optika-1

излучение лазера имеет спектр. Чем уже зоны соответствующих уровней, тем уже ширина спектра, тем выше степень монохроматичности излучения лазера.

2) направленность

Лазерное излучение является высоконаправленным, в отличие от тепловых источников излучения, где световая энергия распространятся по разным направлениям. Мерой направленности лазерного луча является угол его расходимости: для газовых лазеров этот угол составляет 1’ - 2’, для твердотельных 7’ - 9’ , для полупроводниковых 1° - 2°. Столь высокая направленность излучения ОКГ объясняется механизмом генерации света в лазере: а) при стимулированном излучении стимулирующий и излученный фотоны летят в одном направлении, б) усиление света происходит наиболее эффективно для тех лучей, которые распространяются вдоль оси лазера.

3) высокая спектральная плотность

Спектральная плотность излучения Iλ показывает, какое количество энергии излучения приходится на единицу ширины спектра, и определяется формулой

где I0 - интенсивность светового потока, Δλ - ширина спектра излучения ОКГ. Легко видеть, что из-за монохроматичности величина Δλ мала, а спектральная плотность Iλ велика. Это можно интерпретировать так: в лазерном излучении все фотоны практически идентичны, почти с одной частотой. Можно показать, что спектральная плотность излучения лазера в миллионы раз превосходит спектральную плотность излучения Солнца.

4) поляризованность лазерного излучения

Поляризованность лазерного излучения обусловлена несколькими причинами. Во-первых, стимулированное излучение, лежащее в основе работы лазера, характеризуется тем, что поляризация стимулировано излученного фотона идентична поляризации стимулирующего. Во-вторых, в конструкции некоторых лазеров предусмотрены меры, приводящие к поляризации их излучения. И, наконец, наличие кристаллической решетки может также приводить к поляризации лазерного излучения для твердотельных ОКГ. Наибольшей степенью поляризации обладают газовые лазеры, их излучение можно практически считать линейно поляризованным.

Другие параметры лазерного излучения не являются специфическими для лазеров. Например, мощность лазерного излучения может превосходить мощность обычных, тепловых источников света, а может быть и ниже последних; это определяется конструкцией этих двух источников света. То же касается и

79

длительности лазерных вспышек для импульсных ОКГ: они могут быть сверхмалыми (до 10-12 с), а могут быть и достаточно длительными (например, 10-3 с.).

4. Применение лазеров в биологии и медицине

Лазеры, обладая рядом специфических свойств излучения, нашли широкое применение в биологии и медицине, например, в офтальмологии и дерматологии, онкологии и стоматологии, лабораторной и функциональной диагностике и др. Однако представляется более правильным не перечисление областей медицины, где нашли применение ОКГ, а выявление тех направлений, которые вытекают из взаимодействия лазерного излучения с биообъектом. Таких направлений можно выделить три: лазерная хирургия, лазерная терапия, а также макро- и микродиагностика. При этом первые два направления связаны с воздействием лазерного света на биообъект с лечебными целями, третье - с получением информации о биообъекте на основе изучения свойств вторичного излучения, например, отраженного от биообъекта. Важно отметить, что в основе происхождения вторичного излучения могут лежать и другие физические явления: рассеяние, дифракция, преломление, поглощение света, люминесценция (свечение биообъекта под действием лазерного излучения). Первое направление предполагает использование высокоинтенсивных лазеров, в то время как в лазерной терапии применяются низкоинтенсивные ОКГ. В свою очередь, лазерная хирургия и лазерная терапия используются в различных, в том числе и вышеназванных областях медицины: существует, например, лазерная хирургия в онкологии или лазерная терапия в офтальмологии и т.д. Что касается двух видов лазерной диагностики, то макродиагностика - это исследование органов (in vivo или in vitro), клеток (например, форменных элементов крови, бактериальных клеток) и др. Микродиагностика - это исследование биообъектов на молекулярном уровне. Как правило, макродиагностика используется в практической и теоретической медицине, микродиагностика - для фундаментальных биологических исследований.

Применение лазеров в различных областях медицины будет рассмотрено на старших курсах в таких дисциплинах, как офтальмология, хирургия, нейрохирургия, онкология и некоторых других. Здесь мы рассмотрим эту проблему с физической точки зрения, через свойства лазерного излучения (см. раздел 3.2).

Основное замечательное свойство лазерного излучения - монохроматичность - используется в терапии различных органов. Один из механизмов лазерной терапии обусловлен следующим: при лазерном облучении на ткань "обрушивается" огромное количество идентичных фотонов, которые возбуждают биомолекулы. Возбужденная молекула либо сама принимает участие в химической реакции, либо передает свое возбуждение другой молекуле, участвующей в биохимическом процессе. В целом ряде случаев результаты таких реакций благотворно влияют на состояние органа или ткани. Характерно то, что при таком биохимическом действии лазера на ткань пациент не ощущает самого действия. Другой механизм лазерного терапевтического действия за-

80

ключается в стерилизующем действии некоторых лазерных лучей на микрофлору тканей. Назовем некоторые заболевания, при терапевтическом лечении которых используются различные типы лазеров.

Дерматология:

-трофические и долго не заживающие раны и язвы;

-экземы, красный плоский и опоясывающий лишай;

-рецидивирующий герпес, локальный зуд кожи. Ортопедия:

-замедленная консолидация и несрастающиеся кости при переломах;

-ревматойдный артрит.

Невропатология ( лазеропунктура ):

-остеохондроз позвоночника;

-невралгия тройничного нерва. Отолорингология:

-хронические тонзилиты;

-воспаление среднего уха.

Монохроматичность используется не только в медицине для терапевтических целей, но и в биологии. Действительно, при облучении биомолекул монохроматическим светом воздействию подвергаются не все ее химические связи, а лишь некоторые, в соответствии с частотой излучения лазера. То есть на молекулы оказывается избирательное (селективное) действие, а затем изучаются свойства этих молекул. В некоторых случаях при облучении монохроматическим светом происходит деление молекулы на части, из которых можно синтезировать другие вещества. Такие исследования относятся к лазерной генной инженерии. В других экспериментах изучается действие лазерных лучей на органеллы клеток с целью анализа роли различных органел в физиологических процессах в клетке.

Монохроматичность используется и в диагностических приборах, например:

-приборы для исследования микроциркуляции крови;

-приборы для определения подвижности бактерий и сперматозоидов;

-приборы для определения локализации язв;

-приборы лазерной микроскопии;

-лазерные индикаторы иммунологических реакций;

-прибор для определения остроты зрения (ретинометр);

-приборы для определения молекулярного состава веществ и др. Отметим, что наиболее перспективным направлением применения лазе-

ров в диагностике является лабораторная диагностика.

Высокая направленность лазерного излучения позволяет считать лазерный луч почти параллельным световым потоком - угол расходимости очень мал. Известно, что параллельный луч света можно сфокусировать в пятно малого диаметра ( d ), порядка длины волны света (λ). Так как длина волны видимого спектра составляет 0.5 мкм, то это значит, что диаметр светового пятна может составлять величину того же порядка. Столь сильная фокусировка лазерного луча приводит к высокой интенсивности света в области фокуса, что дает возможность разогрева биообъектов до высоких температур. Это ле-

81

жит в основе лазерного скальпеля, а следовательно, лазерной хирургии. Заметим, что температура биоткани в фокусе лазерного скальпеля достигает величины порядка 400°С. Основными достоинствами лазерной хирургии являются: стерильность лазерного скальпеля; бескровность операции, связанной с коагуляцией микрососудов; возможность проведения внутриглазных операций и др. Как правило, лазеры используются лишь для выполнения фрагмента операции, особенно на кровенаполненом органе для уменьшения кровопотерь.

Приведем некоторые примеры лазерной хирургии - например, в офтальмологии:

-фотокоагуляция сетчатки;

-приваривание отслоившейся сетчатки;

-пробивка отверстий шлеммова канала при лечении глаукомы;

-лечение диабетической ретинопатии.

Значительные перспективы в биологии имеет лазерная микрохирургия живых клеток. Действительно, так как диаметр сфокусированного лазерного луча меньше размеров многих клеток (локальность луча может быть доведена до 0,1 мкм), то представляется возможным внутриклеточное хирургическое действие на органеллы, что интересно для фундаментальных исследований физиологии клеток.

Высокая направленность позволяет ввести лазерный луч в волоконный световод и доставить достаточно большую энергию к тому или иному органу. Например, применение волоконно-оптических катетров позволяет реализовывать лазерную ангиопластику - разрушение склеротических бляшек в кровеносных сосудах. Другой подобный пример: проведение операций на желудке с использованием волоконно-оптических систем.

В лабораторной диагностике направленность излучения ОКГ существенно упрощает оптическую систему прибора, позволяет проводить исследования на клеточном уровне.

Поляризованность лазерного излучения не влияет на лазерную хирургию или терапию, однако, это свойство используется в медицинской лабораторной диагностике. Например, на основе поляризованности излучения ОКГ работает ряд диагностических приборов:

-лазерный поляризационный микроскоп;

-лазерный проточный гемоцитометр;

-лазерный поляриметр (сахариметр);

-лазерный поляризационный нефелометр и др.

И наконец, отметим медико-биологическое использование еще одного свойства лазерного излучения - возможность получения сверхкоротких лазерных вспышек. Здесь можно выделить два направления использования: проведение внутриглазных операций с помощью импульсных лазеров и фундаментальные фотобиологические исследования. В первом случае -длительность лазерного импульса настолько мала, что пациент не успевает ощутить лазерное действие при внутриглазных операциях импульсными лазерами. Второе применение связано с тем, что длительность вспышки ОКГ может быть меньше, чем

82

время, за которое происходят внутримолекулярные процессы, что дает возможность использовать сверхкороткий лазерный импульс как зонд для молекул. Это позволяет изучать первичные процессы зрения, биохимические реакции, внутреннюю организацию молекул.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Цель экспериментальной части лабораторной работы:

-выбор оптимального режима работы лазера;

-изучение поляризационных свойств лазерного излучения, измерение степени поляризации;

-определение степени направленности излучения ОКГ: измерение угла расходимости лазерного излучения;

-измерение длины волны излучения ОКГ;

-определение размеров эритроцитов с использованием ОКГ на основе явления дифракции света.

В настоящей лабораторной работе в качестве ОКГ используется лазер, активным веществом которого является смесь двух газов He и Ne. Схема лабораторной установки приведена на рис.6. Луч 3 лазера 1 пропускается через поляризационный анализатор 4 и подается на фотоприемник (фотодиод) 5. Микроамперметр 6

позволяет регистрировать ток фотодиода Iфд, который линейным образом связан с мощностью светового луча. За фотодиодом расположены: держатель 7, в который можно помещать дифракционную решетку 8 или исследуемый гистологический препарат 9, и экран 10. Прибор 2 является источником питания ОКГ, служит для возбуж-

но, создания инверсного вещества. Все перечисленные элементы лабораторной установки, кроме 2, 6, 8, 9, закреплены в рейтерах и расположены на оптической скамье. В зависимости от выполняемых заданий фотодиод может быть снят с оптической скамьи, а экран может перемещаться вдоль нее.

ВНИМАНИЕ !

* Включать лазер и настраивать установку разрешается только в присутствии преподавателя или лаборанта !

**Всякое перемещение лазера как во включенном, так и выключенном состоянии студентам категорически запрещено !

***Попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения !

1.Выбор оптимального режима работы лазера

83

Под оптимальным режимом работы ОКГ будем понимать такое значение тока разряда (возбуждения) Iр газового лазера, при котором его выходная мощность максимальна. Для определения этого значения тока необходимо снять зависимость величины тока фотодиода Iфд (мощности лазера; прибор 6) от тока разряда Iр в активном веществе ОКГ (прибор 2). Для этого следует:

- установить поляризационный анализатор в положение, соответствующее максимальному пропусканию света (максимум Iр);

-вращая регулировку тока разряда ОКГ (прибор 2), изменять величину тока Iр (пределы и шаг задаются преподавателем);

-при изменении тока разряда лазера измерять соответствующие значения тока Iфд с помощью прибора 6;

-полученные данные занести в таблицу 1:

Таблица 1

Iр, мА

Iфд, мкА

- построить график зависимости тока фотодиода Iфд от тока разряда Iр , причем по горизонтальной оси отложить Iр ;

- определить по графику оптимальное значение Iр , соответствующее максимуму Iфд , выставить его на приборе 2 и в дальнейшем эксперименты проводить при этом режиме работы ОКГ.

2. Изучение поляризационных свойств излучения ОКГ

Интенсивность плоско-поляризованного света, проходящего через анализатор, зависит от угла поворота анализатора ϕ в соответствии с формулой Малюса

Поэтому, вращая поляризационный анализатор 4 (рис.5), измеряя зависимость Iфд от ϕ и сравнивая полученную зависимость с формулой (5), можно сделать вывод о том, поляризовано лазерное излучение или нет. Кроме того, можно определить параметр степени поляризации излучения исследуемого He-Ne лазера. Для этого следует:

-разместить фотодиод 5 вслед за поляризационным анализатором 4;

-поставить поляризационный анализатор в исходное нулевое положение: риска барабана, соответствующая нулю, должна находиться у верхней грани окна корпуса анализатора (в дальнейшем отсчет делений барабана анализатора вести по этой грани);

-измерить ток фотодиода Iфд при нулевом, исходном положении барабана анализатора;

-плавно вращая барабан с шагом в одно большое деление (оно соответствует пяти малым делениям), измерить соответствующие значения тока фото-

диода Iфд;

84

-измерения провести для углов ϕ в пределах от 0° до 360° ;

-результаты занести в таблицу 2:

Таблица 2

ϕ , град

Iфд, мкА

- по данным таблицы 2 построить зависимость тока фотодиода Iфд от угла поворота анализатора ϕ , причем угол ϕ отложить по горизонтали;

- вычислить величину степени поляризации излучения P по формуле

где Imax и Imin - максимальное и минимальное значения токов в таблице 2.

3. Определение угла расходимости лазерного излучения

Степень направленности излучения ОКГ определим путем измерения угла расходимости Θ (рис.7). Для этого:

- измерить диаметры лазерного луча в двух его сечениях: на выходе из лазера (d) и на экране (D), расположенном на расстоянии L

Полученное значение угла Θ выразить в градусах и сравнить с типичным значением для газовых лазеров (см. раздел 3.2 данной лабораторной работы).

4.Измерение длины волны излучения лазера

Внастоящей работе длина волны излучения ОКГ определяется с помощью дифракционной решетки.

4.1. Дифракционная решетка Дифракционная решетка - это оптическое устройство, представляющее

собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга щелей. Практически дифракционную решетку можно получить нанесением непрозрачных царапин (штрихов) на стеклянную пластину. Проницаемые для света места (щели) пропускают свет; промежутки между ними (царапины) рассеивают - не пропускают свет. Расстояние между центрами соседних щелей C называют периодом дифракционной решетки. При падении на решетку лазерного света на экране наблюдается серия световых пятен различной яркости. Наиболее яркое пятно (по оси лазерного луча) соответствует нулевому порядку дифракции (m=0, где m - номер дифракционного порядка). Последующие световые пятна слева и справа от нулевого соответствуют m = ±1, ±2, ±3 ... Длина волны излучения может быть определена по формуле:

85

где коэффициент m различен для темных колец дифракции различных порядков, например, m1 = 0,61, m2 = 1,11 и т.д. Угол β легко определить по формуле:

где x - диаметр дифракционного кольца, L - расстояние между объектом исследования и экраном.

5.2. Порядок выполнения работы

В настоящей работе следует определить средние размеры эритроцитов лягушки и человека. Для этих целей используются соответствующие гистологические препараты. Так как в эксперименте ширина темного кольца получается довольно широкой, то с целью улучшения точности измерения диаметр кольца следует определить по формуле:

где x1 и x2 - внешний и внутренний диаметры темного кольца. Значения m берутся соответственно номеру кольца (практически m = 1). Кольца нумеруются с первого темного кольца, окружающего центральный светлый круг.

Для определения размера эритроцита следует:

-заменить в держателе дифракционную решетку на исследуемый препарат;

-приложить к экрану лист бумаги и добиться четкого изображения дифракционной картины в виде чередующихся концентрических светлых и темных колец;

-отметить на бумаге расположение колец;

-измерить расстояние L ;

-измерить диаметры x1 и x2 ;

-по формулам (11) и (12) вычислить величину угла β;

-вычислить размер эритроцита по формуле (12);

-проделать аналогичные измерения со вторым исследуемым препаратом.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Спонтанное и стимулированное излучение.

2.Электронные переходы в двухуровневой энергетической системе, инверсные среды.

3.Трехуровневая модель энергетической системы атома, метастабиль-ный уровень, возможность усиления света веществом.

4.Оптический квантовый генератор, схема и принцип действия.

5.Типы ОКГ

6.Свойства лазерного излучения.

7.Основные направления применения лазеров в биологии и медицине.

87

8. Явление дифракции и ее применение для измерения длины волны излучения ОКГ и определения размеров частиц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методическое руководство к лабораторным занятиям "Оптические методы и аппаратура для биомедицинских исследований", лабораторная работа 6.

2.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высш. шк., 1987. С.534-538.

3.Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. М.: Высш. шк., 1982. С.395-399.

4.Ливенцев Н.М. Курс физики. М.: Высш. шк., 1978. Т.2. С.39-43.

5. Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабора-торным работам по медицинской и биологической физике. М.: Высш. шк., 1987. С.250.

6.Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Ю.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989.

7.Посудин Ю.И. Лазерная фотобиология. Киев: Высш. шк., 1989.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Вывод формулы для коэффициента усиления света веществом

Считаем, что энергетические уровни атомов представляют собой линии. При взаимодействии атомов с потоком излучения (фотонов) могут происходить два встречных процесса:

а) атомы, находящиеся в основном состоянии с энергией Е1, поглощая квант излучения hν = E2 - E1, переходят в возбужденное состояние с энергией Е2. Этот процесс происходит с определенной вероятностью P12, пропорциональной спектральной плотности энергии излучения ρ(λ):

где B12 - коэффициент пропорциональности, а спектральная плотность ρ(λ)

(6) определяет количество световой энергии, приходящееся на единичный спектральный интервал I.

Отметим, что этот процесс всегда стимулированный: роль стимулирующих фотонов выполняют поглощаемые фотоны. Спонтанных (самопроизвольных) переходов с первого уровня на второй быть не может, так как атом не способен оказаться в возбужденном состоянии без поглощения порции энергии, т.е. без внешнего воздействия.

88