Лазерлердің түрлері

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Марат Оспанов атындағы Батыс Қазақстан мемлекеттік медицина унверситеті

Студенттің өзіндік жұмысы

Мамандығы: Жалпы Медицина

Дисциплина: Молекулалық Биофизика

Кафедра: Жаратылыстану ғылыми пәндер

Тақырыбы: Биологиялық ұлпаларға жоғары интенсивті лазерлік сәуле әсерінің механизмі

Орындаған: Бижанов А. Қ.

Группа: 105 А

Тексерген: Мәдихан Ж. Ш.

Бағасы:

Ақтөбе 2016

Жоспар:

I. Кіріспе

II. Негізгі бөлім

Кванттық электроника
Лазерлік техниканың даму тарихы
Лазерлік техниканың медициналық-биологиялық зерттеуде қолдану

III. Қорытынды

IV. Қолданылған әдебиеттер

Кванттық электроника

Электрмагниттік толқындарды тапқан неміс ғалымы Генрих Герц 1887 ж. электр ұшқындары пайда болатын пибратор саңылауына ультракүлгін сәулелерімен жарық түсірілгенде электр ұшқындары өебейіп, электр зарядының күшейетіндігін бірінші рет байқаған. Онан кейін ғалымдар осы құбылысты зерттей отырып, мысалы теріс зарядталған таза пластинаға ультра- күлгін сәулелері түсірілгенде оның теріс заряды бірте-бірте кеміп, керісінше оң зарядталатыңдығын анықтады ( сурет) .

сурет сурет.

Осы екі құбылысты заттың бетіне түсірілген жарық әсерінен заттан электрондардың бөлініп шығатындығымен түсіндіруге болады. Олай болса, түскен жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) деп атаймыз.

Фотоэффект құбылысын 1888 ж. орыс физигі А. Г. Столетов (1839-1896) тереңірек зерттеді. Мұндай құбылыстар сыртқы фотоэлектрлік құбылыстар деп аталады. Сыртқы фотоэффектр құбылысын толығырақ түсіндіру үшік Столетов мынадай тәжірибе жасады (сурет) . Анод (А) және катод (К) электродтары бар, ішінен ауасы сорылған шыны түтік ток көзімен қосылған. Моно-хромат жарық сәулелерінің әсерінен катодтан электрондар бөлініп шығады, осындай электрондар фотоәлектрондар, ал олардың ағыны фотоэлектр тогы немесе фототок деп аталады. Тізбектегі фототок [мА) гальванометрмен, Б-батарея қоздырған электродтар арасындағы потенциадцар айырмасы СО вольтметрмен өлшенеді. Шьшы түтік тогі катодты толқын ұзындықтары ар түрлі жарық сәулелерімен сәулелендірудің нәтижесінде Столетов мынандай заңдылықтарды қорытындылады:

1) жарық әсерінен катодтан тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығатындығы анықталды;

2) катодңа күлгін және ультракүлгін сәулелер түсірілсе бұл құбылыстың күшейе түсетіндігі байқалды;

3) катодтан бөлініп шығатын электрондарды мөлшөрі катод бетінің жарықталынуына немесе түскен жарық ағынына тура пропорционал болады.

Катод бетінен жарықтың әсерінен, тек теріс зарядты электрондар бөлініп шығатындағын 1899 ж. неміс ғалымы Ф. Ленард (1862-1947) және У. Томсон электр және магнит өрістерінде зарядтардың ауытқуы кезінде олардың меншікті зарядын анықтау арқылы дәлелдеді. Кейінірек осы қорытындыны 1922 ж. совет физиктертері A. Йоффе және Н. И. Добронравов зарядталған металл тозаңдарының фотоэлектрлік құбылысын зерттеу арқылы дұрыс екендігін айтты. Енді фотоэффект құбылысының вольттік сипаттамасын зерттейік. Яғни, фототок күшінің (Іф) потенциалдар айармасына (U) тәуелділігін қарастырайық ( сурет. ) . Жарық сәулесінің әсеріненкатод бетінен ұшып шыққан электрондардың белгілі бір кинетикалық энергиясы болады. Катодқа әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы және оның ағынының қуаты тұрақты болса, фототок күші потенциалдар айырмасына тәуелді болады, яғни Үдетуші потенциалдар айырмасы ( U _r ) артқанда фототокта артады.

-сурет.

Ал үдетуші потенциалдың мәні белгілі бір шамаға жеткенде фототок күші өзінің қанығу мәніне жетеді (Іқ) . Өйткені катодтан шыққан электрондар түгелімен анодқа жетеді. Сонымен қанығу фототок шамасы фотоэлектрондар санына пропорционал болады:

мұндағы п - катодтан бірлік уақыт ішінде шықңан электрондар саны, е- электрон заряды.

Лазерлік техниканың даму тарихы

- топырақ өндеуде, тыңайт-қыштар шашуда, көшеттерді дайындап, өнімді жинаудағы тәсілдер жүйесі, егіншілік технологиясы. Л. а-сының негізгі элементтері-не туқымды және суды ла-зермен активациялау, өсім-діктердің өр түрлі ауруларға төзімділігін арттыру шарала-ры жатады. Қазақстанда лазерді а. ш-нда төжірибе-лік қолдану 1975 - 90 ж. ҚазҮУ-де жургізілді. А. _ш. өңдірісіне гёлий-неонды газ-ды лазерді қодданды. Гелий-неонды лазерінің түтігі жоғары сапалы шыныдан немесе кварцтан жасалады. Оның артыкдіылығы - шығаратын сәулесінің жоғары когеренттілігі, аз куат пайдаланады және аумағы шағын. Бұл лазердің генерациялайтын жарық толкынының ұз. 632, 8 нм, ал жарық куаты 25мВт. А. ш-нда лазер сәусін қолдану аркылы тұқым-ның биоэнергет. қорын жо-ғарылатуға болады. Оның нәтижесінде өскіндер ерте және жаппай көктеп шығады, вегетац. кезеңінде жедел қарқынмен өседі, сондай-ақ, мерзімінен бұрын пісіп жетіледі. Лазермен өңделген егістің өнімд. 20 - 30%-ға артады. Тұқымды және егісті өңдеу үшін КЛ-13, КЛ-14, ЛАУ-2, т. б. ла-зер қондырғылары қолданылады. Қондырғылардың еңбек енімд. сағатына 30 т. Ла-зер сөулесін а. ш-на қолда-ну сол аймақтың топырақ құрамы мен климат жағдай-ларына сәйкес келетін да-қьшдардың сорттық ерекше-ліктерін өзара байланысты-ра отырып зерттеуді қажет етеді. Ол ушін өр дақылды өңдеу режимін, мерзімін, мөлшерін, лазермен өвдел-ген тұқымның себуге дейін қанша уаідыт жатуға тиісті екендігін, лазер сәулесінің әр турлі кеселдерге, өнімге және өнім сапасына өсері анықталады.

Жылулық сәулелену заңдарын қызған жане сәуле шығарғыш денелердің температураларын өлшеу үшін қолданады. О. лай болса, қызған денелердің өте жоғары температураларын өлшеу әдісі оптикалың пирометрия деп аталады. Виң әаңын пайдаланып, ңызған денелердің өте жоғары температурасын өлшеу әдісін, мысалы Күннің бетке сәуле шығарушы қабатының температурасын тауып көрсеткенбіз. Сондықтан осы әдіс жарқырауының толқын ұзындықтары бойынша таралуы абсолют қара дәненікіне ұқсас басқа да қызған денелер температурасын табу үшін де қолданылады.

Егер сәуле шығарушы дене абсолют қара болмаса, онда Т=2", 9-І0" ³ /Д _тал формуласы бойынша табылған температура дененің шын температурасы болмай, оны дененің түс температурасы -Т деп атаіды. Көптеген денелер үшін , тек шығарған сәулелік энергиясының толқын ұзындықтары бойынша таралуы абсолют қара денелерге ұқсас денелердің түс температурасын өлшеп, олардың шын температурасын анықтайды.

Қызған денелер температурасын оның жарақтылығын абсолют қара дене жарықтылығьімен салыстыра отырып табуға болады. Ол үшін абсолют қара денені пайдаланып, пирометрді градуирлейді де, кез келген температураларды өлшейді. Егер зерттеліп отырған дене абсолют қара дене болса, онда пирометр оның шын температурасын көрсетеді . Ал дене абсолют қара болмаса, онда өлшенген температура оның шын температурасы болмай, оның жарықтылық температурасы - Т болады. Ол үшін қылы көрінбей кететін пирометрдің түрі қолданылады.

Стефан-Больцман заңы арқылы абсолют қара денелердің температурасын, денелердің шығарған толық сәулелік энергиясын радиациялық пирометр деп аталатын прибормен өлшеуге болады. Температурасы белгглі абсолют қара денені пайдаланып, пирометр шкаласын градуирлейді де, онымен кез келген денелердің температурасын өлшейді. Егер дене абсолют қара болмаса, онда радиациялық пирометрмен өлшенген температура оның шын температурасы болмай, оның радиациялық температурасы Т _р болады. Сөйтіп бұл температура мынаған тең болады

Сонымен, дененің радиацияльщ температурасы - толық сәулелік энергиясы, осы дененің толық сәулелік. энергиясына тең абсолют қара дене температурасы болып шығады. Қаpa емес денелердің шын температурасы олардың радиациялық температурасынан жоғары болады.

Сөйтіп әр түрлі әдістерді пайдаланып, түс температурасын, Тр - радиациялық температураны және T _Ht - жарықтылық температурасын өлшеуге болады.

Атомдардың еріксіз немесе тәуелді ( индукцияланған) жарық шығаруының болатьіндыгын А. Зйнштейн 1917 ж. айтқан болатын, Сөйтіп индукцияланан сәуле шығару дегеніміз, түскен сәуленің әсерінен қозған атомдардың сәуле шығаруы. Бұл сәуле шығарудың ерекшелігі бар, себебі осындай еріксіз сәуле шығару пайда болатын жарық толқынының жиілігі, фазасы, поляризациясы атом-га түсетін толқындыкімең дәлме-дәл болады.

Ал енді кванттың теория негізінен еріксіз сәуле шығару дегеніміз атомның жоғары энергетикалық күйден төменге өтуі бо-лып табылады. Бірақ бұл кәдімгі сәуле шығарудағы сияқты "өэді-гінен емес, сыртқы әсердің ықпалынан болады. Осы құбылысты түсіну үшін жарықтың газ атомдарына өтетін әсерін карастырай-ық. Мысалы, газ атомдарының түскен жарық

а)

Еріксіз сәуле шығару

бір фотонын жүтыгці-күйден 2- _v күйге көшсін (сурет) . Осы күй лердегі энергия деңгейлері Ej және ] Ғ, р болсын. Егер Ер> Ет болса, онда і жутылған кванты tip =E ₂ - Е ₁ ( сурет) . Ал. атом 2-двңгейден I-деңгейге өткінші жарың (ҺҮх) әсерінен де көшуі мүмкін. Олай болса, . осындай көшулер еріксіз көшулер деп аталады (сурет) . Еріксіз көшулер кезінде шығарылатын жарық немесе индукцияланған жарық, оның пайда болуына себепші болған өткінші жарықгіен когерентті болады, яғни екеуі бір бағытта таралады, сондық-тан индукцияланған жарық өткінші жарықты күщейтеді ( суреттің оң жағында екі фотон жарығын байқаймыз; . Еріксіз көшулер саны негүрлым кәп болса, заттан өткен жарық соғүрлым көп күшейеді. -Бірақ ол кезде өздігінен (спонтанды) болатын көшулер мен жа-рық жутылатын кешулердің аз болғаны дұрыс. Сонымен эаттан өткен жарық 3 интенсивтігі күшею үшін 2-деңгейлердегі атом-дар саны (п _г ) І-деңгейдегі атомдар санынан (п. _{ ) көп бол-ғаны дұрыс.

Статистикалык физикада термодинакикалық тепе-теңцік күйлерін. детальді тепе-тендік принципі деп атайды. Яғни термодинамиканың тепе-теңдік күйінде өтіп жатқан процеске жылдамдығы бірдей, оған қарама-қарсы еісінші процесті салыстырьш көрсетуге болады. Мысалы, Эйнштейн Планк теориясына сүйене отырып абсолют кара дененің электромагниттік сәуле шығару ma-He жүтылу процестерін қарастырғанда энергияның сақтаду яаңцы-лығына . сәйкес осы принципті қолданды. Яғни атомның өздігінен сәуле шығару әнергиясы (Һ, Ү ) жиілтгі бірдей жұтылу сәулесінің энергиясына (ҺР) тең болады деген термодинамикалық тепе-теңцік жағдайына колдануға болады.

1940 ж. ссівет физигі В. А. Фабрикант еріксіз сәуле шығаруды әлектромагниттік толкындарды күшейту үшін пайдалануға бо-латындығын көрсетті. Еріксіз кванттық көшулер қазіргі кезде ғылым мен техникада қодцанылуына байланысты, осы құбылысца негіэделініп кванттщ күшейткіштер мен кванттық генераторлар жасалынды. Кванттық генераторлардың ультракүлгін, көрінетін жарық және инфрақызыл сәулелер шығаратын түрі оптикалық квант-тық генераторлар немесе лазер_лер_ (ағылшынгаа жарыңты еріксіз сәулемен күшейту деген сөздердің бірінші әріптерінен құралған сөз^ деп аталады. 1954 ж. совет ғалымдары Н. Г. Басов ііен А. М. Прохоров және оларға тәуелсіз американ фиэигі Ч. Таунс толқын ұзындығы Я = 1, 27 см радиотолқынның микротолқынды ге-нераторын жасау үшін индукцияланған сәуле шығаруды пайдалан-ды. Радиотолқыңцарды генерациялаудың және күшейтудің жаңа принциптері саласындағы істеген жүмыстары үшін 1964 к. Н. Г. Басов (1922 ж. ) пен A. M. Прохоров (І9Т6 ж. ) және И. Таунс (1915 ж. ) Нобель сыйлығына ие болды.

Лазерлердің түрлері

Лазерлік жарық көздерінің басқа жарық көздерімен салыс-тырғанда кейбір ерекше қасиеттері бар.

1. Лазерлер ажырау бүрышы IQ рад жуық. өте жіңішке жарық шоғьш туғыза алады. Мысалы, Жерден Айға жіберілген осындай шоқ диаметрі 3 км даң береді.

2. Лазер жарығы өте монохроматта болады. Лазерлердің атомдары бір-біріне тәуелсіз сәуле шығаратын кәдімгі жарық көзінен айырмашылығы олардың атомдары Үйлесімді жарық шығарады. Сондыктан толқын фазасы ретсіз өзгерістерге ұшырамайдьь

3. Лазерлер ең қуатты жарың көэдері болып табылады. Уа-І цыттың қысқа мерзімі ішінде ( 10 ¹¹ с) спектрдің жіңішке аралы-ғындағы сәуле шығарудың қуаты (Icм ² -ге) 10 ¹² - 10 ¹³ Вт-ңа же теді (Күндікі болса небары =7-І0 ³ Вт) . Лаэердің спектрлік сызыцтарының ені Ү ~ 10" см. Лазер шығарауын электромагниттік толңындағы электр өрісінің кернеулігі 10 ¹⁰ - 10 ¹² В/см ягни атом ішіндегі өріс кернеулігінен әлдеқайда көп.

Кванттың жарық генераторын лағыл кристалынан жасауға болады. Ол кристалл алюминий оксиді (Al ₂ O ₃ ) Оның торында алюминийдің бірнеше атомдарының орындарына хромның үш валенті иоңдарының (Cr ^3* ) 0, 05 %-ке жуығы орналасқан. Хром сары, жасыл, күлгін сәулелерді жұтады, сондыңтан лағыл кристалынан ңызыл сәулелер өтеді де лағыл түсі қызыл болады.

Атомның еріксіэ сәуле шығару механизмін энергетикалык; үш деңгейді пайдалану арқылы түсіндіруге болады.

Жарық жүтқанда хром иондары қалыпты E _Q деңгейден қозған Е _і Е ₂ , Е ₃ деңгейлерге көшеді де осында 10 с уаңыт өмір сүреді. Шын мәнінде соңғы бір деңгей емес, өте жарын жатқан бірнеше деңгейлер Е _і Е ₂ , Е ₃ жиыны - энергетикалық зона делінеді.

Осы зона шегінде қозған біраз хром иондары E ₁ деңгейге көшеді, сөйтіп олар бұл деңгейде шамамен10 ^-3 с бола алады.

Осының нәтижесінде осы асыра қоныстану (метастабильдік) деңгейі иондар жиналады, олардың саны барлық иондар санының 50 °/ -не кем жағдайда қозған иондар қалыпты деңгейге (E _Q ) көшкеңда лағылдан кәдімгі қызыл түстт жарың шығады. Ал E ₁ деңгейдегі хромның қозған иондарының саны қалыпты деңгейдегі иондар санынан артқанда еріксіз көшулер нәтижесінде күшті жарық иіығады.

Лағыл лазерінің құрылысы төмендегідей Лағыл кристалынан жазық-параллель жақтауы бар стержень дайындалады.

Спираль формалары газ разрядтық шам көк-жасыл жарық береді. Кыска мерзімді тон импульсі шамның аса күшті жарқылын туғызады. Аз уақыттан соң E ₁ деңгей асыра қоныстанған болып шығады. Е ₂ және Е ₃ -ден

Е ₁ -ге өздігінен өту нәтижесінде кез келген бағыттағы толқындар шығарыла бастайды. Кристалл осінің бағыты- мен жүретін толқындар оның жақтауынан бірнеше рет шағылады. Ол хромның қозған иондарының еріксіә сәуле шығаруьш туғызады да тез күшейеді.