Реферат на тему:
«Лазер та його використання в медицині»
Зміст
Принцип дії і види лазерів
Основні властивості лазерного променя
Застосування лазерів у медицині
Голографія
Принцип дії і види лазерів
В основу лазерів покладено явище індукованого випромінювання, існування якого було передбачене Ейнштейном в 1917 році. За Ейнштейном, поряд з процесами звичайного випромінювання і резонансного поглинання існує третій процес - вимушене (індуковане) випромінювання. Світло резонансної частоти, тобто тієї частоти, яку атоми здатні поглинати, переходячи на вищі енергетичні рівні, повинен викликати світіння атомів, які вже перебувають на цих рівнях, якщо такі є в середовищі.
Атоми середовища можуть поглинати світло, перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, випромінюють ж вони на верхніх рівнях. Звідси випливає, що при великій кількості атомів на нижніх рівнях (принаймні, більшій, ніж кількість атомів на верхніх рівнях), світло, проходячи через середовище, буде послаблюватися. Навпаки, якщо число атомів на верхніх рівнях більше числа збудженому, то світло, пройшовши через дане середовище, посилиться. Це означає, що в даному середовищі переважає індуковане випромінювання. Простір між дзеркалами заповнено активним середовищем, тобто середовищем, що містить більшу кількість збуджених атомів (атомів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях), ніж збудженому.
Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться. При проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її енергія поглинається. За рахунок поглиненої енергії хвилі частина атомів порушується, тобто переходить у вищий енергетичний стан. При цьому від світлового пучка віднімається деяка енергія:
hν = E2-E1,
де h ν - величина, що відповідає кількості витраченої енергії, E2 - енергія вищого енергетичного рівня, E1 - енергія нижчого енергетичного рівня.
У 60-х роках, було встановлено, що напівпровідники - чудовий матеріал для лазерів. Якщо з'єднати разом дві пластини з напівпровідників різних типів, то посередині утворюється перехідна зона. Атоми речовини, що знаходяться в ній, здатні збуджуватися при проходженні електричного струму поперек зони і генерувати світло. Дзеркалами, необхідними для отримання лазерного випромінювання, можуть служити поліровані і посріблені грані самого кристала напівпровідника.
Серед цих лазерів кращим вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його інфрачервоне випромінювання має потужність до десяти ват. Якщо цей лазер охолодити до температури рідкого азоту (-200 °), потужність його випромінювання можна збільшити в десять разів. Це означає, що при площі випромінюючого шару в 1 см2 потужність випромінювання досягла б мільйони ват. Але напівпровідник з перехідним шаром такого розміру виготовити поки неможливо з технічних причин.
Лазери на барвниках. Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових фарб у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідина налита в плоску ванночку-кювету. Кювету встановлена між дзеркалами. Енергія молекули барвника накачується оптично, тільки замість лампи-спалаху спочатку використовувалися імпульсні рубінові лазери, а пізніше - лазери газові. Лазери на барвниках володіють однією особливістю. Всі лазери випромінюють строго на одній довжині хвилі. Це їх властивість лежить в самій природі вимушеного випромінювання атомів, на якому заснований весь лазерний ефект.
Довжина хвилі світла лазера може змінюватися, скорочуючись і подовжуючись приблизно на одну соту (у хороших лазерів). Чим менше відстань між дзеркалами, тим ця смуга ширше. У напівпровідникових лазерів, наприклад, вона становить вже кілька довжин хвиль, а у лазера на основі солей неодиму ця смуга - одна десятитисячна. Така сталість довжини хвилі можна отримати тільки у великих газових лазерів, та й то, якщо взяти всілякі необхідні для цього заходи: забезпечити стійкість температури трубки, сили струму, її живить, і включити в схему лазера систему автоматичного підстроювання довжини хвилі випромінювання. Потужність випромінювання при цьому повинна бути мінімальною: при її підвищенні смуга розширюється. Зате в рідинному неодимовому лазері вузька смуга випромінювання виходить сама собою і зберігається навіть при помітному підвищенні потужності випромінювання, а це вкрай важливе для всякого роду точних вимірювань.
Основні властивості лазерного променя
Лазери є унікальними джерелами світла. Їх унікальність визначають властивості, якими не володіють звичайні джерела світла. На противагу, наприклад, звичайної електричної лампочки, електромагнітні хвилі, що зароджуються в різних частинах оптичного квантового генератора, віддалених один від одного на відстані макроскопічні, виявляються когерентні між собою. Це означає, що всі коливання в різних частинах лазера відбуваються узгоджено. Щоб розібрати поняття когерентності в деталях, потрібно згадати поняття інтерференції. Інтерференція - це взаємодія хвиль, при якому відбувається складання амплітуд цих хвиль. Якщо вдається відобразити процес цієї взаємодії, то можна побачити так звану інтерференційну картину (вона виглядає як чергування темних і світлих ділянок). Інтерференційну картину здійснити досить важко, тому що звичайно джерела досліджуваних хвиль породжують хвилі не узгоджено, і самі хвилі при цьому будуть гасити один одного. У цьому випадку інтерференційна картина буде надзвичайно розмита або ж не буде видно зовсім. Отже, вирішення проблеми отримання інтерференційної картини лежить у використанні двох залежних і узгоджених джерел хвиль. Хвилі від узгоджених джерел випромінюють таким чином, що різниця ходу хвиль буде дорівнювати цілому числу довжин хвиль. Якщо ця умова виконується, то амплітуди хвиль накладаються один на одного і відбувається інтерференція хвиль. Тоді джерела хвиль можна назвати когерентними.
Когерентність хвиль, і джерел цих хвиль можна визначити математично. Нехай Е1 - напруженість електричного поля, що створюється першим пучком світла, Е2 - другим. Припустимо, що пучки перетинаються в деякій точці простору А. Тоді згідно з принципом суперпозиції напруженість поля в точці А дорівнює
Е = Е1 + Е2
Так як в явищах інтерференції і дифракції оперують відносними значеннями величин, то подальші операції будемо виробляти з величиною - інтенсивність світла, яка позначена за I і дорівнює
I = E2
Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо
I = I1 + I2 + I12,
де I1 - інтенсивність світла першого пучка, I2 - інтенсивність світла другого пучка.
Останній доданок I12 враховує взаємодію пучків світла і називається інтерференційних членом.
Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I1 + I2, тобто результуюча інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей накладаються пучків, а тому інтерференційний член звертається в нуль. Тоді кажуть, що пучки некогерентні між собою, отже, некогерентні і джерела світла. Однак, якщо накладаються пучки залежні, то інтерференційний член не звертається в нуль, а тому I <> I1 + I2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I1 і I2. Тоді й відбувається інтерференція хвиль, а значить, джерела світла виявляються когерентними між собою. З поняттям когерентності також пов'язане поняття просторової когерентності. Два джерела електромагнітних хвиль, розміри і взаємне розташування яких дозволяє отримати інтерференційну картину, називаються просторово когерентними. Інший чудовою рисою лазерів, тісно пов'язаної з когерентністю їх випромінювання, є здатність до концентрації енергії - концентрації в часі, в спектрі, у просторі, у напрямку розповсюдження. Перше означає те, що випромінювання оптичного генератора може тривати всього близько сотні мікросекунд. Концентрація в спектрі припускає, що ширина спектральної лінії лазера дуже вузька. Це монохроматичність. Лазери також здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності. Як правило, це значення досягає 10-5 радий. Це означає, що на Місяці такий пучок, посланий з Землі, десь пляма діаметром близько 3 км. Це є проявом концентрації енергії лазерного променя в просторі і у напрямку розповсюдження.
Для деяких квантових генераторів характерна надзвичайно висока ступінь монохроматичності їх випромінювання. Будь-який потік електромагнітних хвиль завжди має набір частот. Випромінювання і поглинання атомної системи характеризується не тільки частотою, але і деякою невизначеністю цієї величини, званої шириною спектральної лінії (або смуги). Абсолютно монохроматичного одноколірного потоку створити не можна, однак, набір частот лазерного випромінювання надзвичайно вузький, що і визначає його дуже високу монохроматичність. Потрібно відзначити, що лінії лазерного випромінювання мають складну структуру і складаються з великого числа надзвичайно вузьких ліній. Застосовуючи відповідні оптичні резонатори, можна виділити і стабілізувати окремі лінії цієї структури, створивши тим самим одночастотний лазер.
Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра (протягом проміжку часу, тривалістю близько 10-13 с) у деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 1017 Вт/см2, в той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 103 Вт/см2, причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтервал l = 10-6 см (це ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт/см2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 1017 Вт/см2, то вдаються до різних методів підвищення потужності.
Застосування лазерів у медицині
У медицині лазерні установки знайшли своє застосування у вигляді лазерного скальпеля. Його використання для проведення хірургічних операцій визначають наступні властивості:
1. Він виробляє щодо безкровний розріз, оскільки одночасно з розтином тканин він коагулює краю рани"заварюючи" не дуже великі кровоносні судини;
2. Лазерний скальпель відрізняється постійністю різальних властивостей. Попадання на твердий предмет (наприклад, кістка) не виводить скальпель з ладу. Для механічного скальпеля така ситуація стала б фатальною;
3. Лазерний промінь в силу своєї прозорості дозволяє хірургові бачити оперований ділянку. Лезо ж звичайного скальпеля, так само як і лезо електроножа, завжди в якійсь мірі загороджує від хірурга робоче поле;
4. Лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не надаючи ніякого механічного впливу на тканину;
5. Лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність, адже з тканиною взаємодіє тільки випромінювання;
6. Промінь лазера діє строго локально, випаровування тканини відбувається тільки в точці фокусу. Прилеглі ділянки тканини пошкоджуються значно менше, ніж при використанні механічного скальпеля;
7. Як показала клінічна практика, рана від лазерного скальпеля майже не болить і швидше загоюється.
Практичне застосування лазерів в хірургії почалося в СРСР в 1966 році в інституті імені А. В. Вишневського. Лазерний скальпель був застосований в операціях на внутрішніх органах грудної та черевної порожнин. В даний час лазерним променем роблять шкірно-пластичні операції, операції стравоходу, шлунка, кишечника, нирок, печінки, селезінки та інших органів. Дуже заманливо проведення операцій з використанням лазера на органах, що містять велику кількість кровоносних судин, наприклад, на серці, печінці.
В даний час інтенсивно розвивається новий напрямок в медицині-лазерна мікрохірургія ока. Дослідження в цій області ведуться в Одеському Інституті очних хвороб імені В. П. Філатова, в Московському НДІ мікрохірургії ока і в багатьох інших "очних центрах" країн співдружності Перше застосування лазерів в офтальмології було пов'язано з лікуванням відшарування сітківки. Всередину очі через зіницю надсилаються світлові імпульси від рубінового лазера (енергія імпульсу 0,01 - 0,1 Дж, тривалість порядку - 0,1 с.). Вони вільно проникають крізь прозоре склоподібне тіло і поглинаються сітківкою. Фокусуючи випромінювання на відшарувалися, останню "приварюють" до очного дна за рахунок коагуляції. Операція проходить швидко і абсолютно безболісно.
Взагалі, з найбільш серйозних захворювань ока, що призводять до сліпоти, виділяють п'ять. Це глаукома, катаракта, відшарування сітківки, діабетична ретинопатія і злоякісна пухлина. Сьогодні всі ці захворювання успішно лікуються за допомогою лазерів, причому тільки для лікування пухлин розроблено і використовується три методи:
1. Лазерне опромінення - опромінення пухлини розфокусованим лазерним променем, що приводить до загибелі ракових клітин, втрати ними здатності до розмноження
2. Лазерна коагуляція - руйнування пухлини помірно сфокусованим випромінюванням.
3. Лазерна хірургія - найбільш радикальний метод. Полягає в висічення пухлини разом з прилеглими тканинами сфокусованим випромінюванням.
Голографія
Метод фотографування, використовуваний для збереження зображення предметів, відомий вже досить довгий час і зараз це найдоступніший спосіб отримання зображення об'єкта на будь-якому носії (фотопапір, фотоплівка). Однак інформація, що міститься у фотографії дуже обмежена. Зокрема, відсутня інформація про відстані різних частин об'єкта від фотопластинки та інших важливих характеристиках. Іншими словами, звичайна фотографія не дозволяє відновити повністю той хвильовий фронт, який на ній був зареєстрований. У фотографії міститься більш-менш точна інформація про амплітудах зафіксованих хвиль, але повністю відсутня інформація про фази хвиль. Голографія дозволяє усунути цей недолік звичайної фотографії і записати на фотопластинці інформацію не тільки про амплітудах падаючих на неї хвиль, а й про фази, тобто повну інформацію. Хвиля, відновлена за допомогою такого запису, повністю ідентична первісної, містить в собі всю інформацію, яку містила первісна хвиля. Тому метод був названий голографією, тобто методом повного запису хвилі. Для того щоб здійснити цей метод у світловому діапазоні, необхідно мати випромінювання з досить високим ступенем когерентності. Таке випромінювання можна отримати за допомогою лазера. Тому тільки після створення лазерів, що дають випромінювання з високою ступінню когерентності, вдалося практично здійснити голографію. Ідея голографії була висунута ще в 1920 році польським фізиком М. Вольфке (1883-1947), але була забута. У 1947 році незалежно від Вольфке ідею голографії запропонував і обгрунтував англійський фізик Д. Габор, відзначений за це в 1971 році Нобелівської премії.
Говорячи про процес створення голографічного зображення, необхідно виділити етапи голографії:
1. Реєстрація як амплітудних, так і фазових характеристик хвильового поля, відбитого об'єктом спостереження. Ця реєстрація відбувається на фотопластинках, які називають голограмами.
2. Витяг з голограми інформації про об'єкт, яка на ній зареєстрована. Для цього голограму просвічують світловим пучком.
Як вже було зазначено, первинне завдання голографії полягала в отриманні об'ємного зображення. З розвитком голографії на товстошарові пластинах виникла можливість створення об'ємних кольорових фотографій. На цій базі досліджуються шляхи реалізації голографічного кіно, телебачення. Один з методів прикладної голографії, іменований голографічної інтерферометрії, знайшов дуже широке поширення. Суть методу в наступному. На одну фотопластинку послідовно реєструються дві інтерференційні картини, що відповідають двом різним, але мало відрізняється станам об'єкта, наприклад, при деформації. При просвічуванні такий "подвійної" голограми утворюються, очевидно, два зображення об'єкта, змінені відносно один одного в тій же мірі, що й об'єкт у двох його станах.
Відновлені хвилі, що формують ці два зображення, когерентні, інтерферують, і на новому зображенні спостерігаються інтерференційні смуги, які й характеризують зміну стану об'єкта. В іншому варіанті голограма виготовляється для якогось певного стану об'єкта. При просвічуванні її об'єкт не видаляється і проводиться його повторне освітлення, як на першому етапі голографії. Тоді знову виходить дві хвилі, одна формує голографічне зображення, а інша поширюється від самого об'єкта. Якщо тепер відбуваються якісь зміни у стані об'єкта (у двох послідовних хвилях виникає різниця порівняння з тим, що було під час експонування голограми), то між зазначеними ходу, і зображення покривається інтерференційними смугами.
Описаний спосіб застосовується для дослідження деформацій предметів, їх вібрацій, поступального руху і обертань, неоднорідності прозорих об'єктів і т. п. Інтерференційна картина наочно свідчить про відмінність деформацій, напружень у тілі, крутильні моменти, розподіл температур і т. д. Голографія може застосовуватися для забезпечення точності обробки деталей.
Список використаної літератури
Китайгородський А. І. Фізика для всіх: Фотони і ядра. - М.: Наука, 1982 - 208 с.
Ландсберг Г. С. Елементарний підручник фізики. - М.: Наука, 1986. - Т.3 .- 656 с.
Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М. Наука, 1985. -176 С.