4 ноября 2013 в 21:33

Спектроскопия в стиле гетто: Исследуем спектр и (без)опасность лазеров

DIY или Сделай сам

Думаю, каждый, кто читает эту статью играл с лазерными указками. В последнее время китайцы поднимают мощности излучения все выше - а о безопасности заботиться нам придется самим.

Помимо этого - также получилось на коленке посмотреть спектр излучения лазера - генерирует ли он на одной частоте, или сразу на нескольких. Это может быть нужно, если вы хотите попробовать записать голограмму в домашних условиях.

Вспомним конструкцию зеленых DPSS лазеров

808нм инфракрасный лазерный диод светит на кристалл неодимового лазера на кристалле Nd:YVO4 или Nd:YAG, который излучает свет уже на длине волны 1064нм. Затем в нелинейном кристалле KTP происходит удвоение частоты - и мы получаем зеленый свет 532нм.

Очевидная проблема тут в том, что 808нм и 1064нм излучение может выходить из лазера (если выходного фильтра нет, или он плохого качества) под неизвестным углом, и незаметно для нас заняться художественным вырезанием по сетчатке. Глаз человека вообще не видит 1064нм, а 808нм излучение - очень слабо, но в темноте можно увидеть (не слишком опасно это только с рассеянным излучением на маленькой мощности!).

Однако какое излучение в сфокусированной части излучения лазера? Попробуем это выяснить.

Первый подход: лист бумаги и CD-диск

Идея проста - светим лазером через дырочку в листе бумаги A4 на поверхность штампованного CD-диска . Бороздки на поверхности диска - в первом приближении работают как дифракционная решетка, и раскладывают свет в спектр.

Каждая длина волны формирует сразу несколько изображений - несколько положительных и несколько отрицательных порядков.

В результате глазом и обычной фотокамерой увидим следующее:

Однако, если посмотреть на лист бумаги камерой без ИК фильтра, замечаем странную сиреневую точечку между первой и второй точкой от центра:

Второй подход: дисперсионные призмы

Призма также раскладывает свет в спектр, однако разница углов преломления для разных длин волн - намного меньше. Именно поэтому этот вариант у меня далеко не сразу удалось осуществить - я продолжал видеть одну точку. Ситуацию усугубляло то, что призмы у меня были из обычного стекла, которые в спектр разлагают свет вдвое хуже специализированных.

Результат достигнут: четко видны точки 808нм, 1064нм и зеленая 532нм. Глаз человека на месте ИК точек не видит вообще ничего.

На 1W зеленом лазере с помощью «пальцевого высокоточного измерителя мощности» (сокращенно ПВИМ) удалось выяснить, что в моем случае подавляющая часть излучения - 532нм, а 808нм и 1064нм хоть и обнаруживаемы камерой, но мощность их в 20 и более раз меньше, ниже предела обнаружения ПВИМ.

Настал черед проверить очки

Китайцы обещают, что ослабление в 10тыс раз (OD4) для диапазонов 190-540нм и 800-2000нм. Что-ж, проверим, глаза-то не казенные.

Надеваем очки на камеру (если надеть на лазер - дырку проплавит, они пластиковые), и получаем: 532нм и 808нм ослабляются очень сильно, от 1064нм немного остается, но думаю не критично:

Из любопытства решил проверить цветные анаглифные очки (с красным и синим стеклом). Красной половиной зеленый задерживается хорошо, а вот для инфракрасного света они прозрачные:

Синяя половина - вообще практически никакого эффекта не оказывает:

Генерирует ли лазер на одной частоте или нескольких?

Как мы помним, основной элемент конструкции DPSS лазера - резонатор Фабри - Перо , представляющий собой 2 зеркала, одно полупрозрачное, второе обычное. Если длина волны генерируемого излучения не будет укладываться в длину резонатора целое число раз - из-за интерференции волны будут гасить сами себя. Без применения специальных средств лазер будет одновременно генерировать свет сразу на всех допустимых частотах.

Чем больше размеры резонатора - тем больше возможных длин волн, на которых может генерировать лазер. В самых маломощных зеленых лазерах - кристалл неодимового лазера представляет собой тоненькую пластинку, и зачастую там возможны только 1 или 2 длины волны для генерации.

При изменении температуры (=размеров резонатора) или мощности - частота генерации может изменится плавно, или скачком.

Почему это важно? Лазеры генерирующие свет на одной длине волны можно использовать для голографии в домашних условиях, интерферометрии (сверхочное измерения расстояний) и прочих веселых штук.

Что-ж, проверим. Берем тот же CD-диск, но на этот раз наблюдать за пятном будем не с 10 см, а с 5 метров (т.к. нам нужно увидеть разницу длин волн порядка 0.1нм, а не 300нм).

1W зеленый лазер: Из-за больших размеров резонатора - частоты идут с маленьким интервалом:

10mW зеленый лазер: Размеры резонатора маленькие - в том же диапазоне спектра помещаются только 2 частоты:

При снижении мощности - остается только одна частота. Можно писать голограмму!

Посмотрим и на другие лазеры. Красный 650нм 0.2Вт:

Ультрафиолетовый 405нм 0.2Вт:

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

длина волны или область спектра излучения;
оптическая плотность при определенной длине волны;
максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
тип лазерной системы;
режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
возможности отражения - зеркального и диффузного;
поле зрения;
наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
комфорт;
наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
влияние на цветовое зрение;
ударопрочность;
возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Лазер (от англ. « light amplification by stimulated emission of radiation » - «усиление света путем стимулирования излучения») или оптический квантовый генератор - это специальный тип источника излучения с обратной связью, излучающим телом в котором является инверсно-населенная среда. Принципы работы лазера основаны на свойствах лазерного излучения : монохроматичности и высокой когерентности (пространственной и временной). Т акже к числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость (иногда можно встретить термин «высокая направленность излучения»), что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения. Таким образом, чтобы понять принципы работы лазера, необходимо поговорить о характерных свойствах лазерного излучения и инверсно-населенной среды – одного из трех основных компонент лазера.

Спектр лазерного излучения. Монохроматичность.

Одной из характеристик излучения любого источника является его спектр. Солнце, бытовые осветительные приборы обладают широким спектром излучения, в котором присутствуют компоненты с разными длинами волн. Наш глаз воспринимает такое излучение как белый свет, если в нем интенсивность разных компонент примерно одинакова, или как свет с каким-либо оттенком (например, в свете нашего Солнца доминируют зеленая и желтая компоненты).

Лазерные источники излучения, напротив, имеют очень узкий спектр. В некотором приближении можно сказать, что все фотоны лазерного излучения имеют одну и ту же (или близкие) длины волн. Так, излучение рубинового лазера, например, имеет длину волны 694.3 нм, что соответствует свету красного оттенка. Относительно близкую длину волны (632.8 нм) имеет и первый газовый лазер – гелий-неоновый. Аргон-ионный газовый лазер, напротив, имеет длину волны 488.0 нм, что воспринимается нашим глазом как бирюзовый цвет (промежуточный между зеленым и голубым). Лазеры на основе сапфира, легированного ионами титана, имеет длину волны, лежащую в инфракрасной области (обычно вблизи длины волны 800 нм), поэтому его излучение невидимо для человека. Некоторые лазеры (например, полупроводниковые с вращающейся дифракционной решеткой в качестве выходного зеркала) могут перестраивать длину волны своего излучения. Общим для всех лазеров, однако, является то, что основная доля энергии их излучения сосредоточена в узкой спектральной области. Это свойство лазерного излучения и называется монохроматичностью (от греч. «один цвет»). На рис. 1 для иллюстрации данного свойства приведены спектры излучения Солнца (на уровне внешних слоев атмосферы и на уровне моря) и полупроводникового лазера производства компании Thorlabs .

Рис. 1. Спектры излучения Солнца и полупроводникового лазера.

Степень монохроматичности лазерного излучения можно охарактеризовать спектральной шириной лазерной линии (ширина может быть задана как отстройка по длине волны или частоте от максимума интенсивности). Обычно спектральная ширина задается по уровню 1/2 ( FWHM ), 1/ e или 1/10 от максимума интенсивности. В некоторых современных лазерных установках достигнута ширина пика излучения в несколько кГц, что соответствует ширине лазерной линии менее чем в одну миллиардную нанометра. Для специалистов отметим, что ширина лазерной линии может быть на порядки уже ширины линии спонтанного излучения, что также является одной из отличительных характеристик лазера (по сравнению, например, с люминесцентными и суперлюминесцентными источниками).

Когерентность лазерного излучения

Монохроматичность – важное, но не единственное свойство лазерного излучения. Другим определяющим свойством излучения лазера является его когерентность. Обычно говорят о пространственной и временной когерентности.

Представим себе, что лазерный пучок разделен пополам полупрозрачным зеркалом: половина энергии пучка прошла через зеркало, другая половина отразилась и ушла в систему направляющих зеркал (рис. 2). После этого второй пучок вновь сводится с первым, но с некоторой временной задержкой. Максимальное время задержки, при котором пучки могут интерферировать (т.е. взаимодействовать с учетом фазы излучения, а не только его интенсивности) и называется временем когерентности лазерного излучения, а длина добавочного пути, который второй пучок прошел из-за своего отклонения – длиной продольной когерентности. Длина продольной когерентности современных лазеров может превышать километр, хотя для большинства приложений (напр., для лазеров промышленной обработки материалов) столь высокой пространственной когерентности лазерного пучка не требуется.

Можно разделить лазерный пучок и по-другому: вместо полупрозрачного зеркала поставить полностью отражающую поверхность, но перекрыть ей не весь пучок, а только часть его (рис. 2). Тогда будет наблюдаться взаимодействие излучения, которое распространялось в разных частях пучка. Максимальное расстояние между точками пучка, излучение в которых будет интерферировать, называется длиной поперечной когерентности лазерного пучка. Конечно, для многих лазеров длина поперечной когерентности просто равна диаметру пучка лазерного излучения.

Рис. 2. К объяснению понятий временной и пространственной когерентности

Угловая расходимость лазерного излучения. Параметр M 2 .

Как бы мы ни стремились сделать пучок лазерного излучения параллельным, он всегда будет иметь ненулевую угловую расходимость. Минимальный возможный угол расходимости лазерного излучения α d («дифракционный предел») по порядку величины определяется выражением:

α d ~ λ /D, (1)

где λ - длина волны лазерного излучения, а D – ширина пучка, вышедшего из лазера. Легко подсчитать, что при длине волны 0.5 мкм (зеленое излучение) и ширине лазерного луча 5 мм угол расходимости составит ~10 -4 рад, или 1/200 градуса. Несмотря на стольмалое значение, угловая расходимость может оказаться критичным для некоторых приложений (например, для использования лазеров в боевых спутниковых системах), поскольку оно задает верхний предел достижимой плотности мощности лазерного излучения.

В целом качество лазерного пучка можно задать параметром M 2 . Пусть минимально достижимая площадь пятна, создаваемого идеальной линзой при фокусировке гауссова пучка, равна S . Тогда если та же линза фокусирует пучок от данного лазера в пятно площади S 1 > S , параметр M 2 лазерного излучения равен:

M 2 = S 1 / S (2)

Для наиболее качественных лазерных систем параметр M 2 близок к единице (в частности, в продаже имеются лазеры с параметром M 2 , равным 1.05). Надо, однако, иметь в виду, что далеко не для всех классов лазеров на сегодняшний день достижимо низкое значение этого параметра, что надо учитывать при выборе класса лазера для конкретной задачи.

Мы вкратце привели основные свойства лазерного излучения. Опишем теперь на основные компоненты лазера: среду с инверсной населенностью, лазерный резонатор, накачку лазера, а также схему лазерных уровней.

Среда с инверсной населенностью. Схема лазерных уровней. Квантовый выход.

Основным элементом, преобразующим энергию внешнего источника (электрическую, энергию нелазерного излучения, энергию дополнительного лазера накачки) в световую, является среда, в которой создана инверсная населенность пары уровней. Термин «инверсная населенность» означает, что определенная доля структурных частиц среды (молекул, атомов или ионов) переведена в возбужденное состояние, причем для некоторой пары энергетических уровней этих частиц (верхний и нижний лазерный уровни) на верхнем по энергии уровне находится больше частиц, чем на нижнем.

При проходе через среду с инверсной населенностью излучение, кванты которого имеют энергию, равную разнице энергий двух лазерных уровней, может усиливаться, при этом снимая возбуждение части активных центров (атомов/молекул/ионов). Усиление происходит за счет образования новых квантов электромагнитного излучения, имеющих ту же длину волны, направление распространения, фазу и состояние поляризации, что и исходный квант. Таким образом, в лазере происходит генерация пакетов одинаковых (равных по энергии, когерентных и движущихся в одном направлении) фотонов (рис. 3), что и определяет основные свойства лазерного излучения.

Рис. 3. Генерация когерентных фотонов при вынужденном излучении.

Создать инверсно населенную среду в системе, состоящей всего из двух уровней, однако, в классическом приближении невозможно . Современные лазеры обычно имеют трехуровневую или четырехуровневую систему уровней, участвующих в лазерной генерации. При этом возбуждение переводит структурную единицу среды на самый верхний уровень, с которого частицы за короткое время релаксируют к более низкому значению энергии - верхнему лазерному уровню. В лазерную генерацию вовлекается также один из нижележащих уровней - основное состояние атома в трехуровневой схеме или промежуточное - в четырехуровневой (рис. 4). Четырехуровневая схема оказывается более предпочтительной в силу того, что промежуточный уровень обычно населен гораздо меньшим количеством частиц, чем основное состояние, соответственно создать инверсную населенность (превышение числа возбужденных частиц над числом атомов на нижнем лазерном уровне) оказывается гораздо проще (для начала лазерной генерации нужно сообщить среде меньшее количество энергии).

Рис. 4. Трехуровневая и четырехуровневая системы уровней.

Таким образом, при лазерной генерации минимальное значение сообщаемой рабочей среде энергии равно энергии возбуждения самого верхнего уровня системы, а генерация происходит между двумя нижележащими уровнями. Это обуславливает тот факт, что КПД лазера изначально ограничивается отношением энергии возбуждения к энергии лазерного перехода. Данное отношение называется квантовым выходом лазера. Стоит отметить, что обычно КПД лазера от электросети в несколько раз (и в некоторых случаях даже в несколько десятков раз) ниже его квантового выхода.

Особой структурой энергетических уровней обладают полупроводниковые лазеры. В процесс генерации излучения в полупроводниковых лазерах вовлечены электроны двух зон полупроводника, однако благодаря примесям, формирующим светоизлучающий p - n переход, границы этих зон в разных участках диода оказываются сдвинутыми друг относительно друга. Инверсная населенность в области p - n перехода в таких лазерах создается за счет перетекания электронов в область перехода из зоны проводимости n ‑участка и дырок из валентной зоны p ‑участка. Подробнее о полупроводниковых лазерах можно прочитать в специальной литературе.

В современных лазерах применяются различные методы создания инверсной населенности, или накачки лазера.

Накачка лазера. Способы накачки.

Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс называется накачкой лазера. Существует несколько основных методов накачки, применимость которых в конкретном лазере зависит от рода активной среды. Так, для эксимерных и некоторых газовых лазеров, работающих в импульсном режиме (например, CO 2 - лазера) возможно возбуждение молекул лазерной среды электрическим разрядом. В непрерывных газовых лазерах для накачки можно использовать тлеющий разряд. Накачка полупроводниковых лазеров осуществляется за счет приложения напряжения к p ‑ n переходу лазера. Для твердотельных лазеров можно использовать некогерентный источник излучения (лампу-вспышку, линейку или массив светоизлучающих диодов) или другой лазер, длина волны которого соответствует разности энергий основного и возбужденного состояний примесного атома (в твердотельных лазерах, как правило, лазерная генерация возникает на атомах или ионах примеси, растворенных в сетке матрицы - например, для рубинового лазера активной примесью являются ионы хрома).

Обобщая, можно сказать, что метод накачки лазера определяется его типом и особенностями активного центра генерирующей среды. Как правило, для каждого конкретного типа лазеров имеется наиболее эффективный метод накачки, который и определяет тип и конструкцию системы подвода энергии к активной среде.

Резонатор лазера. Условие лазерной генерации. Устойчивые и неустойчивые резонаторы.

Активной среды и системы доставки к ней энергии еще недостаточно для возникновения лазерной генерации, хотя на их основе уже можно построить некоторые устройства (например, усилитель или суперлюминесцентный источник излучения). Лазерная генерация, т.е. испускание монохроматического когерентного света, возникает только при наличии обратной связи, или лазерного резонатора.

В наиболее простом случае резонатор представляет собой пару зеркал, одно из которых (выходное зеркало лазера) является полупрозрачным. В качестве другого зеркала, как правило, ставят отражатель с коэффициентом отражения на длине волны генерации, близким к 100% («глухое зеркало»), чтобы избежать генерации лазера «в две стороны» и лишней потери энергии.

Резонатор лазера обеспечивает возвращение части излучения назад в активную среду. Это условие важно для возникновения когерентного и монохроматичного излучения, поскольку возвращенные в среду фотоны будут вызывать излучение одинаковых с собой по частоте и фазе фотонов. Соответственно, вновь возникающие в активной среде кванты излучения будут когерентны с уже вышедшими за пределы резонатора. Таким образом, характерные свойства лазерного излучения обеспечиваются во многом именно конструкцией и качеством лазерного резонатора.

Коэффициент отражения выходного полупрозрачного зеркала лазерного резонатора подбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальную выходную мощность лазера, либо исходя из технологической простоты изготовления. Так, в некоторых волоконных лазерах в качестве выходного зеркала может использоваться ровно сколотый торец волоконного световода.

Очевидным условием устойчивой лазерной генерации является условие равенства оптических потерь в лазерном резонаторе (включая потери на выход излучения через зеркала резонатора) и коэффициента усиления излучения в активной среде:

exp(a × 2L) = R 1 × R 2 × exp(g × 2L) × X,(3)

где L = длина активной среды, a - коэффициент усиления в активной среде, R 1 и R 2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора и g - «серые» потери в активной среде (т.е. потери излучения, связанные с флуктуациями плотности, дефектами лазерной среды, рассеяние излучения и прочие виды оптических потерь, обуславливающих ослабление излучения при прохождении через среду, кроме непосредственно поглощения квантов излучения атомами среды). Последний множитель « X » обозначает все прочие потери, присутствующие в лазере (например, в лазер может быть введен специальный поглощающий элемент, чтобы лазер генерировал импульсы малой длительности), при их отсутствии он равен 1. Чтобы получить условие развития лазерной генерации из спонтанно излученных фотонов, очевидно, равенство надо заменить знаком «>».

Из равенства (3) вытекает следующее правило для выбора выходного лазерного зеркала: если коэффициент усиления излучения активной средой с учетом серых потерь (a - g ) × L мал, коэффициент отражения выходного зеркала R 1 должен быть выбран большим, чтобы лазерная генерация не затухала из-за выхода излучения из резонатора. Если же коэффициент усиления достаточно велик, обычно имеет смысл выбрать меньшее значение R 1 , поскольку высокий коэффициент отражения будет приводить к повышению интенсивности излучения внутри резонатора, что может сказаться на времени жизни лазера.

Однако резонатор лазера нуждается в юстировке. Предположим, что резонатор составлен из двух параллельных, но не отъюстированных зеркал (например, расположенных под углом друг к другу). В таком резонаторе излучение, пройдя через активную среду несколько раз, выходит за пределы лазера (рис. 5). Резонаторы, в которых излучение за конечное время выходит за его пределы, называются неустойчивыми. Такие резонаторы используются в некоторых системах (например, в мощных импульсных лазерах специальной конструкции), однако, как правило, неустойчивости резонатора в практических приложениях стараются избежать.

Рис. 5. Неустойчивый резонатор с разъюстированными зеркалами; устойчивый резонатор и

стационарный пучок излучения в нем.

Чтобы повысить устойчивость резонатора, в качестве зеркал используют изогнутые отражающие поверхности. При определенных значениях радиусов отражающих поверхностей данный резонатор оказывается нечувствительным к малым нарушениям юстировки, что позволяет существенно упростить работу с лазером.

Мы кратко описали минимальный необходимый набор элементов для создания лазера и основные особенности лазерного излучения.

Расширение спектрального диапазона лазера. Одной из главных задач специалистов, разрабатывающих лазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длину волны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета и еще более коротковолнового излучения.

Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этой точки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн, выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные разрывы в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известные лазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узких спектральных диапазонах.

Широкие полосы флуоресценции, на существовании которых основана работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальней инфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстро разрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когда надо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.

Нелинейная оптика.

В поисках способов заполнить эти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты в некоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганского университета сфокусировали свет рубинового лазера длина волны 694,3 нм в кристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только сам свет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерного света монохроматичность и пространственную когерентность.

Процесс генерации такого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерация второй гармоники. ГВГ, и представляет собой один пример из множества нелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширения перестраиваемого, спектрального диапазона лазерного излучения. ГВГ часто применяют для преобразования инфракрасного излучения 1,06 мкм и другие линии неодимового лазера в излучение, попадающее в желто-зеленую область спектра например, 530 нм, в которой можно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий.

Генерацию гармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотой в три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейные характеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, для утроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны 353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра.

Теоретически возможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, но эффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точки зрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентного излучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник. Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, который заключается в следующем.

Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны мощная световая волна с частотой 1 волна накачки и две слабые световые волны с более низкими частотами 2 и 3. При выполнении условия 1 23 и условия волнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой 1 в энергию волн с частотами 2 и 3. Если нелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, очень напоминающий лазер и носящий название параметрического генератора.

Такой процесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использования были ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерных источников. Фактически же параметрический генератор является устройством, способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можно перестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том, что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентного излучения на частотах 2 и 3. Колебания эти могут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов тепловых шумов, которые всегда в нем присутствуют.

Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот, расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определенной температуре кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачки и к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняется для определенной пары частот 2 и 3. Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла или его ориентацию.

Рабочей частотой может быть любая из двух частот 2 и 3 в зависимости от того, какой диапазон частот излучения прибора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателей преломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровень мощности накачки, который для получения стационарных колебаний следует превысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источника накачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, или вторую гармонику неодимового лазера.

На выходе прибора получают перестраиваемое излучение инфракрасного диапазона. 2.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Лазер на красителях

Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать.. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.Из расчетных типов..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: