Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział wojskowo lekarski

zajęcia laboratoryjne z biofizyki

Piotr

Kowalski

grupa iV

zespół nr 7

DATA: 02.11.2005 r.

TEMAT: BADANIE DYFRAKCJI ŚWIATŁA LASEROWEGO.

1. Fale elektromagnetyczne - przegląd widma.

Fale elektromagnetyczne - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego, które w próżni rozchodzą się z prędkością c = 3*10⁸m/s.

Widmo fal elektromagnetycznych:

• promieniowanie γ (λ<10^-11m) jest emitowane podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych,

• promieniowanie rentgenowskie (X) (10^-12-10^-8m) wytwarzane jest za pomocą specjalnych lamp a w przyrodzie jego źródłem są gwiazdy,

• nadfiolet (UV) (10^-8-3,8*10^-7m) jego źródłem w przyrodzie jest Słońce,

• światło widzialne (VIS) (3.8*10^-7m-7.6*10^-7m),

• podczerwień (IR) (7,6*10^-7-10^-3m) jest to promieniowanie cieplne, którego źródłem są wszystkie promienniki ciepła np. piloty RTV

• mikrofale i fale radiowe (10^-3-10^-6m) ich źródłem są obwody drgające.

2. Promieniowanie - jest to przekazywanie, rozchodzenie się energii na odległość.

Promieniowanie dzieli się na dwie grupy:

• jonizujące (promieniowanie α, β, γ, X)

• niejonizujace (promieniowanie radiowe, podczerwone, mikrofale a także światło widzialne)

3. Cechy światła laserowego.

• spójność - uporządkowanie fazowo-przestrzenne,

• monochromatyczność - o określonej długości, barwie fali

• równoległość - fotony poruszają się po równoległych do siebie liniach < wytwarzana wiązka światła>

4. Zasada działania lasera.

Laser - jest to generator spójnych fal elektromagnetycznych z zakresu ultrafioletu, światła i podczerwieni. Składa się zasadniczo z trzech części:

1. ośrodka czynnego,

2. układu pompującego,

3. układu optycznego.

Elektrony znajdujące się w atomach w ośrodku czynnym pochłaniając kwant energii przechodzą do stanu o wyższej energii (stanu wzbudzonego). Jeżeli w tym czasie na atom będzie padał foton o energii równej kwantowi pochłoniętej energii prze elektron to wywoła on przejście elektronu do stanu podstawowego (emisję wymuszoną) i uwolnienie energii w postaci drugiego fotonu co powoduje wzmocnienie wiązki. Zajście tego procesu utrudnia zjawisko emisji spontanicznej, które powoduje natychmiastowy powrót elektronu do stanu podstawowego (dlatego też wykorzystuje się atomy ze stanami metatrwałymi w których elektron może przebywać dłużej) oraz fakt iż atomów o stanie wzbudzonym jest znacznie mniej od tych w stanie podstawowym. Dlatego też zadaniem układu pompującego jest dostarczenie energii do atomów (np. błysk lampy błyskowej, reakcja chemiczna), dzięki czemu atomy przechodzą do stanu wzbudzonego. Kiedy atomy w stanie wzbudzonym przeważają emisja wymuszona zaczyna zachodzić lawinowo i coraz to większe ilości promieniowania są uwalniane. Układ optyczny składa się z dwóch zwierciadeł z czego jedno jest półprzepuszczalne. Fotony biegnące prostopadle do zwierciadła są prze nie odbijane i kilkakrotnie przechodzą prze ośrodek wywołując znowu emisję wymuszoną a w tym czasie przez półprzepuszczalne zwierciadło wychodzi światło laserowe.

5. Podstawowe typy laserów stosowanych w medycynie.

• stałe ( w medycynie stosowany laser rubinowy ),

• gazowe (najczęściej w medycynie CO₂ , helowo-neonowy, argonowy),

• cieczowe,

• półprzewodnikowe.

6. 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.

7. Zastosowania laserów w terapii i diagnostyce.

W medycynie:

• narzędzie tnące i koagulujące w chirurgii,

• leczenie wad wzrokowych w okulistyce,

• niszczenie oraz usuwanie zmian patologicznych czy barwnikowych skóry,

• w biostymulacji laserowej co przejawia się w:

działaniu przeciwbólowym,

działanie przeciwzapalnym i przeciwobrzękowym
działaniu regenerującym,

działaniu odpornościowo-stymulującym,
działaniu polepszającym mikrokrążenie,
działaniu odczulającym.

W terapii:

• do łączenia przerwanych naczyń krwionośnych,

• usuwania zatorów,

• rozbijania kamieni nerkowych,

• w ginekologii.

W diagnostyce medycznej:

• w technice endoskopowej (oświetlanie wew. Narządów i obserwacja zmian chorobowych)

8. Zjawisko dyfrakcji i interferencji.

Dyfrakcja - czyli ugięcie światła w wyniku czego zostaje oświetlona dużo większa część ekranu niż wynikałoby to z rozmiarów szczeliny i założenia prostoliniowego rozchodzenia się światła; zachodzi gdy część wiązki świetlnej zostaje zatrzymana lub odbita od przeszkody zaś ta część, która przechodzi przez otwór staje się źródłem fali elementarnej rozchodzącej się poza przeszkodą we wszystkich kierunkach.

Interferencja - polega na nakładaniu się wiązek światła, co prowadzi do osłabienia lub wzmocnienia fali świetlnej, w wyniku czego otrzymuje się na ekranie obraz interferencyjny w postaci ciemnych i jasnych prążków.

9. Siatka dyfrakcyjna - zbiór określonej liczby szczelin (w postaci rys) na jednej płaszczyźnie, umieszczonych w równej odległości od siebie. Służy do analizy przepuszczanego przez nią światła (pomiaru długości fali). Światło przepuszczone przez siatkę dyfrakcyjną ulega dyfrakcji a na umieszczonym za siatką ekranie uzyskujemy układ prążków, miejsca w których fale maksymalnie się wzmacniają.

Stała siatki dyfrakcyjnej - charakterystyczna wielkość, która określa odległość między rysami na siatce dyfrakcyjnej.

Równanie na stałą siatki dyfrakcyjnej:

, gdzie
i

λ - długość światła

d - stała siatki dyfrakcyjnej

n - rząd prążka

S_n - odległość n-tego prążka od prążka zerowego

L- odległość siatki dyfrakcyjnej od ekranu

---