Rispetto ad altre sorgenti luminose, un laser ha una serie di proprietà uniche, associato alla coerenza e all'elevata direttività della sua radiazione. La radiazione di sorgenti luminose “non laser” non ha queste caratteristiche. La potenza emessa da un corpo riscaldato è determinata dalla sua temperatura T. Il valore massimo possibile del flusso di radiazione raggiunto per un corpo assolutamente nero è W = 5,7 × 10-12xT 4 W/cm 2. La potenza della radiazione aumenta rapidamente con l'aumentare della T e per T elevate raggiunge valori molto grandi. Pertanto, ogni 1 cm 2 della superficie del Sole (T = 5800 K) emette una potenza W = 6,4 × 10 3 W. Tuttavia, la radiazione proveniente da una sorgente termica si diffonde in tutte le direzioni dalla sorgente. La formazione di un fascio diretto da tale sorgente, effettuata utilizzando un sistema di diaframmi o sistemi ottici costituiti da lenti e specchi, è sempre accompagnata da una perdita di energia. Nessun sistema ottico consente di ottenere sulla superficie di un oggetto illuminato una potenza di radiazione maggiore di quella della sorgente luminosa stessa.

Se si confronta l'intensità della radiazione laser con l'intensità della radiazione di un corpo assolutamente nero negli stessi intervalli spettrali e angolari, si ottengono temperature straordinariamente elevate, miliardi o più di volte superiori alle temperature effettivamente raggiungibili dalle sorgenti di luce termica. Inoltre, la bassa divergenza della radiazione consente, utilizzando i sistemi ottici convenzionali, di concentrare l'energia luminosa in volumi trascurabilmente piccoli, creando enormi densità di energia. La coerenza e la direzionalità della radiazione aprono possibilità fondamentalmente nuove per l'utilizzo dei raggi luminosi laddove non sono applicabili sorgenti luminose non laser.

La direzionalità della radiazione laser è in gran parte determinata dal fatto che in un risonatore aperto possono essere eccitate solo le onde dirette lungo l'asse del risonatore o ad angoli molto piccoli rispetto ad esso. Con un elevato grado di coerenza spaziale, l'angolo di divergenza del raggio laser può essere avvicinato al limite determinato dalla diffrazione. Valori tipici sono: per laser a gas (0,5-5)x10 -3 radianti, per laser a stato solido (2-20)x10 -3 radianti, per laser a semiconduttore (5-50)x10 -2 radianti.

La radiazione di una sorgente termica, inoltre, non è monocromatica e riempie un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Ad esempio, lo spettro delle radiazioni solari abbraccia le gamme di lunghezze d'onda dell'ultravioletto, del visibile e dell'infrarosso. Per aumentare la monocromaticità della radiazione si utilizzano monocromatori, che consentono di isolare una regione relativamente ristretta da uno spettro continuo, oppure si utilizzano sorgenti luminose a scarica di gas a bassa pressione, che producono linee spettrali strette atomiche o molecolari discrete. L'intensità della radiazione nelle righe spettrali, tuttavia, non può superare l'intensità della radiazione di un corpo assolutamente nero, la cui temperatura è uguale alla temperatura di eccitazione degli atomi e delle molecole. Pertanto, in entrambi i casi, la monocromatazione della radiazione viene ottenuta a costo di enormi perdite di energia. Più stretta è la linea spettrale, minore è l'energia emessa.

La differenza fondamentale tra i laser e tutte le altre sorgenti luminose, che sono essenzialmente sorgenti di rumore ottico, è l'elevato grado di coerenza della radiazione laser. Con la creazione dei laser nella gamma ottica, sono apparse sorgenti di radiazioni simili ai generatori di segnali coerenti familiari nella gamma radio, capaci di essere utilizzate con successo per scopi di comunicazione e trasferimento di informazioni e in molte delle loro proprietà: direttività della radiazione, frequenza trasmessa banda, basso livello di rumore, concentrazione di energia nel tempo ecc. - superiore ai classici apparecchi radio.

Nel caso di un laser che funziona in modalità multimodale, la monocromaticità è correlata al numero di modalità generate e può essere di diversi gigahertz. Nella modalità operativa a impulsi, la larghezza minima della linea è limitata dall'inverso della durata dell'impulso.

L'alto grado di monocromaticità della radiazione laser determina l'elevata densità di energia spettrale - un alto grado di concentrazione dell'energia luminosa in un intervallo spettrale molto piccolo. L'elevata monocromaticità facilita la messa a fuoco della radiazione laser, poiché l'aberrazione cromatica della lente diventa insignificante. Coerenza. I laser hanno un grado estremamente elevato di coerenza della radiazione, temporale e spaziale, rispetto ad altre sorgenti luminose.

Attualmente, i laser coprono la gamma dalle onde ultraviolette a quelle submillimetriche, i primi successi sono stati ottenuti nella creazione di laser a raggi X e sono stati creati laser con frequenza sintonizzabile.

Grazie alla loro elevata direttività, le sorgenti luminose laser hanno una luminosità molto elevata, il che significa che sul bersaglio può essere prodotta un'intensità luminosa molto elevata. Pertanto, un laser elio-neon con una potenza di soli 10 mW e una divergenza di radiazione di 3 × 10 -4 radianti con un'area del fascio di 0,1 cm 2 ha una luminosità di 10 6 W / (cm 2 * steradiante), che è molte volte superiore alla luminosità del Sole (130 W/(cm 2 steradianti)).

Le proprietà sopra elencate rendono i laser sorgenti luminose uniche e determinano la possibilità delle loro numerose applicazioni.

1. Il passaggio della luce monocromatica attraverso un mezzo trasparente.

2. Creazione di inversione demografica. Metodi di pompaggio.

3. Il principio di funzionamento del laser. Tipi di laser.

4. Caratteristiche della radiazione laser.

5. Caratteristiche della radiazione laser utilizzata in medicina.

6. Cambiamenti nelle proprietà del tessuto e nella sua temperatura sotto l'influenza di una potente radiazione laser continua.

7. Uso della radiazione laser in medicina.

8. Concetti e formule fondamentali.

9. Compiti.

Sappiamo che la luce viene emessa in porzioni separate: fotoni, ciascuno dei quali nasce come risultato della transizione radiativa di un atomo, molecola o ione. La luce naturale è una raccolta di un numero enorme di tali fotoni, diversi per frequenza e fase, emessi momenti casuali tempo in direzioni casuali. Ottenere potenti fasci di luce monocromatica utilizzando fonti naturali è un’impresa quasi impossibile. Allo stesso tempo, la necessità di tali raggi era sentita sia dai fisici che dagli specialisti in molte scienze applicate. La creazione di un laser ha permesso di risolvere questo problema.

Laser- un dispositivo che genera onde elettromagnetiche coerenti dovute all'emissione stimolata di microparticelle del mezzo in cui si crea un elevato grado di eccitazione di uno dei livelli energetici.

Laser (amplificazione della luce LASER mediante stimolazione della radiazione di emissione) - amplificazione della luce mediante radiazione stimolata.

L'intensità della radiazione laser (LR) è molte volte maggiore dell'intensità delle sorgenti luminose naturali e la divergenza del raggio laser è inferiore a un minuto d'arco (10 -4 rad).

31.1. Passaggio di luce monocromatica attraverso un mezzo trasparente

Nella Lezione 27 abbiamo scoperto che il passaggio della luce attraverso la materia è accompagnato da: eccitazione dei fotoni le sue particelle e i suoi atti emissione stimolata. Consideriamo la dinamica di questi processi. Lasciamo che si diffonda nell'ambiente monocromatico luce, la cui frequenza (ν) corrisponde alla transizione delle particelle di questo mezzo dal livello del suolo (E 1) al livello eccitato (E 2):

I fotoni che colpiscono le particelle nello stato fondamentale lo faranno essere assorbito e le particelle stesse entreranno nello stato eccitato E 2 (vedi Fig. 27.4). I fotoni che colpiscono le particelle eccitate danno inizio all'emissione stimolata (vedi Fig. 27.5). In questo caso i fotoni raddoppiano.

In uno stato di equilibrio termico, il rapporto tra il numero di particelle eccitate (N 2) e non eccitate (N 1) obbedisce alla distribuzione di Boltzmann:

dove k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura assoluta.

In questo caso, N 1 > N 2 e l'assorbimento prevalgono sul raddoppio. Di conseguenza, l'intensità della luce emergente I sarà inferiore all'intensità della luce incidente I 0 (Fig. 31.1).

Riso. 31.1. Attenuazione della luce che passa attraverso un mezzo in cui il grado di eccitazione è inferiore al 50% (N 1 > N 2)

Man mano che la luce viene assorbita, il grado di eccitazione aumenterà. Quando raggiunge il 50% (N 1 = N 2), tra assorbimento E raddoppio verrà stabilito l'equilibrio, poiché le probabilità che i fotoni colpiscano le particelle eccitate e non eccitate diventeranno le stesse. Se l'illuminazione del mezzo si interrompe, dopo un po' di tempo il mezzo ritornerà allo stato iniziale corrispondente alla distribuzione di Boltzmann (N 1 > N 2). Facciamo una conclusione preliminare:

Quando si illumina l'ambiente con luce monocromatica (31.1) impossibile da raggiungere tale stato dell'ambiente in cui il grado di eccitazione supera il 50%. Consideriamo ancora la questione del passaggio della luce attraverso un mezzo in cui è stato in qualche modo raggiunto lo stato N 2 > N 1. Questo stato è chiamato stato con popolazione inversa(dal lat. inverso- girando).

Inversione di popolazione- uno stato dell'ambiente in cui il numero di particelle in uno dei livelli superiori è maggiore che nel livello inferiore.

In un mezzo con una popolazione invertita, la probabilità che un fotone colpisca una particella eccitata è maggiore di quella di una particella non eccitata. Pertanto, il processo di raddoppio domina sul processo di assorbimento e c'è guadagno luce (Fig. 31.2).

Quando la luce attraversa un mezzo invertito, il grado di eccitazione diminuirà. Quando raggiunge il 50%

Riso. 31.2. Amplificazione della luce che passa attraverso un mezzo con popolazione invertita (N 2 > N 1)

(N1 = N2), tra assorbimento E raddoppio verrà stabilito l'equilibrio e l'effetto di amplificazione della luce scomparirà. Se l'illuminazione del mezzo si interrompe, dopo un po' di tempo il mezzo ritornerà ad uno stato corrispondente alla distribuzione di Boltzmann (N 1 > N 2).

Se tutta questa energia viene rilasciata nelle transizioni radiative, riceveremo un impulso luminoso di enorme potenza. È vero, non avrà ancora la coerenza e la direzionalità richieste, ma sarà altamente monocromatico (hv = E 2 - E 1). Questo non è ancora un laser, ma è già qualcosa di simile.

31.2. Creazione di inversione di popolazione. Metodi di pompaggio

Quindi è possibile ottenere un’inversione demografica? Si scopre che puoi se lo usi tre livelli energetici con la seguente configurazione (Fig. 31.3).

Lascia che l'ambiente venga illuminato con un potente lampo di luce. Parte dello spettro di emissione verrà assorbito nella transizione dal livello principale E 1 al livello ampio E 3 . Ricordiamolo Largoè un livello energetico con un breve tempo di rilassamento. Pertanto, la maggior parte delle particelle che entrano nel livello di eccitazione E 3 si trasferiscono in modo non radiativo allo stretto livello metastabile E 2, dove si accumulano. A causa della ristrettezza di questo livello, solo una piccola frazione dei fotoni del flash

Riso. 31.3. Creazione di inversione di popolazione a livello metastabile

in grado di provocare una transizione forzata E 2 → E 1 . Ciò fornisce le condizioni per creare una popolazione inversa.

Viene chiamato il processo di creazione di un'inversione di popolazione pompato. I laser moderni utilizzano vari tipi di pompaggio.

Il pompaggio ottico di mezzi attivi trasparenti utilizza impulsi luminosi provenienti da una fonte esterna.

Il pompaggio a scarica elettrica di mezzi attivi gassosi utilizza una scarica elettrica.

Il pompaggio a iniezione di mezzi attivi semiconduttori utilizza corrente elettrica.

Il pompaggio chimico di un mezzo attivo da una miscela di gas utilizza l'energia di una reazione chimica tra i componenti della miscela.

31.3. Il principio di funzionamento del laser. Tipi di laser

Lo schema funzionale del laser è mostrato in Fig. 31.4. Il fluido di lavoro (mezzo attivo) è un cilindro lungo e stretto, le cui estremità sono coperte da due specchi. Uno degli specchi (1) è traslucido. Un tale sistema è chiamato risonatore ottico.

Il sistema di pompaggio trasferisce le particelle dal livello del suolo E 1 al livello di assorbimento E 3 , da dove si trasferiscono in modo non radiativo al livello metastabile E 2 , creando la sua inversione di popolazione. Successivamente iniziano le transizioni radiative spontanee E 2 → E 1 con l'emissione di fotoni monocromatici:

Riso. 31.4. Dispositivo laser schematico

I fotoni di emissione spontanea, emessi obliquamente rispetto all'asse della cavità, escono dalla superficie laterale e non partecipano al processo di generazione. Il loro flusso si sta rapidamente prosciugando.

I fotoni che, dopo l'emissione spontanea, si muovono lungo l'asse del risonatore, attraversano ripetutamente il fluido di lavoro, riflettendosi dagli specchi. Allo stesso tempo interagiscono con le particelle eccitate, dando inizio all'emissione stimolata. A causa di ciò, si verifica un aumento “a valanga” dei fotoni indotti che si muovono nella stessa direzione. Un flusso di fotoni moltiplicato e amplificato esce attraverso uno specchio traslucido, creando un potente fascio di raggi coerenti quasi paralleli. In effetti, viene generata una radiazione laser Primo un fotone spontaneo che si muove lungo l'asse del risonatore. Ciò garantisce la coerenza della radiazione.

Pertanto, il laser converte l'energia della sorgente della pompa nell'energia della luce coerente monocromatica. L’efficienza di tale trasformazione, ad es. L'efficienza dipende dal tipo di laser e varia da frazioni di punto percentuale a diverse decine di punto percentuale. La maggior parte dei laser ha un'efficienza dello 0,1-1%.

Tipi di laser

Il primo laser creato (1960) utilizzava il rubino come fluido di lavoro e un sistema di pompaggio ottico. Il rubino è un ossido di alluminio cristallino A1 2 O 3 contenente circa lo 0,05% di atomi di cromo (è il cromo che conferisce al rubino il suo colore rosa). Gli atomi di cromo incorporati nel reticolo cristallino sono il mezzo attivo

con la configurazione dei livelli energetici mostrata in Fig. 31.3. La lunghezza d'onda della radiazione laser a rubino è λ = 694,3 nm. Poi sono comparsi i laser che utilizzavano altri mezzi attivi.

A seconda del tipo di fluido di lavoro, i laser si dividono in gas, stato solido, liquido e semiconduttore. Nei laser a stato solido, l'elemento attivo è solitamente realizzato sotto forma di un cilindro, la cui lunghezza è molto maggiore del suo diametro. I mezzi attivi gassosi e liquidi vengono posti in una cuvetta cilindrica.

A seconda del metodo di pompaggio, è possibile ottenere una generazione continua e pulsata di radiazione laser. Con un sistema di pompaggio continuo, viene mantenuta l'inversione di popolazione a lungo grazie ad una fonte di energia esterna. Ad esempio, l'eccitazione continua mediante una scarica elettrica in un ambiente gassoso. Con un sistema di pompaggio pulsato, l'inversione di popolazione viene realizzata in modalità pulsata. Frequenza di ripetizione degli impulsi da 10 -3

Hz fino a 10 3 Hz.

31.4. Caratteristiche della radiazione laser

La radiazione laser nelle sue proprietà differisce significativamente dalla radiazione delle sorgenti luminose convenzionali. Notiamo le sue caratteristiche.

1. Coerenza. La radiazione lo è altamente coerente, che è dovuto alle proprietà dell'emissione stimolata. In questo caso si verifica non solo coerenza temporale, ma anche spaziale: la differenza di fase in due punti del piano perpendicolare alla direzione di propagazione rimane costante (Fig. 31.5, a).

2. Collimazione. La radiazione laser è collimato, quelli. tutti i raggi nel raggio sono quasi paralleli tra loro (Fig. 31.5, b). A distanze maggiori il raggio laser aumenta solo leggermente di diametro. Dall'angolo di divergenza φ è piccolo, l'intensità del raggio laser diminuisce leggermente con la distanza. Ciò consente la trasmissione dei segnali su grandi distanze con una minima attenuazione della loro intensità.

3. Monocromatico. La radiazione laser è altamente monocromatico, quelli. contiene onde quasi della stessa frequenza (la larghezza della linea spettrale è Δλ ≈0,01 nm). SU

La Figura 31.5c mostra un confronto schematico tra la larghezza di linea di un raggio laser e un raggio di luce ordinaria.

Riso. 31.5. Coerenza (a), collimazione (b), monocromaticità (c) della radiazione laser

Prima dell'avvento dei laser, la radiazione con un certo grado di monocromaticità poteva essere ottenuta utilizzando dispositivi: monocromatori, che distinguono gli intervalli spettrali stretti (bande di lunghezza d'onda strette) da uno spettro continuo, ma la potenza luminosa in tali bande è bassa.

4. Ad alta potenza. Utilizzando un laser, è possibile fornire una potenza di radiazione monocromatica molto elevata - fino a 10 5 W in modalità continua. La potenza dei laser pulsati è di diversi ordini di grandezza superiore. Pertanto, un laser al neodimio genera un impulso con energia E = 75 J, la cui durata è t = 3x10 -12 s. La potenza nell'impulso è pari a P = E/t = 2,5x10 13 W (per confronto: la potenza di una centrale idroelettrica è P ~ 10 9 W).

5. Alta intensità. Nei laser pulsati l'intensità della radiazione laser è molto elevata e può raggiungere I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (cfr. l'intensità della luce solare in prossimità della superficie terrestre I = 0,1 W/cm 2).

6. Alta luminosità. Per i laser che operano nel campo visibile, luminosità la radiazione laser (intensità luminosa per unità di superficie) è molto elevata. Anche i laser più deboli hanno una luminosità di 10 15 cd/m 2 (per confronto: la luminosità del Sole è L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Pressione. Quando un raggio laser cade sulla superficie di un corpo, crea pressione(D). Con l'assorbimento completo della radiazione laser incidente perpendicolarmente alla superficie, si crea una pressione D = I/c, dove I è l'intensità della radiazione, c è la velocità della luce nel vuoto. Con la riflessione totale, la pressione è doppia. Per intensità I = 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2 ; D = 3,3x10 9 Pa = 33.000 atm.

8. Polarizzazione. La radiazione laser è completamente polarizzato.

31.5. Caratteristiche della radiazione laser utilizzata in medicina

Lunghezza d'onda della radiazione

Le lunghezze d'onda delle radiazioni (λ) dei laser medicali sono comprese tra 0,2 e 10 µm, ovvero dalla regione dell’ultravioletto al lontano infrarosso.

Potenza delle radiazioni

La potenza della radiazione (P) dei laser medicali varia entro ampi limiti, determinati dagli scopi dell'applicazione. Per laser con pompaggio continuo, P = 0,01-100 W. I laser pulsati sono caratterizzati dalla potenza dell'impulso P e dalla durata dell'impulso τ e

Per i laser chirurgici P e = 10 3 -10 8 W e la durata dell'impulso t e = 10 -9 -10 -3 s.

Energia in un impulso di radiazione

L'energia di un impulso di radiazione laser (E e) è determinata dalla relazione E e = P e -t e, dove t e è la durata dell'impulso di radiazione (normalmente t e = 10 -9 -10 -3 s) . Per laser chirurgici E e = 0,1-10 J.

Frequenza di ripetizione dell'impulso

Questa caratteristica (f) dei laser pulsati mostra il numero di impulsi di radiazione generati dal laser in 1 s. Per laser terapeutici f = 10-3.000 Hz, per laser chirurgici f = 1-100 Hz.

Potenza di radiazione media

Questa caratteristica (P av) dei laser a impulsi periodici mostra quanta energia il laser emette in 1 s ed è determinata dalla seguente relazione:

Intensità (densità di potenza)

Questa caratteristica (I) è definita come il rapporto tra la potenza della radiazione laser e l'area della sezione trasversale del raggio. Per laser continui I = P/S. Nel caso dei laser pulsati ci sono intensità dell'impulso I e = P e /S e intensità media I av = P av /S.

L'intensità dei laser chirurgici e la pressione creata dalla loro radiazione hanno i seguenti valori:

per laser continui I ~ 10 3 W/cm 2, D = 0,033 Pa;

per laser pulsati I e ~ 10 5 -10 11 W/cm 2, D = 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Densità di energia dell'impulso

Questa quantità (W) caratterizza l'energia per unità di area della superficie irradiata per impulso ed è determinata dalla relazione W = E e /S, dove S (cm 2) è l'area del punto luminoso (cioè la sezione trasversale del raggio laser) sui tessuti biologici superficiali. Per i laser utilizzati in chirurgia, W ≈ 100 J/cm 2.

Il parametro W può essere considerato come la dose di radiazione D per 1 impulso.

31.6. Cambiamenti nelle proprietà del tessuto e nella sua temperatura sotto l'influenza di una potente radiazione laser continua

Cambiamenti di temperatura e proprietà del tessuto

sotto l'influenza della radiazione laser continua

L'assorbimento della radiazione laser ad alta potenza da parte del tessuto biologico è accompagnato dal rilascio di calore. Per calcolare il calore rilasciato, viene utilizzato un valore speciale: densità di calore volumetrico(Q).

Il rilascio di calore è accompagnato da un aumento della temperatura e nei tessuti avvengono i seguenti processi:

a 40-60°C si verificano attivazione enzimatica, formazione di edema, alterazioni e, a seconda del tempo di azione, morte cellulare, denaturazione delle proteine, comparsa di coagulazione e necrosi;

a 60-80°C - denaturazione del collagene, difetti della membrana; a 100°C - disidratazione, evaporazione dell'acqua dai tessuti; oltre 150°C - carbonizzazione;

oltre 300°C - evaporazione del tessuto, formazione di gas. La dinamica di questi processi è mostrata in Fig. 31.6.

Riso. 31.6. Dinamica dei cambiamenti nella temperatura dei tessuti sotto l'influenza della radiazione laser continua

1 fase. Innanzitutto la temperatura dei tessuti aumenta da 37 a 100 °C. In questo intervallo di temperature le proprietà termodinamiche del tessuto rimangono praticamente invariate e la temperatura aumenta linearmente con il tempo (α = cost e I = cost).

2 fase. Ad una temperatura di 100°C inizia l'evaporazione dell'acqua dai tessuti e fino alla fine di questo processo la temperatura rimane costante.

3 fase. Dopo che l'acqua è evaporata, la temperatura ricomincia a salire, ma più lentamente rispetto alla sezione 1, poiché il tessuto disidratato assorbe energia meno del normale.

4 fase. Al raggiungimento della temperatura T ≈ 150 °C inizia il processo di carbonizzazione e, di conseguenza, di “annerimento” del tessuto biologico. In questo caso il coefficiente di assorbimento α aumenta. Pertanto, si osserva un aumento non lineare della temperatura, accelerato nel tempo.

5 fase. Quando viene raggiunta la temperatura T ≈ 300 °C, inizia il processo di evaporazione del tessuto biologico disidratato e carbonizzato e l'aumento di temperatura si arresta nuovamente. È in questo momento che il raggio laser taglia (rimuove) il tessuto, cioè diventa un bisturi.

Il grado di aumento della temperatura dipende dalla profondità del tessuto (Fig. 31.7).

Riso. 31.7. Processi che si verificano nei tessuti irradiati a diverse profondità: UN- nello strato superficiale il tessuto si riscalda fino a diverse centinaia di gradi ed evapora; B- la potenza radiante indebolita dallo strato superiore non è sufficiente per far evaporare il tessuto. Si verifica la coagulazione dei tessuti (a volte insieme alla carbonizzazione - una spessa linea nera); V- Il riscaldamento dei tessuti avviene a causa del trasferimento di calore dalla zona (B)

L'estensione delle singole zone è determinata sia dalle caratteristiche della radiazione laser che dalle proprietà del tessuto stesso (in primis i coefficienti di assorbimento e di conducibilità termica).

L'esposizione a un potente raggio focalizzato di radiazione laser è accompagnata dalla comparsa di onde d'urto, che possono causare danni meccanici ai tessuti adiacenti.

Ablazione del tessuto sotto l'influenza di una potente radiazione laser pulsata

Quando il tessuto viene esposto a brevi impulsi di radiazione laser con un'elevata densità di energia, viene realizzato un altro meccanismo di dissezione e rimozione del tessuto biologico. In questo caso, si verifica un riscaldamento molto rapido del fluido tissutale fino a una temperatura T > T ebollizione. In questo caso il fluido tissutale si trova in uno stato surriscaldato metastabile. Quindi si verifica un'ebollizione “esplosiva” del fluido tissutale, che è accompagnata dalla rimozione del tessuto senza carbonizzazione. Questo fenomeno si chiama ablazione. L'ablazione è accompagnata dalla generazione di onde d'urto meccaniche che possono causare danni meccanici ai tessuti in prossimità della zona di irradiazione del laser. Questo fatto deve essere preso in considerazione quando si scelgono i parametri della radiazione laser pulsata, ad esempio quando si macina la pelle, si forano i denti o si corregge l'acuità visiva con il laser.

31.7. Utilizzo della radiazione laser in medicina

I processi che caratterizzano l'interazione della radiazione laser (LR) con oggetti biologici possono essere suddivisi in 3 gruppi:

influenza non disturbante(non avendo un effetto evidente sull'oggetto biologico);

azione fotochimica(una particella eccitata da un laser prende parte essa stessa alle reazioni chimiche corrispondenti, oppure trasferisce la sua eccitazione ad un'altra particella che partecipa ad una reazione chimica);

fotodistruzione(a causa del rilascio di calore o di onde d'urto).

Diagnostica laser

La diagnostica laser è un effetto non perturbante su un oggetto biologico che utilizza coerenza radiazione laser. Elenchiamo i principali metodi diagnostici.

Interferometria. Quando la radiazione laser viene riflessa da una superficie ruvida, si formano onde secondarie che interferiscono tra loro. Di conseguenza, si forma un'immagine di punti scuri e chiari (macchioline), la cui posizione fornisce informazioni sulla superficie dell'oggetto biologico (metodo dell'interferometria maculata).

Olografia. Utilizzando la radiazione laser si ottiene un'immagine tridimensionale di un oggetto. In medicina questo metodo permette di ottenere immagini tridimensionali delle cavità interne dello stomaco, degli occhi, ecc.

Diffusione della luce. Quando un raggio laser altamente diretto passa attraverso un oggetto trasparente, la luce si disperde. La registrazione della dipendenza angolare dell'intensità della luce diffusa (metodo nefelometrico) consente di determinare la dimensione delle particelle del mezzo (da 0,02 a 300 μm) e il grado della loro deformazione.

In caso di dispersione, la polarizzazione della luce può cambiare, il che viene utilizzato anche in diagnostica (metodo della nefelometria di polarizzazione).

Effetto Doppler. Questo metodo si basa sulla misurazione dello spostamento della frequenza Doppler di LR, che si verifica quando la luce viene riflessa anche da particelle che si muovono lentamente (metodo anenometrico). In questo modo viene misurata la velocità del flusso sanguigno nei vasi, la mobilità dei batteri, ecc.

Diffusione quasi elastica. Con tale diffusione si verifica un leggero cambiamento nella lunghezza d'onda della sonda LR. La ragione di ciò è un cambiamento nelle proprietà di diffusione (configurazione, conformazione delle particelle) durante il processo di misurazione. Cambiamenti temporanei nei parametri della superficie di diffusione si manifestano in un cambiamento nello spettro di diffusione rispetto allo spettro della radiazione di alimentazione (lo spettro di diffusione si allarga o in esso compaiono massimi aggiuntivi). Questo metodo consente di ottenere informazioni sulle mutevoli caratteristiche degli scatterer: coefficiente di diffusione, velocità di trasporto diretto, dimensione. Ecco come vengono diagnosticate le macromolecole proteiche.

Spettroscopia di massa laser. Questo metodo viene utilizzato per studiare Composizione chimica oggetto. Potenti raggi di radiazione laser fanno evaporare la materia dalla superficie di un oggetto biologico. I vapori sono sottoposti ad analisi spettrale di massa, i cui risultati determinano la composizione della sostanza.

Analisi del sangue laser. Un raggio laser fatto passare attraverso uno stretto capillare di quarzo attraverso il quale viene pompato sangue appositamente trattato provoca la fluorescenza delle sue cellule. La luce fluorescente viene quindi rilevata da un sensore sensibile. Questo bagliore è specifico per ogni tipo di cellula che passa individualmente attraverso la sezione trasversale del raggio laser. Viene calcolato il numero totale di cellule in un dato volume di sangue. Vengono determinati indicatori quantitativi precisi per ciascun tipo di cellula.

Metodo di fotodistruzione. Viene utilizzato per studiare la superficie composizione oggetto. I potenti raggi LR consentono di prelevare microcampioni dalla superficie di oggetti biologici mediante evaporazione della sostanza e successiva analisi spettrale di massa di questo vapore.

Utilizzo della radiazione laser in terapia

In terapia vengono utilizzati laser a bassa intensità (intensità 0,1-10 W/cm2). La radiazione a bassa intensità non provoca un effetto distruttivo evidente sui tessuti direttamente durante l'irradiazione. Nelle regioni visibili e ultraviolette dello spettro, gli effetti dell'irradiazione sono causati da reazioni fotochimiche e non differiscono dagli effetti causati dalla luce monocromatica ricevuta da sorgenti incoerenti convenzionali. In questi casi, i laser sono semplicemente comode sorgenti luminose monocromatiche che forniscono

Riso. 31.8. Schema di utilizzo di una sorgente laser per l'irradiazione intravascolare del sangue

fornendo una precisa localizzazione e dosaggio dell’esposizione. Come esempio in Fig. La Figura 31.8 mostra un diagramma dell'uso di una sorgente di radiazione laser per l'irradiazione intravascolare del sangue in pazienti con insufficienza cardiaca.

Di seguito sono elencati i metodi di terapia laser più comuni.

Terapia con la luce rossa. La radiazione laser He-Ne con una lunghezza d'onda di 632,8 nm viene utilizzata a scopo antinfiammatorio per trattare ferite, ulcere e malattie coronariche. L'effetto terapeutico è legato all'influenza della luce di questa lunghezza d'onda sull'attività proliferativa della cellula. La luce agisce come regolatore del metabolismo cellulare.

Terapia della luce blu. La radiazione laser con una lunghezza d'onda nella regione blu della luce visibile viene utilizzata, ad esempio, per trattare l'ittero nei neonati. Questa malattia è una conseguenza di un forte aumento della concentrazione di bilirubina nel corpo, che ha il massimo assorbimento nella regione blu. Se i bambini vengono irradiati con radiazioni laser di questo intervallo, la bilirubina si decompone formando prodotti idrosolubili.

Fisioterapia laser - l'uso della radiazione laser in combinazione con vari metodi di elettrofisioterapia. Alcuni laser sono dotati di attacchi magnetici per l'azione combinata della radiazione laser e campo magnetico- terapia laser magnetica. Questi includono il dispositivo terapeutico laser a infrarossi magnetici Milta.

L'efficacia della laserterapia aumenta se abbinata a sostanze medicinali precedentemente applicate sulla zona irradiata (laserforesi).

Terapia fotodinamica dei tumori. La terapia fotodinamica (PDT) viene utilizzata per rimuovere i tumori accessibili alla luce. La PDT si basa sull'utilizzo di fotosensibilizzatori localizzati nei tumori, che aumentano la sensibilità dei tessuti durante il loro

successiva irradiazione con luce visibile. La distruzione dei tumori durante la PDT si basa su tre effetti: 1) distruzione fotochimica diretta delle cellule tumorali; 2) danno ai vasi sanguigni del tumore, che porta all'ischemia e alla morte del tumore; 3) il verificarsi di una reazione infiammatoria che mobilita la difesa immunitaria antitumorale dei tessuti corporei.

Per irradiare tumori contenenti fotosensibilizzatori, viene utilizzata la radiazione laser con una lunghezza d'onda di 600-850 nm. In questa regione dello spettro, la profondità di penetrazione della luce nei tessuti biologici è massima.

La terapia fotodinamica viene utilizzata nel trattamento dei tumori della pelle e degli organi interni: polmoni, esofago (la radiazione laser viene erogata agli organi interni utilizzando guide luminose).

Utilizzo della radiazione laser in chirurgia

In chirurgia, i laser ad alta intensità vengono utilizzati per tagliare i tessuti, rimuovere aree patologiche, arrestare il sanguinamento e saldare i tessuti biologici. Scegliendo opportunamente la lunghezza d'onda della radiazione, la sua intensità e la durata dell'esposizione, si possono ottenere diversi effetti chirurgici. Pertanto, per tagliare i tessuti biologici, viene utilizzato un fascio focalizzato di un laser continuo a CO 2 , avente una lunghezza d'onda λ = 10,6 μm e una potenza di 2x10 3 W/cm 2.

L'uso di un raggio laser in chirurgia fornisce un'esposizione selettiva e controllata. La chirurgia laser presenta numerosi vantaggi:

Senza contatto, fornendo assoluta sterilità;

Selettività, che consente la scelta della lunghezza d'onda della radiazione per distruggere i tessuti patologici in dosi senza intaccare i tessuti sani circostanti;

Senza sangue (a causa della coagulazione delle proteine);

Possibilità di interventi microchirurgici grazie all'elevato grado di focalizzazione del raggio.

Indichiamo alcuni ambiti di applicazione chirurgica del laser.

Saldatura laser dei tessuti. La connessione dei tessuti sezionati è un passaggio necessario in molte operazioni. La Figura 31.9 mostra come viene eseguita la saldatura di uno dei tronchi di un grande nervo in modalità contatto mediante saldatura, che

Riso. 31.9. Saldatura dei nervi mediante raggio laser

le gocce da una pipetta vengono applicate al sito laser.

Distruzione delle aree pigmentate. I laser pulsati vengono utilizzati per distruggere le aree pigmentate. Questo metodo (fototermolisi) usato per trattare angiomi, tatuaggi, placche sclerotiche nei vasi sanguigni, ecc.

Endoscopia laser. L’introduzione dell’endoscopia ha rivoluzionato la medicina chirurgica. Per evitare grandi interventi a cielo aperto, la radiazione laser viene erogata al sito di trattamento utilizzando guide luminose a fibre ottiche, che consentono di erogare la radiazione laser ai tessuti biologici degli organi cavi interni. Ciò riduce significativamente il rischio di infezioni e complicanze postoperatorie.

Rottura del laser. I laser a impulsi brevi in ​​combinazione con guide luminose vengono utilizzati per rimuovere placche nei vasi sanguigni e calcoli cistifellea e reni.

Laser in oftalmologia. L'uso del laser in oftalmologia consente di eseguire interventi chirurgici senza sangue senza compromettere l'integrità del bulbo oculare. Si tratta di operazioni sul corpo vitreo; saldatura della retina staccata; trattamento del glaucoma mediante “perforazione” di fori (50÷100 µm di diametro) con un raggio laser per il deflusso del liquido intraoculare. L'ablazione strato per strato del tessuto corneale viene utilizzata per la correzione della vista.

31.8. Concetti e formule di base

Fine del tavolo

31.9. Compiti

1. In una molecola di fenilalanina, la differenza di energia negli stati fondamentale ed eccitato è ΔE = 0,1 eV. Trova la relazione tra le popolazioni di questi livelli a T = 300 K.

Risposta: n = 3,5*10 18.

INTRODUZIONE

Il lavoro del corso è dedicato allo studio dei laser e alle loro applicazioni in vari campi dell'attività umana. La rilevanza di questo problema è dovuta al costante aumento del ritmo di sviluppo delle tecnologie laser e della loro implementazione nelle nostre vite. Lo scopo del lavoro è lo studio delle tecnologie laser, che comporta la risoluzione dei seguenti problemi specifici:

1) conoscere il principio di funzionamento vari tipi laser;

2) apprendere come aumentare la potenza della radiazione laser;

3) considerare le opzioni per l'utilizzo dei laser.

Il materiale per il lavoro erano i dati ottenuti lavorando con la letteratura e Internet.

Lavoro del corsoè composto da un'introduzione, due capitoli, una conclusione, un'appendice e una bibliografia per pagina.

L'introduzione determina la pertinenza del lavoro, formula gli scopi e gli obiettivi principali, i metodi di ricerca e il materiale utilizzato.

Il primo capitolo svela il principio di funzionamento vari tipi laser.

Il secondo capitolo discute le aree e le applicazioni dei laser.

In conclusione si riassumono i risultati del lavoro.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEI LASER

I laser si basano sul fenomeno dell’emissione stimolata, la cui esistenza fu prevista da Einstein nel 1917. Secondo Einstein, insieme ai processi di radiazione ordinaria e assorbimento risonante, esiste un terzo processo: la radiazione forzata (indotta). La luce con una frequenza di risonanza, cioè la frequenza che gli atomi sono in grado di assorbire quando si spostano a livelli energetici più elevati, dovrebbe causare un bagliore degli atomi già a questi livelli, se presenti nel mezzo. Caratteristica Questa radiazione risiede nel fatto che la luce emessa è indistinguibile dalla luce guida, cioè coincide con quest'ultima in frequenza, fase, polarizzazione e direzione di propagazione. Ciò significa che l'emissione stimolata aggiunge al fascio luminoso esattamente gli stessi quanti di luce che l'assorbimento risonante gli sottrae.

Gli atomi del mezzo possono assorbire la luce pur trovandosi a un livello energetico inferiore, ma emettono luce a livelli più alti. Ne consegue che se c'è un gran numero di atomi ai livelli inferiori (almeno superiore al numero di atomi ai livelli superiori), la luce che passa attraverso il mezzo sarà attenuata. Al contrario, se il numero di atomi ai livelli superiori è maggiore del numero di atomi non eccitati, la luce che passa attraverso questo mezzo si intensificherà. Ciò significa che in questo ambiente predomina la radiazione stimolata. Lo spazio tra gli specchi è riempito con un mezzo attivo, cioè un mezzo contenente un numero maggiore di atomi eccitati (atomi situati nei livelli energetici superiori) rispetto a quelli non eccitati. Il mezzo amplifica la luce che lo attraversa a causa della radiazione indotta, che inizia con l'emissione spontanea di uno degli atomi.

La radiazione laser è il bagliore degli oggetti a temperature normali. Ma in condizioni normali la maggior parte degli atomi si trova nello stato energetico più basso. Pertanto, quando basse temperature le sostanze non brillano. Quando un'onda elettromagnetica attraversa la materia, la sua energia viene assorbita. A causa dell'energia assorbita dall'onda, alcuni atomi vengono eccitati, cioè si spostano in uno stato energetico più elevato. In questo caso viene sottratta una parte di energia al fascio luminoso:

dove hν è il valore corrispondente alla quantità di energia spesa,

E2 - energia del livello energetico più alto,

E1 è l'energia del livello energetico più basso.

Un atomo eccitato può cedere la sua energia agli atomi vicini in caso di collisione o emettere un fotone in qualsiasi direzione. Immaginiamo ora di aver eccitato in qualche modo la maggior parte degli atomi del mezzo. Quindi, quando un'onda elettromagnetica con una frequenza attraversa una sostanza

Dove v- frequenza delle onde,

E2 - E1 - la differenza tra le energie dei livelli superiore e inferiore,

H- lunghezza d'onda,

quest'onda non verrà indebolita, ma, al contrario, verrà amplificata a causa della radiazione indotta. Sotto la sua influenza, gli atomi si trasformano costantemente in stati energetici inferiori, emettendo onde che coincidono in frequenza e fase con l'onda incidente.

PROPRIETÀ FONDAMENTALI DEL RAGGIO LASER

I laser sono sorgenti luminose uniche. La loro unicità è determinata da proprietà che le normali sorgenti luminose non possiedono. A differenza, ad esempio, di una normale lampadina, le onde elettromagnetiche che si formano in diverse parti di un generatore quantistico ottico, distanti tra loro a distanze macroscopiche, risultano essere coerenti tra loro. Ciò significa che tutte le vibrazioni nelle diverse parti del laser si verificano di concerto. Per comprendere nel dettaglio il concetto di coerenza occorre richiamare il concetto di interferenza. L'interferenza è l'interazione delle onde in cui si sommano le ampiezze di queste onde. Se riesci a catturare il processo di questa interazione, puoi vedere il cosiddetto modello di interferenza (sembra un'alternanza di aree scure e chiare). È piuttosto difficile creare una figura di interferenza, poiché solitamente le sorgenti delle onde studiate producono onde in modo incoerente e le onde stesse si annullano a vicenda. In questo caso, lo schema di interferenza sarà estremamente sfocato o non visibile affatto. Il processo di cancellazione reciproca è presentato schematicamente in Fig. 1 (a). Di conseguenza, la soluzione al problema di ottenere una figura di interferenza risiede nell'uso di due sorgenti d'onda dipendenti e abbinate. Le onde provenienti da sorgenti abbinate emettono in modo tale che la differenza nei percorsi delle onde sarà uguale a un numero intero di lunghezze d'onda. Se questa condizione è soddisfatta, le ampiezze delle onde si sovrappongono e si verifica un'interferenza delle onde (Fig. 1(b). Quindi le sorgenti d'onda possono essere chiamate coerenti.

La coerenza delle onde e le sorgenti di queste onde possono essere determinate matematicamente. Sia E1 l'intensità del campo elettrico creato dal primo raggio

luce, E2 - secondo. Supponiamo che i raggi si intersechino in un punto dello spazio A. Quindi, secondo il principio di sovrapposizione, l'intensità del campo nel punto A è uguale a

Poiché nei fenomeni di interferenza e diffrazione operano con relativo

valori di quantità, eseguiremo ulteriori operazioni con la quantità - intensità luminosa, che è designata come I ed è uguale a

Cambiando il valore di I al valore di E precedentemente determinato, otteniamo

io = I1 + I2 + I12,

dove I1 è l'intensità luminosa del primo raggio,

I2 è l'intensità luminosa del secondo raggio.

L'ultimo termine I12 tiene conto dell'interazione dei fasci luminosi ed è chiamato termine di interferenza. Questo termine è uguale a

I12 = 2 (E1 * E2)

Se prendiamo sorgenti luminose indipendenti, ad esempio due lampadine, allora l'esperienza quotidiana mostra che I = I1 + I2, cioè l'intensità risultante è uguale alla somma delle intensità dei raggi sovrapposti, e quindi il termine di interferenza diventa zero. Poi dicono che i raggi sono incoerenti tra loro, quindi anche le sorgenti luminose sono incoerenti. Se però i raggi sovrapposti sono dipendenti, allora il termine di interferenza non si annulla, e quindi I<>I1+I2. In questo caso, in alcuni punti dello spazio l'intensità risultante I è maggiore, in altri è inferiore alle intensità I1 e I2. Quindi si verifica l'interferenza delle onde, il che significa che le sorgenti luminose risultano coerenti tra loro. Il concetto di coerenza spaziale è legato anche al concetto di coerenza. Due sorgenti di onde elettromagnetiche, la cui dimensione e posizione relativa consentono di ottenere una figura di interferenza, sono dette spazialmente coerenti. Un'altra caratteristica notevole dei laser, strettamente correlata alla coerenza della loro radiazione, è la capacità di concentrare l'energia - concentrazione nel tempo, nello spettro, nello spazio, nella direzione di propagazione. Il primo significa che la radiazione proveniente da un generatore ottico può durare solo un centinaio di microsecondi. La concentrazione nello spettro suggerisce che la larghezza della riga spettrale del laser è molto stretta. Questo è monocromatico. I laser sono anche in grado di creare fasci di luce con un angolo di divergenza molto piccolo. Di norma, questo valore raggiunge 10-5 rad. Ciò significa che sulla Luna un tale raggio inviato dalla Terra produrrà una macchia con un diametro di circa 3 km. Questa è una manifestazione della concentrazione dell'energia del raggio laser nello spazio e nella direzione di propagazione.

Alcuni generatori quantistici sono caratterizzati da un grado estremamente elevato di monocromaticità della loro radiazione. Qualsiasi flusso di onde elettromagnetiche ha sempre un insieme di frequenze. L'emissione e l'assorbimento di un sistema atomico sono caratterizzati non solo dalla frequenza, ma anche da una certa incertezza in questa quantità, chiamata larghezza della linea (o banda) spettrale. È impossibile creare un flusso monocolore assolutamente monocromatico, tuttavia l'insieme delle frequenze della radiazione laser è estremamente ristretto, il che ne determina l'elevatissima monocromaticità; Va notato che le linee di radiazione laser hanno una struttura complessa e sono costituite da elevato numero linee estremamente strette. Utilizzando opportuni risonatori ottici è possibile isolare e stabilizzare le singole linee di questa struttura, creando così un laser a singola frequenza.

I laser sono le sorgenti più potenti radiazione luminosa. In una gamma ristretta dello spettro (per un periodo di tempo di circa 10-13 s), alcuni tipi di laser raggiungono una potenza di radiazione dell'ordine di 1017 W/cm2, mentre la potenza di radiazione del Sole è solo 7 * 103 W/cm2 e in totale in tutto lo spettro L'intervallo ristretto l = 10-6 cm (questa è la larghezza della linea spettrale del laser) rappresenta solo 0,2 W/cm2 nel Sole. Se l'obiettivo è superare la soglia di 1017 W/cm2, si ricorre a vari metodi per aumentare la potenza. Per aumentare la potenza della radiazione è necessario aumentare il numero di atomi coinvolti nell'intensificazione del flusso luminoso dovuto alla radiazione indotta e ridurre la durata dell'impulso.

"Radiazione laser"

introduzione

1. Tecnologia laser

2. Caratteristiche dei laser

2.1 Nascita della famiglia laser

2.2 Tipi di laser

2.3 Proprietà della radiazione laser

3. Meccanismi degli effetti dannosi della radiazione laser

Energia. Nei primi laser con un principio attivo al rubino, l'energia dell'impulso luminoso era di circa 0,1 J. Attualmente l'energia della radiazione di alcuni laser a stato solido raggiunge migliaia di joule. Con una breve durata dell'impulso luminoso si possono ottenere enormi potenze. Pertanto, un laser al neodimio genera impulsi con una durata di 3·10 –12 s e con un'energia dell'impulso di 75 J la sua potenza raggiunge 2,5·10 13 W! (Per fare un confronto, la potenza della centrale idroelettrica di Krasnoyarsk è di 6·10 9 W.) La potenza dei laser a gas è molto inferiore (fino a 50 kW), ma il loro vantaggio è che la loro radiazione avviene in modo continuo, sebbene esistano anche impulsi laser tra i laser a gas.

Angolo di divergenza Il raggio laser è molto piccolo e quindi l'intensità del flusso luminoso quasi non diminuisce con la distanza. I laser pulsati possono creare intensità luminose fino a 10 14 W/m 2 . I potenti sistemi laser possono produrre intensità fino a 10-20 W/m2. Per fare un confronto, notiamo che l'intensità media della luce solare vicino alla superficie terrestre è di soli 10 3 W/m 2. Di conseguenza, la luminosità anche dei laser relativamente deboli è milioni di volte maggiore della luminosità del Sole.

Coerenza. L'avvenimento coordinato nel tempo e nello spazio di più processi ondulatori, che si manifesta quando vengono sommati. Le oscillazioni si dicono coerenti se la differenza di fase tra loro rimane costante nel tempo. Quando si aggiungono due oscillazioni armoniche con la stessa frequenza, ma con ampiezze diverse A 1 e A 2 e diverse fasi si forma un'oscillazione armonica della stessa frequenza, la cui ampiezza, a seconda della differenza di fase, può variare nell'intervallo da A 1 – A 2 a A 1 + A 2, e questa ampiezza in un dato punto dello spazio rimane costante . Le onde luminose emesse da corpi riscaldati o durante la luminescenza sono create da transizioni spontanee di elettroni tra diversi livelli energetici in atomi indipendenti l'uno dall'altro. Ogni atomo emette un'onda elettromagnetica per un tempo di 10-8 s, chiamato tempo di coerenza. Durante questo tempo, la luce si diffonde su una distanza di 3 m. Questa distanza è chiamata lunghezza di coerenza, o lunghezza del treno. Le onde situate al di fuori della lunghezza del treno non saranno più coerenti. La radiazione creata da molti atomi indipendenti l'uno dall'altro è costituita da molti treni, le cui fasi variano in modo caotico nell'intervallo da 0 a 2p. Per isolare la parte coerente dal generale flusso luminoso incoerente della luce naturale, si utilizzano speciali dispositivi (specchi di Fresnel, biprismi di Fresnel, ecc.), che creano fasci luminosi di bassissima intensità, mentre la radiazione laser, con tutta la sua enorme intensità, è del tutto coerente.

In linea di principio, un fascio di luce incoerente non può essere focalizzato in un punto molto piccolo, poiché ciò è impedito dalla differenza di fase dei treni che lo compongono. La radiazione laser coerente può essere focalizzata in un punto con un diametro pari alla lunghezza d'onda di questa radiazione, il che consente di aumentare l'intensità già elevata del raggio di luce laser.

Monocromatico. La radiazione monocromatica è detta radiazione con rigorosamente la stessa lunghezza d'onda, ma può essere creata solo da un'oscillazione armonica che avviene con frequenza e ampiezza costanti per un tempo infinitamente lungo. La radiazione reale non può essere monocromatica semplicemente perché è composta da molti treni, e la radiazione con un intervallo spettrale ristretto che può essere caratterizzato approssimativamente è considerata praticamente monocromatica lunghezza media onde. Prima dell'avvento dei laser, la radiazione con un certo grado di monocromaticità poteva essere ottenuta utilizzando monocromatori a prisma, che isolavano una banda stretta di lunghezze d'onda da uno spettro continuo, ma la potenza luminosa in tale banda era molto bassa. La radiazione laser ha un alto grado di monocromaticità. La larghezza delle linee spettrali create da alcuni laser raggiunge i 10–7 nm.

Polarizzazione. La radiazione elettromagnetica all'interno di un treno è polarizzata, ma poiché i raggi luminosi sono costituiti da molti treni indipendenti l'uno dall'altro, la luce naturale non è polarizzata e per ottenere la luce polarizzata vengono utilizzati dispositivi speciali: prismi di Nicolas, Polaroid, ecc. A differenza della luce naturale, la radiazione laser è completamente polarizzata .

Direzione della radiazione. Una proprietà importante della radiazione laser è la sua rigorosa direzionalità, caratterizzata da una divergenza molto bassa del raggio luminoso, che è una conseguenza di un elevato grado di coerenza. L'angolo di divergenza di molti laser aumenta a circa 10 –3 rad, che corrisponde a un minuto d'arco. Questa direttività, del tutto irraggiungibile nelle sorgenti luminose convenzionali, rende possibile la trasmissione segnali luminosi su grandi distanze con una minima attenuazione della loro intensità, il che è estremamente importante quando si utilizzano i laser nei sistemi di trasmissione delle informazioni o nello spazio.

Intensità del campo elettrico. Un'altra proprietà che distingue la radiazione laser dalla luce ordinaria è l'elevata intensità del campo elettrico in essa contenuto. Intensità del flusso di energia elettromagnetica Io–EH(Formula di Umov-Poynting), dove E E N– rispettivamente, l’intensità dei campi elettrico e magnetico nell’onda elettromagnetica. Da ciò possiamo calcolare che l'intensità del campo elettrico in un'onda luminosa con un'intensità di 10 18 W/m 2 è pari a 3-10 10 V/m, che supera l'intensità del campo all'interno dell'atomo. L'intensità del campo nelle onde luminose create dalle sorgenti luminose convenzionali non supera i 10 4 V/m.

Quando un'onda elettromagnetica cade su un corpo, esercita su questo corpo una pressione meccanica proporzionale all'intensità del flusso energetico dell'onda. Leggera pressione creata in una luminosa giornata estiva luce del sole, pari a circa 4 10 –6 Pa (ricordiamo che la pressione atmosferica è 10 5 Pa). Per la radiazione laser, la pressione della luce raggiunge 10 12 Pa. Questa pressione consente di lavorare (perforare, tagliare fori, ecc.) i materiali più duri: diamante e leghe super dure.

L'interazione della luce con la materia (riflessione, assorbimento, dispersione) è dovuta all'interazione del campo elettrico dell'onda luminosa con gli elettroni ottici della sostanza. Gli atomi dielettrici in un campo elettrico sono polarizzati. A bassa intensità, il momento dipolare per unità di volume di una sostanza (o vettore di polarizzazione) è proporzionale all'intensità del campo. Tutte le caratteristiche ottiche di una sostanza, come l'indice di rifrazione, l'indice di assorbimento e altre, sono in un modo o nell'altro legate al grado di polarizzazione, che è determinato dalla forza del campo elettrico dell'onda luminosa. Poiché questa relazione è lineare, cioè grandezza R proporzionale E, che dà motivo di chiamare ottica lineare quella che tratta la radiazione di intensità relativamente bassa.

Nella radiazione laser, l'intensità del campo elettrico dell'onda è paragonabile all'intensità del campo negli atomi e nelle molecole e può modificarli entro limiti notevoli. Ciò porta a: il fatto che la suscettibilità dielettrica cessa di essere un valore costante e diventa una certa funzione dell'intensità del campo . Di conseguenza, la dipendenza del vettore di polarizzazione dall'intensità del campo non sarà più una funzione lineare. Si parla quindi di polarizzazione non lineare del mezzo e, di conseguenza, di ottica non lineare, in cui la costante dielettrica della sostanza, l'indice di rifrazione, l'indice di assorbimento e altre quantità ottiche non saranno più costanti, ma dipendenti dall'intensità dell'incidente leggero.