Основные параметры лазерного излучения

Преимущества лазеров по сравнению с некогерентными тепловыми источниками определяется следующими их свойствами:

1. Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облученных участках.

2. Монохроматичность характеризует длину волны λ и спектральную ширину излучения Δλ. Ее мерой является отношение Δλ к среднему значению λ. Для лазеров монохроматичность излучения высока и составляет около 10^-5.

3. Когерентность и поляризованность – эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

4. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию.

Вслед за созданием первых лазеров более чем 30 лет тому назад почти сразу появился интерес к взаимодействию когерентного монохроматического излучения с биологическими системами. Лазерная медицина развивается в основном в двух направлениях:

· Макродеструкциицелостности тканей и клеток, являющейся основой лазерной хирургии.

· Молекулярной фотомедицины, основанной на фотофизических

процессах и последующих фотохимических и фотобиологических реакциях в молекулах и клетках, являющейся основой лазерной терапии.

Каждое из этих направлений требует своих типов лазеров, которые отличаются по длинам волн, значениям выходной мощности и энергии, длительности и скважности импульсов, а также своих способов доставки излучения к биологической ткани. Лазеры, используемые в медицине, перекрывают диапазон длин волн от 100 нм до 30 мкм, уровни выходной мощности составляют от нескольких милливатт до десятков и сотен ватт; энергия в импульсе изменяется в пределах от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей; длительность импульсов изменяется от единиц фемтосекунд (10^-15сек) до нескольких миллисекунд; ширина спектра излучения лазеров – от нескольких герц до десятков гигагерц, угловая расходимость – от тысячных долей градуса у газоразрядных лазеров до десятков градусов у полупроводниковых лазеров. В таблице 1 приведены основные характеристики твердотельных лазеров.

Таблица 1.

Активное вещество	Длина волны излучения, мкм	Энергия в импульсе, Дж	Расходимость излучения, мрад	Частота повторения импульсов, Гц	К.п.д. в режиме свободной генерации, %
Рубин	0,6943	0,5	20-40	0,03	1-1,5
Стекло с неодимом	1,06		10-15	0,01	1,5-2
Иттрий алюминиевый гранат	1,064		20-30	108-109	2,1-3

Протокол

Лабораторная работа

Лазерное излучение. Оценка размера эритроцита с помощью лазера

Цель работы:

1.Изучить принцип действия лазера и свойства лазерного излучения.

2.Изучить явление дифракции света, а также принцип действия дифракционной решётки.

3.Определить длину волны лазерного излучения с помощью дифракционной решётки.

4.Определить размер эритроцита, используя явление дифракции лазерного излучения.

Приборы и оборудование

1.Полупроводниковый лазер, излучающий красный свет с длиной волны 638 нм.

2.Дифракционная решётка.

3.Штатив с экраном.

4.Мазки крови.

5.Линейка, лист миллиметровой бумаги.

Часть 1. Изучение дифракции лазерного излучения на дифракционной решетке. Определение длины волы излучения.

Для наблюдения дифракции лазерного излучения используется установка, изображенная на рис. 13, которая состоит из полупроводникового лазера (1), укрепленного на штативе, и дифракционной решетки (2).

Рис. 13

ЛАЗЕР

	Рис. 14

Луч лазера освещает дифракционную решетку. Дифракционную картину, состоящую из линейки ярких пятен, наблюдают на экране (3), расположенном перпендикулярно лазерному лучу на расстоянии l от дифракционной решетки. Для наблюдения используется схема (рис. 14), на которой стрелки показывают направления распространения дифрагированных лучей; х₂, х_-2 – расстояния от нулевого дифракционного максимума до максимумов (2-го) и (-2-го) порядков, соответственно.

Так как дифракционная решетка представляет собой совокупность параллельных прозрачных и непрозрачных полосок, то при ее освещении соседние прозрачные полоски становятся вторичными источниками света. Часть света просто проходит сквозь решетку по пути распространения лазерного луча и образует на экране дифракционный максимум нулевого порядка (цифра 0 у экрана – рис.14). Излучение, испускаемое полосками почти по всем направлениям, имеет разные сдвиги фазы и, суммируясь на экране, взаимно погашается, давая нуль. Однако, по некоторым избранным направлениям, излучение, испускаемое соседними полосками, имеет сдвиг фазы кратный 2π, то есть равный целому числу волн. Такое излучение складывается на экране, давая яркие пятна, а зависимость интенсивности от расстояния от центра пучка имеет резкие максимумы (рис. 15).

Рис. 15 Интенсивность дифракционной картины, создаваемой дифракционной решеткой.

Ход работы

1. Установите дифракционную решетку на штативе перпендикулярно лазерному лучу. На расстоянии l=11см от решетки положите экран (лист миллиметровой бумаги или лист белой бумаги с координатными осями), измерьте это расстояние точно.

2. Включите лазер, нажав кнопку 4 (рис. 14) и теперь вы можете наблюдать на экране дифракционную картину, состоящую из линейки ярких пятен. Экран расположите таким образом, чтобы начало координат совпало с самым ярким дифракционным максимумом нулевого порядка, и отметьте его положение и положение других ярких точек на координатной оси как вправо, так и влево от начала координат.

3. Измерьте расстояния x_m – от нулевого максимума до максимумов m–го и -m–го порядков по три раза для каждого максимума и запишите результаты в таблицу 2.

4. Вычислите средние значения и , а также среднее расстояние для максимумов порядков.

5. Приняв период дифракционной решетки d=0.01мм, вычислите длину волны λ лазерного излучения для всех рассчитанных значений x_m по рабочей формуле:

где x_m – расстояние от центрального, нулевого максимума до максимума m–го порядка, m - порядок дифракции (максимумов), l - расстояние от дифракционной решетки до экрана.

Рабочая формула (1) получена из условия , а так как угол

дифракции φ мал, то можно записать .

6. Результаты вычислений и измерений запишите в таблицу 2.

Таблица 2.

Порядок максимумов m	Расстояние от нулевого максимума до m–го порядка максимума и -m-го, мм	Среднее расстояние , мм	Длина волны λ, нм
	, мм	, мм
=	=
	, мм	, мм

Часть 2. Изучение явления дифракции лазерного излучения на круглом диске. Определение размера эритроцита.

Дифракция на эритроцитах в мазке крови. Нормальный эритроцит по своей форме похож на двояковогнутую линзу со средней толщиной около 2 мкм и диаметром около 8,5 мкм. В мазке крови на стекле он лежит как плоский диск. Дифракционная картина эритроцита имеет вид чередующихся светлых и темных концентрических колец с ярким пятном – нулевым максимумом в центре. Характер распределения интенсивностей вдоль диаметра этих колец представлен на рис. 16.

	I

Рис. 16

Если число эритроцитов в мазке велико, и они расположены случайным образом друг относительно друга, то картина не изменяется.

Ход работы

1. Установите на штативе вместо дифракционной решетки стекло с мазком крови. Перемещая образец в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу, найдите место на краю мазка, для которого на экране получается наиболее четкая дифракционная картина из светлых и темных колец – чередующихся максимумов и минимумов различных порядков.

2. Экран расположите таким образом, чтобы центральный максимум совпадал с началом координат и отметьте на координатных осях середину 1-го темного кольца. Радиус кольца измерьте трижды в разных направлениях, и результаты измерений запишите в таблицу 3. Экспериментально точнее измерять не радиус яркого кольца, а радиус r темного кольца (1-го минимума). Как показывают результаты точного решения, соответствующий ему угол дифракции определяется по формуле: , где D – диаметр эритроцита. Синус соответствующего угла дифракции вычисляется по

формуле: , где l– расстояние от образца до экрана.

3. Вычислите средний радиус темного кольца и затем определите средний диаметр эритроцита по формуле:

где λ – длина волны лазерного излучения, определенная в задании 1. Результаты вычислений запишите в таблицу 3.

4. Оцените погрешности при определении размера эритроцита.

1. N=3 – число измерений

2.

=4,3 – коэффициент Стьюдента

3.

4. , мкм

Таблица 3.

N	, мм	, мм	, мкм	, мм	, мм2	, мм	, мм		, мкм	, мкм
1.
2.
3.

Выводы:

Контрольные вопросы преподавателя:

1. Понятие дифракции света.

2. Объясните, какому условию удовлетворяет угол φ, под которым наблюдаются главные максимумы при дифракции на решетке.

3. Объясните, как вычислить длину волны λ лазерного излучения.

4. Объясните, как вычислить угол дифракции φ.

5. Объясните возможность явления дифракции лазерного излучения на круглом диске (эритроците).

6. Объясните, как вычислить диаметр эритроцита.

Работа студента________________________________________

№ группы______________________________________________

Факультет______________________________________________

Дата____________________________________________________

Зачтено_________________________________________________

Определение коэффициента поглощения

гамма – квантов в металлах.

Работа с радиометром.

ВВЕДЕНИЕ

Использование ионизирующего излучения широко используется в медицине для диагностики и лечения. При этом оно может ухудшить состояние человека или вылечить его, что определяется полученной

дозой. Воздействия ионизирующего излучения на биологические ткани определяется энергией кванта излучения, которая зависит от его частоты. Если энергия кванта излучения значительно превышает работу выхода электрона из атома или молекулы, то при поглощении излучения тканями внутри них возникают большое количество положительных и отрицательных ионов. Эти ионы, участвуя в биохимических процессах, приводят к разрушению клеток в биологических тканях. В том случае, если эти воздействия на тканиспользуетсяи продолжаются долго или интенсивность излучения очень большая, то это приводит к лучевой болезни, образованию опухолей или, в критических случаях, к летальному исходу.

Цель занятия

- формирование новых теоретических знаний по теме:

· изучение особенностей ионизирующих излучений, их виды, условия возникновения и воздействие на вещество (особенно на биологические ткани). В связи с тем, что в медицине широко используются электромагнитны ионизирующие излучения, особое внимание необходимо уделить этим излучениям

· взаимодействие электромагнитного ионизирующего излучения с биологическими тканями

· дозиметрия и дозиметры: понятия доз (поглощенных, экспозиционных и эквивалентных доз), изучение устройства и применения современных дозиметров (счетчиков частиц – радиометров и сцинтилляционных счетчиков частиц )

· механизм поглощения рентгеновского излучения и γ – излучения

защита от ионизирующих электромагнитных излучений корпускулярные излучения, бета – распад и альфа – распад

- освоить практические умения на базе теоретических знаний :

· уверенно вычислять энергию кванта излучения

· определять толщину слоя половинного ослабления и линейного и массового коэффициентов ослабления

· использовать радиометр для определения экспозиционной дозы

· используя значение частоты кванта излучения и работу выхода электрона определять кинетическую энергию электрона, вылетающего из атома или молекулы

-закрепление теоретических знаний и сформированных практических умений:

• выполнение заданий по полученным на практике данным;

• тестирование на компьютере;

-развитие и воспитание личности:

• обучение аккуратности, точности и ответственности при выполнении практических заданий (как элемент бережного и внимательного отношения к пациентам, чей диагноз находится в зависимости от исследовательских качеств оператора).

Конкретные задачи

Студент должен знать:

Биофизические основы воздействия ионизирующего излучения на биологические ткани, рост энергии кванта излучения при увеличении частоты излучения, возникновение физико– химических процессов, происходящих в организме под действием ионизирующего излучения и связанные с образованием радикалов и значительным количеством положительных и отрицательных ионов.

Студент должен уметь:

· уверенно вычислять энергию кванта излучения

· определять толщину слоя половинного ослабления и линейного и массового коэффициентов ослабления

· использовать радиометр для определения экспозиционной дозы

· используя значение частоты кванта излучения и работу выхода электрона определять кинетическую энергию электрона, вылетающего из атома или молекулы

-закрепление теоретических знаний и сформированных практических умений:

• выполнение заданий по полученным на практике данным;

• тестирование на компьютере;

-развитие и воспитание личности:

• обучение аккуратности, точности и ответственности при выполнении практических заданий (как элемент бережного и внимательного отношения к пациентам, чей диагноз находится в зависимости от исследовательских качеств оператора).