Лазерная безопасность знаний

1. Что такое лазер?
Лазерное устройство, которое излучает свет (электромагнитное излучение) в процессе оптического усиления на основе вынужденного излучения фотонов. Термин "лазер" возник как аббревиатура усиление света вынужденным излучением. Испускается лазерное излучение отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, недостижимой с помощью других технологий.

2. Лазерная указка Структурная схема


3. Что такое лазерная приложения?
Лазеры получили широкое применение в повседневной жизни. Лазеры является наиболее применимым в презентации для указывая объекты, согласования на строительство и проект, медицинское лечение для косметических и хирургических процедур. Нижняя указатель мощности лазера идеально подходит для презентаций и астрономии звездопада. Более высокая мощность лазерного указателя до 100 mW было бы прекрасно для сжигания эксперимент. Высокой мощности класса IV лазер используется для эксперимента, научные исследования, военные и т.д. таргетинг

4. Что такое длина волны?
Наши глаза чувствительны к свету, который находится в очень маленькой области электромагнитного спектра с надписью "видимый свет". Этот видимый свет соответствует диапазон длин волн 400 - 700 нанометров (nm) и цветовую гаnmу фиолетового до красного. Человеческий глаз не способен "видеть" излучение с длинами волн за пределами видимого спектра. Видимого цвета из кратчайших в длину волны длинной являются: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны, чем видимый свет фиолетовый. Инфракрасное излучение имеет длину волны, чем видимый красный свет. Белый свет представляет собой смесь из цветов видимого спектра. Черный является полное отсутствие света.

Спектральные цвета и длины волны

Этот график показывает цвета видимого спектра света и связанных с длинами волн в нанометрах. Диапазоны традиционно дается как:
ультрафиолетовом свете, 100 nm, 400 nm;
видимый свет, 400 nm-750nm;
инфракрасный свет, 750 nm-1 nm.

5. Что такое лазерная поперечной моде?


Поперечная электромагнитная режиме (TEM) структура лазерного луча описывает распределение мощности по сечению пучка. Большинство приложений лазерной потребует фундаментальных режима луча (TEM00) с гауссовым распределением мощности по сечению пучка, как показано на рисунке справа. Это фундаментальные результаты в режиме наименьшего диаметра пучка и расходимость пучка и может быть сосредоточено до наименьшего возможного размера пятна.
Прочие доходы приложений с повышенной мощностью доступны в первом режиме порядке (TEM01 *), или даже мод высшего порядка. Мощность лазера имеющих режим структуры над фундаментальным обычно называют multitra nsverse режиме (MTM). Режим структуры производства лазерных может быть изменен, просто изменив зеркала.

6. Различные классификации лазеров

Класс I

По своей сути безопасны, нет возможности повреждения глаз. Это может быть либо из-за низкой выходной мощности (в случае повреждения глаз невозможно даже после нескольких часов воздействия), или из-за шкафа предотвращения доступа пользователей к лазерным лучом при нормальной эксплуатации, такие как проигрыватели компакт-дисков или лазерных принтеров.

Класс II

Рефлекс моргания человеческого глаза (отвращение ответ) позволит предотвратить повреждение глаз, если человек намеренно смотрит в пучке в течение длительного периода. Выходная мощность может быть до 1 mW. Этот класс включает в себя только лазеры, которые излучают видимый свет. Большинство лазерных указателей и коnmерческие сканеры лазерные в этой категории.

Класс IIIa

Лазеры этого класса в основном опасные в сочетании с оптическими инструментами, которые изменяют диаметр луча или плотности мощности, хотя даже без оптического инструмента повышения прямого контакта с глазом в течение двух минут может привести к серьезному повреждению сетчатки. Выходная мощность не превышает 5 mW. Плотность мощности излучения не превышает 2,5 mW / кв.см, если устройство не маркирован с "осторожностью" предупредительный знак, в противном случае "опасности" предупредительной этикетке не требуется. Многие достопримечательности лазерные для огнестрельного оружия и лазерных указателей в этой категории.

Класс IIIb

Лазеры в этом классе может привести к повреждению, если луч попадает в глаз напрямую. Как правило, это относится к лазерам питается от 5-500 mW. Лазеры в этой категории может привести к необратимому повреждению глаз с экспозиции 1/100-й секунду или меньше в зависимости от силы лазера. Диффузного отражения, как правило, не опасны, но зеркальных отражений может быть таким же опасным, как прямые воздействия. Защитные очки рекомендуется при прямом просмотре луч лазера класса IIIb может произойти. Лазеры на высоком конце мощность этого класса могут также представлять опасность возникновения пожара и может слегка обжечь кожу.

Класс IV

Лазеры в этом классе имеют выходную мощность более 500 mW в пучке и может вызвать тяжелые, необратимые повреждения глаз или кожи без увеличены оптики глаза или приборов. Диффузного отражения лазерного луча могут быть опасными для кожи или глаз в течение Номинальный зону опасности. Многие промышленные, научные, военные и медицинские лазеры в этой категории.

7. Что такое лазерная безопасность знаний?
Даже первый лазер был признан как потенциально опасные. Теодор Мейман характеризуется первый лазер как имеющий власть одного "Gillette", как это могло гореть через одну лезвие бритвы Gillette. Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с помощью всего нескольких милливатт мощности могут быть опасными для человека зрение, когда луч такого лазера попадает на глаза непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, роговица и хрусталик может сосредоточиться хорошо, согласованности и малой расходимостью лазерного света означает, что она может быть направлена на глаз в очень маленькое пятно на сетчатке глаза, что приводит к локализованным жжения и повреждению в течение секунд или даже меньше времени. Лазеры обычно обозначен ряд класса безопасности, которая определяет, насколько опасны лазера:

. Класс I/1 по своей сути безопасны, как правило, потому что свет, содержащийся в корпусе, например, проигрыватели компакт-дисков.
. Класс II/2 является безопасной при нормальной эксплуатации; рефлекс моргания из глаз позволит предотвратить повреждение. Обычно до 1 mW, для указателей например лазера.
. Класс IIIa/3A лазеры, как правило, до 5 mW и привлекать небольшой риск повреждения глаз за время рефлекс моргания. Вглядываясь в таком пучке в течение нескольких секунд может привести к повреждению пятна на сетчатке.
. Класс IIIb/3B может привести к немедленному повреждению глаз при воздействии.
. Класс IV/4 лазеры могут обжечь кожу, а в некоторых случаях даже рассеянного света может вызвать раздражение глаз и / или повреждения кожи. Многие промышленные и научные лазеров в этом классе. Указанные полномочия для видимого света, непрерывно лазеров. Для импульсных лазеров и невидимых волн, другие ограничения мощности применяются.

Люди, работающие с классом 3В и 4 класса лазеров могут защитить свои глаза защитные очки, которые предназначены для поглощают свет определенной длины волны.

Некоторые инфракрасный лазеры с длиной волны за пределами около 1,4 микрометров часто упоминается как "безопасный для глаз». Это потому, что внутренняя молекулярных колебаний молекул воды очень сильно поглощают свет в этой части спектра, и, таким образом лазерный луч на этих длинах волн ослабляется настолько, как она проходит через роговицу глаза, что нет света остаются должно быть сосредоточено на объективе на сетчатку. Ярлык "безопасный для глаз" может ввести в заблуждение, однако, как это относится только к относительно малой мощности непрерывных пучков волн, любой большой мощности или модуляцией добротности лазера на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз.

8. Опасности лазерного излучения
Лазерные указки получили широкое применение от его первого появления. Лазеры в основном применимы в качестве инструмента для представления в преподавание, астрономии звездопада, и встреч. Тем не менее, эти лазеры постепенно принадлежащих лазерных поклонников и энтузиастов в том числе детей в связи с низкой стоимостью и бесчисленное множество поставщиков, и использоваться таким образом, не предусмотренных производителями. В результате, это серьезно Важно понимать опасности лазерных указок перед реальной обладание лазерной указкой.

Лазерная опасности
Лазерное излучение преимущественно вызывает повреждение путем термического воздействия. Даже умеренно питания лазера может привести к травмам глаз. Лазеров высокой мощности также может обжечь кожу. Некоторые лазеры настолько мощным, что даже диффузного отражения от поверхности может быть опасным для глаз.

Хотя существует потенциальная опасность для сетчатки, не все лазеры видимого пучка, вероятно, привести к необратимому повреждению сетчатки. Воздействия смотреть на луч лазерной указки, скорее всего, причиной остаточного изображения, флэш-слепоты и бликов. Временная боль в сетчатке восстановится через несколько минут.

Малым углом расходимости лазерного света и механизма фокусировки на глаза означают, что лазерный свет может быть сконцентрирован в очень маленькое пятно на сетчатке. Если лазер достаточно мощный, постоянный ущерб может происходить в течение доли секунды, буквально быстрее, чем мгновение ока. Достаточно мощный в видимой до ближней ИК лазерным излучением (400-1400nm) будет проникать глазного яблока и может привести к нагреву сетчатки, в то время как воздействие лазерного излучения с длиной волны менее 400 nm и больше, чем 1400nm в основном поглощаются роговицей и хрусталиком, приводит к развитию катаракты или ожогов.

Инфракрасные лазеры являются особенно опасными, так как защитные тела "рефлекс моргания" ответ срабатывает только видимый свет. Например, некоторые люди подвергаются воздействию высоких Nd мощность: YAG лазера с невидимым 1064 излучению, не может чувствовать боль или заметите непосредственного ущерба их зрение. Поп-музыка или звук щелчка, вытекающих из глазного яблока может быть единственным признаком того, что повреждение сетчатки произошло то есть сетчатка нагревали до 100 ° C в результате локализованного взрывного вскипания сопровождается немедленного создания постоянного слепое пятно.

Ответственные владельцы лазерных должны полностью понимать опасности лазерного излучения, и признать FAA правила, связанные с использованием лазерной указки. Защитные очки, как правило, требуется, когда непосредственное наблюдение мощный луч может произойти.

9. Как защитить себя от лазерной опасности?
Это весьма важно для принятия эффективных методов предотвращения ущерба от класса 3В или класса IIIb. Лазерные защитные очки являются главным аксессуаром для защиты глаз на рынке в настоящее время. Различные выбор лазерных датчиков, очки должны быть выбраны для конкретного типа, чтобы заблокировать соответствующую длину волны. Например, поглощающий 532 очков обычно имеет оранжевый очков.

Непосредственно глядя на лазерные указки строго запрещено в любых условиях. Не забывайте надевать защитные очки перед использованием лазерной указки.

Советы по безопасности лазерной указкой:

● Поставьте лазер в недоступном для несовершеннолетних. Не допускать несовершеннолетних (до 18 лет) на приобретение и использование лазерной указкой ни при каких надзора. Только взрослые могут использовать лазерные указки после того, как они поняли знаний безопасности и риска лазерных продуктов.

● Будьте особенно осторожны, если вы используете высокой мощности лазерного излучения. Вы никогда не должны пытаться указать свой лазерный указатель на любого человека и животных, пилот самолета и движущихся транспортных средств, или вы будете заключены в тюрьму в тюрьме за неправильное использование лазерных устройств.

● Хранить вдали от мощных лазеров. Пожалуйста, всегда держать себя вдали от мощных лазера, такие как сжигание лазера. Они существенно отличаются от формальных лазеров для презентации. Никогда не пытайтесь купить лазер без никакой выявить класса и мощности.

10. Как мощные лазерные указки будет?

Различные приложения должны лазеров с различной выходной мощностью. Лазеры, которые производят непрерывный пучок или серия коротких импульсов можно сравнить на основе их средней мощности. Лазеры, которые производят импульсы могут быть охарактеризованы на основе пиковая мощность каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше, чем его средняя мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше, чем потребляемая мощность.

Непрерывным или средней мощности, необходимой для некоторых применений:
Мощность использование
1-5 mW лазерного указателя
5 mW компакт-дисков
5-10 mW DVD-плеер или DVD-дисков
100 mW высокоскоростной CD-RW горелки
250 mW потребительских 16x DVD-R горелки
400 mW горения через футляре диска в том числе в течение 4 секунд
1 W Зеленый лазер в текущем Голографический Универсальный развития прототип диска
1-20 W Выходная большинства коnmерчески доступных твердотельных лазеров, используемых для микро-обработки
30-100 W Типичные запечатанных СО2 хирургических лазеров
100-3000 W Типичные запечатанных CO2 лазеров, используемых в промышленных лазерной резки
5 KW Выходная мощность достигается за счет 1 см бар лазерный диод
100 KW Заявленная мощность СО2-лазера, разрабатываемый Northrop Grumman для военных (оружие) приложений

11. Что лазерных обслуживания?

Правильное обслуживание вашего лазерного прекрасно продлить срок его службы. Нам просто нужно следовать следующим советам:

Что нужно:
1. Салфетка из микрофибры
Пожалуйста, убедитесь, что ткань из микроволокна специально разработана для очистки линз. Вы можете найти это в вашем местном камеры или очки магазине.
2. Q-наконечником или зуб выбор
Вам нужно будет сложить ткань над одним из них, чтобы быть в состоянии достичь линзы правильно.
3. Объектив очистки растворов (необязательно)
Используйте для очистки линз решение, только если объектив не очищается салфетка из микрофибры в одиночку. Пожалуйста, убедитесь, что чистящий раствор разработан специально для очистки объектива.
* Внимание: не используйте воду.

Процедура:
1. Мойте руки с мылом и водой. Убедитесь в том, чтобы высушить их должным образом.
2. Сложите ткань из микроволокна на зубочистку или ручку часть Q-Tip. Убедитесь, что вы не трогайте часть ткани, которая будет очистка линз. Вы, наверное, не сможет сложить ткань вдвое, так что вы должны быть очень осторожны, чтобы не нажимать слишком сильно на объектив.
3. Аккуратно переместите ткань в отверстие, пока она вступает в контакт с объективом. Натрите его из стороны в сторону, но не нажимайте слишком сильно. Плавно поворачивайте ткань в вращательным движением вперед и назад. Повторите эту процедуру, пока объектив вашей лазерной чист.
4. Превратите ваш лазерный блок, чтобы увидеть, если объектив чист.

Тем не менее грязным? Попробуйте использовать раствор для очистки объектива.
Применяют по 1 капле только часть ткани, которая будет очистка линз, следовать той же процедуре, что и выше. Вы хотите, чтобы закончить с помощью сухой части ткань для протирки объектива сухой, это должно занять один проход стороны в сторону или нежно вращаться.

Схема высокостабильного СС2 - лазера, построенного по многоходовой схеме.  

Начиная с момента создания твердотельных лазеров и по настоящее время происходит непрерывное наращивание мощности их излучения. Однако, если в первые годы темпы роста были для всех основных типов твердотельных лазеров примерно одинаковы, то в последнее время произошло заметное снижение темпов роста мощности излучения лазеров на рубине и гранате по сравнению с лазерами на стекле с неодимом.  

Излучение лазера обусловлено индуцированным испусканием, в результате которого излучение фотонов частично синхронизовано. Степень синхронизации и число квантов, испущенных в любой момент времени, характеризуются статистическими параметрами, такими, как среднее число испускаемых фотонов и средняя интенсивность испускания. Поэтому спектр мощности излучения лазера оказывается более или менее узким и его автокорреляционная функция ведет себя подобно автокорреляционной функции генератора синусоидальных колебаний, выходной сигнал которого нестабилен по фазе и по амплитуде.  

Это объясняется главным образом тем, что газовые лазеры с приемлемыми параметрами выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью и практически могут использоваться телеграфистами. Однако у этих лазеров имеется ограниченное количество дискретных длин волн излучения, пригодных для съемки монохромных и цветных голографических изображений. Выбор длины волны определяется не только мощностью излучения лазера на этой длине волны, но также возможностью максимального согласования длин волн записи и воспроизведения с точки зрения создания оптимального изображения для субъективного восприятия зрителем.  

На рис. 147, б показаны варианты размещения датчиков при реализации данного способа измерения. При использовании для измерения одного датчика его целесообразно поместить в место дифракционной картины, соответствующее точке А. Однако в случае использования одного датчика сильное влияние на результат измерения оказывают нестабильность мощности излучения лазера и неравномерность распределения интенсивности в поперечном сечении пучка, проявляющаяся при поперечном смещении измеряемого изделия.  

Их свойства рассмотрены выше. Число типов, выпускаемых серийно, составляет многие десятки. Диапазон длин волн их излучения охватывает УФ, ВИ и ИК диапазоны области спектра. Мощность излучения лазеров колеблется от 0 1 мВт до 10 Вт.  

 

В микрофлуоресценции применяется лазерное возбуждение, которое, естественно, имеет преимущества перед возбуждением обычными источниками света. Высокая когерентность и направленность излучения лазеров позволяет достигать чрезвычайно высоких плотностей мощности излучения. В табл. 8.2 приведено сравнение плотностей мощности, достигаемых различными источниками. Освещение лазером является наиболее интенсивным, и благодаря высокой плотности мощности излучения лазеров микрофлуоресцентный анализ получает ряд преимуществ.  

Однако большинство из них изучено в растворах, и только несколько детальных исследований с поляризационными измерениями выполнено на монокристаллах. Ситуация полностью изменилась с появлением лазера непрерывного действия, сколлимированное, поляризованное и практически монохроматическое излучение которого является идеальным для спектроскопии КР монокристаллов даже небольшого размера. Сразу после открытия эффекта КР стало ясно значение измерений анизотропии комбинационного рассеяния кристаллов для отнесения колебаний. Однако такие исследования смогли стать рутинными лишь после того, как в качестве источника излучения был использован лазер. Коллимация пучка более важна, чем мощность излучения лазера, а последняя часто меньше мощности хороших ламп типа Торонто, применение которых стимулировало развитие спектроскопии КР в течение 50 - х и начале 60 - х годов.  

Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации, чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.  

Такая возможность реализуется на практике путем модуляции добротности лазера. Осуществляется это следующим образом. Представьте себе, что одно из зеркал полости лазера удалено. С помощью подсветки осуществляется накачка лазера, и заселенность верхнего уровня достигает своего максимального значения, однако стимулированного излучения пока еще нет. Пока заселенность все еще остается инвертированной, удаленное ранее зеркало быстро вдвигается на место. При этом возникает вынужденное излучение, происходит быстрое уменьшение заселенности верхнего уровня и возникает гигантский импульс продолжительностью всего 10 - 8 с. При излучаемой в импульсе энергии 25 Дж мощность излучения лазера составляет 2 5 - 109 Вт - весьма внушительная величина, приблизительно равная мощности крупной электростанции. Правда, электростанция работает на этом уровне мощности круглый год, а не 10 - - 8 с. В первых моделях лазеров перемещение зеркал производилось механическим способом, но сейчас это делается электрооптическим способом с помощью ячейки Керра или Поккельса.  

Длительность действия лазерного излучения

Длительность определяется конструкцией лазера. Можно выделить следующие типичные режимы распределения излучения во времени:

Непрерывный режим;

Импульсный режим, длительность импульса определяется при этом длительностью вспышки лампы накачки, типичная длительность Дфл~10-3с;

Режим модуляции добротности резонатора (длительность импульса излучения определяется превышением накачки над порогом генерации и скоростью и скоростью включения добротности, типичная длительность лежит в интервале 10-9 - 10-8 с, это так называемый наносекундный диапазон длительностей излучения);

Режим синхронизации и продольных мод в резонаторе (длительность импульса излучения Дфл~10-11с - пикосекундный диапазон длительностей излучения);

Различные режимы принудительного укорочения импульсов излучения (Дфл ~10-12с).

Плотность мощности излучения

Лазерное излучение может быть сконцентрировано в узконаправленном луче с большой плотностью мощности.

Плотность Ps мощности излучения определяется отношением мощности излучения, проходящего через сечение лазерного пучка, к площади сечения и имеет размерность Вт см-2.

Соответственно плотность Ws энергии излучения определяется отношением энергии, проходящей через сечение лазерного пучка, к площади сечении и имеет размерность Дж см-2

Плотность мощности в луче лазера достигает больших величин вследствие сложения энергии огромного множества когерентных излучений отдельных атомов, приходящих в выбранную точку пространства в одинаковой фазе.

Когерентное излучение лазера с помощью оптической системы линз можно сфокусировать на малую, сравнимую с длиной волны площадку на поверхности объекта.

Плотность мощности лазерного излучения на этой площадке достигает огромной величины. В центре площадки плотность мощности:

где Р - выходная мощность лазерного излучения;

D - диаметр объектива оптической системы;

л - длина волны;

f - фокусное расстояние оптической системы.

Излучение лазера с огромной плотностью мощности, воздействуя на различные материалы, разрушает и даже испаряет их в области падающего сфокусированного излучения. Одновременно в области падения лазерного излучения на поверхность материала на нем создается световое давление в сотни тысяч мегапаскалей.

В итоге отметим, что фокусируя излучение ОКГ до пятна, диаметр которого приблизительно равен длине волны излучения, можно получить световое давление в 106МПа, а так же огромные плотности мощности излучения, достигающие величин 1014-1016Вт.см-2, при этом возникают температуры до нескольких миллионов кельвин.

Блок схема оптического квантового резонатора

Лазер состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации.

Рисунок 3 - Блок-схема лазера

1) Активная среда.

Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.

2) Резонатор.

Оптический резонатор представляет собой систему специально согласованных двух зеркал, подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе за счет спонтанных переходов слабое вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через активную среду, помещенную между зеркалами. Вследствие многократных отражений излучения между зеркалами происходит как бы удлинение активной среды в направлении оси резонатора, что определяет высокую направленность лазерного излучения. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является для качества полученной лазерной системы. Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Резонатор -- основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела.

Жидкость, например в лазерах на красителях состоит из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюминиевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

3) Устройство накачки.

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) -- сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры -- энергию химических реакций.

Основными свойствами лазерного излучения являются: монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность, высокая мощность и яркость.

Монохроматичность и поляризация .

Монохроматичность характеризует степень концентрации излучения по спектру. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума или спектральный диапазон , занимаемый группой линии.

Более объективной характеристикой является относительная ширина спектра
, где,- угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

Ширина спектральной моды, выделяемой резонатором, определяется его добротностью
. В свою очередь величинаопределяется потерями в резонаторе.

Теоретический предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется двумя факторами: 1) шумами, обусловленными тепловым излучением в резонаторе; 2) шумами, связанными со спонтанным излучением активного вещества. В оптическом диапазоне шумы за счет спонтанного излучения преобладаю над тепловыми шумами. Если учитывать только шумы, вызванные спонтанными переходами, то окажется, что спектральная линия выходного лазерного излучения имеет лоренцову формулу (см. п.1.7) с полушириной
, гдеР – выходная мощность лазерного излучения.

Для лазера с выходной мощностью Р = 1 мВт, излучающего в красной области спектра (λ 0 = 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора 10 8 , получаем
≈ 5∙10 -16 . Так как
, приL =1м допустимое отклонение длины резонатора составляет
= 5∙10 -7 нм. Очевидно, стабилизировать длину резонатора в таких пределах весьма проблематично. В реальных условиях монохроматическое лазерное излучение определяется изменениями длины резонатора, вызванными тепловыми эффектами, вибрациями и т.д.

Рассмотрим вопрос о поляризации лазерного излучения. Свет, у которого существует упорядоченность ориентации векторов напряженностей E и H , называется поляризованным . Лазер, вообще говоря, может генерировать неполяризованный свет, но это вредит стабильной работы лазера. Для обеспечения работы лазера на одной поляризации и получить на выходе плоскополяризованный свет, достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Плоскополяризованным называется свет, у которого направления колебаний векторов E и H в любой точке пространства остаются неизменными во времени . В твердотельных лазерах для этого используется анизотропия оптических свойств активного вещества. Например, излучение рубинового лазера, как правило, поляризовано вследствие его двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора.

Когерентность характеризует согласованное протекание во времени и в пространстве двух или нескольких колебательных волновых процессов, появляющееся при их сложении.

В простейшем виде в оптике когерентность связана с постоянством разности фаз двух различных излучений или двух частей одного излучения . Интерференция двух излучений при их сложении может наблюдаться только, если они взаимно когерентны .

Для электромагнитной волны можно определить два независимых понятия - пространство и время когерентности.

Под пространственной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из двух различных точек источника в одинаковые моменты времени.

Под временной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из одной и той же точки.

Пространственная и временная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность.

Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

Степень взаимной когерентности двух излучателей можно экспериментально определить по контрасту интерференционной картины

, (1)

и
- интенсивности в максимуме и минимуме нтерференционных полос.

Измерив интенсивности
и
вблизи выбранных точек экрана, можно определить функцию, характеризующую степень взаимной когерентности первого порядка.

. (2)

Для наблюдения только пространственной когерентности в точках х 1 и х 2
, т.е. производить измерения вблизи точки 0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только временной когерентности отверстиях 1 и х 2 должны быть расположены сколь угодно близко (совпадать), но для двух интерферирующих волн должна быть обеспечена задержка во времени на , например, путем разделения волны от отверстиях 1 на две части с помощью дополнительного полупрозрачного зеркала, как это делается в интерферометре Майкельсона.

Рис. 2.10. Измерение степени когерентности электромагнитной волны с помощью интерферометра Юнга.

Время когерентности равно 1/∆ ω , где ∆ ω – ширина линии в Гц. Время когерентности, помноженное на скорость света, представляет собой длину когерентности. Последняя характеризует глубину резкости в голографии и предельные дистанции, на которых возможны интерферометрические измерения.

Когерентность излучения имеет значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Если расположить источники оптического излучения в порядке уменьшения степени когерентности генерации ими излучения, то будем иметь: газовые лазеры – жидкостные - твердотельные лазеры на диэлектриках- полупроводниковые лазеры- газоразрядные лампы – светодиоды - лампы накаливания.

Направленность и яркость.

Направленностью излучения называют локализацию излучения вблизи одного направления, которое является осью распространения излучения. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Для лазерного излучения коэффициент направленности может достигать 2000. Расходимость лазерного излучения ограничивается явлениями дифракции.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора .

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу с очень большим радиусом. Таким образом, лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень малой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией лучей на выходном отверстии. Угловая расходимость изл , определяемая дифракцией, оценивается выражением
, гдеd – диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части.

Когерентное излучение лазера можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. Теоретическим пределом минимального размера лазерного пучка является длина волны. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001-0,01 см. В настоящее время с помощью лазеров достигнуты мощности излучения 10 11 Вт/см 2 (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10 3 Вт/см 2).

Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Яркость источника электромагнитной волны есть мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности.

Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости. Она служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент
, зависящий от длины волны.

Этот коэффициент является световым эквивалентом потока излучения и называется спектральной световой эффективностью монохроматического излучения или видностью. Для нормального дневного зрения максимум функции видности приходится на длину волны = 555 нм (зеркальный свет). При=380 и 780 нм видность уменьшается почти до нуля.

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 .