mt11-Курс лекций_ОНЭиНТ_2016_Л05-06 (1051281), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в

возбужденное состояние В результате внутренних процессов возбужденные

ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два

возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и

при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная

населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов

хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими

интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую

параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в

рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных

фотонов,и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами

на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного

луча красного света. Длительность лазерного импульса=0.0001 с, немного

короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового

лазера около 1ДЖ.

• Дульная энергия пули при выстреле из АКМ: 2,3·10³ Дж.

• Энергия, необходимая для нагрева 1 литра воды от 20°C до 100°C: 3,35·10⁵ Дж.

• Энергия, выделяемая при взрыве 1 тонны тринитротолуола (тротиловый эквивалент): 4,184·10⁹ Дж.

• Энергия, выделенная при атомной бомбардировке Хиросимы: около 6·10¹³ Дж.

Вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса

также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения

=100000000Вт.

1.5. Схемы накачки

Рассмотрим принципы получения инверсной заселённости энергетических уровней (N2 > N1). Нетрудно показать, что невозможно обеспечить инверсию заселённости, используя 2-х уровневую схему накачки. Даже при интенсивной накачке активной среды волной с высокой плотностью энергии в момент, когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N2 = N1), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

Рис. 1.6. Естественная ширина энергетического уровня

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? Для ответа рассмотрим вопрос о соотношении между средним временем жизни τ и шириной Γ энергетического уровня. Спектральная линия имеет конечную ширину (см. рис. 1.6). Одной из причин возникновения конечной ширины энергетического уровня является соотношение неопределённостей Гейзенберга: Γ · τ ≥ h , где Γ – естественная ширина уровня энергии, h постоянная Планка. Различные уровни энергии атомов или молекул имеют различную ширину Γ энергетического уровня, а следовательно, и различное среднее значение времени, в течении которого атом может находиться в этом энергетическом состоянии (время жизни). Подобное обстоятельство позволяет создать инверсную заселённость энергетических уровней, используя трёх- или четырёхуровневую схему накачки.

Рис. 1.7. Естественная ширина энергетического уровня

В трёхуровневом лазере (рис. 1.7а) атомы накачкой переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровня- ми 2 и 1. В четырёхуровневом лазере (рис. 1.7 б) атомы также переводятся с основного уровня на уровень 4. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 3, то между уровнями 3 и 2 может быть получена инверсия населенностей. Когда в таком четырёхуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 3 на уровень 2. Поэтому для непрерывной работы четырёхуровневого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уровне 2, очень быстро переходили на первый уровень.

2. Свойства лазерного излучения

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исклю­чительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет не­зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз­ком интервале спектра кратковре­менно (в течение промежутка време­ни продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 710³ Вт/см², причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер­вал =10^-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². На­пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

2.1. Монохроматичность

Не слишком вдаваясь в детали, можно сказать, что это свойство определяется двумя следующими обстоятельствами: 1) усиливаться может электромагнитная волна только с частотой ν, определяемой выражением hν = E2 − E1,; 2) поскольку устройство из двух зеркал образует резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии лазерного излучения часто бывает много уже (приблизительно на шесть порядков величины!), чем обычная ширина линии перехода 2 → 1, которая наблюдается при спонтанном излучении.

2.2. Когерентность

Для любой электромагнитной волны можно определить два независимых понятия когерентности, а именно пространственную и временную когерентность. Для того чтобы определить пространственную когерентность, рассмотрим две точки P1 и P2, выбранные с таким условием, что в момент времени t = 0 через них проходит волновой фронт некоторой электромагнитной волны, и пусть E1(t) и E2(t) – соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию в момент времени t = 0 разность фаз электрических полей в данных точках равна нулю. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени t > 0, то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью. Практически для любой точки Pi , если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка P2 должна располагаться внутри некоторой конечной области, включаю- щей точку P1. В этом случае говорят, что волна характеризуется частичной пространственной когерентностью, причем для любой точки P можно соотетственно определить область когерентности C(P). Для того чтобы определить временную когерентность, рассмотрим электрическое поле волны в данной точке P в моменты времени t и t+τ . Если для данного интервала времени τ разность фаз колебаний поля остается одной и той же в любой момент времени t, то говорят, что существует временная когерентность на интервале времени τ . Если такое условие выполняется для любого значения τ , то волна характеризуется полной временной 24 когерентностью. Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени τ , такого, что 0 < τ < τ0, то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ0.

3. Классификация лазеров

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной

населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка,

возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей

средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.);

конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный).

Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам

лазера в связи с его практическими применениями.

3.1. Твердотельные лазеры.

Параметры лазерного излучения

Глубина оптического проникновения – способность каждой длины волны проникать в ткани на определенную глубину, это величина, обратная поглощению. Чем выше поглощение, тем меньше проникновение.

Рис. . Зависимость глубины оптического проникновения от длины волны

2940 нм, 2780 нм, 10600 нм

Лазерный свет можно рассматривать как периодические волны энергии, перемещающиеся в пространстве. Длина волны (нм) означает физическое расстояние между пиками последовательных волн в лазерном луче

Для человеческого глаза видимыми являются только длины волн лазера в диапазоне между 400 нм и 760 нм

Мощность лазера (Вт) – это скорость, с которой лазер генерирует энергию. Мощность лазера величиной 1 Ватт означает, что 1 Джоуль энергии излучается за 1 секунду.

1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль.^[3] Таким образом, ватт является производной единицей измерения и связан с другими единицами СИ следующими соотношениями:

Вт = Дж / с = кг·м²/с³

Количество импульсов в определенном отрезке времени называют частотой повторения (частотой). Например, 10 импульсов в секунду. Единицей измерения частоты повторения импульсов в секунду является Герц (Гц).

Длительность импульса или ширина импульса (мкс или мс) – это синонимы, которые отражают протяженность лазерного импульса во времени, то есть время, в течение которого лазер фактически испускает энергию. Измеряется в нано-, микро- или миллисекундах.

Энергия импульса (Дж) обозначает лучистую энергию каждого импульса. Энергия импульса, измеряемая в Джоулях, является наиболее часто используемым параметром.

Пиковая мощность (Вт) обозначает максимальный уровень мощности в течение отдельного лазерного импульса.

Пиковая мощность импульса = Энергия импульса / Длительность импульса Для лазера, работающего в импульсном режиме с энергией импульса 1 Дж и длительностью импульса 100 мкс, пиковая мощность равна 10 000 Вт. У диодных лазеров пиковая мощность обычно ненамного (в 2-4 раза) больше средней мощности. Пиковая мощность диодных лазеров, как правило, не превышает 20-30 Вт. Твердотельные лазеры способны накапливать энергию и «выплескивать» ее в виде очень коротких, но чрезвычайно мощных импульсов. Пиковая мощность при этом может достигнуть десятков тысяч и даже миллионов Ватт.

Размер пятна лазерного луча (мм) означает диаметр лазерного луча на целевом объекте. Изменяя размер пятна лазерного луча при сохранении энергии лазерного импульса постоянной, можно существенно изменить плотность потока энергии и, таким образом, повлиять на основной механизм воздействия лазерной энергии на ткани (нагревание, абляцию, коагуляцию).

Плотность энергии (Дж/см2 ) означает количество лазерной энергии, доставляемой на единицу площади. Другое название – доза энергии или флюенс энергии.

Плотность энергии = Энергия / Площадь Другими словами, при сохранении всех прочих параметров постоянными, плотность потока увеличивается, если уменьшается размер пятна. Плотность потока – это очень удобный параметр для определения общих характеристик процедуры лечения.

Время тепловой релаксации (TRT) – время, за которое ткань-мишень рассеивает 63% тепловой энергии в окружающие ткани и структуры. В случае, когда время контакта лазерного луча и ткани значительно меньше времени тепловой релаксации, ткань-мишень может быть разрушена с минимальным, с практической точки зрения, отсутствующим повреждением окружающих тканей.

Суммарные медицинские эффекты, возникающие в тканях, зависят от следующих факторов:

• длина волны лазерного излучения (выбор ткани-мишени, глубины оптического проникновения, коэффициента рассеивания);

• время контакта лазерной энергии и ткани (длительность импульса);

• время тепловой релаксации (TRT);

• плотность энергии.

Характеристики

Список файлов лекций