Квантовая электроника

Міністерство  освіти і науки України

Запорізька  державна інженерна академія 
 
 
 

Домашня контрольна робота

З квантової  електроніки

Варіант № 44 
 
 
 

Перевірив:                                                      доцент

                                                     Л.Б. Дмитрієва

Виконав:                                                         студент групи ЕС-08-1

                                                  О.Ю. Кулешов 
 
 
 

Запоріжжя 2011

1  Лазерна  та магнітола зерна терапія 

Лазерна терапія - вплив на тканини людини низько-інтенсивного лазерного випромінювання з лікувальною метою. Лазерне випромінювання є вимушеною стимульованою електромагнітною хвилею оптичного діапазону довжиною від 10 нм до 1 мм (1 мкм = 1000 нм, 1 мм = 1000 мкм). На відміну від світла лазерне випромінювання має:[1]

    1. когерентність - узгоджений перебіг у часі декількох хвильових процесів однієї частоти і поляризації; 
     2. монохроматичность - тільки одна довжина хвилі; 
     3. поляризованность - упорядкованість орієнтації векторів напруженості електромагнітного поля хвилі в площині перпендикулярній її поширенню.

Лазерне випромінювання має дію на структуру і функції  нервової системи за рахунок прямого  опромінення і підвищення тканинної  температури, що викликає подразнення  нервових закінчень і прискорення  нервової провідності.

ЛИ викликає морфологічні та функціональні зміни  в нервовій системі. Курсовий вплив  закріплює і збільшує ці зрушення, що призводить до довготривалої адаптації  нейронів, до підвищення активності і  є компенсацією зрушень у нервовій системі, що дає позитивний лікувальний  ефект

Основною точкою докладання ЛИ є шкіра. У 1 см² шкіри перебуває 6500 капілярів, 200-200 больових точок, 143-330 потових залоз, 4-380 капілярних залоз, 500 волосяних фолікулів, 70000 білих отросчатих епідерміцітов, що обумовлює різноманіття місцевої реакції на ЛИ.[2]

Поширення лазерного випромінювання підкоряється всім законам оптики.

Світлові електромагнітні коливання поширюються у вигляді хвиль (обурення / зміна /) стану середовища або поля, що переміщаються з якоюсь швидкістю в просторі, і характеризуються наступними параметрами:

      1. Довжина хвилі (l - лямбда)- відстань переміщення хвилі за час одного періоду;

      2. частота коливань (v) - число коливань  в одиницю часу, виражається в  герцах (Гц) - 1 коливання в 1 с;

      3. потужність (потік) випромінювання - середня потужність випромінювання, що проходить через будь-яку  поверхню, вимірюється у Ватах  (Вт);

      4. щільність потоку потужності (інтенсивність випромінювання, опромінення) / Е / - відношення потоку потужності (ПМ) до площі поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі, вимірюється у Вт/м2;

      5. енергія випромінювання (W) - енергія,  отримана при впливі потужністю 1 Вт за 1 с, вимірюється в джоулях  (Дж), 1 Дж = 1 Вт / с;

      6. доза випромінювання (енергетична  експозиція) / Н / - енергетична опромінення  за якийсь час, вимірюється  в Дж/м2;

      7. оптичний електромагнітний спектр - розподіл коливань по довжині хвилі (частоті) оптичного випромінювання:

ультрафіолетовий 

                                короткий          100 - 275 нм 
                                середній            276 - 320 нм 
                                довгий               321 - 400 нм 

видиме світло 
                               фіолетовий         401 - 450 нм 
                               синій                   451 - 480 нм 
                               блакитний          481 - 510 нм 
                               зелений               511 - 575 нм 
                               жовтий                576 - 585 нм 
                               помаранчевий    586 - 620 нм 
                               червоний            621 - 760 нм 
 

інфрачервоний 
                             ближній 761 нм - 15 мкм (1 мкм = 1000 нм) 
                             дальній 16 мкм - 1000 мкм (1 мм) 
 

Магнітолазерна терапія запропонована наприкінці 70-х років та отримала найбільше розповсюдження серед поєднаних методів ЛТ завдяки потенціювання дії і високою терапевтичної ефективності [Полонський А.К. та ін, 1981].

В основі магнітотерапії лежить облік вихідного стану і оцінка отриманої реакції. На рівні цілого організму чутливість до магнітного поля вище, ніж на рівні тканини і клітин.

За рахунок  магнітолазерної впливу змінюється енергетична активність клітинних мембран, відбуваються конформаційні зміни рідкокристалічних структур, в першу чергу внутрішньоклітинної води. Посилення турбулентного процесу в крові, що протікає і лімфі забезпечує більш повне реагування поживних енергетичних речовин в точках контакту зі стінками капілярів[Улащик B.C., Лукомский И.В., 1997] 

В лазерній терапії  використовуються гелій-неонове, гелій-кадміеве та ультрафіолетове лазерне випромінювання .[4] 
 
 
 
 
 
 

2  Графічне  завдання

Неодимовий  лазер 

Рис. 2.1 Рівні енергії іона неодима 
 

Найбільше значення має іон Nd³⁺ . Тривалентний іон неодима легко активує багато матриц. Із них найбільш перспективними виявились кристали ітрій алюмінієвого гранату (ІАГ) та скло. Накачування переводить іони Nd3 + з основного стану ⁴I_9/2 в декілька відносно вузьких смуг, що грають роль верхнього рівня. Ці смуги утворені рядом перекриваючих збуджених станів, їх положення та ширини дещо змінюються від матриці до матриці. З смуг накачування здійснюється швидка передача енергії збудження на метастабільний рівень ⁴F_3/2 (рис. 2.1). Час життя цього рівня складає 0,2 мс в ІАГ і 0,7 мс у склі. Найбільшу ймовірність має лазерний перехід ⁴F_3/2 ⁴I_11/2 (l = 1,06 мкм).

Енергетична щіль між станами ⁴I_11/2 і ⁴I_9/2,, що дорівнює 2000 см^-1, забезпечує чотирьохрівневий характер генерації Н. л. Чим ближче до рівня ⁴F_3/2 розташовані смуги поглинання, тим вище ККД генерації. 
 

 

Рис. 2.2 Схема  лазера с модульованою добротністю : 1 - лампа накачування; 2 - активный стержень; 3 - модулятор (призма Глана та ячейка Поккельса); 4 глухе дзеркало; 5 - частково прозоре вихідне дзеркало.

Рис. 2.3 Схема лазера із само синхронізацією мод (позначення такі, та як і на рис. 2.2). Насичений фільтр 6 розташований біля глухого дзеркала 4.

Зазвичай області застосування Н. л. на гранаті і склі суттєво різні. З огляду на більшу теплопровідность і однорідність гранатові лазери легко працюють у безперервному та імпульсно-періодич. режимах. Середня потужність досягає ~ 102 Вт.Неодимове скло в силу великих обсягів і більш високої концентрації активатора добре накопичує енергію. Тому саме скло служить активним середовищем імпульсних лазерів високої енергії. Досягнуто значення імпульсної енергії в десятки кДж.

Довжини хвиль випромінювання Н. л. l = 1,8; 1,3; 1,06; 0.9 мкм.  Області застосування технології, медицина,  метеорологія, дальнометрія, лазерний термоядерний синтез, фіз. Дослідження.[5]

. 
 
 
 
 

Задача 98

Дзеркала резонатора мають коефіцієнти відображення и     і нанесені прямо на торці стержня активної речовини довжиною см. Припустимо, що є тільки витрати на випромінювання.

Визначити величину коефіцієнта квантового посилення  активного середовища, необхідного  для виникнення генерації в лазері і також мінімальну довжину, яку  може мати рубіновий лазер з такими дзеркалами, якщо в рубіні створена інверсія

(коефіцієнт  підсилення  )

Рішення

а) формула величини коефіцієнта квантового посилення має вигляд[8, с. 102]: 

де:  - коефіцієнти відображення, L-довжина стержня.

=0.005

б) Нехай довжина лазера L, коефіцієнт квантового підсилення k, тоді на всю довжину доводиться коефіцієнт підсилення kL, але він повинен дати у творі із коефіцієнтом  поглинання число, більше одиниці: 

.

де: - коефіцієнт підсилення

Відповідь: : а) , б) .

Задача 167

Довжина полуфокального резонатора лазера 50 см. Для зменшення расходимості вихідного пучка за сферичним вихідним дзеркалом резонатора розміщується лінза. Яка фокусна відстань повинна мати лінза, щоб розмір плями в перетягуванні пучка за лінзою становив 0.95 розміру плями на сферичному дзеркалі?

Рішення

 
 

                  Малюнок 3. 1 До розрахунку параметрів гауссових пучків[5, с.77] 

Пляма на сферичному дзеркалі має радіус[5, с.60]:

(3.1)

де  – радіус перетяжки.

Нехай лінза розташована на досить великій відстані від лазера, тоді, слідуючи формулами з доповнення отримаємо[5, с.78]:

(3.2)

Де: F – фокусна відстань,

    z- декартова координата,

 

Відповідь: у    тобто фокусна відстань лінзи приблизно дорівнює 0,6 від відстані лінзи до лазера.

Задача 54

У лазері, який працює на довжині хвилі   мкм і який має посилення по потужності за прохід , використовується симетричний резонатор довжиною м. Радіус кривизни двох дзеркал резонатора м. 
Розрахуйте основні параметри стійкості.

Основні параметри  стійкості[4, с. 100]: 
 
 
 
 
 

де: - відстань між дзеркалами,

  Радіус кривизни  двох дзеркал резонатора,

λ - довжина хвилі.

Отже маємо 

0.192 

=0.192 
 
 
 

Відповідь:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Перелік використаної літератури:

       :

1.  О. И. Ефанов. “Лазеротерапия” http://www.medprosvet.ru/articles/?content=article&id=7

 

2. МедПроСвет. “Физиологическое действие лазерного излучения”

       http://www.medprosvet.ru/ articles/?content=article&id=9

3. С.В.Москвин, В.А. Буйлин. “Магнитолазерная терапия”

http://www.medprosvet.ru/articles/?content=article&id=45 

4. Швец Е. Я., Дмитриева Л. Б. Квантовая электроника. Учеб./пос./ Запорожье Издательство ЗГИА.2003.-145 с.

 

5. Н.В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. -М.: Наука.

 

6. О. Звелто. Ринципы лазеров. Москва мир 1990 549 с.

 

7. Дмитриева Л. Б., Швец Е. Я., Квантовая электроника. – Запорожье: ЗГИА 2008.-62.

8. Успенский А.В. Сборник задач по квантовой электронике 1976. 176 с.