Лазерное излучение Тепловое излучение Многолучевая интерференция Геометрическая оптика Оптические свойства анизотропной среды Искусственная анизотропия Оптическая активность Второй закон Кирхгофа Соотношение неопределенностей

Физика курс лекций. Раздел оптика

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Лазерное излучение – это когерентное одинаково направленное излучение множества атомов, создающее узкий пучок монохроматического света. Чтобы лазер начал действовать, необходимо перевести большое число атомов его рабочего вещества в возбужденное (метастабильное) состояние. Для этого рабочему веществу передается электромагнитная энергия от специального источника (метод накачки). После этого в рабочем веществе начнутся почти одновременные вынужденные переходы всех возбужденных атомов в нормальное состояние с излучением мощного пучка фотонов.

Высокоэнергетические  лазеры применяются в качестве лазерного скальпеля в онкологии.

Особенно эффективен лазер в микрохирургии глаза. Он позволяет проводить лечение глаукомы посредством “прокалывания” его лучом микроскопических отверстий для оттока внутриглазной жидкости. Лазером осуществляется безоперационное лечение отслойки сетчатки.

Низкоэнергетическое лазерное излучение используется в терапевтических целях.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

№ 1.2.1.

Терапевтический гелий-неоновый лазер, работающий в непрерывном режиме, дает излучение монохроматического света с длиной волны λ = 630 нм, развивая мощность Р = 40 мВт. Сколько фотонов излучает лазер за 1 с?

Решение

Мощность лазера может быть записана как , где Е – энергия излучения, t – время. Энергия излучения складывается из энергий отдельных фотонов E0 = hν, число которых можно обозначить через N. Здесь ν – частота фотона, h – постоянная Планка. Учитывая, что , можно записать: . Отсюда легко выразить N: .

№ 1.2.2.

Кювета с 10 мл водного раствора биологической пробы освещается лазерным лучом мощностью 4,2 Вт в течение 20 секунд. На сколько градусов поднимется температура раствора в кювете, если его теплоемкость составляет 4200? Потерями тепла на нагревание кюветы пренебречь.

Решение

В соответствии с уравнением теплового баланса можно записать: mC∆T = Pt, где m – масса воды в кювете, C – удельная теплоемкость воды, ∆T – изменение температуры воды, P – мощность излучения лазерного луча, t – время освещения. Отсюда легко найти изменение температуры воды:

.

№ 1.2.3.

Прокалывание глазного яблока для оттока внутриглазной жидкости при глаукоме осуществляется с помощью гелий-неонового лазера с длиной волны λ1 = 0,41 мкм. Для целей же лазеротерапии используется низкоэнергетический лазер с длиной волны λ2 = 0,82 мкм. Во сколько раз энергия квантов офтальмологического лазера выше, чем терапевтического?

Решение

Энергия кванта определяется выражением

,

где ν – частота излучения лазера, λ – соответствующая длина волны. Записывая это выражение для двух длин волн, можно найти отношение энергий квантов лазерного излучения:

.

№ 3.1.2.4.

Луч терапевтического твердотельного лазера может развивать мощность до 10 Вт. Найти длину волны излучения лазера, полагая, что он излучает около 2∙1020 фотонов в секунду.

Решение

Мощность излучения лазера может быть записана так:

, (1)

где  – энергия фотона лазерного излучения, ν – частота фотона лазерного излучения, λ – соответствующая длина волны, n – число фотонов, испускаемых лазером за время t. Подставляя выражение для Е в (1), получим:

. (2)

Из (2) можно выразить длину волны:

. (3)

Подставляя численные значения в (3), получим:

.

№ 1.2.5.

При удалении полипа хирургическим путем используется луч гелий-неонового лазера мощностью N = 10 мВт сфокусированного на пятне диаметром d = 0,4 мм. Лазер дал вспышку продолжительностью t = 1 с. Определит энергию вспышки и плотность мощности (Вт/м2) на пятне.

Решение

Энергия вспышки E = Nt = 10 мДж. Плотность мощности на пятне равна

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. При проведении лазерной терапии используется монохроматический свет лазера с длиной волны λ = 590 нм, испускающий за 1 с фотонов. Определить мощность лазерной трубки.

2. Определить длину волны терапевтического лазера мощностью Р = 60 мВт, если число фотонов, испускаемых им за 1 с, составляет .

3. Определить количество водного раствора биологической пробы, освещаемой в лазерном спектрометре лучом мощностью 6 Вт в течение 1 минуты, если температура раствора в кювете поднялась на , а теплоемкость раствора составляет С = 4200. Потерями тепла на нагревание кюветы пренебречь.

4. Определить энергию кванта лазерного излучения, применяемого для прокалывания глазного яблока для оттока внутриглазной жидкости при глаукоме, если длина волны излучения составляет λ = 0,514 мкм.

5. Для удаления татуировки луч газового лазера диаметром d = 0,2 мм направляется на поверхность кожи пациента. Определить мощность лазера, если плотность мощности в лазерном пучке составляет  Вт/м2.

Оптика. Цель обучения Научить фундаментальным концепциям и законам классической и современной квантовой оптики, атомной и ядерной физики. Обучить грамотному и обоснованному применению накопленных в процессе развития фундаментальной физики экспериментальных и теоретических методик при решении прикладных практических и системных проблем, связанных с профессиональной деятельностью . Выработать элементы концептуального ,проблемного и творческого подхода к решению задач инженерного и исследовательского характера.

Интерференция Оптический диапазон электромагнитных волн

Способы получения когерентных волн Основная задача двухлучевой интерференции.

Бипризма и бизеркало Френеля Для разделения световой волны используют двойную призму (бипризму) с малым преломляющим углом


Примесная проводимость полупроводников Физика курс лекций