Длины волны излучения лазера. Спектр лазерного излучения

Само слово «лазер», это аббревиатура от английского "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Отсчет эпохи лазерной медицины начался более полу века назад, когда в 1960 г., Теодор Мэйман впервые использовал в клинике рубиновый лазер.

За рубиновым последовали другие лазеры: 1961 г. – лазер на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG); 1962 г. – аргоновый; 1964 г. – лазер на диоксиде углерода (СО 2).

В 1965 г. Леон Голдман сообщил об использовании рубинового лазера для удаления татуировок. В дальнейшем, вплоть до 1983 г., предпринимались различные попытки использования неодимового и аргонового лазеров для лечения сосудистых патологий кожи. Но их применение было ограничено высоким риском образования рубцов.

В 1983 г. в журнале Science Рокс Андерсон и Джон Пэрриш опубликовали разработанную ими концепцию селективного фототермолиза (СФТ), что привело к революционным изменениям в лазерной медицине и дерматологии . Данная концепция позволила лучше понять процессы взаимодействия лазерного излучения с тканью. Это, в свою очередь, облегчило разработку и производство лазеров для медицинского применения.

Особенности лазерного излучения

Три свойства, присущие лазерному излучению делают его уникальным:

1. Когерентность. Пики и спады волн располагаются параллельно и совпадают по фазе во времени и пространстве.
2. Монохромность. Световые волны, излучаемые лазером, имеют одинаковую длину, именно ту, которая предусмотрена используемой в лазере средой.
3. Коллимация. Волны в луче света сохраняют параллельность, не расходятся, и луч переносит энергию практически без потерь.

Способы взаимодействия лазерного излучения с кожей

Методы лазерной хирургии применяются для манипуляций на коже намного чаще, чем на любых других тканях. Это объясняется, во-первых, исключительным разнообразием и распространенностью кожной патологии и различных косметических дефектов, а во-вторых, относительной простотой выполнения лазерных процедур, что связано с поверхностным расположением объектов, требующих лечения. В основе взаимодействия лазерного света с тканями лежат оптические свойства тканей и физические свойства лазерного излучения. Распределение света, попавшего на кожу, можно разделить на четыре взаимосвязанных процесса.

Отражение. Около 5-7% света отражаются на уровне рогового слоя.

Поглощение (абсорбция). Описывается законом Бугера - Ламберта - Бера. Поглощение света, проходящего сквозь ткань, зависит от его исходной интенсивности, толщины слоя вещества, через которое проходит свет, длины волны поглощаемого света и коэффициента поглощения. Если свет не поглощается, никакого его воздействия на ткани не происходит. Когда фотон поглощается молекулой-мишенью (хромофором), вся его энергия передается этой молекуле. Важнейшими эндогенными хромофорами являются меланин, гемоглобин, вода и коллаген . К экзогенным хромофорам относятся красители для татуировок, а также частицы грязи, импрегнированные при травме.

Рассеивание. Этот процесс обусловлен главным образом коллагеном дермы. Важность явления рассеивания состоит в том, что оно быстро уменьшает плотность потока энергии, доступной для поглощения хромофором-мишенью, а, следовательно, и клиническое воздействие на ткани. Рассеивание снижается с увеличением длины волны, делая более длинные волны идеальным средством доставки энергии в глубокие кожные структуры.

Проникновение. Глубина проникновения света в подкожные структуры, как и интенсивность рассеивания, зависит от длины волны. Короткие волны (300-400 нм) интенсивно рассеиваются и не проникают глубже 100 мкм. А волны большей длины проникают глубже, так как рассеиваются меньше.

Основными физическими параметрами лазера, определяющими воздействие квантовой энергии на ту или иную биологическую мишень, являются длина генерируемой волны и плотность потока энергии и время воздействия.

Длина генерируемой волны. Длина волны излучения лазера сопоставима со спектром поглощения самых важных тканевых хромофоров (рис. 2). При выборе этого параметра обязательно следует учитывать глубину расположения структуры-мишени (хромофора), поскольку рассеивание света в дерме существенно зависит от длины волны (рис. 3). Это означает, что длинные волны поглощаются слабее, чем короткие; соответственно, их проникновение в ткани глубже. Необходимо также учитывать и неоднородность спектрального поглощения тканевых хромофоров:

• Меланин в норме содержится в эпидермисе и волосяных фолликулах. Спектр его поглощения лежит в ультрафиолетовом (до 400 нм) и видимом (400 - 760 нм) диапазонах спектра. Поглощение меланином лазерного излучения постепенно уменьшается по мере увеличения длины волны света. Ослабление поглощения наступает в ближней инфракрасной области спектра от 900 нм.
• Гемоглобин содержится в эритроцитах. Он имеет множество различных пиков поглощения. Максимумы спектра поглощения гемоглобина лежат в области УФ-А (320-400 нм), фиолетовом (400 нм), зеленом (541 нм) и желтом (577 нм) диапазонах.
• Коллаген составляет основу дермы. Спектр поглощения коллагена находится в видимом диапазоне от 400 нм до 760 нм и ближней инфракрасной области спектра от 760 до 2500нм.
• Вода составляет до 70% дермы. Спектр поглощения воды лежит в средней (2500 - 5000 нм) и дальней (5000 - 10064 нм) инфракрасной областях спектра.

Плотность потока энергии. Если длина волны света влияет на глубину, на которой происходит его поглощение тем или иным хромофором, то для непосредственного повреждения структуры-мишени важны величина энергии лазерного излучения и мощность, определяющая скорость поступления этой энергии. Энергия измеряется в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт, или Дж/с). На практике эти параметры излучения обычно используются в перерасчете на единицу площади – плотность потока энергии (Дж/см 2) и скорость потока энергии (Вт/см 2), или плотность мощности .

Виды лазерных вмешательств в дерматологии

Все виды лазерных вмешательств в дерматологии могут быть условно подразделены на два типа:

• I тип. Операции, в ходе которых проводят абляцию участка пораженной кожи, включая эпидермис.
• II тип. Операции, нацеленные на избирательное удаление патологических структур без нарушения целостности эпидермиса.

I тип.Абляция.
Этот феномен представляет собой одну из фундаментальных, интенсивно изучаемых, хотя еще и не до конца решенных проблем современной физики.
Термин «абляция» переводится на русский язык как удаление или ампутация. В немедицинской лексике это слово означает размывание или таяние. В лазерной хирургии под абляцией понимают ликвидацию участка живой ткани непосредственно под действием на нее фотонов лазерного излучения. При этом имеется в виду эффект, проявляющийся именно в ходе самой процедуры облучения, в отличие от ситуации (например, при фотодинамической терапии), когда облученный участок ткани после прекращения лазерного воздействия остается на месте, а его постепенная ликвидация наступает позднее в результате серии местных биологических реакций, развивающихся в зоне облучения .

Энергетические характеристики и производительность абляции определяются свойствами облучаемого объекта, характеристиками излучения и параметрами, неразрывно связывающими свойства объекта и лазерного луча, - коэффициентами отражения, поглощения и рассеивания данного вида излучения в данном виде ткани или ее отдельных составляющих. К свойствам облучаемого объекта относятся: соотношение жидкого и плотного компонентов, их химические и физические свойства, характер внутри- и межмолекулярных связей, термическая чувствительность клеток и макромолекул, кровоснабжение ткани и т. д. Характеристиками излучения – это длина волны, режим облучения (непрерывный или импульсный), мощность, энергия в импульсе, суммарная поглощенная энергия и т. д.

Наиболее детально механизм абляции исследован при использовании СО2 лазера (l = 10,6 мкм). Его излучение при плотности мощности ³ 50 кВт/см 2 интенсивно поглощается молекулами тканевой воды. При таких условиях происходит быстрый разогрев воды, а от нее и неводных компонентов ткани. Следствием этого является стремительное (взрывное) испарение тканевой воды (эффект вапоризации) и извержение водяных паров вместе с фрагментами клеточных и тканевых структур за пределы ткани с формированием абляционного кратера. Вместе с перегретым материалом из ткани удаляется и бόльшая часть тепловой энергии. Вдоль стенок кратера остается узкая полоска разогретого расплава, от которого тепло передается на окружающие интактные ткани (рис. 4). При низкой плотности энергии (рис. 5, А) выброс продуктов абляции относительно невелик, поэтому значительная часть тепла от массивного слоя расплава передается в ткань. При более высокой плотности (рис. 5, Б) наблюдается обратная картина. При этом незначительные термические повреждения сопровождаются механической травмой ткани за счет ударной волны. Часть разогретого материала в виде расплава остается вдоль стенок абляционного кратера, причем именно этот слой является резервуаром тепла, передаваемого в ткань за пределы кратера. Толщина этого слоя одинакова по всему контуру кратера. С повышением плотности мощности она уменьшается, а с понижением растет, что сопровождается соответственно уменьшением или увеличением зоны термических повреждений. Таким образом, повышая мощность излучения, мы добиваемся увеличения скорости удаления ткани, снижая при этом глубину термического повреждения .

Область применения СО 2 -лазера очень обширна. В фокусированном режиме он используется для иссечения тканей с одновременной коагуляцией сосудов. В дефокусированном режиме за счет уменьшения плотности мощности производится послойное удаление (вапоризация) патологической ткани. Именно таким способом ликвидируют поверхностные злокачественные и потенциально злокачественные опухоли (базальноклеточная карцинома, актинический хейлит, эритроплазия Кейра), ряд доброкачественных новообразований кожных покровов (ангиофиброма, трихлеммома, сирингома, трихоэпителиома и др.), крупные послеожоговые струпы, воспалительные кожные заболевания (гранулемы, узелковый хондродерматит ушной раковины), кисты, инфекционные поражения кожи (бородавки, рецидивирующие кондиломы, глубокие микозы), сосудистые поражения (пиогенная гранулема, ангиокератома, кольцевидная лимфангиома), образования, обусловливающие косметические дефекты (ринофима, глубокие постугревые рубцы, эпидермальные родимые пятна, лентиго, ксантелазма) и др.

Дефокусированный луч СО 2 -лазера используют и в сугубо косметической процедуре - так называемой лазерной дермабразии, то есть послойном удалении поверхностных слоев кожи с целью омоложения облика пациента . В импульсном режиме с длительностью импульса менее 1 мс за один проход селективно вапоризируется 25-50 мкмткани; при этом образуется тонкая зона резидуального термического некроза в пределах 40-120 мкм. Размеры этой зоны достаточны для временной изоляции дермальных кровеносных и лимфатических сосудов, что в свою очередь позволяет снизить риск формирования рубца.

Обновление кожи после лазерной дермабразии обусловлено несколькими причинами. Абляция уменьшает выраженность морщин и текстурных аномалий за счет поверхностного испарения ткани, тепловой коагуляции клеток в дерме и денатурации экстрацеллюлярных матричных белков. Во время процедуры происходит мгновенная видимая контракция кожи в пределах 20-25% как результат усадки (сжатия) ткани из-за дегидратации и сжатия коллагеновых волокон. Наступление отсроченного, но более продолжительного результата обновления кожи достигается за счет процессов, связанных с реакцией тканей на травму. После воздействия лазером в области сформировавшейся раны развивается асептическое воспаление. Это стимулирует посттравматическое высвобождение факторов роста и инфильтрацию фибробластами. Наступающая реакция автоматически сопровождается всплеском активности, что неизбежно ведет к тому, что фибробласты начинают производить больше коллагена и эластина. В результате вапоризации происходит активация процессов обновления и кинетики пролиферации эпидермальных клеток. В дерме запускаются процессы регенерации коллагена и эластина с последующим их расположением в параллельной конфигурации.

Аналогичные события происходят при использовании импульсных лазеров, излучающих в ближней и средней инфракрасной области спектра (1,54-2,94 мкм):эрбиевого с диодной накачкой (l = 1,54 мкм), тулиевого (l = 1,927 мкм), Ho:YSSG (l = 2,09 мкм), Er:YSSG (l = 2,79 мкм), Er:YAG (l = 2,94 мкм). Для перечисленных лазеров характерны очень высокие коэффициенты поглощения водой. Например, излучение Er:YAG-лазера поглощается водосодержащими тканями в 12-18 раз активнее, чем излучение СО 2 -лазера. Как и в случае СО 2 -лазера, вдоль стенок абляционного кратера в ткани, облученной Er:YAG-лазером, образуется слой расплава. Следует иметь в виду, что при работе на биоткани с этим лазером существенное значение для характера тканевых изменений имеет энергетическая характеристика импульса, в первую очередь его пиковая мощность. Это означает, что даже при минимальной мощности излучения, но более длительном импульсе резко возрастает глубина термонекроза. В таких условиях масса удаленных перегретых продуктов абляции относительно меньше массы оставшихся. Это обусловливает глубокие термические повреждения вокруг абляционного кратера. В то же время при мощном импульсе ситуация иная - минимальные термические повреждения вокруг кратера при высокоэффективной абляции. Правда, в этом случае положительный эффект достигается ценой обширных механических повреждений ткани ударной волной. За один проход эрбиевым лазером происходит абляция ткани на глубину 25-50 мкм с минимальным резидуальным термическим повреждением. Вследствие этого процесс реэпителизации кожи значительно короче, чем после воздействия СО 2 -лазера.

II тип. Селективное воздействие.
К операциям этого типа относятся процедуры, в ходе которых добиваются лазерного повреждения определенных внутридермальных и подкожных образований без нарушения целостности кожного покрова. Эта цель достигается подбором характеристик лазера: длины волны и режима облучения. Они должны обеспечить поглощение лазерного света хромофором (окрашенной структурой-мишенью), что приведет к его разрушению или обесцвечиванию за счет превращения энергии излучения в тепловую (фототермолиз), а в некоторых случаях и в механическую энергию. Мишенью лазерного воздействия могут быть: гемоглобин эритроцитов, находящихся в многочисленных расширенных дермальных сосудах при винных пятнах (PWS); пигмент меланин различных кожных образований; угольные, а также другие, по-разному окрашенные инородные частицы, вводимые под эпидермис при татуировке или попадающие туда в результате иных воздействий.

Идеальным селективным воздействием можно считать такое воздействие, при котором лучи лазера поглощаются только структурами мишени, а за ее пределами поглощение отсутствует. Для достижения такого результата специалисту, выбравшему лазер с соответствующей длиной волны, оставалось бы лишь установить плотность энергии излучения и продолжительность экспозиций (или импульсов), а также интервалов между ними. Эти параметры определяют с учетом (ВТР) для данной мишени - промежутка времени, за который возросшая в момент подачи импульса температура мишени опускается на половину ее прироста по отношению к исходной. Превышение длительности импульса над значением ВТР вызовет нежелательный перегрев ткани вокруг мишени. К такому же эффекту приведет и уменьшение интервала между импульсами. В принципе, все эти условия могут быть смоделированы математически перед операцией, однако сам состав кожи не позволяет в полной мере воспользоваться расчетными данными. Дело в том, что в базальном слое эпидермиса находятся меланоциты и отдельные кратиноциты, которые содержат меланин. Поскольку этот пигмент интенсивно поглощает свет в видимой, а также близких к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра («оптическое окно» меланина находится в пределах от 500 до 1100 нм), любое лазерное излучение в данном диапазоне будет поглощаться меланином. Это может привести к термическому повреждению и гибели соответствующих клеток. Более того, излучение в видимой части спектра поглощается также цитохромами и флавиновыми ферментами (флавопротеидами) как меланинсодержащих клеток, так и всех остальных типов клеток эпидермиса и дермы. Из этого следует, что при лазерном облучении мишени, расположенной под поверхностью кожи, некоторое повреждение эпидермальных клеток становится неизбежным. Поэтому реальная клиническая задача сводится к компромиссному поиску таких режимов лазерного облучения, при которых стало бы возможным достигать максимального поражения мишени при наименьшем повреждении эпидермиса (с расчетом на его последующую регенерацию, главным образом за счет соседних необлученных участков кожи).

Соблюдение всех этих условий применительно к конкретной мишени приведет к ее максимальному повреждению (разогреву или распаду) при минимальном перегреве или механической травме соседних структур.

Так, для облучения патологических сосудов винного пятна (PWS) наиболее рациональным является использование лазера с самой большой длиной волны, соответствующей пикам светопоглощения гемоглобина (l = 540, 577, 585 и 595 нм), при длительности импульсов порядка миллисекунд, поскольку при этом поглощение излучения меланином будет незначительным (положение 1 теории селективного фототермолиза). Относительно большая длина волны эффективно обеспечит глубинный прогрев ткани (положение 2), а сравнительно продолжительный импульс будет соответствовать весьма крупным размерам мишени (сосуды с эритроцитами; положение 3).

Если же целью процедуры является ликвидация частиц татуировки, то помимо подбора длины волны излучения, соответствующей цвету этих частиц, потребуется установить продолжительность импульса, которая значительно меньше, чем в случае винных пятен, чтобы добиться механического разрушения частиц при минимальном термическом повреждении других структур (положение 4).

Разумеется, соблюдение всех этих условий не обеспечивает абсолютную защиту эпидермиса, однако исключает слишком грубое его повреждение, которое привело бы впоследствии к стойкому косметическому дефекту из-за чрезмерного рубцевания.

Реакции ткани на лазерное воздействие

При взаимодействии лазерного света с тканью происходят следующие реакции.

Фотостимуляция. Для фотостимуляции используются низкоинтенсивные терапевтические лазеры. Терапевтический лазер по энергетическим параметрам оказывает действие, не повреждающее биосистему, но в то же время этой энергии достаточно для активации процессов жизнедеятельности организма, например ускорения заживления ран.

Фотодинамическая реакция. В основе принципа – воздействие светом определенной длины волны на фотосенсибилизатор (естественный или искусственно введенный), обеспечивающее цитотоксический эффект на патологическую ткань. В дерматологии фотодинамическое воздействие используется для лечения вульгарных угрей, псориаза, красного плоского лишая, витилиго, пигментной крапивницы и др.

Фототермолиз и фотомеханические реакции- при поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Селективный фототермолиз можно применить для удаления пороков развития поверхностно расположенных сосудов, некоторых пигментных образований кожи, волос, татуировок.

Литература

1. Лазеро- и светолечение. Доувер Дж.С.Москва. Рид Элсивер 2010.С.5-7
2. Неворотин А. И. Введение в лазерную хирургию. Учебное пособие. - Спб.: СпецЛит, 2000.
3. Неворотин А. И. Лазерная рана в теоретическом и прикладном аспектах. // Лазерная биология и лазерная медицина: практика. Мат. докл. респ. школы-семинара. Часть 2. - Тарту-Пюхяярве: Изд-во Тартуского университета ЭССР, 1991, с. 3-12.
4. Anderson R. R., Parish J. A. The optics of human skin. J Invest Dermatol 1981; 77:13-19.
5. Anderson R. R., Parrish J. A. Selective photothermolysis: precise microsurgery by selective absorption of pulsed radiation. Science 1983; 220:524-527.
6. Goldman L., Blaney D. J., Kindel D. J. et al. Effect of the laser beam on the skin: preliminary report. J Invest Dermatol 1963; 40:121-122.
7. Kaminer M. S., Arndt K. A., Dover J. S. et al. Atlas of cosmetic surgery. 2nd ed. - Saunders-Elsevier 2009.
8. Margolis R. J., Dover J. S., Polla L. L. et al. Visible action spectrum for melanin-specific selective photothermolysis. Lasers Surg Med 1989; 9:389-397.

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E 2 и базовый Е 1 . Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E 2 , то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E 2 - E 1 . Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором - спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:10 33), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν 02 накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E 0 до верхнего Е 2 . Безызлучательный переход атомов с E 2 до E 1 устанавливает инверсию населенности между E 1 и E 0 , что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E 1, и переход от Е 2 до Е 1 происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E 0 и E 1 достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е 1 -Е 0 индуцированного излучения. Более широкий уровень E 2 мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E 1 должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti +3 , Cr +3 , V +2 , Со +2 , Ni +2 , Fe +2 , и т. д.), редкоземельных ионов (Ce +3 , Pr +3 , Nd +3 , Pm +3 , Sm +2 , Eu +2,+3 , Tb +3 , Dy +3 , Ho +3 , Er +3 , Yb +3 , и др.), и актиноидов, подобных U +3 . ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды - вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных - гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, - несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями - в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F 2) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar + и отрицательные F - реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью - перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.

Реальное излучение содержит в себе не одну определенную частоту колебаний, а некоторый набор различных частот, называемый спектром или спектральным составом данного излучения. Излучение называется монохроматическим, если оно содержит очень узкий интервал частот (или длин волн ). В видимой области монохроматическое излучение вызывает световое ощущение определенного цвета; например, излучение, охватывающее интервал длин волн от 0,55 до 0,56 мкм, воспринимается как зеленый цвет. Чем уже интервал частот данного излучения, тем более монохроматическим оно является. Формула (1.2) относится к идеально монохроматическому излучению, содержащему одну частоту колебаний.

Раскаленные твердые и жидкие тела испускают непрерывный (или сплошной) спектр электромагнитных волн очень широкого интервала частот. Светящиеся разреженные газы испускают линейчатый спектр, состоящий из отдельных монохроматических излучений, называемых спектральными линиями; каждая спектральная линия характеризуется определенной частотой колебаний (или длиной волны), расположенной в середине охватываемого ею узкого интервала частот. Если источниками излучения являются не отдельные (изолированные, свободные) атомы, а молекулы газа, то спектр состоит из полос (полосатый спектр), каждая полоса охватывает более широкий непрерывный Интервал длин волн, чем спектральная линия.

Линейчатый (атомный) спектр каждого вещества является характерным для пего; благодаря этому возможен спектральный анализ, т. е. определение химического состава вещества по длинам волн спектральных линий испускаемого им излучения.

Допустим, что электромагнитная волна распространяется вдоль некоторой прямой, которую будем называть лучом. Можно интересоваться изменением вектора в определенной точке луча с течением

времени; возможно, что в. этой точке изменяется не только величина вектора как это следует из формулы (1.2), но и ориентировка вектора в пространстве. Далее можно зафиксировать величину и направление вектора в различных точках луча, но в определенный момент времени. Если окажется, что в различных точках вдоль луча все векторы лежат в одной плоскости, то излучение называется плоскополяризованным или линейно-поляризованным; такое излучение дает источник, который в процессе излучения сохраняет плоскость колебаний. Если же плоскость колебаний источника волны со временем изменяется, то вектор в волне не лежит в определенной плоскости и излучение не будет плоскополяризованным. В частности, можно получить волну, в которой вектор равномерно вращается вокруг луча. Если же вектор изменяет свою ориентировку вокруг луча совершенно беспорядочно, то излучение называется естественным. Такое излучение получается от светящихся твердых, жидких и газообразных тел, у которых плоскости, колебаний элементарных источников излечения - атомов и молекул - ориентированы в пространстве беспорядочно.

Таким образом, простейшим излучением является монохроматическая пласкополяризованная волна. Плоскость, в которой лежат вектор и вектор направления распространения волны, называется плоскостью колебаний плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний (т. е. плоскость, в которой лежит вектор Н), называется плоскостью поляризации.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме есть одна из важнейших констант физики и равна

В других средах она меньше к определяется по формуле (см. ч. III, § 29)

где соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

При переходе излучения из одной среды в другую частота колебаний в волне сохраняется, но длина волны К изменяется; обычно, если это не оговорено, К обозначает длину волны в вакууме.

Выше указывалось, что видимое излучение (которое мы называем светом) охватывает длины волн от 400 до при специальной тренировке глаз может воспринимать свет длиной волны от 320 до 900 нм. Более широкий интервал длин волн от 1 см до , охватывающий также ультрафиолетовую и инфракрасную области, называется оптическим излучением.

4 ноября 2013 в 21:33

Спектроскопия в стиле гетто: Исследуем спектр и (без)опасность лазеров

• DIY или Сделай сам

Думаю, каждый, кто читает эту статью играл с лазерными указками. В последнее время китайцы поднимают мощности излучения все выше - а о безопасности заботиться нам придется самим.

Помимо этого - также получилось на коленке посмотреть спектр излучения лазера - генерирует ли он на одной частоте, или сразу на нескольких. Это может быть нужно, если вы хотите попробовать записать голограмму в домашних условиях.

Вспомним конструкцию зеленых DPSS лазеров

808нм инфракрасный лазерный диод светит на кристалл неодимового лазера на кристалле Nd:YVO4 или Nd:YAG, который излучает свет уже на длине волны 1064нм. Затем в нелинейном кристалле KTP происходит удвоение частоты - и мы получаем зеленый свет 532нм.

Очевидная проблема тут в том, что 808нм и 1064нм излучение может выходить из лазера (если выходного фильтра нет, или он плохого качества) под неизвестным углом, и незаметно для нас заняться художественным вырезанием по сетчатке. Глаз человека вообще не видит 1064нм, а 808нм излучение - очень слабо, но в темноте можно увидеть (не слишком опасно это только с рассеянным излучением на маленькой мощности!).

Однако какое излучение в сфокусированной части излучения лазера? Попробуем это выяснить.

Первый подход: лист бумаги и CD-диск

Идея проста - светим лазером через дырочку в листе бумаги A4 на поверхность штампованного CD-диска . Бороздки на поверхности диска - в первом приближении работают как дифракционная решетка, и раскладывают свет в спектр.

Каждая длина волны формирует сразу несколько изображений - несколько положительных и несколько отрицательных порядков.

В результате глазом и обычной фотокамерой увидим следующее:

Однако, если посмотреть на лист бумаги камерой без ИК фильтра, замечаем странную сиреневую точечку между первой и второй точкой от центра:

Второй подход: дисперсионные призмы

Призма также раскладывает свет в спектр, однако разница углов преломления для разных длин волн - намного меньше. Именно поэтому этот вариант у меня далеко не сразу удалось осуществить - я продолжал видеть одну точку. Ситуацию усугубляло то, что призмы у меня были из обычного стекла, которые в спектр разлагают свет вдвое хуже специализированных.

Результат достигнут: четко видны точки 808нм, 1064нм и зеленая 532нм. Глаз человека на месте ИК точек не видит вообще ничего.

На 1W зеленом лазере с помощью «пальцевого высокоточного измерителя мощности» (сокращенно ПВИМ) удалось выяснить, что в моем случае подавляющая часть излучения - 532нм, а 808нм и 1064нм хоть и обнаруживаемы камерой, но мощность их в 20 и более раз меньше, ниже предела обнаружения ПВИМ.

Настал черед проверить очки

Китайцы обещают, что ослабление в 10тыс раз (OD4) для диапазонов 190-540нм и 800-2000нм. Что-ж, проверим, глаза-то не казенные.

Надеваем очки на камеру (если надеть на лазер - дырку проплавит, они пластиковые), и получаем: 532нм и 808нм ослабляются очень сильно, от 1064нм немного остается, но думаю не критично:

Из любопытства решил проверить цветные анаглифные очки (с красным и синим стеклом). Красной половиной зеленый задерживается хорошо, а вот для инфракрасного света они прозрачные:

Синяя половина - вообще практически никакого эффекта не оказывает:

Генерирует ли лазер на одной частоте или нескольких?

Как мы помним, основной элемент конструкции DPSS лазера - резонатор Фабри - Перо , представляющий собой 2 зеркала, одно полупрозрачное, второе обычное. Если длина волны генерируемого излучения не будет укладываться в длину резонатора целое число раз - из-за интерференции волны будут гасить сами себя. Без применения специальных средств лазер будет одновременно генерировать свет сразу на всех допустимых частотах.

Чем больше размеры резонатора - тем больше возможных длин волн, на которых может генерировать лазер. В самых маломощных зеленых лазерах - кристалл неодимового лазера представляет собой тоненькую пластинку, и зачастую там возможны только 1 или 2 длины волны для генерации.

При изменении температуры (=размеров резонатора) или мощности - частота генерации может изменится плавно, или скачком.

Почему это важно? Лазеры генерирующие свет на одной длине волны можно использовать для голографии в домашних условиях, интерферометрии (сверхочное измерения расстояний) и прочих веселых штук.

Что-ж, проверим. Берем тот же CD-диск, но на этот раз наблюдать за пятном будем не с 10 см, а с 5 метров (т.к. нам нужно увидеть разницу длин волн порядка 0.1нм, а не 300нм).

1W зеленый лазер: Из-за больших размеров резонатора - частоты идут с маленьким интервалом:

10mW зеленый лазер: Размеры резонатора маленькие - в том же диапазоне спектра помещаются только 2 частоты:

При снижении мощности - остается только одна частота. Можно писать голограмму!

Посмотрим и на другие лазеры. Красный 650нм 0.2Вт:

Ультрафиолетовый 405нм 0.2Вт:

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .