Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в медицине

ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Кроме самопроизвольных (спонтанных) переходов с одного энергетического уровня на другой, наблюдаются также индуцированные (вынужденные, стимулированные) переходы, обусловленные действием на атом падающего на него излучения. Спонтанные переходы могут осуществляться только в одном направлении - с более высоких уровней на более низкие. Вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в одном, так и в другом направлении. В случае перехода на более высокий уровень атом поглощает падающее на него излучение. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень происходит излучение атомом фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошел переход. Это дополнительное излучение называется индуцированным (б).

Индуцированное излучение обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход. То же самое относится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и внешнего излучений. Таким образом, вынужденное и внешнее излучения оказываются когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

Среды, в которых возможно индуцированное излучение, обладают отрицательным коэффициентом поглощения, так как световойпоток, проходя сквозь такие среды, не ослабляется, а усиливается; следовательно, в законе поглощения коэффициент c будет отрицательным. Такие среды отличаются от обычных тем, что в них возбужденных атомов имеется больше, чем невозбужденных.

Для того чтобы среда обладала свойством усиливать световой поток, необходимо, чтобы число актов индуцированного излучения фотонов превышало бы число актов поглощения фотонов, то есть инверсную населенность, верхние уровни окажутся более населенными, чем нижние.

В нормальных условиях поглощение всегда преобладает над вынужденным излучением. Это объясняется тем, что обычно число невозбужденных атомов всегда больше числа возбужденных атомов, а вероятности переходов в ту или другую сторону под влиянием внешних фотонов одинаковы.

Для получения состояния с инверсной населенностью надо или, подводя к среде энергию извне, переводить ее частицы на верхний энергетический уровень, то есть возбуждать их (например, светом или электрическим разрядом), или тем или иным способом убирать из среды частицы, находящиеся на нижнем уровне.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в медицине.

Явление индуцированного излучения используют в квантовых генераторах (усилителях). За разработку нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн и создание молекулярных генераторов и усилителей советским физикам Н.Г.Басову и А.М.Прохорову в 1959 году была присуждена Ленинская премия, а в 1964 году Басову, ПРохорову и американскому физику И.Таунсу была присуждена Нобелевская премия (по физике).

Лазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - усиление микроволн с помощью вынужденного излучения.

Лазер (Liqht Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Принципиальная схема гелий-неонового лазера изображена на рисунке.

1 - газоразрядная стеклянная трубка, диаметр равен нескольким мм.

Торцы трубки замкнуты плоскопараллельными стеклянными или квацевыми пластинками, ориентированными под углом Брюстера к оси трубки.

Давление гелия в трубке примерно 1 мм рт.ст., давление неона - 0,1 мм рт.ст. Трубка имеет катод 2, накаливаемый низковолновым источником питания, и цилиндрический пустотелый анод 3.

Между катодом и анодом на трубку накладывается напряжение 1 - 2,5 кВ. Разрядный ток в ней равен нескольким десяткам мА. Раз-рядная трубка гелий-неонового лазера помещается между зеркалами 4,5. Зеркала, обычно сферические, делаются с многомлойными диэ-лектрическими покрытиями, имеющими высокие значения коэффициента отражения и почти не обладающие поглощением света. Пропускание одного зеркала составляет обычно около 2%, другого - менее 1%.

При нагретом катоде трубки и включенном анодном напряжении трубка светится, и в ней отчетливо виден газоразрядный столб ро-зового цвета.

При правильной ориентации через оба зеркала (но в особен-ности через зеркало с большим значением коэффициента пропуска-ния) распространяются хорошо коллимированные интенсивные пучки монохроматического (красного) света (l = 632,8 нм). Эти пучки возникают в результате генерации излучения гелий-неонового лазера.

На рисунке приведена упрощенная схема уровней энергии атома неона (справа). Излучению с длинами волн 632,8 и 1150 нм соответствуют переходы E₃ ® E₁ и E₂ ® E₁. Помимо уровней E₄, E₃, E₂, Е₁ атом неона имеет еще 28 состояний с энергиями, меньшими E₃, но мы их не рассматриваем. В результате столкновений с электронами газоразрядной плазмы часть атомов возбуждается, что отмечено на рисунке вертикальными пунктирными стрелками. При определенных режимах разряда этот процесс оказывается достаточным для образова-ния инверсной заселенности уровней E₂ и E₁. Однако уровни E₃, E₁ и E₃, E₄, переходы между которыми отвечают l = 632,8 нм и l = 3390 нм, заселены не инверсно.

Положение изменяется, если в разрядную трубку ввести гелий.

Гелий обладает двумя долгоживущими (метастабильными) состояниями E₂¢, E₃¢, показанными на левой части рисунка; эти состояния возбуждаются при столкновениях с электронами и ввиду большой длительности их существования, концентрация метаста-бильных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии E₃¢, E₂¢ метастабильных состояний гелия очень близки к энергиям E₃, E₂ неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при их столкновениях. Эти процессы символизируются горизонталь-ными пунктирными стрелками. В результате концентрация атомов неона, находящихся на уровнях E₃, E₂, резко увеличивается, и возника-ет инверсная заселенность уровней E₃ и E₁, а разность заселенностей уровней E₂ и E₁ увеличивается в несколько раз. Таким образом, добавление гелия к неону (5:1 - 10:1) весьма существенно для генерации в гелий-неоновом газовом лазере.

Два основных направления применения лазера в медицине:

1) основано на свойстве лазеров разрушать биологические ткани, что совместно с коагуляцией белка позволяет производить некоторые бескровные рассечения (в офтальмологии, в хирургии, уничтожение раковых клеток, при лечении зубов и другое);

2) связано с голографией.