11

Применение лазеров в медицине

1. Спонтанные и вынужденные переходы

Возбужденный атом из состояния Е₂ может перейти в состояние Е₁ (Е₁<Е₂) c испусканием фотона как самопроизвольно (спонтанное излучение), так и под действием электромагнитного излучения (индуцированное, или вынужденное излучение).

При спонтанном излучении частота фотона, направление его распространения и фаза могут быть произвольными.

Если на атом, находящийся в состоянии Е₂ , падает фотон с энергией h v = Е₂ – Е₁, то этот фотон будет стимулировать процесс высвечивания. Отметим, что фотон не может возбудить атом, т.к. тот уже возбужден, но может вызвать обратный эквивалентный процесс, т.е. снятие возбуждения посредством высвечивания.

Таким образом, при индуцированном переходе электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный уровень. Отличительной особенностью этого процесса является то, что падающий фотон и индуцированный фотон вылетают из атома в фазе и движутся в одном и том же направлении, усиливая друг друга (рис.1). Такое излучение называется когерентным.

Рис. 1

С точки зрения волновой оптики явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество.

Если мы имеем некоторое количество атомов, часть из которых находится в возбужденном состоянии, то всего лишь один - единственный падающий фотон может вызвать высвечивание этих атомов за счет вынужденного излучения. Далее, каждый фотон может стимулировать излучение фотонов из других атомов. В результате вся система излучит энергию возбуждения в виде пучка когерентных фотонов.

В чем состоит выигрыш в таком процессе?

Все возбужденные атомы отдали бы свою энергию в процессе спонтанного излучения. Мы просто стимулировали излучение, которое все равно бы произошло без нашего участия.

Однако, в процессе спонтанного излучения фотоны испускаются в случайных направлениях и с разными фазами. Индуцированное же излучение приводит к тому, что все фотоны испускаются в фазе и почти одновременно.

Обычный источник света не может испустить когерентное индуцированное излучение, т.к. в любой момент времени имеет больше атомов в основном состоянии, чем в возбужденном. Когда фотон пролетает через вещество, то вероятность его поглощения атомом в основном состоянии больше вероятности того, что он стимулирует излучение возбужденного атома.

Таким образом, из-за сильного поглощения эффект усиления индуцированного излучения в обычном источнике света не возникает.

Для преодоления действия поглощения необходимо реализовать ситуацию, когда число возбужденных атомов превышает число атомов в основном состоянии. Это называется инверсной заселенностью (населенностью) уровней.

Одним из способов осуществления инверсной заселенности является накачка атомов через третье возбужденное состояние (рис.2):

С_________________ С__________________

Рис. 2

Здесь состояние А - основное, В и С - возбужденные.

Состояние С возбуждается посредством поглощения фотонов, электрического разряда или столкновения. Оно выбрано так, что после испускания фотона атом оказывается в долгоживущем состоянии В, называемом метастабильным. Переход В ® А дает индуцированное излучение. Фотон с энергией Е_В - Е_А, попадая в атом, находящийся в состоянии В, стимулирует испускание еще одного фотона, и оба фотона вылетают из атома в фазе.