Какие свойства лазерного излучения используют на практике

1. Лазерное излучение обладает высокой временной и пространственнойкогерентностью. Время когерентности τ ~ 10-3 с, что соответствует длине когерентности l = cτ ~105 м, т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.

2.Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические уровни атомов обладают определенной шириной, причем в кристалле из-за взаимного влияния атомов происходит более значительное уширение уровней, чем в газе. Вследствие этого вынужденное излуче­ние будет происходит не при одной строго опре­деленной частоте, а в некотором интервале частот. Правда, увеличение ширины энергетического уровня позволяет использовать боль­шую часть излучения лампы накачки для создания инверсной насе­ленности, т. е. увеличить коэффициент полезного действия лампы накачки.

При использовании резонатора ширина спектральных линий для оптиче­ских квантовых генераторов становится более узкой по сравнению с естественной шириной спектральной линии.

В этой связи следует обратить внимание на то, что до появле­ния оптических квантовых генераторов считалось принципиально невозможным преодоление предела существующей до тех пор моно­хроматичности, определяемой естественной шириной спектральной линии, обусловленной, в свою очередь, конечностью времени излучения отдельного атома.

3. Направленность лазерного излучения. Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например у прожектора). Это объясняется как свойством индуцированного излу­чения, так и воздействием резонатора. Однако, несмотря на это, из-за явления дифракции строго параллельный пучок света полу­чить принципиально невозможно. Как известно, при любом ограни­чении фронта волны имеет место дифракция. Так как при генерации света в лазере фронт световой волны ограничивается окружностью основания кристалла рубина или же зеркала диаметром D, то, согласно теории дифракции, угол минимального расхождения лучей определяется из следующего условия:

θмин ≥ 1,22λ/D.

Углы расхождения составляют соответственно для газовых лазеров

1’—2′, для рубиновых 7’—9′, для полупроводниковых 1°—2°. Диаметр расхождения таких лучей у поверхности Луны при ее локации с поверхности Земли составляет всего 3 км.

4. Интенсивность лазерного излучения. При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего уменьшается инверсия населенности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе. Из-за очень малой длительности излучения в рубиновых лазерах такая энергия создает мощность порядка 1010 Вт/м2.

С помощью специальных усовершенствований можно увеличить мощность лазеров до 1012Вт.

Применения лазеров.Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, волоконно-оптические линии связи, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.

Как уже отмечалось, мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной среды рентгеновского лазера.

Другим перспективным направлением применения лазеров является

управляемый термоядерный синтез.

В США ведутся работы по программе управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы (Inertial Сonfinement Fusion — ICF). Данная программа − альтернатива работам по созданию систем с магнитным удержанием плазмы (это токамаки и стеллараторы). Для этих целей создана установка NIF (National Ignition Facility — «Национальная установка зажигания»), в которой для обстрела мишени используется 192 ультрафиолетовых лазера.

Мощный сфокусированный лазерный импульс, направленный на мишень из смеси дейтерия и трития в виде сферы диаметром около 2 мм, превратит ее в плазму с температурой около 100 миллионов градусов. При такой температуре произойдет термоядерная реакция синтеза. Запуск установки на полную мощность запланирован на 2013 г.

Лазерное излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона, обладающее такими свойствами, как когерентность, монохроматичность, поляризованность, направленность.Когерентность это распространение фотонов в одном направлении, имеющих одну частоту колебаний, т. е. энергию.Пространственная когерентность относится к волновым полям, измеряемым в один и тот же момент времени в двух разных точках пространстваВременная когерентность описывает поведение волн в течение времени, относится к одной точке поля, но в различные моменты времени и тесно связана с понятием монохроматичностиИнтерференция света – явление, возникающее при наложении двух или нескольких когерентных световых волн.Монохроматичность – излучение одной определенной частоты или длины волны. Более корректно – излучение с достаточно малой шириной спектраПоляризация – симметрия в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Направленность – следствие когерентности лазерного излучения, когда фотоны обладают одним направлением распространения. Мощность излучения – энергетическая характеристика электромагнитного излучения. Единица измерения в СИ – ватт [Вт].Энергия (доза) – мощность электромагнитной волны, излучаемая в единицу времени. Единица измерения в СИ – джоуль [Дж], или [Вт • с].

59. Блок схема лазера (газовый)

Рубиновый лазер-твердотельный, осн.часть-Al2O3+примесь Cr2O3, система накачки-оптическая, длина волны 694, 3 нм, Энергет. Ур-ни – осн.-невозобн, втор-возобн-ся, t=10-8С, Сr-уровни совпадают, но продолжительность жизни эл-нов больше.

Гелий-неоновый лазер – осн. Эл-т – газоразрядная трубка(кварц), 10 к 1 гелия к неону, сист. Накачки-возбуждение через эл-кий заряд. Длина волны-632,8 нм, В друбке созд-ся давление 1 гПа. Зеркала. Атом Не имеет 2 ур-ня-возбужд и невозбужд. У Ne-то же самое, только промежутки и время жизни больше.

60. Воздействие лазера на биологич. объекты– 1. Для воздействия на биол. объекты и 2. Излучение структуры какие-либо объектов.

1.обугливание, 2. Коагуляция, 3. Норма.

График:1.Испарение жидкости без изменения tC, 2. Выпаривание, 3. Обугливание, 4. Испарение ткани.

Медицина: низкоинтенсивные-в терапии, высокоинтенсивные в хирургии(безконтактное воздействие, труднодоступные места, обеззараживание, сокращение по времени операции.

«Орион»ОРИОН является современным лазерным аппаратом, предназначенным для лечения и профилактики различных заболеваний в домашних условиях. Действие лазерного аппарата ОРИОН основано на импульсах полупроводникового инжекционного лазера с длиной волны 890 нм. Аппарат лазерный терапевтический воздействует на организм низкоинтенсивным лазерным излучением, вызывая сложные изменения на клеточном уровне. ОРИОН ускоряет доставку кислорода в ткани, улучшает кровоснабжение, снимает отёки, повышает иммунитет, активизирует восстановительные процессы. Лазерный аппарат ОРИОН оказывает противовоспалительное, антиаллергическое, противоотечное, обезболивающее действия.

61. Магнитные моменты электронов и атомов Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетиками. Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме. Поэтому намагничивание вещества следует описывать при помощи реальных атомных токов, называемых амперовскими токами.

Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов.Магнетики состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Именно этот момент и вызывает прецессию.

ларморовская прецессия — это прецессия магнитного моментаэлектронов, атомного ядра и атомов вокруг вектора внешнего магнитного поля.

Ларморова частота — угловая частота прецессии магнитного момента, помещенного в магнитное поле. Названа в честь ирландского физика 22Лармора%22Лармора”Джозефа HYPERLINK “22Лармора%22Джозефа%20HYPERLINK%20%22%80%22Джозефа%20HYPERLINK%20%22https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B6%D0%BE%D0%B7%D0%B5%D1%84_%D0%9B%D0%B0%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%80%22Лармора%22Лармора”Лармора. Ларморова частота зависит от силы магнитного поля B и гиромагнитного соотношения γ:

При этом в формуле учитывается то магнитное поле, которое действует на месте нахождения частицы. Это магнитное поле состоит из внешнего магнитного поля Bext и других магнитных полей, которые возникают из-за электронной оболочки или химического окружения.

Ларморова частота протона в магнитном поле силой в Тесла составляет 42 МГц, то есть Ларморова частота находится в диапазоне радиоволн.

62. Спектр ямр(схема)

Химический сдвиг в ЯМР — смещение сигнала ЯМР в зависимости от химического состава вещества, обусловленное экранированием внешнего магнитного поля электронами атомов. Химический сдвиг даёт представление о химическом составе молекулы, о её внутреннем строении, динамических процессах внутри системы.

Медицина: Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул.

63.Линза — деталь из прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической.

При d<F изображение мнимое, прямое, увеличенное, находится с той же стороны от линзы, что и сам предмет, но дальше предмета (f>d).

 В рассеивающей линзе изображение действительного предмета всегда мнимое, прямое, уменьшенное, находится между линзой и ее фокусом со стороны изображаемого предмета.

Фокус линзы (F) – точка на главной оптической оси, в которой пересекаются после преломления лучи (или их продолжения), падающие на линзу параллельно главной оптической оси. У любой линзы – два фокуса.

Оптическая сила линзы D – величина, обратная фокусному расстоянию: D =1/F
У собирающей линзы D > 0, у рассеивающей D < 0. Единица измерения – диоптрия. 1 дп = 1м-1.

Недостаток: Как и во всех линз, в роговице и хрусталика различные участки имеют разную фокусное расстояние: она больше в центральной части, ней в периферической. За счет этого возникает явление сферической аберрации, которое делает изображение нечетким. Аберрации уменьшается за счет функции зрачка. Чем меньше диаметр зрачка, то по меньшей мере участвуют периферические отделы оптической системы глаза в построении изображения, а значит, и меньше искажения его.

64. Основные детали глаза.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой). В передней части глаза оболочка переходит в выпуклую и прозрачную роговицу. Тонкая сосудистая пластинка (радужная оболочка) является диафрагмой, ограничивающей проходящий пучок лучей. Через отверстие в радужной оболочке (зрачок) свет проникает в глаз.

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу. Хрусталик разделяет внутреннюю поверхность глаза на две камеры: переднюю камеру, заполненную водянистой влагой, и заднюю камеру, заполненную стекловидным телом.

Внутренняя поверхность задней камеры покрыта сетчаткой, представляющей собой светочувствительный слойИзображение предмета, возникающее на сетчатке глаза, является действительным, уменьшенным и перевернутым.

Аккомодация – приспособление видеть как близко, так и далеко, но есть предел.

Дальнозоркость – лучи собираются дальше сетчатки. Двояковыпуклая линза.

Близорукость – лучи собираются перед сетчаткой.Двояковогнутая линза.

Виды биолинз: Собирающие(выпуклые), Рассеивающие(вогнутые). Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), и фокусным расстоянием.

Редуцированный глаз — условная, сильно упрощенная оптическая система, применяемая вместо оптической системы нормального человеческого глаза для расчетов по физиологической оптике и в практической офтальмологии. Состоит из одной преломляющей поверхности и одной преломляющей среды

1/d + 1/f = 1/F.

Острота зрения — способность глаза воспринимать раздельно две точки, расположенные друг от друга на некотором расстоянии (детализация, мелкозернистость, разрешётка). Мерилом остроты зрения является угол зрения, то есть угол, образованный лучами, исходящими от краёв рассматриваемого предмета (или от двух точек A и B) к узловой точке (K) глаза. Острота зрения-обратно-пропорциональна углу зрения, то есть, чем он меньше, тем острота зрения выше. В норме глаз человека способен раздельно воспринимать объекты, угловое расстояние между которыми не меньше 1′ (1 минута).

65.Сетчатка (retina) – это истинная ткань мозга, выдвинутая на периферию, т.к. является производным глазного бокала.

1. Наружный световоспринимающий или нейроэпителиальный слой, представленный палочками и колбочками.

2. Внутренний светопроводящий или мозговой слой – Микроскопически в сетчатке различают 10 слоев:

1. Пигментный эпителий, который простирается на всем протяжении оптической части сетчатки и имеет непосредственную связь со стекловидной пластинкой.

2. Слой палочек и колбочек – первый нейрон сетчатки. Палочка представляет собой правильное цилиндрическое образование длинной от 40-60 микрон. Колбочки имеют форму бутылки – вытянутый тонкий наружный членик и брюшистый внутренний. Общее число колбочек в сетчатке человеческого глаза равно 7 млн., палочек – 130 млн. Палочки обладают очень высокой световой чувствительностью, обеспечивают сумеречное и периферическое зрение. Колбочки выполняют тонкую функцию: центральное форменное зрение и цветоощущение.

3. Наружная пограничная пластинка образуется из концевых разветвлений мюллеровых волокон поддерживающей ткани сетчатки. Она нежная, тонкая и прозрачная. Через нее проходят отростки палочек и колбочек.

4. Наружный ядерный слой состоит из волокон и ядер палочковых и колбочковых клеток и разветвлений мюллеровых волокон между ними.

5. Наружный плексиформный слой – это слой, с которого начинается мозговой слой сетчатки. Здесь свободные окончания зрительных клеток соприкасаются с восходящими отростками биполярных клеток.

6. Внутренний ядерный слой – это биполярные клетки, которые содержат ядро и два отростка.

7. Внутренний плексиформный слой состоит из клеток и волокон внутреннего ядерного слоя.

8. Слой ганглиозных клеток образован крупными клетками с двухконтурным ядром и большим ядрышком.

9. Слой нервных волокон состоит из осевых цилиндров ганглиозных клеток, которые образуют зрительный нерв.

10. Внутренняя пограничная мембрана – тонкая, прозрачная пластинка, образованная мюллеровскими волокнами, покрывает все глазное дно и отделяет сетчатку от стекловидного тела.

Цветовосприятие, способность глаза человека и многих видов животных с дневной активностью различать цвета, т. е. ощущать отличия в спектральном составе видимых излучений и в окраске предметов. Видимая часть спектра включает излучения с разной длиной волны, воспринимаемые глазом в виде различных цветов.

красный + зеленый = желтый

пурпурный + зелено-голубой = синий

красный + желтый = оранжевый

Механизм световосприятия. В сетчатке находится около 7 млн. колбочек и 130 млн. палочек. Колбочки содержат зрительный пигмент иодопсин,позволяющий воспринимать цвета при дневном освещении. Колбочки бывают трех типов, каждый из которых обладает спектральной чувствительностью к красному, зеленому или синему цвету. Палочки благодаря наличию пигмента родопсина воспринимают сумеречный свет, не различая цвета предметов. Под воздействием световых лучей в светочувствительных рецепторах — палочках или колбочках — возникают сложные фотохимические реакции, сопровождающиеся расщеплением зрительных пигментов на более простые соединения. Это фотохимическое расщепление сопровождается возникновением возбуждения, которое в форме нервного импульса передается по зрительному нерву в подкорковые центры (средний и промежуточный мозг), а затем в затылочную долю коры больших полушарий, где преобразуется в зрительное ощущение. При отсутствии света (в темноте) зрительный пурпур регенерирует (восстанавливается).

Образ объекта

Рассмотрим модель работы глаза, позволяющую создавать зрительные образы объектов. Мы видим объекты благодаря тому, что световые волны отражаются от поверхности объектов и, проходя через оптическую систему глаза, преобразуются в зрительные образы. Будем считать, что поверхность объектов состоит из множества точек (микрообластей) каждая из которых отражает световые лучи. Часть отражённых лучей попадает в линзу глаза и, преломляясь в ней, образует изображение видимой части поверхности, изображение совокупности видимых точек поверхности в области пространства за линзой. Объект в модели является совокупностью материальных точек его поверхности, отражающих световые волны и удалённых от воспринимающей системы на некоторое расстояние. Каждая точка поверхности отражает некоторое количество световых лучей. Часть этих отражённых лучей попадает в линзу и, преломляясь в ней, пересекается друг с другом за линзой создавая в точке пересечения изображение этой точки поверхности.

Воспринимающая система должна решить, как минимум, две задачи: 1) воспринять совокупность точек изображения и трансформировать её в зрительные ощущения, 2) определить относительное расстояние до точек поверхности, от которых пришли световые волны. Что значит “относительное расстояние” будет объяснено позднее. Образ объекта состоит из множества зрительных ощущений, созданных системой зрительного восприятия в результате восприятия множества световых волн, отражённых от совокупности точек видимой поверхности объекта.

66. Световой поток — физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения.

Обозначение:

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): люмен

Ф=I

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров

Си́ла све́та —- физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин[1]. Характеризует величину световой энергии, переносимой в некотором направлении в единицу времени[2]. Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (кд).

Освещённость— отношение светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Освещённость численно равна световому потоку, падающему на участок поверхности малой единичной площади:

Е=Ф/S

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр)

67. Устройство люксметра.

Л-р Ю 116 предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра. Состоит из измерительного устройства и фотоэлемента с насадками. На передней панели имеются кнопки, переключатель и табличка со схемой. Имеет корректор для установки стрелки на нулевое положение. Селеновый фотоэлемент находится в пластмассовой корпусе и присо?