Вопросы для самопроверки

1. Выведите формулу для определения изменения интенсивности света в результате прохождения его сквозь вещество.

2. Опишите оптическую систему глаза.

3. Каков состав рецепторных клеток глаза и их назначение?

4. Каков биохимический процесс восприятия света зрительными рецепторами?

5. Каков принцип цветного зрения у животных?

6. Опишите устройство электронно-оптического преобразователя.

7. Каковы биофизические предпосылки ИК-терапии?

8. Как определить интенсивность люминесценции?

9. Какие бывают виды миграции энергии?

Лекция 9. Индуцированное излучение. Его взаимодействие с биообъектами

В настоящее время квантовые генераторы нашли широкое применение в практике, диагностике и лечении самых различных заболеваний, а также в лабораторной практике. Рассмотрим их принцип действия и устройство.

9.1. Квантовые генераторы

Как известно, при спонтанных переходах электронов атома, кванты лучистой энергии испускаются хаотически. Данный факт наблюдается при свечении нагретых тел, люминесценции и т.д. Переход электронов атомной системы под действием внешнего источника возбуждения называется вынужденным, или индуцированным, излучением, причем вынужденное излучение позволяет получить когерентное монохроматическое излучение. Таким образом, лазер представляет собой квантовый генератор вынужденных (индуцированных) электромагнитных волн в диапазоне УФ, видимого и ИК-излучений.

Принципы действия лазера основаны на квантово-механических процессах, происходящих в объеме активной рабочей среды излучателя. Полная мощность (энергия) лазерного излучения всегда пропорциональна объему активной среды.

Теоретические предпосылки получения индуцированного излучения в активной среде были впервые высказаны Эйнштейном в 1917 г. Первый рубиновый лазер был создан в 1970 г. В качестве активной среды был использован рубин. Среда, в которой количество частиц в возбужденном состоянии больше, чем число частиц в невозбужденном, называется активной. Процесс излучения электромагнитных волн в данной среде преобладает над поглощением. Такой процесс называется неустойчивым.

Известно, что активные системы могут находиться в разных дискретных энергетических состояниях. При отсутствии внешнего возбуждения атомная система стремится к минимальной внутренней энергии. При внешнем возбуждении система переходит в состояние с большей энергией, поглощая при этом часть энергии:

, (9.1)

где Е_n и Е_m - энергии начального и конечного состояний соответственно.

Через достаточно малое время возбужденный атом переходит в состояние минимальной энергии, испуская при этом квант лучистой энергии. Активная среда используется в качестве усиления. Для этого активное вещество подбирают таким, чтобы при переходе его молекул из возбужденного состояния в основное измеряемый фотон был тождественен влетающему извне. Они когерентны, вследствие интерференции происходит усиление в активной среде. Возникает индуцированное излучение. Таким образом, усиление электромагнитных волн можно вызвать, используя только активную среду. В качестве активных сред используют твердые тела, кристаллические или аморфные материалы с примесями некоторых элементов жидкости. В качестве твердых тел используют рубин с примесью хрома.

У газовых лазеров активной средой являются чистые газы, смеси нескольких газов или газов в смеси с парами металлов. И, наконец, полупроводниковые инжекционные лазеры или лазерные диоды представляют собой двухэлектродный прибор с p-n-переходом. В данных лазерах широкое применение находит арсенид галлия и арсенид алюминия. Таким образом, если в любой активной среде хотя бы для двух уровней произошло распределение частиц, обратное Больцманову, получим предпосылки для индуцированного излучения. Сущность Больцманова распределения заключается в том, что величина уровня пропорциональна количеству частиц, соответствующих данному уровню энергии. Такое состояние называют инверсной заселенностью. Инверсная заселенность - это состояние, для которого Т=0 К, поэтому такое состояние называют состоянием с отрицательной температурой. Кроме того, инверсная заселенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Обозначим через N_m число атомов с энергией E_m, а через N_n - с энергией E_n. Когда излучение проходит через среду, имеющую разную заселенность (N_m и N_n) уровней с энергиями E_m и E_n, то данные излучения изменяют свою интенсивность при условии N_m>N_n, то есть мы имеем состояния с инверсной заселенностью, при которых будет наблюдаться эффект усиления электромагнитных волн за счет энергии возбужденных атомов. Для создания инверсной заселенности используют различные способы. Например, в простейшем случае активная среда помещается в оптический резонатор, который состоит из двух взаимопараллельных плоских зеркал, ограничивающих активную среду с двух сторон. Одно из зеркал полупрозрачно и может осуществлять вывод излучения, усиленного активной средой. Процесс генерации осуществляется следующим образом. Внешний источник создает возбуждение в активной среде, причем в процессе генерации участвует только то излучение, которое распространяется вдоль резонатора. Это излучение достигает поверхности полностью отражающего зеркала резонатора, отражается от него в активную среду и за счет внутренних переходов усиливается, далее отражается от полупрозрачного зеркала и вновь усиливается активной средой, доходя до непрозрачного зеркала. Такой процесс повторяется многократно, причем часть излучения уходит во внешнюю среду через полупрозрачное зеркало. Лазерный луч с заданными свойствами и геометрией создается соответствующими оптическими системами, к которым относят резонатор. Оптическим резонатором называют систему зеркал, которая обеспечивает увеличение эффективной длины активной среды за счет многократного отражения излучения между зеркалами. В современных оптических резонаторах используют сферические зеркала, которые характеризуются параметрами:

и , (9.2)

где L - расстояние между зеркалами; r₁ и r₂ – радиусы кривизны зеркал.

Если выполняются условия 0<g₁ и g₂>1, то резонатор называется устойчивым.

К основным свойствам лазерного излучения относят монохроматичность, направленность и когерентность. Монохроматичность определяет диапазон частот или длин волн.

, (9.3)

где  - степень монохроматичности;  - ширина оптического спектра;  - ширина частотного спектра.

Когерентность связана с корреляционной характеристикой излучения, дающей картину интерференции.

Направленность характеризуется телесным углом, который охватывает основную часть излучаемой энергии.

Примером такого лазера является газовый.

В квантовом газовом генераторе, созданном в 1966 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, основным элементом является газоразрядная гелий-неоновая кварцевая трубка диаметром 7 мм (рис 9.1). Давление в трубке 1 ГПа, гелия в ней в 10 раз больше, чем неона. В трубке вмонтированы электроды для создания газового разряда. На концах трубки расположены плоскопараллельные зеркала 4, 5. Одно из них полупрозрачное 5 (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Лазер непрерывного действия: 1 – трубка; 2, 3 – электроды; 4, 5 - зеркала

Фотоны, возникающие при вынужденном излучении многократно отражаясь в зеркале, сами вызывают вынужденные переходы, интерферируют и выходят наружу через полупрозрачное зеркало. Гелий-неоновый лазер работает на 30 длинах волн области видимого и инфракрасного диапазона. Зеркала имеют многослойное покрытие и, вследствие интерференции, создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Так, красным гелий-неоновым лазером излучается длина волны 632,8 нм. Применение лазеров основано на свойствах их излучения: 1) строгая монохроматичность (=0,01 нм); 2) большая мощность; 3) узость пучка и когерентность.

У некоторых лазеров при малом времени действия можно получить огромные мощности. Так, неодимовый лазер генерирует импульсы h=3·10^-12c. При энергии импульса 75 Дж мощность его достигает 2,5·10¹³ Bт (мощность Красноярской ГЭС равна 50 кВт).

Мощность газовых лазеров значительно ниже (до 50 кВт), однако их преимущество в том, что их излучение происходит непрерывно, хотя среди газовых имеются и импульсные лазеры, которые могут создавать интенсивности света до 10¹⁴ Вт/м². Лазерное излучение отличается от обычного света еще и тем, что имеет высокую напряженность в нем электрического поля. Можно подсчитать, что при I=10⁸ Вт/м², E=3·10¹⁰ Вт/м², что превышает напряженность поля внутри атома. (I=ЕН - вектор Умова-Пойтинга, где Е и Н – напряженности электрического и магнитного полей.)

Напряженность поля в световых волнах, создаваемых обычными источниками света, не превышает 10 кВ/м.

При падении на тело электромагнитная волна оказывает механическое давление, пропорциональное интенсивности потока энергии волны.

Световое давление равно примерно 4·10^-6 Пa (атмосферное давление 100 кПа). Для лазерного излучения величина давления достигает 10¹² Па. Такое давление позволяет обрабатывать самые твердые материалы - алмаз и сверхтвердые сплавы. Взаимодействие света с веществом обусловливается взаимодействием с электронами вещества. Атомы диэлектриков в электрическом поле поляризуются: P=εE, где Р - вектор поляризации, ε- диэлектрическая проницаемость.

Все показатели вещества (n - показатель преломления, k - поглощения и т.д.) связаны со степенью поляризации, которая определяется напряженностью электрического поля световой волны. Таким образом, Р~Е. Так как в лазерном излучении Е сравнимо с полем атома, то это приводит к тому, что Е перестает быть постоянной величиной и становится функцией нелинейности электрического поля, то есть ε=f(E). Следовательно, зависимость P=εE не будет линейной. Поэтому говорят о нелинейном отклике, в которой Е, n, k и другие величины будут не постоянными, а будут зависеть от интенсивности падающего света.