7.4.3. Лабораторна робота "Вивчення роботи оптичного квантового генератора"

Мета роботи: вивчити будову та принцип дії газового лазера, визначити основні технічні характеристики лазера -довжину хвилі його випромінювання та енергію кванта.

Прилади та обладнання: гелій-неоновий газовий лазер, дифракційна решітка, екран, міліметрова лінійка.

Питання для підготовки до лабораторної роботи

1. Рівноважна та інверсна заселеність енергетичних рівнів.

2. Індуковане випромінювання.

3. Лазери, принцип дії і застосування в медицині.

Додаткова література

1. Ливенцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1978. - Ч. 2.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа, 1996.

Теоретичні відомості

Розглянемо будову та принцип дії газового гелій-неонового лазера (рис. 7.17). Прилад складається з трубки 1, наповненої сумішшю газів: гелія (під парціальним тиском 1 мм рт. ст.} та неона (під парціальним тиском 0.1 лш рт.

ст.). Атоми неона є випромінюючими (робочими), атоми гелія - допоміжними, які необхідні для створення інверсної заселеності енергетичних рівнів атомів неона. Збудження атомів гелія досягають за допомогою тліючого електрич­ного розряду. Для створення тліючого розряду в трубку 1 вмонтовані електроди 2 і З, під'єднані до джерела електрич­ного струму.

Рис. 7.17. Будова газового гелій-неонового лазера.

На рис. 7.18 зображена система енергетичних рівнів атомів гелію та неона. Під дією електричного розряду атоми гелію переходять на збуджений рівень 2. Внаслідок непруж-ного зіткнення атоми гелія передають енергію атомам неона, які, збуджуючись, накопичуються на двох близько розташованих метастабільних рівнях 3. Таким чином, у трубці створюється середовище з інверсною заселеністю енергетичних рівнів.

Рис. 7.18. Система енергетичних рівнів атомів гелія та не­она.

Спонтанний перехід окремих атомівз двох мета­стабільних рівнів 3 на проміжний рівень 2 викликає появу фотонів, які спричинюють індуковане (вимушене) когерентне випромінювання з довжинами хвиль нм

(червоний діапазон) та (інфрачервоний діапазон). Для збільшення потужності випромінювання трубку 1 розміщують в дзеркальному резонаторі (рис. 9.38). Відбиваючись від дзеркал і проходячи багато разів вздовж вісі трубки, потік фотонів залучає до індукованих переходів дедалі більшу кількість атоміввнаслідок чого інтенсив­ність випромінювання збільшується. Трубка 1 з торців закрита плоскопаралельними пластинками 4, які розташовані під кутом Брюстера до вісі трубки. Таке положення пластинок призводить до плоскої поляризації лазерного випромінювання.

Для визначення довжини хвилі випромінювання лазера в цій лабораторній роботі пропонується використати диф­ракційну решітку. Вона становить скляну пластинку, на яку через рівні проміжки а нанесені паралельні непрозорі штрихи шириноюВеличинаназивається періодом (або постійною) дифракційної решітки. При освіт­ленні решітки монохроматичним світлом відбувається яви­ще дифракції, внаслідок якої на екрані, розташованому за решіткою, спостерігається дифракційна картина (рис.7.40).

При нормальному падінні світла на решітку головні дифракційні максимуми характеризуються умовою

де - постійна решітки; - довжина хвилі випромінюван­ня;- кут, на який відхиляються промені, що утворили даний максимум;- ціле число, що називається порядком максимуму. Якщо нам відомі значення d, тато довжину хвилі випромінювання, що проходить крізь дифракційну решітку, визначають за такою форму­лою:

Оскільки, як правило, кути дифракції φ_k є малими, можна вважати, що

де- відстань на екрані між максимумами нульового та -того порядків;- відстань між решіткою та екраном.

Порядок виконання лабораторної роботи

Завдання І. Визначити довжину хвилі випромінювання лазера.

1. Розташувати дифракційну решітку та екран перпен­дикулярнодо вісі лазера (рис. 7.20).

Рис. 7.20. Визначення довжини хвилі лазера за допомогою дифракційної решітки.

2. Переміщуючи екран, отримати на ньому чітке зобра­ження дифракційної картини. При цьому треба домогтися, щоб на екрані спостерігалися максимуми не менше трьох порядків.

3. Виміряти за допомогою міліметрової лінійки відстань між решіткою та екраном.

4. Виміряти відстаньміж максимумами нульового (центральна пляма) та першого порядків.

5. Визначити значеннядля максимуму першого порядку.

6. Визначити довжину хвилівипромінювання лазера за формулою

7. Виконати аналогічні виміри та розрахунки для макси­мумів другого та третього порядків.

8. Результати вимірів та розрахунків занести до таблиці.

Таблиця. Значення відстаней та довжини хвилі

9. Обчислити середнє значення довжини хвилі Я випро­мінювання лазера.

Завдання 2. Визначити енергію кванта випромінювання лазера за такою формулою:

Контрольні запитання

1. Назвіть основні властивості індукованого випромінювання.

2. Опишіть будову та принцип дії гелій-неонового лазера.

3. Як утворюється інверсна заселеність енергетичних рівнів атомів в гелій-неоновому лазері?

4. Яке призначення має резонатор в газовому лазері?

5. Як можна визначити експериментальне довжину хвилі лазерного випромінювання?

6. Як визначити енергію фотона, що випромінюється лазером?

7. Назвіть області застосування лазера в медицині.

РОЗДІЛ 8. ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ЙОГО ДІЯ НА МЕДИКО-БІОЛОГІЧНІ ОБ'ЄКТИ

"Цю загрозу породила наука, але дійсний ключ до вирішення поставленої перед нами проблеми - в розумі та серцях людей. Немає такої машини, за допомогою якої ми могли б впливати на чужі серця. Для цього потрібно, щоб наші власні серця стали іншими і щоб ми сміливо виказували свої погляди. Лише з ясним розумом і чистим серцем ми зможемо набратися мужності, щоб побороти той страх, який тяжіє над людством".

А. Ейнштейн

Слова, що винесені в епіграф, Альберт Ейнштейн сказав півсторіччя тому, оцінюючи загрозу ядерної війни і відчу­ваючи свою певну вину перед людством, оскільки він своїми відкриттями ненавмисно сприяв створенню атомної бомби. Ці слова залишаються актуальними і нині в той час, коли робляться відкриття в біології і медицині (зокрема, в генній інженерії), які є видатними як за своїм науковим значенням, так і за своєю загрозою для життя окремих людей і всієї біосфери Землі.

Особлива роль в подоланні небезпечних тенденцій в розвитку сучасної цивілізації належить лікарям. Саме до них передусім слід віднести слова ще одного відомого фізика XX століття Віктора Вайскопфа: "Буття людини спирається одночасно на двох китів, якими є знання і почуття. Але самі почуття без знань не є ефективними, тоді як одні знання без почуттів не с гуманними".

В цьому розділі викладаються фізичні, біофізичні і медичні проблеми, пов'язані з дією іонізуючого випромі­нювання на людину та інші біооб'єкти. Іонізуюче випро­мінювання - це загальний термін, що об'єднує альфа-, бета-і гамма-випромінювання, рентгенівське випромінювання та потоки частинок (протонів, нейтронів та ін.). Важко пере­оцінити значення знань в цій галузі для сучасного лікаря, особливо в зв'язку з тими проблемами, які на довгі часи поставила перед Україною та іншими країнами аварія на Чорнобильській АЕС.