CZĘŚĆ TEORETYCZNA
1. Laser.
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Fenomen lasera nie jest związany ze sposobem działania czy skomplikowaną konstrukcją, lecz z rodzajem światła, jakie urządzenie to emituje. 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.
Ze względu na materiał aktywny wyróżnia się:
Lasery gazowe
Laser molekularny CO2
Laser argonowy
Lasery helowo-neonowe
Lasery cieczowe
Lasery na ciele stałym
Lasery na krysztale granitu itrowo-aluminiowego(YAG)
Laser neodymowy
Lasery półprzewodnikowe
Lasery ze względu na moc dzielimy na :
małej mocy (4-5mW)
średniej mocy (6-500mW)
dużej mocy (ponad 500mW)
Lasery dzielimy również na (jest to umowny podział laserów stosowanych w urządzeniach medycznych):
wysokoenergetyczne czyli chirurgiczne są wykorzystywane w zestawach przeznaczonych do destrukcji lub usuwania tkanki (cięcie, odparowanie, koagulacja).
niskoenergetyczne (biostymulujące) nie wykorzystują termicznego oddziaływania (podgrzewania). Są one używane w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii, stomatologii, a także w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.
2. Promieniowanie.
Promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Promieniowanie dzieli się na dwie zasadnicze grupy: jonizujące oraz niejonizujące
PROMIENIOWNIE NIEJONIZUJĄCE
Powstaje w wyniku działania zespołów sieci i urządzeń elektrycznych w pracy, w domu, urządzeń elektromedycznych do badań diagnostycznych i zabiegów fizykochemicznych, stacji nadawczych, urządzeń energetycznych, telekomunikacyjnych, radiolokacyjnych i radionawigacyjnych. Negatywny wpływ energii elektromagnetycznej przejawia się tak zwanym efektem termicznym, co może powodować zmiany biologiczne (np. zmianę właściwości koloidalnych w tkankach), a nawet doprowadzić do śmierci termicznej. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez silne źródło niekorzystnie zmienia warunki bytowania człowieka, wpływa na przebieg procesów życiowych. Może powodować wystąpienie zaburzeń funkcji ośrodkowego układu nerwowego, układów: rozrodczego, hormonalnego, krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku.
PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE
Promieniowanie jonizujące powstaje, gdy od niestabilnego atomu odłączają się niektóre nukleony przy jednoczesnym wydzielaniu się energii. Nie każdy jednak pierwiastek jest zdolny do takiego rozpadu. Taką cechę posiadają jedynie izotopy, o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze.
Promieniowanie jonizujące podzielić możemy na promieniowanie alfa, beta, gama, X, a także w niektórych przypadkach promieniowanie UV.
Promieniowanie alfa, jest to strumień jąder atomów helu, czyli struktur składających się z dwóch neutronów i dwóch protonów. Promieniowanie to powstaje najczęściej podczas rozpadu ciężkich jąder.
Promieniowanie beta -Promieniowanie korpuskularne. Charakterystyczne dla cząstek naładowanych dodatnio lub ujemnie, jest emitowane przez jądra niektórych radioizotopów - strumień elektronów.
Promieniowanie gamma- Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii i małej długości fali, jest najbardziej przenikliwe spośród alfa, beta i gamma, emitowane podczas rozszczepiania jądra izotopów. Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji wyposażenia medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka.
Promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie X- Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,001A do 100A, rozróżnia się promieniowanie rentgenowskie miękkie (mniej przenikliwe) i twarde (bardziej przenikliwe). Promieniowanie X jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają na diagnostykę złamań kości. Naświetlanie promieniami X zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania X może powodować oparzenia i chorobę popromienną.
Promieniowanie ultrafioletowe - UV -Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 180nm - 380nm, stanowi 9% promieniowania słonecznego, niewidzialne dla oka ludzkiego, jest silnie pochłaniane przez warstwę ozonową.
Promieniowanie widzialne Część promieniowania słonecznego o długości fali w zakresie 380-750nm, widzialne dla ludzkiego oka
Promieniowanie podczerwone (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 700nm do 1 mm. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości.
3. Wpływ promieniowania laserowego na tkanki.
Promienie lasera działając na tkankę ulegają odbiciu, rozproszeniu i pochłanianiu (absorpcji). W sumie ok. 5% promieniowania odbija się od powierzchni tkanki, reszta dociera do niej i podlega tam procesom wielokrotnego odbicia i rozproszenia.
Pochłonięta przez tkankę energia świetlna zostaje przekształcona w ciepło podnosząc temperaturę tkanki. Głębokość wnikania jest uzależniona od długości fali promieniowania laserowego. W zależności od mocy promienia laserowego i jego czasu działania na tkankę wyróżnia się następujące mechanizmy oddziaływania :
fotochemiczny
termiczny
fotoablacyjne
elektromechaniczny
4. Zastosowanie w terapii i diagnostyce.
Lasery biostymulujące - używane są w leczeniu uszkodzeń skóry, przy zabiegach chirurgii plastycznej. Często wykorzystuje się promienie laserowe w leczeniu : reumatoidalnego zapalenia stawów itp.
Chirurgia laserowy skalpel z laserem Nd:YAG.
Mikrochirurgia oka laser holmowy.
Stomatologia bezbolesne leczenia zębów.
Mammografy laserowe, gdzie stosuje się nieinwazyjne promieniowanie przenikające głęboko przez tkankę.
5. Zjawisko dyfrakcji i interferencji, pojęcie siatki dyfrakcyjnej.
Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od kierunku pierwotnego, jeśli przechodzi ono przez niewielkie otwory lub szczeliny oraz kiedy natrafia na przeszkody. Efektem ugięcia się światła jest obraz przedstawiający układ jasnych i ciemnych prążków. Szczególnie wyraźne zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez siatkę dyfrakcyjną.
Siatką dyfrakcyjną nazywamy układ wielu równoległych i równoodległych szczelin (płytka szklana, zarysowana równoległymi liniami w ilości przynajmniej kilkuset na 1mm). Promienie światła ugięte na siatce dyfrakcyjnej interferują ze sobą, dając na ekranie ciemne i jasne prążki interferencyjne (w zależności od fazy w jakiej się spotkają). Jasny prążek na środku ekranu nazywany jest zerowym. Kolejne prążki po obu jego stronach nazywa się odpowiednio prążkami pierwszego i drugiego rzędu itd.
Interferencja jest to zjawisko wzajemnego wzmacniania lub osłabiania się fal. Do doświadczenia interferencyjno-dyfrakcyjnego konieczne są spójne źródła fal tj. światło laserowe. W wyniku interferencji dwóch ciągów fal spójnych otrzymujemy maksymalne wzmocnienie fal tam gdzie ich fazy są zgodne, natomiast wygaszenie drgań w miejscach, gdzie fazy różnią się o π. Położenie maksymalne fal interferencyjnych wyraża wzór :
d sinα= n λ
gdzie:
n - 1,2,3 .. rząd widma,
d - stała siatki dyfrakcyjnej,
λ - długość fali (światło laserowe He-Ne - 632,8nm),
α - kąt ugięcia.
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
1. Tabela wyników pomiarów.
Lp |
L[cm] |
S1L [cm] |
S2P [cm] |
S1 [cm] |
sinα1 |
d [μm] |
S2L [cm] |
S2P [cm] |
S2 [cm] |
sinα2 |
d [μm] |
1 |
27 |
3,7 |
3,6 |
3,65 |
0,1340 |
4,7236 |
7,5 |
7,5 |
7,50 |
0,2676 |
4,7287 |
2 |
23 |
3,2 |
3,1 |
3,15 |
0,1357 |
4,6636 |
6,5 |
6,4 |
6,45 |
0,2700 |
4,6871 |
3 |
19 |
2,6 |
2,6 |
2,60 |
0,1356 |
4,6674 |
5,4 |
5,3 |
5,35 |
0,2710 |
4,6694 |
4 |
15 |
2,1 |
2,0 |
2,05 |
0,1354 |
4,6733 |
4,3 |
4,2 |
4,25 |
0,2726 |
4,6427 |
5 |
11 |
1,6 |
1,5 |
1,55 |
0,1395 |
4,5352 |
3,2 |
3,2 |
3,20 |
0,2793 |
4,5308 |
2. Obliczenie błędów pomiarowych.
średnia arytmetyczna - 4,6581
odchylenie standardowe - 0,067
odchylenie standardowe średniej - 0,0539
metoda Studenta Fischera:
α=99%
k=20-1=19
tα=2,878
ε=2,878•0,0539=0,155μm
3. Spostrzeżenia i wnioski.
Najważniejszym wnioskiem jaki nasuwa się po przeprowadzeniu doświadczenia jest stwierdzenie falowej natury promienia laserowego. Można zaobserwować iż ulega on dyfrakcji i interferencji - zjawiskom charakterystycznym dla fal. Użyta w doświadczeniu siatka dyfrakcyjna ma stałą 4,6581 μm, co znaczy iż rysy są co 0,004658mm. Podczas przeprowadzania doświadczenia nie ustrzegliśmy się błędu, aczkolwiek jest on dość nieznaczny. Wynika on głównie z niedoskonałości przyrządów, które służą już w laboratorium od wielu lat oraz z niedoskonałości wykonujących doświadczenie.
1