Sprawozdanie O2.doc

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Zajęcia Laboratoryjne z Biofizyki

BADANIE DYFRAKCJI SWIATLA LASEROWEGO

Grupa IX

Zespół V
15.10.07

Badanie dyfrakcji światła laserowego.

Część teoretyczna:

1. Przegląd widma fal elektromagnetycznych:

·         Promieniowanie γ (gamma) – emitowane podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych. Długość fali: λ < 10-11m.

·         Promieniowanie X (RTG) – wytwarzane przez specjalne lampy, w przyrodzie źródłem mogą być gwiazdy. Długość fali: 10-12 – 10-18m.

·         Promieniowanie UV (nadfiolet) – wytwarzane w przyrodzie głównie przez słońce. Ultrafiolet o długości fali λ < 2*10-7m jest szkodliwy dla organizmów żywych; wykorzystywany jako fizyczny środek bakteriobójczy. Długość pełnego zakresu UV wynosi od 10-8m do 3,8*10-7m.

·         Światło widzialne (VIS) – na ten zakres widma wrażliwe jest oko ludzkie. Są to fale o długości od 3,8*10-7m do 7,6*10-7m.

·         Promieniowanie podczerwone (IR) – jest to promieniowanie cieplne, którego źródłem są wszystkie promienniki ciepła. Używane w takich urządzeniach jak noktowizory lub nadajniki. Zakres spektrum wynosi 7,6*10-7m do 10-3m.

·         Mikrofale i fale radiowe, których źródłem są obwody drgające posiadają długość rzędu 10-3m do 106m.

2. Promieniowanie niejonizujące:
   Jest to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które nie powoduje jonizacji ośrodka, przez który przechodzi. Częstymi źródłami tego promieniowania są linie wysokiego napięcia, telefony komórkowe, urządzenia elektryczne a również słońce. Wpływ takiego promieniowania oceniano w badaniach epidemiologicznych przez ostatnie 20 lat. Stwierdzono, że może ono powodować wystąpienie zaburzeń funkcji ośrodkowego układu nerwowego, układów: rozrodczego, hormonalnego, krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku. Ludzie pracujący w obrębie działania takiego pola są szczególnie podatni, co potwierdzają badania lekarskie, na "chorobę radiofalową" zwaną także "chorobą mikrofalową". Promieniowanie jonizujące dzielimy na naturalne lub sztuczne, w zależności od źródła, które je wywołuje.
3. Cechy charakterystyczne światła laserowego:

·         monochromatyczne

·         spójne

·         równoległe

verte

5. Zasada działania lasera:
   Laser jest generatorem światła wykorzystującym zjawisko emisji wymuszonej. Aby wykonać akcję laserową należy dokonać odwrócenia (inwersji) obsadzeń, czyli wytworzyć tak zwany rozkład antyboltzmanowski. Do tego celu wykorzystuje się substancje mające wśród swoich stanów energetycznych stany wzbudzone, w których atomy mogą pozostawać znacznie dłużej niż jak to zwykle bywa około 10-8s. Poziomy energetyczne odpowiadające tym stanom nazywamy meta trwałymi.
   Wprowadzamy do układu silną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości:
   Kwanty tego promieniowania przenoszą atomy z poziomu energetycznego 1 na poziom 3. Proces ten nazywamy pompowaniem optycznym. W czasie gdy trwa pompowanie zachodzą samorzutne przejścia 3→2, które powodują szybki wzrost liczby obsadzeń poziomu 2. Duża różnica czasu życia w stanach 3 i 2 powoduje, że więcej atomów znajdzie się w stanie 2 niż w 1. Jeśli na przygotowany w ten sposób układ skierujemy foton o częstotliwości
   
   zwanej częstotliwością rezonansową, to prawdopodobieństwo, że zostanie on pochłonięty, jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo, że wymusi on przejście ze stanu 2 do stanu 1. Tak rozpocznie się lawinowy proces emisji wymuszonej. Konieczne jest jednak sprzężenie zwrotne, dzięki któremu część sygnału z wyjścia urządzenia podawana jest na jego wejście. W tym celu ośrodek aktywny umieszcza się między dwoma równoległymi zwierciadłami płaskimi
   (czyli w tzw. rezonatorze) w odległości równej całkowitej wielokrotności połowy długości fali ν1-2. Dzięki temu fotony biegnące prostopadle do zwierciadeł mogą przebywać w układzie dłużej, wywołując rozwój emisji wymuszonej. Jedno ze zwierciadeł jest częściowo przezroczyste, dzięki czemu światło wydostaje się na zewnątrz w postaci monochromatycznej, spójnej, równoległej wiązki.
   Pierwszym laserem był laser rubinowy zbudowany w 1960r. w USA. Materiałem aktywnym był w nim kryształ rubinu z domieszką chromu.
   Laser pozwala uzyskać ogromną moc impulsu, rzędu kilkudziesięciu kW. Stwarza to ogromne możliwości zastosowań technicznych.
   Wiązka światła laserowego niesie z sobą bardzo silne pole elektryczne i magnetyczne. Duże natężenie pola elektrycznego powoduje, że światło laserowe oddziałuje z materią inaczej niż światło zwyczajne. Wywołuje tzw. zjawiska nieliniowe.
6. Zastosowanie lasera w medycynie:
   Lasery znajdują zastosowanie zarówno w terapii jak i w diagnostyce. Najczęściej są one stosowane jako narzędzia chirurgiczne. Wąski, intensywny promień laserowy jest używany do precyzyjnego cięcia tkanek, np. w operacjach okulistycznych. W okulistyce wykorzystuje się również energię cieplną przenoszoną przez promień laserowy do łączenia (zgrzewania) odczepionej siatkówki. W pewnych przypadkach operacyjnych promień laserowy może być wprowadzany do wnętrza ciała pacjenta z wykorzystaniem światłowodu, może więc być także wykorzystywane jako oświetlenie np. przy obserwacji żołądka endoskopem. Energia wiązki światła laserowego może być również wykorzystana do niszczenia komórek kancerogennych i prekancerogennych.  Wiązka lasera jest również używana do usuwania blokad w arteriach. W dermatologii wykorzystywana jest do usuwania blizn, piegów i innych niedoskonałości skóry, natomiast w stomatologii – do likwidacji ubytków w zębach. W laryngologii z kolei laserem leczy się nowotwory krtani oraz wykonuje rekonstrukcję kosteczek słuchowych.
7. Typy laserów stosowanych w medycynie:
   Lasery zaczęły być wykorzystywane w medycynie właściwie od momentu swojego pojawienia się. Było to spowodowane możliwościami, jakie daje tak duże skupienie energii w małym obszarze. Pierwsze lasery zastosowano w chirurgii gałki ocznej, z biegiem lat zaczęto używać coraz nowszych typów laserów w różnych dziedzinach medycyny. Niektóre schorzenia można obecnie leczyć tylko laserem. Ze względu na materiał aktywny wyróżnia się lasery gazowe, cieczowe, na ciele stałym i półprzewodnikowe. Do najczęściej stosowanych w medycynie laserów gazowych należą: lasery na dwutlenku węgla CO2, helowo-neonowe He-Ne, lasery ekscimerowe, argonowe i kryptonowe. Z laserów na ciele stałym najbardziej znane są lasery na krysztale granatu itrowo-aluminiowego (YAG) domieszkowanego neodymem Nd, erbem Er (laser erbowy) lub holmem (laser holmowy). Jeśli chodzi o lasery półprzewodnikowe, to wykorzystywanych jest bardzo wiele ich typów emitujących promieniowanie od czerwieni do podczerwieni. Lasery dzieli się też na wysokoenergetyczne i niskoenergetyczne. Jest to umowny podział laserów stosowanych w urządzeniach medycznych. Lasery wysokoenergetyczne, czyli chirurgiczne są wykorzystywane w zestawach przeznaczonych do destrukcji lub usuwania tkanki (cięcie, odparowanie, koagulacja). W laserach niskoenergetycznych (biostymulacyjnych) nie wykorzystuje się termicznego oddziaływania (podgrzewania). Są one używane w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii i stomatologii, a także w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.
   Nie można wyobrazić sobie pewnych zabiegów chirurgicznych bez zastosowania laserów. Podczas operacji na silnie ukrwionych tkankach (na przykład wątroba, nerki), użycie skalpela laserowego powoduje natychmiastową koagulację. Po przecięciu nie ma krwawień, rany goją się dużo szybciej. Podobnie jest zastosowaniem laserów biostymulacyjnych, które ogólnie zmniejszają obrzęki i ból, przyspieszają proces gojenia, likwidują ogniska zapalne. Stwarzają dzięki tym zaletom komfort i bezpieczeństwo pacjentom poddawanym różnego rodzaju zabiegom. Lasery umożliwiają ponadto rozwój coraz dokładniejszych i bezpiecznych metod diagnostycznych.
8. Wpływ promieniowania laserowego na tkanki:
   Zależy on od:

·         czasu ekspozycji

·         właściwości tkanki biologicznej (pigmentacji skóry, wieku, płci osoby poddawanej naświetlaniu).

Przeważnie około 95% promieniowania dociera do wewnątrz tkanki i podlega tam procesom wielokrotnego odbicia i rozpraszania. Pochłonięta przez tkankę energia świetlna zostaje przekształcona w ciepło podnoszące temperaturę tkanki. Głębokość wnikania jest uzależniona od długości fali promieniowania laserowego. W zależności od mocy promieniowania laserowego i jego czasu działania na tkankę wyróżnia się następujące mechanizmy oddziaływania: fotochemiczne, termiczne, fotoablacyjne i elektromechaniczne.
Oprócz wymienionych wyżej korzyści płynących z zastosowania lasera należy również wymienić niekorzystne efekty działania promienia laserowego na tkankę, są to m.in.:

·         powstawanie komórek nowotworowych

·         uszkodzenie rogówki lub siatkówki oka, zaćma

·         rumień, szybciej starzejąca się skóra, ciemnienie pigmentu.

9. 
   
   Zjawisko dyfrakcji:
   Dyfrakcja (ugięcie) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez wąską szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt w pobliżu krawędzi przeszkody staje się nowym źródłem fali, tak powstałe fale rozchodzą się jako fale kuliste, a fala w każdym punkcie jest sumą wszystkich fal.
   Istotą zjawiska dyfrakcji światła jest „poszerzenie” wiązki świetlnej podczas przechodzenia przez wąską szczelinę. Efekt ugięcia jest tym wyraźniejszy, im mniejsza jest szerokość szczeliny w stosunku do długości fali.
10. 
    
    
    
    Zjawisko interferencji:
    Interferencja to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększenia lub zmniejszenia amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. Zjawisko interferencji światła występuje wtedy, gdy w określonym punkcie przestrzeni nakładają się dwie jednakowe, monochromatyczne fale świetlne (czyli fale o jednakowej częstotliwości). Fale te wzmacniają się lub osłabiają, zależnie od różnicy faz w miejscu spotkania. Najsilniejsze wzmocnienie towarzyszy nakładaniu się fal w fazach zgodnych, najsilniejsze osłabienie – nakładaniu się fal w fazach przeciwnych. Gdyby udało się w danym punkcie przestrzeni utrzymywać stałą różnicę faz nakładających się fal, to wynik interferencji można by zaobserwować. O takich falach mówimy, że są spójne a ich źródłem jest przeważnie laser.
    
    
    
    
    
    
    
    
    DOŚWIADCZENIE YOUNGA
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
     

verte

12. Siatka dyfrakcyjna:
    Jest to jeden z najprostszych przyrządów do przeprowadzania analizy widmowej. Siatka dyfrakcyjna jest powieleniem przyrządu zastosowanego w doświadczeniu Younga, przy czym odległość pomiędzy środkami sąsiednich szczelin w siatce jest znacznie mniejsza niż w przyrządzie Younga.
    Odległość tę nazywamy stałą siatki (d). Dla typowych siatek mieści się ona w przedziale 10-4 do 10-6m. Owa siatka to przezroczysta lub półprzezroczysta płytka – kryształowa, szklana lub z tworzywa sztucznego. Służy do analizy światła przez nią przechodzącego.
    Warunek uzyskania widma n-tego rzędu (warunek interferencyjny) jest następujący:
                                                            n λ = d sinαn             
    gdzie:              d – stała siatki,
                  αn – kąt, pod którym obserwuje się na ekranie n-ty rząd widma,
                  λ – długość fali.
    Maksymalny kąt ugięcia nie może być większy niż 90⁰, czyli: sinαn < 1.
13. Pomiar długości fali świetlnej:

·         Opis wykonywanych czynności:

a)      siatkę dyfrakcyjną o znanej stałej wartości d ustawiamy prostopadle do kierunku padania wiązki światła laserowego,

b)      na ekranie obserwujemy symetrycznie rozmieszczone plamki-efekt interferencji,

c)       mierzymy odległość siatki od ekranu oraz odległość kolejnych plamek(maksimów interferencyjnych) od plamki centralnej(prążka rzędu zerowego),

d)      wyznaczamy wartości kątów ugięcia dla paru rzędów widma i obliczamy długość fali padającego światła.

·        Tabele pomiarów:
Stała siatki:              d=10 mm=1×10m
Odległość siatki od ekranu:              l=19,2 cm=0,192 m
 

Korzystamy ze wzoru:             
              gdzie:
n – 1, 2, 3 – numer prążka jasnego
λ – szukana dł. fali światła laserowego
d – stała siatki
sinα – sinus kąta ugięcia
x – odległość między prążkiem zerowym a kolejnym prążkiem jasnym
l – odległość siatki od ekranu
po przekształceniu otrzymujemy:               [m]

·         Wynik:
=670,6 nm.

Część praktyczna:

...