Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Laboratorium z Biofizyki

Sprawozdanie: O2:Badanie dyfrakcji światła laserowego

Data:27.10.2004 Piotr Falkowski

Fala elektromagnetyczne-przegląd widma.

Fala elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego. W ośrodku jednorodnym fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną, tzn. wektory pól elektrycznych
i magnetycznych
prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali; są one również wzajemnie prostopadłe, a zmiany ich są zgodne w fazie. Fale elektromagnetyczne przenoszą energię oraz pęd; gęstość energii przenoszonej przez fale elektromagnetyczne określa wektor Poyntinga-Umowa
 = 
×
; najprostszą falą elektromagnetyczną jest fala harmoniczna (o sinusoidalnej zależności E i H od czasu). Fale elektromagnetyczne mogą się rozchodzić w próżni, gdzie ich prędkość nie zależy od częstotliwości i wynosi c = 299792km/s; jest to największa możliwa prędkość przekazywania informacji.

Promieniowanie gamma

Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10^-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach.

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie odkrył W.C. Roentgen i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10^-13m do około 5x10^-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania. Promieniowaniem gamma powstaje w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).

Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10^-7m do 10^-8m (od 400 do 10 nm) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm) i daleki (190-10 nm). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie

nadfioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
Ze względu na działanie na skórę docierające z kosmosu promieniowanie dzieli się na trzy zakresy: UV-A (320-400nm), UV-B (290-320nm), UV-A (230-290nm).

Światło widzialne

Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10^-7 m do około 7x10^-7 m. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwików mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła czyli jego intensywność.

Promieniowanie podczerwone

Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10^-7 m do 2x10^-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400°C wysyłają praktycznie tylko podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem.

Mikrofale

Są to fale o długości od 10^-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele innych sposobów generacji mikrofal. Mogą to być lampy mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, i magnetrony (jest to dwuelektrodowa lampa elektronowa umieszczona w polu magnetycznym gdzie opóźniane elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach emitują mikrofale).

Fale radiowe

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długości większej od 10^-4 m (0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym.

Promieniowanie niejonizujące- rodzaje promieniowania. Promieniowanie, najogólniej mówiąc jest to przekazywanie energii na odległość. Promieniowanie dzieli się na dwie grupy: jonizujące i niejonizujace. Do tej drugiej grupy możemy zaliczyć promieniowanie radiowe, mikrofale, podczerwone a także światło widzialne.

Światło laserowe-cechy charakterystyczne. Światło laserowe może zostać użyte do komunikacji poprzez światłowody. Promień światła może być również użyty do przenoszenia danych powietrzem. Światło lasera podobnie jak mikrofale porusza się po linii prostej i nie może być przesłaniane. Niestety promień lasera nie przenika przez roślinność. Tłumią go również śnieg i mgła. To powoduje, że transmisje laserowe mają ograniczone zastosowanie.

Zasada działania lasera. Laser jest to bardzo skupiona, równoległa wiązka światła monochromatycznego, a więc o jednej ściśle określonej barwie(długości fali) i bardzo dużej intensywności. Promieniowanie laserowe jest promieniowaniem optycznym, czyli falą elektromagnetyczną, która niesie ze sobą energię. W laserze wykorzystuje się efekty wzajemnego oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią, czyli z tzw. ośrodkiem aktywnym, którym może być ciecz, ciało stałe lub gaz. W wyniku tego oddziaływania zachodzą zjawiska prowadzące do wzmocnienia i generacji(wytwarzania) promieniowania. Laser musi zawierać materiał aktywny(ośrodek wzmacniający), źródło wzbudzenia(układ pompujący) i obszar umożliwiający wzmocnienie-rezonator.

Laser składa się z trzech części:

• ośrodka laserowego, który ma zdolność do wstępowania większej liczby atomów w stan wzbudzenia;

• źródła energii przekazującego energię do ośrodka, co zwiększa liczbę elektronów na poziomie metastabilnym;

• komory rezonansu utworzonej przez szereg luster odbijających wiązkę promieniowania.

Podstawowe typy laserów stosowanych w medycynie.

Laseroterapia jest stosunkowo młodą metodą leczenia. Stosowanie lasera w medycynie obejmuje około 30 lat. Liczne prace badawcze przeprowadzane w kraju i zagranicą pozwalają na coraz lepsze poznanie tego urządzenia i skutków jego działania.

Pierwsze urządzenie laserowe zostało skonstruowane w 1960 roku .Od tego czasu skonstruowano kilkadziesiąt rodzajów różnych urządzeń laserowych, które znalazły swe zastosowanie zarówno w diagnostyce, jak i w terapii leczniczo-profilaktycznej. Zakres medycznych zastosowań lasera stale się poszerza.

Urządzenia laserowe generalnie dzielą się na dwie podstawowe grupy:

• lasery wysokoenergetyczne zwane też chirurgicznymi

• lasery niskoenergetyczne zwane biostymulacyjnymi.

Laser chirurgiczny znalazł swe zastosowanie w destrukcji lub usuwaniu tkanki np. cięcie, koagulacja itp. Są to najczęściej lasery średniej i dużej mocy. Z kolei lasery biostymulacyjne to lasery małej mocy nie przekraczającej kilkudziesięciu miliwatów. Promienie wytwarzane przez laser tego typu wykazują właściwości lecznicze, wśród których można wymienić likwidowanie stanów zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujące komórki i tkanki, usprawniające przemianę materii. Z tego względu są one coraz powszechniej stosowane w różnych działach medycyny i dlatego coraz częściej można je spotkać w klinikach, szpitalach, przychodniach czy prywatnych gabinetach.

Wpływ promieniowania laserowego na tkanki:

a) Efekt fototermiczny - po absorpcji promieniowania przez tkankę dochodzi do jej nagrzania, denaturacji i odparowania. Efekt ten zależy od ilości dostarczonej energii, czasu promieniowania oraz rodzaju tkanki.

b) Efekt fotochemiczny - wysyłanie krótkich impulsów o dużej gęstości mocy powoduje rozrywanie wiązań chemicznych bez nagrzewania tkanek, tzn. w miejscu oddziaływania promieniowania dochodzi do rozkładu i usunięcia tkanki, ale bez termicznego uszkodzenia tkanek sąsiednich.

c) Efekt fotojonizujący - współistnieje z efektem fotochemicznym. Na skutek wysyłania krótkich impulsów o dużej gęstości mocy dochodzi do jonizacji cząsteczek w tkance. Powstaje plazma, która silnie absorbuje promieniowanie - dochodzi do ekspansji plazmy, co wywołuje powstanie uderzeniowej fali akustycznej. Destrukcja tkanki ma charakter eksplozji.

d) Efekt biostymulacji - jest to efekt działania promieniowania o małej mocy. Zostaje stymulowany transport elektronów w łańcuchu oddechowym oraz dochodzi do kumulacji ATP.

Zastosowanie w terapii i diagnostyce

Lasery wysokoenergetyczne służą do destrukcji bądź usuwania tkanek. Mają średnią lub dużą moc, bądź są to lasery impulsowe.

W okulistyce lasery są wykorzystywane do przecinania cyst powiek lub spojówek, przecinania naczyń wrastających w rogówkę, perforacji cyst tęczówki, przecinania zrostów tęczówkowo - rogówkowych, do zabiegów przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych, do korekcji wad wzroku (astygmatyzmu, krótkowzroczności i dalekowzroczności) i do witreotomii. Szczególnym wskazaniem do laserowej korekcji wady refrakcji jest duża wada wzroku tylko w jednym oku. Najnowszą metodą korekcji wady refrakcji lub astygmatyzmu jest LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis). Polega ona na użyciu lasera ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25 mikrometra odparowuje nierówności w głębszych warstwach rogówki. Metoda ta koryguje wadę refrakcji w zakresie od +6 do -13 dioptrii.

Dermatolodzy za pomocą laserów usuwają naczyniaki oraz niektóre nowotwory (np. raka podstawnokomórkowego).

W laryngologii laserem leczy się nowotwory krtani oraz wykonuje rekonstrukcję kosteczek słuchowych.

W pulmonologii lasery są stosowane do rekanalizacji dróg oddechowych, usuwania ciał obcych i źródeł krwawienia, fotokoagulacji receptorów kaszlu.

W chirurgii lasery służą do udrażniania przełyku w chorobach nowotworowych, hamowania krwawienia z górnego odcinka przewodu pokarmowego, leczenia łagodnych nowotworów jelita grubego.

W ginekologii lasery są stosowane w laparoskopii do uwalniania zrostów wewnątrzmacicznych i w miednicy, w leczeniu endometriozy, mięśniaków, łagodnych torbieli przydatków, wodniaków jajowodów.

W urologii są stosowane do kruszenia złogów w moczowodach, leczenia łagodnego przerostu prostaty.

W neurochirurgii są wykorzystywane do usuwania oponiaków, glejaków i nerwiaków.

W chirurgii naczyniowej za pomocą laserów wykonywana jest przezskórna angioplastyka.
Lasery niskoenergetyczne działają biostymulująco poprzez wpływ na metabolizm komórek.
Jest to wykorzystywane w leczeniu ran, oparzeń, odleżyn oraz bólów stawowych.

Siatka dyfrakcyjna-budowa i podstawowe równanie

Siatka dyfrakcyjna - Udowodniono, że światło można traktować zarówno jako zbiór cząstek (fotonów) wylatujących ze źródła światła i poruszających się po liniach prostych (korpuskularna teoria światła wyjaśniająca np. bardzo dobrze zjawisko fotoelektryczne czy efekt Comptona), jak też jako falę z wszystkimi charakterystycznymi dla niej własnościami (np. dyfrakcja, interferencja, polaryzacja).
W tym drugim ujęciu światło jest falą elektromagnetyczną, poprzeczną, rozchodzącą się w przestrzeni z bardzo dużą predkością. Natrafiając na przeszkodę, światło ulega ugięciu czyli dyfrakcji i zmienia kierunek rozchodzenia się.
Zjawisko to można wyjasnić np. w oparciu o zasadę Huygensa. Otóż w wypadku natrafienia na przeszkodę, czoła niektórych cząstkowych fal kulistych nie mogą rozchodzić się swobodnie w niektórych kierunkach. Zatem powstała w wyniku interferencji fal cząstkowych powierzchnia styczna do tych fal (czoło fali wypadkowej) także zmieni swój kształt. Zatem kierunek rozchodzenia się fali także ulegnie zmianie.
Zjawisko dyfrakcji i interferencji szczególnie wyraźnie można zaobserwować przy przejściu światła przez układ wąskich szczelin. Po przejściu przez jedną, wąską szczelinę, światło rozchodzące się prostoliniowo (fala płaska), zmienia się w falę kulistą, rozchodzącą się we wszystkich kierunkach.

Jeśli szczeliny będą dwie, sytuacja zmieni się, gdyż wiązki światła wychodzące z różnych szczelin będą się spotykać, a ponieważ są spójne, interferują ze sobą.

Jeśli za szczelinami ustawimy ekran, zaobserwujemy na nim szereg jasnych punkcików - prążków interferencyjnych. Powstaną one w tych miejscach, w których wiązki wychodzące z różnych szczelin spotkają się w zgodnej fazie.

Określenie położenia tych punktów jest proste. W fali padającej powierzchnia falowa dochodzi równocześnie do obu szczelin, więc wychodzące ze szczelin wiązki są w tej samej fazie. Zatem na ekranie fale spotkają się w zgodnej fazie wtedy, gdy przebędą tę samą drogę optyczną (k=0) albo gdy przebyte przez nie drogi będą różnić się o całkowitą wielokrotność długości fali
(k=0,1,2...).

Taki układ szczelin można potraktować jako przybliżony model siatki dyfrakcyjnej. Rzeczywista siatka dyfrakcyjna składa się z wielu szczelin. Często przypada ich kilkaset na jeden milimetr szerokości siatki. Odległość między sąsiednimi szczelinami (na rysunku oznaczona jako d ) nazywana jest stałą siatki. Z rysunku widać, że kąt
, pod którym zaobserwujemy wzmocnienie interferencyjne (jasny prążek) i kąt B w trójkącie ABC są równe. (Uwaga. Na rysunku nie jest zachowana skala. W rzeczywistości odległość między szczelinami d= AB << L (L to odległość między szczelinami a ekranem), dzięki czemu obie wiązki wychodzą jakby -w tej skali- z tego samego punktu).
Z zależności geometrycznych widać, że:

oraz

Otrzymujemy stąd tzw. równanie siatki dyfrakcyjnej:

Położenie prążków na ekranie określa zależność:

Kojarząc powyższe wzory otrzymujemy zależność, w oparciu o którą można doświadczalnie wyznaczyć długość fali światła:

---