубки. 2 – поглотитель посторонних газов. Процесс генерации излучения происходит в рабочем капилляре 4 газоразрядной трубки (d = 1÷10мм). Активными центрами являются атомы неона.
Генерация лазерного излучения происходит при переходе атомов неона из возбуждённого состояния 3 на один из нижележащих уровней 2 (рис.6). Для этого необходимо увеличить населённость уровня 3 и уменьшить её на уровне 2. Гелий играет вспомогательную роль – способствует созданию инверсной заселённости рабочих уровней атомов неона. Накачка осуществляется в два этапа (рис.6). Электрический разряд возбуждает атомы гелия (Не), переводя их на метастабильный уровень 3*. Т.к. первый возбуждённый уровень 3* гелия практически совпадает с уровнем 3 неона, то при неупругих соударениях возбуждённые атомы гелия передают свою энергию атомам неона, а сами возвращаются в исходное состояние. В результате этого атомы неона из основного состояния переходят на уровень 3. Т.к. атомов гелия больше и их уровень 3* метастабильный, то на уровне 3 неона удаётся создать состояние инверсной населённости.
Разгрузка уровня 2 осуществляется путём подбора диаметра газоразрядной трубки. Его подбирают таким, чтобы соударение атомов неона со стенками трубки стимулировало их переход из состояния 2 в основное состояние 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населённость рабочих уровней 2 и 3 неона.
Верхние уровни неона (2, 3) обладают сложной структурой, они состоят из множества подуровней. Существует около 30 разрешённых правилами отбора переходов с подуровней 3 на подуровни 2. Поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на многих длинах волн в области видимого и инфракрасного излучения. Выбор длины волны осуществляется с помощью резонатора. Резонатор создаёт условия для самовозбуждения и поддержки генерации только одной выбранной длины волны. Так, например, первый гелий-неоновый лазер излучал длину волны 1,153 нм. Примерно через два года была открыта генерация в области видимого света на длине волны 632,8 нм. Мощность излучения, испускаемого гелий-неоновым лазером, порядка 10 мВт, коэффициент полезного действия около 0,1 %.
3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
БИОФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИМЕНЕНИЕ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Лазерное излучение обладает следующими физическими свойствами:
1. Высокая пространственная и временнáя когерентность. Это означает, что определённые фазовые соотношения между отдельными волнами сохраняются в течение некоторого времени не только в данной точке пространства, но и между колебаниями, происходящими в разных точках. Такая согласованность процессов позволяет сфокусировать пучок лазерного излучения в пятно диаметром равным длине волны этого излучения. Это позволяет увеличить и без того большую интенсивность пучка лазерного излучения.
2. Строгая монохроматичность излучения. Интервал длин волн Δλ испускаемых лазером достигает величины ~ 10-15 м (в среднем Δλ < 10-11 ).
3. Большая плотность потока энергии. Так, например, неодимовый лазер генерирует импульсы длительностью 3·10-12 с и энергией 75 Дж, что соответствует мощности 2,5·1013 Вт (мощность Красноярской ГЭС 6·109 Вт)! Для сравнения отметим так же, что интенсивность солнечного света на поверхности Земли всего лишь 103 Вт/м2 , в то время как лазерные системы могут давать интенсивность до 1020 Вт/м2.
Необычные свойства лазерного излучения находят широкое практическое применение. В промышленности лазеры используют для обработки, резания и микросварки твёрдых материалов (например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе), скоростного и точного обнаружения дефектов обработки поверхностей и др. В науке лазерное излучение применяют для исследования механизма химических реакций и получения сверхчистых веществ; для разделения изотопов и изучения высокотемпературной плазмы; для сверхточных дистанционных измерений перемещений, показателей преломления, давления и температуры (в астрономии). Высокая когерентность лазерного излучения позволила осуществить принципиально новый метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн. Этот метод получения трёхмерного изображения был назван голографией (от греческого слова holos – весь). Он заключается в следующем (рис.7): перед экраном-фотодетектором (фотопластинка) 3 помещён объект 2. Полупрозрачное зеркало 4 расщепляет лазерный пучок на опорную 7 и сигнальную 8 волны. Опорная волна 7, сфокусированная линзой 5, отражается зеркалом 6 прямо на фотопластинку. Сигнальная волна 8 попадает на фотодетектор после отражения от предмета 2. Т.к. волны 7 и 8 когерентны, то накладываясь друг на друга, они образуют на фотопластинке интерференционную картину. После проявления фотодетектора получается голограмма – «негатив» интерференционной картины сложения двух когерентных световых волн 7 и 8.
При освещении голограммы световой волной тождественной опорной под соответствующим углом происходит дифракция этой «считывающей» волны на «дифракционной решётке», которую представляет собой зафиксированная на голограмме интерференционная картина. В результате восстанавливается (становится наблюдаемым) зарегистрированное на голограмме изображение объекта.
Если фотодетектор имеет толщину светочувствительного слоя сравнимую с расстоянием между соседними интерференционными полосами, получают обычную двухмерную, плоскую голограмму, если же толщина слоя много больше расстояния между полосами – получают трёхмерное (объёмное) изображение.
Восстановить изображение с объёмной голограммы можно и в белом свете (солнечный свет или свет обычной лампы накаливания) – голограмма сама “выбирает” из сплошного спектра ту длину волны, которая может восстановить записанное на голограмме изображение.
Рассмотрим основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с веществом и биологическими объектами.
Термический эффект. При поглощении лазерного излучения веществом, тканями человека, животных и растений значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологических тканях поглощение происходит избирательно, т.к. входящие в состав тканей структурные элементы имеют разные показатели поглощения и отражения. Термический эффект лазерного облучения определяется интенсивностью светового потока и степенью его поглощения тканью. При этом изменения, возникающие в тканях, сходны с ожогом. Однако в отличие от ожога границы области локального повышения температуры чётко очерчены. Это связано с очень малым поперечным сечением пучка лазерного излучения, кратковременностью воздействия и плохой теплопроводности биологических тканей. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при нагревании разрушаются первыми, что в свою очередь приводит к замедлению биохимических реакций в клетках. При достаточной интенсивности лазерного облучения может происходить коагуляция (необратимая денатурация) белков и полное разрушение тканей.
Ударный эффект. Выделение тепла в зоне воздействия лазерного луча происходит за миллионные, и даже стомиллионные доли секунды. Мгновенное испарение частиц тканей и их быстрое объёмное расширение вызывает резкий рост давления в очаге нагревания. В результате, в жидких компонентах клеток и тканях возникает ударная волна, которая распространяется со сверхзвуковой скоростью (~1500 м/с) и способная вызвать их повреждение.
Электрические явления. Лазерное излучение по своей природе представляет собой электромагнитное поле. При достаточно большой электрической составляющей этого поля воздействие лазерного луча будет вызывать ионизацию и возбуждение атомов и молекул. В биологических тканях это может привести к избирательному разрушению химических связей в молекулах, образованию свободных радикалов и, как следствие, к различным патологическим процессам в организмах животных и человека. Предполагается, что они обуславливают химические мутации, возникновение раковых заболеваний, биологическое старение.
Перечисленные выше свойства лазерного излучения и эффекты его взаимодействия с биотканями определяют уникальные возможности применения лазеров в экспериментальной биологии и медицине.
Сфокусированный до диаметра всего в несколько микрон, лазерный луч становиться исследовательским и микрохирургическим инструментом на клеточном уровне. Облучая определённые участки хромосом можно вызвать изменение наследственности. Такой лазерный луч позволяет отщепить от макромалекулы отдельные фрагменты и «пришить» на их место новые. Использование лазера сделало технически возможным решение целого ряда задач цитологии, цитогенетики, эмбриологии и других направлений биологической науки.
Основными областями применения лазеров в медицине является хирургия, офтальмология и онкология.
В хирургии применяются СО2-лазеры мощностью 30 ÷ 100 Вт, работающие в непрерывном режиме. Свойства лазерного луча разрушать биологические ткани, совмещённые с коагуляцией белка, позволяет проводить бескровные рассечения. Лазерный скальпель перед традиционным скальпелем имеет ряд преимуществ. Основными проблемами хирургии является боль, кровотечение и стерильность. Эти проблемы решаются при использовании лазера очень просто: лазерное излучение, в отличие от обычного скальпеля, не может внести инфекцию, оно стерилизует рассекаемые ткани, даже если они уже инфицированы нагноением; потери крови не происходит, поскольку кровеносные сосуды мгновенно закупориваются свернувшейся кровью; лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, что снижает ощущение боли. Кроме того, с помощью современных эндоскопов и гибких световодов (волоконная оптика) лазерное излучение может вводиться во внутренние полости, благодаря чему становятся возможными остановка внутреннего кровотечения и испарение нагноений без вскрытия органов. Для целей хирургии у нас в стране созданы установки «Скальпель-1» (Р = 30Вт) и «Ромашка-1» (Р = 100 Вт).
В офтальмологии используются импульсные рубиновые лазеры (длительность импульсов 30 ÷70 нс; Е = 0, 1 ÷ 0,3 Дж), которые позволяют без нарушения целостности глаза осуществлять ряд сложных операций: приваривание отслоившейся сетчатки к сосудистой оболочке глаза (офтальмокоагулятор); лечение глаукомы путём прокалывания лазерным лучом отверстия диаметром 50-100 нм, для оттока жидкости с целью снижения внутриглазного давления; лечения некоторых видов катаракт и других дефектов радужной оболочки глаза. Для лечения глаукомы была создана установка «Ятаган-1».
В онкологии лазерное излучение используется при иссечении и некротизации клеток злокачественных опухолей. При некротизации злокачественных опухолей используется избирательность поглощения лазерного излучения различными тканями. Например, некоторые пигментированные опухоли (меланома, гемангиома) поглощают лазерное излучение гораздо интенсивнее, чем окружающие ткани. При этом в микроскопическом объеме ткани молниеносно выделяется тепло с образованием ударной волны. Эти факторы вызывают разрушение злокачественных клеток. При импульсном воздействии температура тканей на глубине 4-5 мм повышается до 55-600С. При использовании лазеров, работающих в непрерывном режиме, температуру можно повысить до 1000С. Для воздействия на опухоли используется сфокусированное лазерное излучение (d = 1,5÷3 мм на поверхности объекта) интенсивностью I = 200 ÷ 900 Вт/см2.
Установлено, что лазерное излучение имеет ряд преимуществ перед используемой для лечения рака кожи рентгенотерапией: существенно уменьшается радиационная нагрузка и в несколько раз уменьшаются затраты. С помощью менее интенсивного излучения можно подавлять рост раковых клеток (лазерная терапия). Для этой цели используется специальная лазерная установка «Пульсатор-1» или аргоновые лазеры мощностью до 1 Вт. Рак кожи излечивается лазером в 97% случаев.
Рис. 1
б)
спонтанное
излучение
Е1
Е2
вынужденное
излучение
в)
1
Рис. 7
Е2
а)
поглощение
Е1
Е2
hν
hν
hν
hν
hν
Рис. 3
Рис.5