Приборы и принадлежности

Схема экспериментальной установки включает: гелий-неоновый лазер ЛГН-109, дифракционную решётку, экран, собирающую линзу, мазки крови.

2.13.3 Вопросы к занятию

1. Дифракция света. Условия дифракции света.

2. Дифракционная решётка. Формула дифракционной решётки.

3. Дифракционный спектр. Что такое порядок спектра?

4. Рентгеноструктурный анализ. Формула Вульфа-Брегга.

5. Физическая сущность самопроизвольного, безизлучательного и вынужденного переходов электрона из возбуждённого состояния молекулы в основное.

6. Лазер. Устройство и принцип действия рубинового лазера.

7. Основные режимы работы лазера (назовите и сделайте пояснения).

8. Свободные радикалы в биологических системах. Основные типы свободных радикалов.

9. Физико-химические свойства свободных радикалов (ответ поясните примерами).

10. Какова роль свободных радикалов в патологии (разберите на конкретном примере).

11. Биофизические механизмы термического, ударного и ионизирующего действия лазерного излучения на организм человека.

12. Применение лазерного излучения в медицине (ответ поясните примерами).

13. Что такое фотобиологический процесс, каковы его основные стадии (приведите примеры).

14. Что такое первичная и вторичная фотохимические реакции (приведите примеры).

15. Каковы пути растраты молекулой энергии поглощённого кванта (ответ поясните рисунком).

16. Что такое фотодиструктивный процесс (приведите пример).

17. Каков механизм инактивации ферментов под действием УФЛ.

18. Что такое фотосинтетический процесс (на примере фотосинтеза углеводов).

19. Что такое спектр действия УФЛ, нарисуйте спектр бактерицидного, канцерогенного действия УФЛ.

20. Каков механизм канцерогенного действия УФЛ?

21. Что такое информационно-биологический процесс (приведите пример).

22. Что такое синглетные и триплетные уровни в молекулах? Как вовремя жизни молекулы в синглетном и триплетном возбуждённых состояниях?

23. Что такое спектр поглощения, какую информацию он несет (поясните рисунком).

2.12.4 Теоретическое введение

LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством вынужденного излучения.

ИСТОРИЯ создания:

1953 г. – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и Таунс и Вебер (США) предложили метод усиления очень коротких радиоволн – MASER;

1960 г. – Мейман (США) построил лазер.

1964 г. - Басову, Прохорову и Таунсу присуждена Нобелевская премия.

Индуцированное излучение – вынужденный переход электрона в основное состояние под воздействием пролетающего рядом кванта света со значением энергии, равным разности энергий возбуждённого и основного состояний молекулы. При этом испускается квант, когерентный кванту, вызвавшему это излучение.

Лазер (или оптический квантовый генератор) — устройство, гене­рирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынуж­денного испускания света активной средой, находящейся в опти­ческом резонаторе. Лазеры нашли применение в медицине, физиологии, биофизике. Их использование требует от врача понима­ние принципов работы лазера и знания основных свойств лазерного излучения.

Конструктивно схема лазера представлена на рис.1.

Торцы стержня строго параллельны и отшлифованы. Кристалл рубина помещен вдоль оси спиральной газоразрядной ксеноновой лампы Л (модулятор) с импульсным блоком питания ИБП. У обоих торцов стержня установлены зеркала З1 и З2, причем одно зеркало З1 отражает все падающие на него лучи, а другое З2 только 98% интенсивности света, падающей на зеркало, остальные проходят через него. Система стержень - зеркала носит название резонатор.

Рис.1. Схема рубинового лазера

В лазере атомы, ионы и молекулы излучают электромагнитные волны в соответствии с законами квантовой механики. Квант света с энергией hv излучается при переходе электрона из возбужденного состояния (с верхнего уровня) в основное (на нижний уровень), и величина hv = Е₂ — E₁ Чем большее число квантов излучается в еди­ницу времени, тем выше интенсивность излучения.

Чтобы заставить активную среду излучать, надо каким-то образом перевести возможно большее число атомов в возбужденное состояние. Для этой цели можно использовать, например, газовый разряд, как это делается в газоразрядных трубках, используемых для рекламы. Однако при этом каждый атом излучает независимо, отдельные акты излучения происходят несогласованно (рис.2а). В результате электромагнитные поля, излучаемые различными точками этого источника, некогерентны, то есть имеют разные фазы, а излучение от этого источника распространяется во все стороны, как от обычной лампочки накаливания.

Индуцированное излучение состоит в том, что вероятность пере­хода с верхнего энергетического уровня Е^* на нижний Е⁰ возрастает, если на атом действует электромагнитное излучение, частота кото­рого равна частоте, излучаемой при спонтанном переходе с верхнего уровня на нижний. Схематически это показано на рис.2. Если на атом до перехода действует фотон 1, то вследствие электронного пере­хода появляется новый фотон 3, при этом фотон 1 не изменился (его обозначим — фотон 2). Свойства излученного фотона 3 тождественны свойствам фотона 1, вызвавшего индуцированное излучение, то есть он имеет ту же частоту, плоскость поляризации и фазу.

Рис.2. Схемы излучения квантов света: а — спонтанное излучение кван­та атомом, переходящим с верхнего энергетического уровня на нижний; б — индуцированное излучение, вызванное фотоном (1), действующим на возбужденный атом; 2 — тот же фотон после взаимодействия с атомом; 3 — фотон, излученный при переходе атома на невозбужденный уровень; в — формирование «лавины» фотонов в активной среде А в результате инду­цированного излучения возбужденными атомами.

Если в активной среде А находится много возбужденных атомов, то проход одного фотона способен вызвать «лавину» фотонов вследствие индуцирован­ного излучения (рис.2в): при каждом взаимодействии фотона с возбужденным атомом вместо одного фотона возникает два одинако­вых фотона. Таким образом, возникает когерентное излучение.

Два зеркала 3, и 3₂ (рис.1) отражают излученные фотоны, и они повторно воздействуют на возбужденные атомы.

Рис.3. Схема расположения квантовых уровней рубинового лазера

Е₀ - основной энергетический уровень.

E₁, Т₁ - двойной метастабильный уровень.

Е₂, и Е₃ - возбужденные энергетические уровни.

Облучение рубина светом ксеноновой лампы-вспышки переводит ионы Cr³⁺ из невозбужденного состояния Е₀ в возбужденное Е₂ и Е₃ через время т = 10^-8 с ионы Cr³⁺ переходят на один из метастабильных уровней E₁,Т₁ - переход безизлучательный.

Так как уровни Е₁,Т₁ - метастабильные, то на них происходит накопление ионов Cr³⁺ , т.к. инверсная заселенность уровней на уровнях Е₁ больше ионов Cr³⁺, чем на невозбужденном уровне Е₀.

Спонтанное излучение хотя бы нескольких возбужденных ионов хрома, воздействуя на соседние ионы, вызывает вынужденное излучение.

Кванты света, многократно отражаясь от зеркал резонатора, на своем пути вызывают излучение все большего числа возбужденных ионов. Происходит усиление света, который сохраняет монохроматичность и когерентность.

Также используют активные среды, работающие по четырехуров­невой схеме. По четырехуровневой схеме часто работают и газовые лазеры. Основная часть работы проводится с помощью гелий-неоно­вого или с помощью полупроводникового лазера. Гелий-неоно­вый лазер испускает красный свет с длиной волны около 630 нм. Полупроводниковый лазер также испускает красный свет с длиной волны близкой к той, которую дает гелий-неоновый лазер. Эти лазе­ры отличаются высокой компактностью — размер кристалла порядка 1 мм — и высоким коэффициентом полезного действия (до 70%; для сравнения: у прочих лазеров КПД составляет единицы и доли про­цента).

Основные характеристики лазерного излучения

Длина волны лазерного излучения зависит от состава активной среды и может находиться в пределах от ультрафиолетового излучения (220 нм) до инфракрасного (10 мкм). Монохроматичностью излучения называют его характерис­тику, показывающую, в какой степени излучение представляет собой излучение одной определенной и строго постоянной длины волны. Для лазеров монохроматичность излучения высока, и эта величина составляет около 10^{- 5}. Для сравнения у чер­ного тела — немонохроматичного источника, испускающего волны самой разной длины, соответствующая величина порядка 1.

В зависимости от интенсивности излучения и его зависимости от времени лазеры делятся на непрерывные и импульсные. У первых в активную среду энергия подается непрерывно, и мощность лазерного излучения постоянна во времени. Таков, например, гелий-неоновый лазер. У импульсных лазеров энергию подают короткими порциями, освещают лампой-вспышкой в течение 1 мс. В ответ они выдают короткие импульсы излучения длительностью от десятков микросекунд (10^-6 с) до нескольких наносекунд (10^-9).