Устройство ,осуществляющее обратную связь

46.У стройство и принцип работы рубинового и гелий – неонового лазеров.

с Рубин состоит из оксида алюминия Аl2 O3, содержащего в качестве примеси немного хрома Сr3+, придающего рубину характерный красный цвет.

 

Энергетические состояния вблизи Е2 и Е3 являются полосами. Это означает, что состояние атома не связано с какой-то строго определенной энергией, а может иметь энергию в пределах некоторой полосы с центром в Е2 или Е3.
Излучение накачки возбуждает две энергетические полосы Е2 и Е3. Т.к. эти полосы являются достаточно широкими, и белый свет от источника накачки содержит большое количество фотонов с энергиями внутри полос, то произойдет «накачка» этих полос. После этого возникает переход с каждой из этих полос в метастабильное состояние Е1.
Для обеспечения направленности излучения кристаллу рубина придается форма цилиндра со строго параллельными торцовыми поверхностями

Один торец посеребрен, и представляет собой хорошее зеркало. Другой покрыт серебром лишь частично. Индуцированные фотоны отражаются между параллельными зеркалами и накапливаются. Пучок образуется фотонами, которые вылетают через частично отражающий торец цилиндра.

 

Накачку осуществляет мощная разрядная лампа, навитая в виде спирали вокруг кристалла. Как только в процессе спонтанного перехода Е1 →Ео образуется хотя бы один фотон, начинается лазерное действие.

Фотоны, движущиеся параллельно оси цилиндра, отражаются от посеребренных торцов и, повторно пересекая кристалл, стимулируют испускание дополнительных фотонов. Часть этих фотонов проходит через торец с полупрозрачным покрытием и формирует лазерный пучок. Большая часть спонтанно испущенных фотонов излучается под углом к оси цилиндра. Они отражаются внутри кристалла и в конце концов вылетают через боковую поверхность. Такие фотоны не дают вклада в лазерный пучок
Лазер на рубине работает в импульсном режиме, т.к. непрерывный режим работы приведет к перегреву и кристалл растрескается.

 

Гелий - неоновый лазер состоит из двух трубок, соединенных патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при низком давлении (рис.5).

первая трубка - лазерная, как и рубиновый лазер, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало на другом. Вторая трубка - разрядная - имеет электроды, присоединенные к источнику питания. Накачка осуществляется по следующей схеме:
Столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния В. Атомы газа находятся в непрерывном движении, и часто сталкиваются. Если атом Не в возбужденном состоянии В сталкивается с атомом Nе в основном состоянии, то энергия атома Не передается атому Nе, который переходит в метастабильное состояние С´. Переход С´ → В´ является лазерным с испусканием красных фотонов с длиной волны 632,8 нм. Гелий - неоновый лазер, в отличие от рубинового, может работать в непрерывном режиме.

47. Свойства лазерного излучения.. Применение лазерного излучения в медицине.

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной 2.Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности. 3.Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет ∆λ ≈ 0,01 нм).

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10-12 с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~109 Вт). 5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014—1016 Вт/см2 (средняя интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).

6.Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109кд/м2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/с, где I —интенсивность излучения, с — скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 1014 Вт/см2 = 1018 Вт/м2 Д = 3,3·109 Па = 33000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

• невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

• фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции); • фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн). Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики:

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации. При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта.