Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Справочник arrow Защита от физических факторов волновой природы. Том 1.
Посмотреть оригинал

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Лазеры или оптические квантовые генераторы - это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 -10 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т.д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

В лазерах используется новый метод усиления и генерации электромагнитных колебаний при помощи вынужденного излучения квантовых систем. Само слово лазер (laser) является аббревиатурой английской фразы: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света с помощью вынужденного излучения». В создании лазеров определяющую роль сыграли работы русских ученых под руководством И. Г. Басова и А. М. Прохорова и американских под руководством Ч. Таунса. Признанием этого факта является присуждение Нобелевской премии по физике за 1964 год этим ученым за основополагающие работы в области квантовой физики.

С момента создания лазеров в технике и науке наметился процесс внедрения их в новые методы исследований и применения в хозяйственно-экономической и социальной практике, в том числе в медицине.

Классификация лазеров.

С практической точки зрения, особенно для использования в медицине, лазеры классифицируют по типу активного материала, по способу питания, длине волны и мощности генерируемого излучения.

Активной средой может быть газ, жидкость или твердое тело. Формы активной среды также могут быть различными. Чаще всего для газовых лазеров используются стеклянные или металлические цилиндры, заполненные одним или несколькими газами. Примерно так же обстоит дело и с жидкими активными средами, хотя часто встречаются прямоугольные кюветы из стекла или кварца. Жидкостные лазеры - это лазеры, в которых активной средой являются растворы определенных соединений органических красителей в жидком растворителе (воде, этиловом или метиловом спиртах и т.п.).

В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их смеси или пары металлов. Эти лазеры разделяются на газоразрядные, газодинамические и химические. В газоразрядных лазерах возбуждение осуществляется электрическим разрядом в газе, в газодинамических - используется быстрое охлаждение при расширении предварительно нагретой газовой смеси, а в химических — активная среда возбуждается за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Спектральный диапазон газовых лазеров значительно шире, чем у всех остальных типов лазеров. Он перекрывает область от 150 нм до 600 мкм. Эти лазеры имеют высокую стабильность параметров излучения по сравнению с другими типами лазеров.

Лазеры на твердых телах имеют активную среду в форме цилиндрического или прямоугольного стержня. Таким стержнем чаще всего является специальный синтетический кристалл, например рубин, александрит, гранат или стекло с примесями соответствующего элемента, например эрбия, гольмия, неодима. Первый действующий лазер работал на кристалле рубина.

Разновидностью активного материала в виде твердого тела являются также полупроводники. В последнее время благодаря своей малогабаритности и экономичности полупроводниковая промышленность очень бурно развивается. Поэтому полупроводниковые лазеры выделяют в отдельную группу.

Итак, соответственно типу активного материала выделяют следующие типы лазеров: газовые; жидкостные; на твердом теле (твердотельные); полупроводниковые.

Тип активного материала определяет длину волны генерируемого излучения. Различные химические элементы в разных матрицах позволяют выделить сегодня более 6000 разновидностей лазеров. Они генерируют излучение от области так называемого вакуумного ультрафиолета (157 нм), включая видимую область (385- 760 нм), до дальнего инфракрасного (> 300 мкм) диапазона. Все чаще понятие «лазер», вначале данное для видимой области спектра, переносится также на другие области спектра (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Тип лазера

Агрегатное состояние активного вещества

Длина волны,нм

Диапазон

излучения

СО

Газ

10600

Инфракрасный

YAG:Er YSGG:Er YAG:Ho YAG:Nd

Твердое тело

2940 2790 2140 1064/1320

Инфракрасный

Полупроводниковый, например арсенид галлия

Твердое тело (полупроводник)

635-1500 904

От видимого до инфракрасного

Рубиновый

Твердое тело

694

Видимый

Гелий-неоновый (HeNe)

Газ

540 632,8 1150

Зеленый, ярко-

красный,

инфракрасный

На красителях

Жидкость

  • 350-950
  • (перестраиваемая)

Ультрафиолет - инфракрасный

На парах золота

Газ

628,3

Красный

На парах меди

Газ

511/578

Зеленый/желтый

Аргоновый

Газ

488 515

Г олубой, зеленый

Эксимерный: ArF KrF XeCI XeF

Газ

193 249 308 351

Ультрафиолет

Например, для оолее коротковолнового излучения, чем инфракрасное, используется понятие «рентгеновские лазеры», а для более длинноволнового, чем ультрафиолетовое, - понятие «лазеры, генерирующие миллиметровые волны»

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубе. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам.

Например, С02 - газовый лазер излучает длину волны 10,6 мкм

в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера - 488 и 514 нм.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является неодим (Кё)-лазер. Термин АИГ является сокращением для кристалла - алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 мкм. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон. В качестве лазерных сред могут использоваться различные кристаллы с разными концентрациями ионов-активаторов: эрбия (ЕгЗ+), гольмия (НоЗ+), тулия (ТтЗ+).

Выберем из этой классификации лазеры, наиболее пригодные и безопасные для медицинского использования. К более известным газовым лазерам, используемым в стоматологии, относятся С02-лазеры, He-Ne-лазеры (гелий-неоновые лазеры). Представляют интерес также газовые эксимерные и аргоновые лазеры. Из твердотельных лазеров наиболее популярным в медицине является лазер на YAG:Er, имеющий в кристалле эрбиевые активные центры. Все чаще обращаются к лазеру на YAG:Ho (с гольмиевыми центрами). Для диагностического и терапевтического применения используется большая группа как газовых, так и полупроводниковых лазеров. В настоящее время в производстве лазеров в качестве активной среды используется свыше 200 видов полупроводниковых материалов (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Фирма, страна/модель

Средняя мощность, Вт

Радиус

операционного поля, м

Минимальный размер пятна на ткани, мкм

Потребляемая мощность, Вт

Coherent. США/ Ultrapulse 5000с

0,05-100

1,8

300

3500

Sharplan. Израиль/40С

1-40

1,2

160

960

DEKA.

Итапия/Smartoffice

И-20

1,2

300

1000

Mattioli. Итэлия/Eagle 20

1-20

1,3

200

750

Lasering. Италия/Slim

0,2-20

L3

200

600

КБП. Россия/Ланцет-2

0,1-20

1,2

200

600

NIIC. Япония/NIIC 15

1-15

0,4

100

480

Лазеры можно классифицировать по виду питания и режиму работы. Здесь выделяются устройства непрерывного или импульсного действия. Лазер непрерывного действия генерирует излучение, выходная мощность которого измеряется в ваттах или милливаттах.

При этом степень энергетического воздействия на биоткань характеризуется:

  • - Плотностью мощности - отношение мощности излучения к площади сечения лазерного пучка р = P/s.
  • - Единицы измерения в медицине - [Вт/см2 ], [мВт/см2 ].
  • - Дозой излучения П, равной отношению произведения мощности излучения [Р и времени облучения к площади сечения лазерного пучка. Выражается в [Вт*с/см ];
  • - Энергией [Е= Pt] - произведение мощности на время. Единицы измерения - [Дж], т. е. [Вт с].

С точки зрения мощности излучения (непрерывной или средней) медицинские лазеры делятся на:

  • - лазеры малой мощности: от 1 до 5 мВт;
  • - лазеры средней мощности: от 6 до 500 мВт;
  • -лазеры большой мощности (высокоинтенсивные): более 500 мВт. Лазеры малой и средней мощности причисляют к группе так называемых биостимулирующих лазеров (низкоинтенсивных). Биостимулирующие лазеры находят все более широкое терапевтическое и диагностическое использование в экспериментальной и клинической медицине.

С точки зрения режима работы лазеры делятся на:

  • - режим излучения непрерывный (волновые газовые лазеры);
  • - режим излучения смешанный (твердотельные и полупроводниковые лазеры);
  • - режим с модуляцией добротности (возможен для всех типов лазеров).

Из многих уникальных свойств излучения лазера для использования в медицине наибольшее значение имеют следующие:

  • - монохроматичность;
  • - большая интенсивность, отнесенная к единице длины волны;
  • - когерентность;
  • - поляризация;
  • - направленность пучка.

Монохроматичность - в простейшем понимании это означает генерацию лазерного излучения с одной длиной волны. Вся мощность излучения для типичного источника света расположена в широкой области спектра. При воздействии такого «многофакторного» света на биологическую ткань большая его часть интенсивно нагревает ткань, вызывая ряд нежелательных тепловых эффектов, в том числе испарение ткани. Воздействие монохроматического излучения лазерного источника «монофакторно» и в зависимости от параметров излучения (Е, Р, t) может выборочно проникать в небольшую точно определенную локальную область ткани как с нагревом, так и без ее нагрева. Очень большие плотности энергии лазерного излучения, сфокусированного оптическими системами, могут стать и являются эффективными, точными лазерными скальпелями. Низкоинтенсивное лазерное излучение применяют для диагностики и в качестве физиотерапевтического лечебного воздействия.

Применительно к волновым и колебательным процессам когерентность означает «согласованность», «корреляция». Так, когерентность лазерного излучения означает постоянную разность фаз между волнами, как во времени, так и в пространстве. Когерентность излучения лазеров определяет постоянство фазы и частоты (длины волны) на протяжении работы лазера, т. е. это свойство, обусловливающее исключительную способность к концентрации световой энергии по разным параметрам: в спектре - очень узкая спектральная линия излучения; во времени - возможность получения сверхкоротких импульсов света; в пространстве и по направлению - возможность получения направленного пучка с минимальной расходимостью и фокусированием всего излучения в малой области с размерами порядка длины волны. Все эти параметры позволяют осуществлять локальные воздействия, вплоть до клеточного уровня, а также эффективно передавать излучение по волоконным световодам для дистанционного воздействия.

Поляризация — проявление поперечности электромагнитной волны, т. е. сохранение постоянного ортогонального положения взаимно перпендикулярных векторов напряженности электрического и магнитного полей по отношению к скорости распространения волнового фронта.

Высокая направленность пучка лазерного излучения (пространственная когерентность) определяет возможность распространения излучения с малой расходимостью на значительных расстояниях, обеспечивает фокусирование светового лазерного пучка на объект до размеров, соизмеримых с длиной волны лазерного излучения. Часто говорят, что лазерное излучение характеризуется малой угловой расходимостью. Обычно расходимость лазерного пучка составляет величину порядка миллирадиана (1 мрад). При этом радиан — это единица измерения угла, который обозначает соотношение длины дуги отрезка к его радиусу.

Высокая интенсивность лазерного излучения при малой расходимости пучка позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную световую энергию, вызывающую различные процессы в биологической среде, в том числе локальный разогрев, быстрое испарение и т.п.

Итак, лазерное излучение характеризуется следующими свойствами:

- пространственная когерентность;

временная когерентность и высокая степень монохроматичности;

  • - параллельность пучка;
  • - высокая мощность.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы