Лабораторная работа №8: динамика температуры слоя крови в поле излучения лазера

Существуют беспороговые нелинейные оптические явления; в частности, к ним относится тепловая дефокусировка интенсивного излучения в поглощающих растворах. Явление это приходится учитывать как побочный эффект, обычно нежелательный, во многих случаях работы с интенсивным излучением, а специально оно изучалось в большом числе исследований. Эффект тепловой дефокусировки можно наблюдать по увеличению светового пятна, создаваемого на удаленном экране непрерывным излучением лазера, прошедшим через плоскопараллельную кювету с поглощающим раствором. В стационарном режиме в растворе устанавливается радиальный градиент температуры и плотности и, как следствие, градиент показателя

преломления. Жидкость становится оптически неоднородной. Известно, что в неоднородной среде прямолинейность распространения света нарушается. Простой расчет показывает 6, что радиус кривизны луча R связан с градиентом показателя преломления выражением

где i – угол между лучом и нормалью к поверхностям n = const. Так как в большинстве жидкостей (d n /d Т) _р < 0, функция n(r) имеет минимум на оси светового пучка. Согласно (1) такое распределение n(r) приводит к дефокусировке света; в условиях заметного теплового самовоздействия пучок света преобразуется плоскопараллельной кюветой с поглощающей жидкостью как отрицательной линзой. При относительно низких плотностях мощности изменение угловой расходимости пучка зависит от его мощности Р и радиуса при входе в поглощающий слой а₀ как

 

где θ₀ – начальная расходимость пучка, l – толщина слоя, α – коэффициент поглощения,k –коэффициент теплопроводности раствора. В этом случае тепловую линзу можно считать тонкой, т. е. учитывать только изменение волнового фронта и пренебрегать расширением пучка  внутри кюветы. Наведенная излучением тепловая линза обладает сферическими аберрациями. Действительно, grad п = 0 как на оси пучка, так и при n →∞ проходя через максимум на некотором расстоянии r_m от оси. При произвольном, в частности, гауссовом распределении интенсивности по сечению пучка на входе в поглощающий слой лучи с начальной координатой r₀ ≈ r_m испытывают в нем максимальное отклонение, фокусное расстояние тепловой линзы оказывается зависящим от r₀ ⁴. Для получения правильного представления о характере распределения плотности излучения по сечению пучка на выходе необходимо учесть когерентность лазерного излучения Взаимно пересекаясь, лучи, испытавшие в поглощающем растворе различное отклонение, по выходе из кюветы интерферируют, образуя на экране систему концентрических темных и светлых колец. Изменение фазы лучей внутри кюветы в приближении тонкой линзы следует за ходом grad n, имея минимум на оси пучка S₀ и приближаясь к постоянному значению. Этим определяется максимальное числоколец в аберрационной картине, которое не превосходит и увеличивается с ростом мощности излучения. Как следует из выражения (2), увеличение мощности приводит и к пропорциональному возрастанию расходимости пучка. Было, однако, обнаружено 4, что и при постоянной мощности излучения можно существенно усилить эффект, сфокусировав излучение на входе в поглощающую среду собирающей линзой, т. е. уменьшив а₀. Тем не менее и в более поздних работах для изучения эффекта тепловой дефокусировки использовались лазеры с выходной мощностью от 0,1 Вт и более — сказывалась инерция, заставлявшая нелинейные эффекты искать при возможно больших мощностях излучения. При этом недостаточно использовались дополнительные возможности усиления эффекта за счет рационального выбора параметров поглощающего слоя. Нам удалось подобрать условия, при которых сильный эффект дефокусировки с увеличением угловой расходимости излучения приблизительно на 5° может быть получен с гелийнеоновым лазером мощностью всего 6 мВт, что позволяет рекомендовать его для лекционной демонстрации, доступной любой вузовской и даже школьной аудитории. Особенностью предлагаемой постановки демонстрационного эксперимента является фокусировка излучения на вход кюветы относительно короткофокусной линзой и использование тонких кювет высокой оптической плотности с целесообразно выбранным поглощающим раствором. Фокусировка, повышая плотность мощности излучения, позволяет за счет уменьшения размеров интенсивно нагреваемого объема раствора существенно ослабить искажающее влияние конвекции, приводящее к дополнительному оттоку выделившегося тепла и уменьшению вертикального диаметра светового пятна 4. Влияние конвекции уменьшается и в тонких кюветах. При этом, как ясно из (2), коэффициент поглощения раствора достаточно большим, чтобы выполнялось ехр На практике верхний предел оптической плотности кюветы определяется необходимостью обеспечить на экране освещенность, достаточную для демонстрации эффекта в большой аудитории. Отметим, что при применение лазеров большей мощности при прочих равных условиях только снижает освещенность Е экрана дефокусированным пучком, так как с учетом (2) Е~P–1. При малой концентрации поглощающего вещества его влияние на теплофизические свойства раствора пренебрежимо мало; необходимо лишь, чтобы оно имело хорошую растворимость в выбранном растворителе, не разлагалось и не люминесцировало под действием излучения лазера.