Лазер

Лазер (аббревиатура из начальных букв английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, переводимой как «усиление света с помощью стимулированного излучения»; синоптический квантовый генератор) — техническое устройство (генератор), в котором явление вынужденного излучения используется для генерации электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра. Лазеры — своеобразные источники оптического излучения, называемого также лазерным излучением. Создание лазеров дало возможность получить строго направленное когерентное излучение в оптическом диапазоне спектра, обладающее свойствами монохроматичности и поляризованности, способное к колоссальной концентрации энергии во времени и пространстве.
Мысль о возможности получения эффекта индуцированного излучения впервые была высказана А. Эйнштейном еще в 1917 г. Необходимые условия для практического осуществления индуцированного излучения сформулировал в 1940 г. отечественный ученый В.А. Фабрикант. В 1952 г. Н.Г. Басов и A.M. Прохоров (СССР) и независимо от них Ч. Таунс (Ch. Townes, США) предложили основанный на использовании индуцированного (вынужденного) излучения принцип, позволяющий создать квантовые генераторы лазеры. За эти выдающиеся работы в области квантовой электроники Басову и Прохорову в 1959 г. была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они и Таунс были удостоены Нобелевской премии.
В основе принципа действия лазера лежат два процесса: вынужденное излучение и обратная связь. Вынужденное излучение это испускание электромагнитного излучения возбужденной квантовой системой под действием внешнего излучения, являющегося вынуждающим в том случае, если частота, поляризация, фаза и направление излучаемых веществом лазера фотонов точно соответствует этим же параметрам фотонов внешнего излучения. Для возникновения вынужденного излучения необходимо создать ряд условий (см. Лазерное излучение). Направляя часть усиленного излучения обратно в систему, т.е. установив обратную связь, можно еще более усилить первоначальное излучение, сохранив все его характеристики.
Условия генерации лазерного излучения определяют устройство лазеров. Они состоят из следующих основных частей: активного вещества (рабочее тело), атомы которого способны переходить в особое возбужденное состояние и быть источником индуцированного излучения; источника возбуждения, который, сообщая активному веществу дополнительную энергию, переводит его атом в возбужденное состояние; резонансного устройства, простейшая модель которого состоит из двух зеркал, возвращающих часть энергии на вход системы и тем самым способствующих многократному усилению излучения; блока питания.
Работу лазера можно рассмотреть на примере рубинового лазера (рис.). В нем рубиновый стержень с примесью хрома помещен между зеркалами, одно из которых является полупрозрачным, а в качестве источника возбуждения используется ксеноновая газоразрядная лампа. Под воздействием света лампы оптической накачки большое число атомов хрома переходит в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние, атомы хрома спонтанно излучают фотоны, которые, сталкиваясь с другими возбужденными атомами хрома, также выбивают из них фотоны. Эти фотоны, встречаясь с другими возбужденными атомами хрома, опять выбивают фотоны, и этот процесс лавинообразно нарастает. Поток фотонов, многократно отражаясь от зеркал резонатора, увеличивается до тех пор, пока плотность энергии излучения не достигает предельного значения, достаточного для преодоления полупрозрачного зеркала, и вырывается наружу в виде монохроматического когерентного лазерного излучения.
Лазеры классифицируются по различным параметрам. Рассмотрим те, которые имеют значение для лазеров медицинского назначения.
1. В соответствии с физическим (агрегатным) состоянием рабоч его вещества лазера различают: газовые лазеры, в которых активной средой служит газ или смесь газов (гелий-неоновые, гелий-кадмиевый, аргоновые, углекислотные и др.); эксимерные лазеры (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.), являющиеся разновидностью газовых лазеров и излучающие в УФ-области спектра; твердотельные лазеры, в которых активной средой является твердое тело с соответствующей активной примесью (рубин, алюмоитриевый гранат и др., легированные различными ионами). Работают как в непрерывном, так и импульсном режиме, излучая в диапазоне от ближней инфракрасной области до красного света; жидкостные лазеры, в которых активной средой служит жидкость с примесью активных ионов (например, неодима). Испускают излучение с длинами волн в диапазоне красного или ближнего инфракрасного спектра. К жидкостным могут быть отнесены лазеры на красителях, в которых активной средой являются красители (производные оксидиазола, бензола, кумариновые, полиметиновые и другие красители). Они позволяют плавно изменять частоту излучения в довольно широких пределах; полупроводниковые лазеры, в которых активным веществом служат монокристаллы (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид-свинцовые и др.). Генерируют лазерное излучение в красном и инфракрасном диапазонах.
2. Лазеры различаются и по способу возбуждения рабочего вещества. Различают следующие основные способы возбуждения: оптическая накачка; накачка за счет электрического разряда; электронное возбуждение; инжекция носителей заряда; тепловая; химическая реакция и др.
3. Длина волны излучения лазера определяется преимущественно материалом рабочего вещества. Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3 нм), то излучение считается монохроматическим. По этому параметру различают лазеры, работающие в УФ-, видимом и инфракрасном диапазоне, а также лазеры с перестраиваемым диапазоном.
4. По характеру работы лазеры могут быть: импульсными — индуцируют излучение в виде отдельных коротких импульсов (рубиновые, неодимовые и др.). Могут иметь большую мощность в импульсе (до 107 Вт и более); непрерывного действия — вводимая энергия непрерывно преобразуется в энергию лазерного излучения (газовые лазеры); с модулированной добротностью — работает как в импульсном, так и непрерывном режимах (полупроводниковые лазеры).
5. Классифицируют лазеры и по средней мощности , однако единства во взглядах на этот параметр пока не достигнуто. Большинство авторов лазеры со средней мощностью менее 100 мВт считают лазерами малой мощности, выше 103 Вт — высокомощными лазерами.
6. По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса: I — лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи; II — лазеры, выходное излучение которых опасно для глаз при облучении их прямым или зеркально отраженным излучением; III — лазеры, выходное излучение которых опасно при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диф фузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и(или) при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением; IV — лазеры, выходное излучение которых опасно при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.
7. Важной характеристикой лазеров считается угловая расходимость луча. Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры (около 30 угл. с); расходимость луча твердотельных лазеров — примерно 30 угл. мин, а в полупроводниковых 10° и более.
8. Различен у лазеров и коэффициент полезного действия . Реальный КПД (отношение мощности излучения лазера к мощности источника накачки) у газовых лазеров составляет 1-20 %, у твердотельных — 1-6 %, у полупроводниковых 10-15 %.
9. Медицинские лазеры в зависимости от выходной мощности, предназначенияиоказываемого эффекта условно подразделяют на терапевтические и хирургические. Терапевтические лазеры являются источником низкоинтенсивного лазерного излучения, оказывающего преимущественно биостимулирующее действие на организм (см. Лазерная терапия). Хирургические лазеры генерируют более мощное лазерное излучение, использующееся для коагуляции и рассечения тканей.
Лазеры сегодня широко используются в биологии и медицине. Условно можно выделить 3 направления использования лазеров: хирургическое, терапевтическое и диагностическое. Первой областью применения лазеров в медицине стала хирургия. Как правило, мощные лазеры используются для остановки кровотечения во время операций, для рассечения тканей, резки и сварки костей, компактостеотомии, разрушения и удаления опухолей, обработки стенок гнойных полостей и др. В офтальмологии лазеры нашли применение в лечении отслойки сетчатки, глаукомы, диабетической ретинопатии, тромбозов ретинальных сосудов, небольших опухолей и др. Особенно широкое распространение получило использование низкоэнергетических лазеров по терапевтическому направлению. Трудно найти область медицины, где бы не пытались использовать их для повышения эффективности лечения самых различных заболеваний, усиления пролонгирования действия лекарственных средств, снижения их побочных эффектов. Для усиления действия лазеров лазерное излучение сочетают с применением фотосенсибилизирующих средств (см. Фотодинамическая терапия).
Активно развивается и использование лазеров в диагностических целях. Различные методы лазерной спектроскопии используются в диагностике профессиональных заболеваний, исследовании различных биологических объектов, в судебной медицине, для контроля за применением медикаментозных средств. Эти методы повысили чувствительность и точность измерений, сократили время выполнения анализов. В сочетании с волоконной оптикой лазерные методы спектроскопии применяют для просвечивания грудной полости, исследования кровеносных сосудов, фотографирования внутренних органов и др. С помощью лазеров производят микроспектральный анализ тканей, изучают микроциркуляцию в кровеносных сосудах, измеряют скорости потоков биологических жидкостей.
Клинико-гигиенические и экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что лазерное излучение относится к числу биологически активных физических факторов, а поэтому работа с лазерами может представлять некоторую опасность для человека. В обычных условиях наибольшую опасность лазерное излучение представляет для сетчатки и роговой оболочки глаза, а также кожного покрова. Это обстоятельство требует соблюдения определенных мер безопасности пациентами и обслуживающим лазеры персоналом.
При работе с лазерами необходимо обеспечить такие условия работы, при которых не превышаются предельно допустимые уровни облучения глаза и кожи (например, для кожи при облучении в течение времени 3 • 104 с в УФ- и видимой областях спектра предельно допустимый уровень изменяется в пределах 2 · 10-3 — 8 · 103 Дж/см2).
1. Лазеры следует устанавливать в отдельных кабинетах или отдельных кабинах светолечебного кабинета. Площадь кабинета определяется из расчета 6 м2 на одну кушетку, но не менее 12 м2 при наличии одной кушетки. Само помещение внутри, оборудование и другие предметы, находящиеся в комнате, не должны иметь зеркально отражающих поверхностей. Стены и потолок помещения желательно красить темной матовой краской, а полы покрыть темным матированным линолеумом. В помещении, где работают с открытым лучом, окна необходимо завешивать шторами из темного светопоглащающего материала. На дверях кабинета устанавливается указатель (знак) лазерной опасности и в него ограничивается доступ лиц, не имеющих отношения к работе с лазерами. Помещение должно быть оборудовано хорошей приточно-вытяжной вентиляцией; в нем должна быть обеспечена освещенность, соответствующая санитарным нормам. В этом помещении не должны находиться огнеопасные жидкости, газы и легковоспламеняющиеся предметы.
2. Лазерная установка должна быть максимально экранирована, а световой луч целесообразно передавать к объекту по световодам. В лазеротерапии воздействия излучением желательно осуществлять по контактной методике.
3. Обслуживающий персонал и пациенты должны пользоваться защитными очками. Очки должны эффективно подавлять излучение на длине волны лазера, однако по возможности не быть слишком темными. Для защиты в инфракрасной области чаще всего применяют очки из сине-зеленого стекла, а для защиты в красной области — из оранжевого стекла. Еще более выраженными защитными свойствами обладают комбинированные очки, состоящие из поглощающих стекол и тонкопленочных диэлектрических отражателей. Для защиты кожи человека вполне достаточна обычная одежда или рабочий халат, лучше темно-синего или темнозеленого цвета. К работе с лазерами допускаются лица, достигшие 18 лет, не имеющие противопоказаний и прошедшие курс обучения и инструктаж по технике безопасности.
4. Работы, связанные с обслуживанием лазерных установок, включены в списки работ с вредными условиями труда. Кроме общих медицинских противопоказаний к допуску на работу с неблагоприятными производственными факторами дополнительными противопоказаниями для работы с лазерами являются: хронические заболевания кожи; понижение остроты зрения ниже 0,6 на один и ниже 0,5 на другой глаз; катаракта; наркомания, токсикомания, в т.ч. хронический алкоголизм; шизофрения и другие эндогенные психозы.
5. Работающие с лазерными установками подлежат предварительным и периодическим (один раз в год) медицинским осмотрам. В осмотре обязательно участие окулиста, терапевта и невропатолога. Помимо врачебного обследования проводят клинический анализ крови с определением гемоглобина, эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов и СОЭ,
6. У всех лазерных аппаратов необходимо проводить контроль выходной мощности излучения: у газовых и жидкостных лазеров не реже 1 раза в неделю, у твердых и полупроводниковых — не реже 1 раза в месяц. Для ее измерения в медицине используют такие измерители, как ИМ-1, ИЛД-2М, ИМЛИС-В4?, серии «Стандарт» и др.