Гелий-неоновый лазер [2].

СОДЕРЖАНИЕ

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.

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, 5 s ¹P₁. 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).

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: