Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział fizjoterapii

Laboratorium z Biofizyki

Dyfrakcja światła laserowego

Magdalena Tobiasz

Grupa 6

Zespół 2

20 III 2006

• Fale elektromagnetyczne - przegląd widma

Jest falą poprzeczną powstałą z przemieszczających się w przestrzeni pola elektrycznego i magnetycznego

Rys: Widmo fal elektromagnetycznych

• B - fale radiowe

• C - mikrofale

• D - podczerwień

• E - światło widzialne

• F - ultrafiolet

• G - promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X)

• H - promieniowanie gamma

• I - widmo światła widzialnego

Dla porównania na rysunku zaznaczono także częstości fal akustycznych, czyli nie będących falami elektromagnetycznymi, słyszanych przez ludzkie ucho (A)

• Promieniowanie niejonizujące - rodzaje kryteria podział

Do promieniowania niejonizującego zalicza się fale elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, podczerwonym i nadfioletowym.

Rodzaje

• Promieniowanie podczerwone - przenika przez materię, zaczernia kliszę fotograficzne i wywołuje pewne procesy chemiczne. W medycynie wykorzystywane do ogrzewania organizmu, w fizjoterapii wykorzystuje się odmianę lamp żarowych (lampa Sollux). Źródłem promieni podczerwonych (8x10 ^-7 - 15x10^-7 m). przez skórę przenika głównie promieniowanie o długości fali 600 - 1200 nm.

• Promieniowanie nadfioletowe - naturalnym jego źródłem jest słońce, które emituje cały zakres długości fali (3,5x10^-7 - 10^-8 m). Do ziemi docierają fale o długościach większych niż 2,9x10^-7m. Jako źródło nadfioletu w medycyna mają zastosowanie lampy kwarcowe. Wyróżniamy 4 zakresy promieniowania w widmie nadfioletu

-UVA (315 -390 nm.) przenika przez naskórek, odgrywa rolę w pigmętacji skóry.

-UVB - promieniowanie Dorno (280 - 315 nm.), używane w terapii świetlnej, fizykoterapii, do leczenia krzywicy.

- UVC (180 - 280 nm.), pochłaniany przez naskórek. Wykazuje działanie bakteriobójcze i niszczące tkanki. Stosowany do wyjaławiania oraz leczenia chorób skóry.

- Promieniowanie Schumanna (100 - 180nm), pochłaniane przez cząsteczki tlenu. Bierze udział w wytwarzaniu ozonu i tlenków azotu.

• Światło laserowe - cechy charakterystyczne

Ponieważ w trakcie „akcji laserowej” emitowane są fotony, które wymuszają emisję dalszych fotonów identycznych co do energii, fazy drgań i kierunku rozchodzenia się ,to emitowana przez laser fala charakteryzuje się zgodnością częstotliwości faz i kierunków. Fala ta jest wiązką równoległą, jednobarwną oraz spójną (kocherętną) monoenergetycznych fotonów.

• Zasada działania lasera - podstawowe typy laserów stosowane w fizjoterapii

Zasada działania lasera polega na wzbudzaniu atomów w substancji laserowej np. rubinie na wyższy poziom energetyczny (tzw. pompowanie). Stan wzbudzony atomu jest nietrwały. Atom przechodząc z powrotem do stanu podstawowego wysyła nadmiar energii w postaci kwantów promieniowania. Zjawisko to nosi nazwę spontanicznej emisji promieniowania. Jeżeli podziałamy na wzbudzony atom zewnętrznym bodźcem w postaci kwantu promieniowania, o energii odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych, to spowodujemy przejście atomu do stanu podstawowego i emisję kwantu promieniowania o takiej samej energii. Ten rodzaj emisji nosi nazwę wymuszonej i stanowi on podstawę działania laserów

Typy laserów stosowanych w fizjoterapii

Rubinowe

Półprzewodnikowe

Gazowe (argonowe i ksenonowe)

• Wpływ promieniowania laserowego na tkanki

Działanie światła laserowego na organizm związane jest przede wszystkim ze wzbudzaniem cząsteczek lub atomów pod wpływem fotonów. Prowadzi to do różnych reakcji chemicznych, podciągających za sobą efekty biologiczne. Efekty te zależne są od natężenia światła oraz innych czynników, między innymi temperatury i stanu fizjologicznego organizmu. W przypadku działania fotonów o dostatecznie dużej energii mogą powstać aktywne rodniki, powodujące szereg różnych przemian chemicznych. Promieniowanie laserowe jest wykorzystywane również do przeprowadzania operacji chirurgicznych.

• Dyfrakcja i interferencja

Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez wąską szczelinę lub omija bardzo cienki obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt w pobliżu krawędzi przeszkody staje się nowym źródłem fali. Jeżeli uwzględnimy zjawisko interferencji, to można zauważyć, że za przeszkodą pojawią się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal.

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal, np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

Interferencja to zjawisko nakładania się fal. Interferencja jest przypadkiem ogólniejszego zjawiska superpozycji fal będącej przykładem superpozycji rozwiązań równań różniczkowych.

W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje interferencji. Optyka najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej częstotliwości i amplitudzie fali. Akustyka i analiza sygnałów częściej zajmują się nakładaniem się fal o złożonych kształtach.

• Siatka dyfrakcyjna

Siatka dyfrakcyjna - jeden z najprostszych przyrządów do przeprowadzania analizy widmowej. Tworzy ją układ równych, równoległych i jednakowo rozmieszczonych szczelin.

Jest to przezroczysta lub półprzezroczysta płytka - kryształowa, szklana lub z tworzywa sztucznego. Na jedną ze stron płytki zostaje naniesiona seria równoległych nieprzezroczystych linii, o stałym i odpowiednio małym rozstawie - od kilkunastu linii na milimetr aż do tysiąca w przypadku dobrych siatek. Działanie siatki dyfrakcyjnej polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji i interferencji światła do uzyskania jego widma. W tym celu pomiędzy źródłem światła a białym ekranem umieszcza się siatkę dyfrakcyjną. Na ekranie uzyskuje się w ten sposób widmo światła. Jako pierwszy w swoich doświadczeniach prymitywną siatkę dyfrakcyjną zastosował angielski fizyk Thomas Young. Typowa siatka dyfrakcyjna posiada 12000 szczelin na cal(tj. na 2,54cm) szerokości. Stała takiej siatki wynosi 2116 nm. (d = 2,54cm/12000).

• Pomiar długość fali świetlnej przy użyciu światła dyfrakcyjnego

W pewnej odległości od siatki dyfrakcyjnej umieszczamy ekran. Po skierowaniu na siatkę dyfrakcyjną światła laserowego otrzymujemy na ciemnym tle szereg jasnych prążków stanowiących widma rzędu 0, 1, 2... Długość fali świetlnej możemy obliczyć znając odległości pomiędzy prążkami tych samych rzędów (y), stałą siatki dyfrakcyjnej (a), oraz odległość w linii prostej od siatki dyfrakcyjnej do kolejnych prążków (D). Możemy skorzystać ze wzoru:

λ - długość fali świetlnej

n - numer prążka

---