9.4.2. Будова та принцип дiї лазера

Основою оптичного квантового генератора є речовина, що має метастабiльнi рiвнi. Робота лазера починається з використання зовнiшнього джерела енергiї для створення iнверсної заселеностi енергетичних рiвнiв. Цей процес називається “пiдкачкою”. Будова та принцип дiї лазера розглянемо на прикладi рубiнового лазера. Робочим тiлом цього лазера є кристал штучного рубiна, що являє собою окис алюмiнiю Аl₂O₃, в якому атоми алюмiнiю у незначнiй кiлькостi замiщенi атомами хрому. При поглинаннi свiтла, яке випромiнюється iмпульсною ксеноновою лампою (  560 нм), iони хрому переходять у збуджений стан (мал. 9.21).

Повернення iонiв в основний стан здiйснюється двома послiдовними переходами:

Мал. 9.21. Схема енергетичних рівнів рубінового лазера.

1. Вiддаючи частину енергiї кристалiчнiй решiтцi рубi­на, збудженi iони хрома безвипромiнювально переходять на промiжний рiвень, який являється метастабiльним. Завдяки малiй імовiрностi переходу з метастабiльного стану в основний та при достатнiй потужностi “пiдкачки” створю­ється iнверсна заселенiсть основного та метастабiльного рiвнiв.

2

Мал. 9.22. Будова рубінового лазера.

. Фотон, який випромiнюється при спонтанному пере­ходi iона хрома з мета­стабiльного стану в ос­нов­ний, викликає зрос­та­ючий потiк фотонiв у результатi iндукованих ви­промiнювальних пере­хо­дiв збуджених iонiв хро­ма між цими рівня­ми. Фотони з напрямом руху, паралельним вiсi рубiнового стержня, вiд­би­ва­ючись вiд торцових дзеркал, залучають все бiльшу кiлькiсть iонiв хрому в iнду­коване випромiнювання (мал. 9.22). Створюється фотонна лавина. При достатньому пiдсиленнi частина пучка вихо­дить крiзь напiвпрозорий торець кристала. Таким чином, рубiновий лазер працює в iмпульсному режимi.

Застосування лазерiв у медицинi базується на таких властивостях лазерного випромiнювання: високiй iнтен­сивностi, високiй монохроматичностi, когерентностi, вузос­тi пучка, малiй тривалостi випромiнювання у випадку iмпульс­них лазерiв. Нагадаємо деякі важливі області засто­су­вання лазерiв у медицинi:

1. Безкровна хiрургiя. Розтинаючи тканину, лазерний промiнь викликає коагуляцiю бiлка, запобігаючи капiлярній кровотечі.

2. Офтальмологiя. Лазерний промiнь використовують для приварювання вiдшарованої сiтківки та для лiкування глаукоми – захворювання, пов’язаного з пiдвищенням тиску всерединi ока. “Протикаючи” лазерним променем мiкро­отвiр в склерi, створюють вiдтік рiдини, в результатi чого тиск всерединi ока зменшується.

3. Мiкрохiрургiя. Використання лазерного променя дозволяє вибiрково руйнувати клiтковi органели.

4. Гастроскопія. На основi гелiй-неонового лазера з використанням волоконної оптики створено гастроскоп – прилад, який дозволяє формувати голографiчне (об’ємне) вiдтворення внутрiшньої порожнини шлунка.

5. Електронний парамагнiтний резонанс, ядерний магнiтний резонанс та їх медико-бiологiчнi застосування

У наш час, поряд з традицiйними методами оптичної спектроскопiї, у бiологiї та медицинi стали широко вико­ристо­вуватись методи магнiтної спектроскопiї, якi дозво­ляють одержати цiнну iнформацiю про будову органiчних молекул, природу мiжмолекулярних взаємодiй, характер молекулярних рухiв. В основi цих методiв лежить один i той же принцип – поглинання енергiї системою парамагнiтних частинок при iндукованих високочастотним електро­маг­нiтним випромiнюванням переходах мiж енергетичними рiвнями, на якi розщеплюються рiвнi енергiї системи у зовнiшньому магнiтному полi.