Главная | Случайная
Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Гелий-неоновый лазер [2].




СОДЕРЖАНИЕ

  № стр.
Введение. Постановка задачи
Гелий-неоновый лазер
СО2 лазер
Эксимерные лазеры
YAG: Cr, Tm, Ho лазер
Заключение
Список использованных информационных источников

 


Введение [1].

Как получить когерентное излучение, стало в общих чертах понятно в 1918 г. когда Альберт Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения. Если создать среду, в которой атомы находятся в возбуждённом состоянии, и «запустить в неё слабый поток когерентных фотонов, то его интенсивность станет расти. Оставалась «самая малость»: придумать, как такую среду «сделать». На это ушло более 30 лет.

В начале 50-х гг. российские исследователи Н.Г. Басов (родился в 1922 г.), А.М. Прохоров (родился в 1916 г.) и независимо от них американский физик Чарльз Хард Таунс (родился в 1915 г.) создали усилитель радиоволн высокой частоты на молекулах аммиака.

В 1960 г. американский физик Теодор Гарольд Мейман сконструировал первый квантовый генератор оптического диапазона лазер. Усиление света происходило в кристалле рубина прозрачной разновидности окиси алюминия с небольшой примесью хрома (на этот материал указали третья годами раньше Н.Г Басов и А.М. Прохоров). В лазере использовался охлаждаемый жидким азотом рубиновый стержень длиной около 4 см и диаметром 5 мм. Посеребренные торцы стержня служили зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Энергию в кристалл накачивала мощная импульсная лампа. Поток фотонов высокой энергии переводил атомы хрома в возбужденное состояние. На одном из высокоэнергетических уровней атомы задерживаются в среднем на 0.003 с время по атомным масштабам огромное. За этот период часть атомов успевает самопроизвольно излучить фотоны Их поток, многократно пробегая между зеркалами, заставляет все возбужденные атомы излучать кванты света. В результате рождается световая вспышка - лазерный импульс мощностью в десятки тысяч ватт. Сегодня лазерные стержни изготовляют из различных материалов, но чаще всего из рубина, граната и стекла с примесью редкого металла - неодима. Некоторые твердотельные лазеры (например, на гранате) генерируют сотни и тысячи импульсов в секунду.

В том же 1960 г. американские физики А. Джэван, В. Бепнет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Этот лазер излучал красный свет уже не импульсами, а непрерывно. Смесь газов оказалась настолько хорошо подобранной, что гелиево-неоновые лазеры до сих пор остаются самыми распространёнными источниками когерентного света, хотя излучения удалось добиться и от множества других газов и паров. Энергию в газовую смесь накачивает тлеющий электрический разряд. Цвет луча зависит от состава газа или пара, на котором лазер работает. Аргон, например, даёт синий свет, криптон — жёлтый, ксенон и пары меди зелёный, углекислый газ и пары воды невидимые тестовые (инфракрасные) лучи.

Лазерная техника нашла широкое применение во многих отраслях жизнедеятельности, в том числе и в медицинской. Целью данной работы является поиск первичной информации о нескольких типах лазеров, активно применяемых в современной медицине.

 


 

Гелий-неоновый лазер [2].

Гелий-неоновый лазер относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Мощность лазерных систем такого рода, предназначенных, в основном, для коммерческих целей, находится в диапазоне от 1 мВт до нескольких десятков мВт. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.

 

Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Хэрриот из Bell Labs в декабре 1960 года.

 

Важнейшие для функции He-Ne лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема энергетических уровней гелий – неонового лазера.

 

Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633 нм, 1153 нм и 3391 нм. Обозначения переходов интенсивных линий He-Ne лазера показаны на таблице 1.

 

Таблица 1. Обозначения переходов интенсивных линий He-Ne лазера.

Схема связи LS Обозначение по Пашену Длины волн
5s1P1 ® 4p3P2 3s2 ® 3p4 3.391 мкм (ИК‑ диапазон)
4s1P1 ® 3p3P2 2s2 ® 2p4 1.153 мкм (ИК‑ диапазон)
5s1P1 ® 3p3P2 2s2 ® 2p4 0.633 мкм (красный диапазон)

 

Электронная конфигурация неона в основном состоянии выглядит так: 1s22s22p6 , причем первая оболочка (n=1) и вторая оболочка (n=2) заполнены соответственно двумя и восемью электронами. Более высокие состояния по рис. 1 возникают в результате того, что здесь имеется 1s22s22p5 - оболочка, и светящийся (оптический) электрон возбуждается согласно схеме: 3s, 4s, 5s,..., Зр, 4р,... и т.д. Речь идет, следовательно, об одноэлектронном состоянии, осуществляющим связь с оболочкой. В схеме LS (Рассела - Саундерса) для энергетических уровней неона указано одноэлектронное состояние (например, 5s), а также результирующий полный орбитальный момент L (= S, Р, Д...). В обозначениях S, Р, D,... нижний индекс показывает полный орбитальный момент J, а верхний - мультиплетность 2S + 1, например, 5s1P1. При этом счет подуровней возбужденных электронных состояний ведется от 2 до 5 (для s-состояний) и от 1 до 10 (для p-состояний).

Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р по Пашену) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (23S1, 21S0). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода:

Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ,

где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: ∆E=0.05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния неблагоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня.

Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) равен примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) равен 10 нc.

Мы более детально рассмотрим важнейшие лазерные переходы, используя рис. 1 и данные из таблицы 1. Самая известная линия в красной области спектра (0.63 мкм) возникает вследствие перехода 3s2 → 2р4. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт. Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра, как видно из таблицы 2.

При всех видимых линиях He-Ne-лазера квантовая эффективность составляет порядка 10 %, что не так уж много. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ.

Излучение в инфракрасном диапазоне около 1.157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1.512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения.

 


 

Таблица 2. Длины волн λ, выходные мощности и ширина линий ∆f He-Ne- лазера (обозначения переходов по Пашену).

Цвет λ, нм Переход (по Пашену) Мощность, мВт f, мГц Усиление %/м
ИК 3s2 ® 3p4 > 10
ИК 2s2 ® 2p1 -
ИК 2s2 ® 2p4 -
Красный 3s2 ® 2p2 - - -
Красный 3s2 ® 2p3 - - -
Красный 3s2 ® 2p4 >10
Красный 3s2 ® 2p5 - - -
Оранжевый 3s2 ® 2p6 1.7
Оранжевый 3s2 ® 2p7 - - -
Жёлтый 3s2 ® 2p8 - 0.5
Жёлтый 3s2 ® 2p10 - 0.5

 

Характерной особенностью линии в ИК диапазоне при 3.391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 м. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0.63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g~ƒ2.

Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3.39 мкм, а не в красной области при 0.63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3.39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия [3]. На рис. 2 показано устройство гелий-неонового лазера.

 

Рис. 2. Устройство гелий – неонового лазера.

 

Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде (рис. 2), который может использоваться с напряжением около 12 кВ при токах от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10 см или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается, так как для опустошения ls-уровня требуются столкновения со стенкой трубки. Для оптимальной выходной мощности используется полное давление (р) заполнения: р·D = 500 Па·мм, где D есть диаметр трубки. Соотношение в смеси He/Ne зависит от желаемой линии лазерного излучения. Для известной красной линии имеем Не:Ne=5:1, а для инфракрасной линии около 1.15 мкм - He:Ne=10:l. Важным аспектом представляется также оптимизация плотности тока. Коэффициент полезного действия для линии 633 нм составляет около 0.1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера составляет порядка 20 тыс. рабочих часов.

Усиление при таких условиях находится на уровне g=0.1 м-1, так что необходимо использовать зеркала с высокой отражательной способностью. Для выхода лазерного пучка только с одной стороны там устанавливают частично пропускающее (полупрозрачное) зеркало (например, с R=98 %), а на другой стороне - зеркало с максимально высокой отражательной способностью (~100 %). Усиление для других видимых переходов значительно меньше (см. таблицу 2). Для коммерческих целей эти линии удалось получить только в последние годы с помощью зеркал, отличающихся чрезвычайно малыми потерями.

Ранее у гелий-неонового лазера выходные окна газоразрядной трубки фиксировались эпоксидной смолой, а зеркала монтировались снаружи. Это приводило к тому, что гелий диффундировал через клей, и в лазер попадал водяной пар. Сегодня эти окна крепятся методом прямого спая металла со стеклом, что дает снижение утечки гелия примерно до 1 Па в год. В случае небольших лазеров массового производства зеркальное покрытие наносится непосредственно на выходные окна, что значительно упрощает всю конструкцию.

Первые исследования биологической активности излучения низкоэнергетических лазеров в красном диапазоне датированные 1964 годом были проведены в Казанском университете под руководством проф. В.М. Инюшина. Вскоре появились первые сообщения успешного практического применения излучения гелий-неонового лазера (ИГНЛ) для лечения заболеваний слизистой рта (Корытный Д.Л., 1980 год), болезней позвоночника и суставов (Мазо Л.А., Броэр Б. А., 1976 год) и заболеваний нервной системы у детей (Шакирова Т.М, Жуковская В.В., 1969 год). Установлено, что наибольший биологический эффект оказывает лазерное излучение красной области видимого спектра, а наиболее подходящими источниками света для стимуляции биологических процессов являются гелий-неоновые лазеры.

В настоящее время для лечения ортопедо-травматологических больных в подавляющем большинстве случаев применяют низкоэнергетическое лазерное излучение в красном и ближнем инфракрасном диапазоне света: излучение гелий-неоновых лазеров (длина волны 0.6238 мкм) и полупроводниковых (длина волны 0.813 мкм).

Методики лазеротерапии разделяются на методики наружного облучения, методику внутривенного облучения крови, методику внутрикостного облучения, методику внутрисуставного облучения и методики сочетанной лазеротерапии.

Наружное облучение проводится с применением лазерного света в красном или инфракрасном диапазоне в зависимости от течения заболевания. Перед сеансом лазеротерапии предполагаемые зоны облучения обезжиривают 70% раствором этилового спирта, проводят туалет раневой поверхности.

Независимо от области облучения и заболевания число сеансов лазеротерапии составляет 10 - 15, которые проводятся по возможности ежедневно.

Методика наружной лазеротерапии зависит от характера заболевания и определяется топографией облучаемых зон, плотностью потока мощности воздействия, экспозиционной дозой в минутах с учетом особенностей отдельных патологических процессов.


СО2 лазер [4].

Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия. Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО2, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО2 лазер).

 

Газоразрядные СО2 лазеры впервые были созданы в 1969-1970 гг. Существенный прогресс был достигнут при переходе к несамостоятельным разрядам, поддерживаемым внешним источником ионизации. В этом случае энерговклад (энергия возбуждения, вводимая в разряд) осуществляется при оптимальных значениях напряжённости электрического поля, на величину которого не налагается ограничение, связанное с необходимостью создания проводимости в рабочем газе лазера. Первый эксперимент был выполнен в 1968 г., когда несамостоятельный разряд в плазме СО2 лазера поддерживался пучком протонов. Вскоре после этого было показано, что при ионизации пучком ускоренных электронов возможно создание объёмного «тлеющего» разряда при больших энерговкладах в азоте при давлении до 15 атм.

В газоразрядных CO2 лазерах инверсия населённостей достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N2, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO2 в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO2. Эффективное возбуждение СО2 лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами. Схема энергетических уровней лазера показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема энергетических уровней CO2 лазера.

 

Тонкая структура колебательных уровней молекулы CO2 позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50 ГГц в интервале длин волн от 9.4 до 10.6 мкм.

СО2 лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO2 электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО2 лазер излучает мощность 9 кВт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 кВт. Кроме высокой выходной мощности, СО2 лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение КПД 40%). СО2 лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO2 лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с l=10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

В электрическом разряде СО2 лазеров имеют место нежелательные эффекты, разрушающие инверсию населённостей, — разогрев газа и диссоциация его молекул. Для их устранения газовая смесь непрерывно «прогоняется» через разрядные трубы лазеров. Так происходит обновление активной среды. Для получения больших мощностей (несколько кВт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Для того чтобы избежать потерь дорогостоящего Не, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру. Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор. В лучших приборах практически все молекулы CO2, влетающие в резонатор, уже возбуждены и за время пролёта через резонатор отдают энергию возбуждения в виде кванта излучения.

Лазер на углекислом газе - это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время.

Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0.1 мм) делает СО2 лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии, оториноларингологии, общей хирургии, дерматологии, кожно-пластической и косметической хирургии.

Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2 лазер не опасным для глаз, т.к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик. Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые очки.

Недостаток длины волны 10 мкм состоит в том, что очень трудно изготовить подходящее оптическое волокно с хорошим пропусканием. И до сих пор наилучшим решением является зеркальный шарнирный манипулятор, хотя это достаточно дорогое устройство, сложное в юстировке и чувствительное к ударам и вибрации.

Другим недостатком CO2 лазера - это его непрерывный режим работы. В хирургии для эффективного резания необходимо быстро испарять биоткань без нагрева окружающих тканей, для чего нужна высокая пиковая мощность, т.е. импульсный режим. Сегодня в CO2 лазерах для этих целей применяют так называемый "суперимпульсный" режим (superpulse), при котором лазерное излучение имеет вид пачки коротких, но в 2 – 3 раза более мощных импульсов, по сравнению со средней мощностью непрерывного лазера.




Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2019 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных