Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Biofizyka

Ćwiczenie O2: Badanie dyfrakcji światła laserowego.

Łukasz Janas

Grupa I

Zespół II

Łódź, 10.11.2004

Temat: Badanie dyfrakcji światła laserowego.

Podstawy teoretyczne

Falą lub ruchem falowym nazywamy zjawisko przekazywania drgań z jednych cząsteczek ośrodka na inne, coraz to dalsze.

Fale elektromagnetyczne (fale em) są to sprzężone pola elektryczne i magnetyczne, rozchodzące się w przestrzeni. Są one falami poprzecznymi, tzn. wektory E i H są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Wektory są również prostopadłe względem siebie i zgodne w fazie. Prędkość rozchodzenia się fali wynosi:

,

gdzie
i
to przenikalności elektryczna i magnetyczna. Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni wynosi około
.

Zestawienie fal elektromagnetycznych według wzrastającej ich długości, bądź malejącej częstotliwości, nazywamy widmem fal elektromagnetycznych.

Promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne o bardzo małej długości od zakresu nadfioletu próżniowego do ok.
. Im mniejsza długość fali tym większa jest ich przenikliwość (nazywamy je promieniowaniem rentgenowskim twardym, w odróżnieniu od fal dłuższych - promieniowania miękkiego). Promienie rentgenowskie ze względu na sposób powstawania można podzielić na promieniowanie hamowania (powstają podczas hamowania elektronów) i promieniowanie charakterystyczne (przy wzbudzeniach elektronów).

Promieniowanie gamma (
) jest produktem rozpadów promieniotwórczych. Zakres długości promieni gamma częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego, lecz sięga on do fal znacznie krótszych. Promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma zaliczamy do promieniowanie jonizującego.

Promieniowanie nadfioletowe (nadfiolet, ultrafiolet, promienie UV) leży między zakresem promieniowania rentgenowskiego a zakresem światła widzialnego. Dzieli się na nadfiolet bliski, średni i daleki (próżniowy), lecz granice między nimi nie są ściśle określone.

Światło widzialne to jedyne fale elektromagnetyczne, zdolność odbierania których posiada ludzkie oko. Długość fal świetlnych zawiera się w granicach
.

Promieniowanie podczerwone (podczerwień, IR) leży między zakresem światła widzialnego a zakresem fal radiowych (
).

Oprócz podziału ze względu na długość lub częstotliwość, istnieje podział fal elektromagnetycznych ze względu na sposób ich powstawania. Według niego wśród fal em wyróżniamy:

1. świecenie termiczne

2. świecenie wywołane wzbudzeniem nietermicznym - luminescencyjne, w którego obrębie wyróżniamy:

1. fotoluminescencję (pobudzenie ciała do świecenia pod wpływem wiązki świetlnej padającej na to ciało)

2. elektroluminescencję (świecenie ciał pobudzonych energia elektryczną)

3. chemiluminescencję (występuje w czasie reakcji chemicznych, najczęściej reakcji utleniania)

4. mechanoluminescencję (jej przykładem może być tryboluminescencja, zachodząca w wyniku tarcia ciał)

Zjawisko ugięcia (dyfrakcji) polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali na dowolnej przeszkodzie.

Zjawisko interferencji jest zjawiskiem nakładania się fal, spełniających określone warunki:

1. fale muszą mieć tę samą częstotliwość

2. dla wzmocnienia - różnica faz wynikająca z różnicy dróg przebytych przez fale musi być równa całkowitej wielokrotności długości fali, jeżeli fale wychodziły ze źródła w zgodnej fazie

3. dla wygaszenia - różnica dróg przebytych przez fale musi być równa nieparzystej wielokrotności połowy długości fali (jeżeli fale wychodziły ze źródła w zgodnej fazie)

4. dla całkowitego wygaszenia - amplitudy fal muszą być takie same

Interferencja może być wynikiem dyfrakcji. Poniższy rysunek przedstawia interferencję fal ugiętych na dwóch szczelinach, odległych od siebie o d.

- dla wzmocnień

- dla wygaszeń

Siatka dyfrakcyjna składa się bardzo wielu równoległych szczelin i szerokości bardzo małej w stosunku do odległości między nimi. Stałą siatki
nazywa się odległość między środkami dwóch sąsiednich szczelin (w mm). Siatki często charakteryzuje się poprzez podanie wartości
, czyli liczby szczelin na mm. Maksima natężenia fal wychodzących z siatki występują dla

,

gdzie
,
to kąt między promieniem rozchodzącym się w kierunku n-tego maksimum a normalną do siatki. Im więcej jest rys w siatce tym ostrzejszy i wyraźniejszy jest obraz dyfrakcyjny.

Siatka dyfrakcyjna może służyć do pomiaru długości fali świetlnej. Przekształcając równanie siatki, otrzymujemy, że

.

Do wyznaczenia sinusa kąta
potrzebne jest zmierzenie odległości siatki od ekranu l oraz odległości n-tego prążka od punktu przecięcia normalnej siatki z powierzchnią ekranu
.

Cechy promieniowania laserowego:

1. Monochromatyczność - wytwarzane jest światło o jednej (lub zaledwie kilku) długości fali. Emitowane linie widmowe są bardzo wąskie.

2. Spójność (koherencja) - emitowane fale elektromagnetyczne drgają w jednakowej fazie. Długość koherencji odpowiada z reguły długości impulsu, czyli wielu kilometrom.

3. Kolimacja - ponieważ światło laserowe jest spójne, może ono wytwarzać w rezonatorze optycznym fale stojące i w ten sposób równoległe wiązki światła.

Zasada działania lasera

Energia wewnętrzna atomów, cząsteczek i jonów może przyjmować tylko wartości dyskretne. Najmniejsza możliwa wartość energii, czyli energia stanu podstawowego jest jednocześnie najbardziej prawdopodobna. Promieniowanie zostaje pochłonięte przez atom, jeżeli jego energia
jest równa różnicy energii między dwoma wewnętrznymi poziomami energetycznymi tego atomu. Atom jest wtedy w stanie wzbudzonym. W ciągu krótkiego czasu atom wzbudzony emituje z powrotem pochłoniętą energię. Emisja ta następuje najczęściej spontanicznie, ale może także zostać spowodowana przez foton o energii
(emisja wymuszona). Występują wówczas jednocześnie dwa fotony o jednakowej energii, dlatego obserwuje się wzmocnienie promieniowania. Proces powyższy nazywamy pompowaniem optycznym. W tzw. komorze rezonacyjnej pierwotnie emitowane fotony wymuszają dalsze (o tej samej częstotliwości), w wyniku czego liczba fotonów wzrasta lawinowo. Jeśli wzmocnienie promieniowania, o którym była mowa wcześniej, występuje w zakresie widzialnym, IR lub UV widma, to mamy do czynienia z laserem.

Wpływ promieniowania laserowego na tkanki

a) wzrost średnicy naczyń limfatycznych i wzrost przepływu chłonki

b) wzrost ilości monocytów i neutrofilów w gojących się ranach

c) zaburzenia hormonalne (wzrost poziomu adrenaliny i noradrenaliny)

d) wzrost zdolności do regeneracji tkanki łącznej i nabłonkowej

e) kariogenne (rakotwórcze) działanie na skórę

f) uszkodzenia narządu wzroku (zaćma, oparzenia siatkówki)

g) oparzenia

Lasery stosowane w medycynie można podzielić na:

1. wysokoenergetyczne - służą do destrukcji bądź usuwania tkanek. Znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny, przede wszystkim okulistyce, dermatologii, neurochirurgii i chirurgii naczyniowej, ginekologii, urologii oraz laryngologii. Szczególne znaczenie lasery odgrywają w walce z nowotworami.

2. niskoenergetyczne - działają biostymulująco poprzez wpływ na metabolizm komórek. Jest to wykorzystywane w leczeniu ran, oparzeń, odleżyn oraz bólów stawowych.

Holografia

Oprócz zastosowania w terapii, lasery odgrywają dużą rolę w diagnostyce. Do najważniejszych metod badawczych należy holografia, która pozwala na uzyskanie przestrzennych obrazów badanych przedmiotów, w tym części ludzkiego ciała, np. organów znajdujących się wewnątrz organizmu.

Światło z monochromatycznego źródła spójnego (np. lasera) ulega rozdzieleniu. Jeden promień (promień sygnałowy) oświetla przedmiot, a wysokorozdzielcza emulsja fotograficzna rejestruje część światła odbitego. Drugi promień (promień referencyjny) pada bezpośrednio na emulsję i interferuje z promieniem odbitym. Rekonstrukcja hologramu jest procesem odwrotnym w stosunku do jego wytwarzania - spójny, monochromatyczny promień światła oświetla hologram (wywołaną emulsję). W przestrzeni powstaje obraz pozorny i obraz rzeczywisty przedmiotu. Ponieważ informacja jest pełna, obraz ten zawiera dane o ukształtowaniu przestrzennym przedmiotu, czyli jest „trójwymiarowy”.

---