Контрольные вопросы

1. Что такое естественный и поляризованный свет?

2. Укажите способы получения поляризованного света.

3. Изобразите ход лучей в призме николя.

4. Сформулируйте закон Малюса.

5. Какие вещества называются оптически активными?

6. Изобразите оптическую схему поляриметра. Объясните назначение основных элементов поляриметра и принцип его действия.

7. С какой целью применяются поляриметры в биологии и медицине, химии?

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§25.1–25.5.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – §§129–132.

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§75–78.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§190–196.

Лабораторная работа № 20

Изучение работы газового лазера

Цель работы: изучение принципа действия газового лазера, определение длины волны излучения лазера с помощью дифракционной решетки, измерение размеров эритроцитов.

Приборы и принадлежности: газовый лазер, дифракционная решетка, линейка, оптическая скамья, экран, гистологический препарат эритроцитов крови кролика.

Для источников света, традиционных в оптической области спектра, характерна некогерентность излучения, а именно излучение источника в целом слагается из некогерентных между собой потоков, испускаемых микроскопическими элементами источника: атомами, молекулами, ионами, свободными электронами. Примерами некогерентного излучения могут служить свечение газового разряда, тепловое излучение искусственных и естественных источников и т.д.

В начале 60-х годов были созданы источники света совсем иного типа.

Атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е₁, Е₂, Е₃ … Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е₁ и Е₂. Если атом находится в основном состоянии 1, то при поглощении внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис.1а). Находясь в возбужденном состоянии 2, атом может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, испуская фотон с энергией h = E₂ – E₁. Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис.1б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

В 1916 г. А. Эйнштейн постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию h = E₂ – E₁, возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии h = E₂ – E₁ (рис.1в). При подобном переходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынужденному излучению (первичным фотонам); оно имеет такие же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением, т.е. испущенный фотон не отличим от фотона, падающего на атом. Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением возможен и конкурирующий процесс – поглощение. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов, которое пропорционально заселенности возбужденных состояний, превышало число актов поглощения фотонов, пропорциональное заселенности основных состояний. В системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическим, электрическим и другими способами.

В средах с инверсными состояниями вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться (эти среды называются активными). В данном случае явление протекает так, как если бы в законе Бугера I = I₀^-х, где I и I₀ – интенсивности световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, коэффициент поглощения  стал отрицательным. Активные среды поэтому можно рассматривать в качестве сред с отрицательным коэффициентом поглощения, и это состояние таких сред стали называть состоянием с отрицательной термодинамической температурой.

Понятие отрицательной термодинамической температуры характеризует термодинамическую неравновесность такого состояния вещества, при котором большая часть атомов находится в возбужденном состоянии.

Советский физик В.А. Фабрикант впервые рассмотрел возможности получения сред с отрицательной температурой и, изучая распространение света в таких средах, сформулировал принцип молекулярного усиления. Из этого принципа следует, что ин­тенсивность света возрастает по мере его распространения в среде с отрицательной тем­пературой.

Принцип молекулярного усиления был положен советскими учеными Н.Г. Басо­вым и A.M. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом в основу устройства пер­вых квантовых генераторов электромагнитных волн. Генераторы, дающие излучение в оптическом диапазоне длин волн, получили название ЛАЗЕРов.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера. Основным его элементом является разрядная трубка, заполненная смесью газов – гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия – вспомогательными, необходимыми для создания инверсии населенностей атомов неона.

Н а рис.2 изображены энергетиче­ские уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуж­даются атомы гелия и переходят в со­стояние 2. Первый возбужденный уро­вень гелия (2) совпадает с энергетиче­ским уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбужденное состояние 3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсией населенностей.

Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фото­нов с возбужденными атомами неона возникает индуцированное когерентное излуче­ние последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hv.

Для увеличения мощности излучения трубку помещают в зеркальный резонатор. Отражаясь от зеркал, поток фотонов многократно проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается все большее число атомов неона, и интенсивность генерируемого излучения возрастает.

Л азер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении ее вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – от 98% до 99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а дру­гим около 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Вследствие того, что энергетиче­ские уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходи­мый коэффициент отражения для одной длины волны.

Резонансная трубка 1 (рис.3) с торцов закрыта плоскопараллельными стеклянны­ми пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положе­ние пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для соз­дания в трубке электрического разряда в нее введены два электрода: анод 2 и катод 3.

Индуцированное излучение газового генератора является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоско поляризованным, остронаправленным. На этих свойствах основано широкое применение лазерного излучения в современных физических, химических и биологических исследованиях, имеющих фундаментальный характер. Ярким примером могут служить исследования в области нелинейной оптики. Лазерное излучение, обладающее достаточно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что приводит к различным нелинейно-оптическим явлениям.

Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна также плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроско­пия отличается исключительно высокой степенью точности (высоким разреше­нием). Лазеры позволяют также осуществлять избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических реакций, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики.

Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и к тому же протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и даже моделировать отдельные их звенья.

В настоящее время лазеры широко ис­пользуются в различных областях медицины. Впервые с лечебной целью лазер был применен в офтальмологии. Эксперименты на животных показали, что воздействие лу­чей лазера небольшой энергии (сотые и десятые доли джоуля) вызывает слипчивое вос­паление между внутренними оболочками глаза с последующим образованием мощного соединительного рубца. Офтальмологи используют лазер, прежде всего, для лечения от­слойки сетчатки. Луч лазера позволяет «приварить» отслоенную сетчатку к лежащей под ней сосудистой оболочке. Лучи лазера с успехом применяют и для лечения некоторых начальных форм внутриглазных опухолей без удаления глазного яблока.

Исключительный интерес представляет возможность использования лазера в хи­рургии. Луч лазера позволяет абсолютно стерильным «световым скальпелем» рассекать ткани и проводить операции почти без кровотечений. Объясняется это тем, что при рас­сечении лучом лазера мелкие и средние сосуды спаиваются, и лишь крупные сосуды не­обходимо перевязывать. Использование лазера позволило производить хирургические операции на паренхиматозных органах. Разрушительное действие лазерного луча ис­пользуется для лечения пигментных пятен, бородавок и опухолей.

Применение гибких световодов позволило использовать лазерное излучение для голограмм некоторых внутренних органов, а также для внутренней коагуляции.

Для определения длины волны излучения гелий-неонового лазера в данной ра­боте предлагается использовать дифракционную решетку. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которой через равные промежутки а нанесены параллельные непрозрачные штрихи шириной в. Величина с = а + в называется периодом ди­фракционной решетки. При освещении решетки монохроматическим светом происхо­дит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную кар­тину.

При нормальном падении света главные дифракционные максимумы возникают при условии:

С sin  = ± k, (1)

где k = 0,1,2,... – порядок главных максимумов.

Зная период решетки и угол, под которым виден максимум k-того порядка, можно определить длину волны падающего света:

. (2)

Е сли в качестве дифракционной решетки использовать монослой мелких круглых частиц одинакового размера, расположенных хаотично, то на экране можно наблюдать дифракционную картину, представляющую собой сумму дифракционных картин от от­дельных частиц. Эта картина будет иметь вид концентрических чередующихся темных и светлых колец, окружающих светлый центральный круг.

Из дифракционной теории Гюйгенса-Френеля следует, что при дифракции па­раллельных лучей на крутой преграде темные кольца получаются при условии:

где  – длина волны света; r – радиус преграды;  – уг­ловой радиус кольца (рис. 4). Условия получения светлых колец:

Таким образом, используя дифракционную картину, можно определить размеры частиц, на которых происходит дифракция:

(3)

где m – коэффициент, соответствующий данному кольцу.