ЛАЗЕРЫ
План лекции: 1. Лазеры. 2. Физические основы использования лазерного излучения в медицине.
1. Лазеры (оптические квантовые генераторы).
n ЛАЗЕР – n оптический квантовый генератор. n Аббревиатура от начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission Radiation усиление света в результате вынужденного излучения.
n Свойства лазерного излучения: высокая интенсивность, ¨ малая расходимость луча, ¨ высокая степень монохроматичности (Δλ ~ 0, 01 нм) , ¨ когерентность, ¨ поляризованность. ¨
История идеи n В 1940 г. , анализируя спектр газового разряда, советский ученый В. А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г. , совместно с учеными Ф. А. Бутаевой и М. М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.
n В 1952 г. ученые трех стран одновременно — в Советском Союзе Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер — независимо друг от друга изобрели основанный на использовании явления индуцированного излучения усилитель и генератор сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные под названием мазер. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.
Т. Мейман (США) в 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический кристалл рубина. n С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер» . n
n n n В 1961 г. , американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным.
В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.
В 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу за работы в области создания лазеров была присуждена Нобелевская премия. Нобелевские лауреаты А. М. Прохоров, Ч. Таунс и Н. Г. Басов. ФИАН 1965 г.
ПРОХОРОВ БАСОВ Николай Геннадиевич Александр Михайлович ТАУНС Чарльз 1964
Все многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: n газовые, n жидкостные, n полупроводниковые n твердотельные лазеры. по способу накачки энергии: n очень интенсивным светом — «оптическая накачка» , n электрическим газовым разрядом, n электрическим током (в полупроводниковых лазерах), по характеру свечения: n импульсные, n непрерывные.
Явления, лежащие в основе работы оптических квантовых генераторов — лазеров. В основе работы лазеров лежит: индуцированное излучение наличие термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов рабочего тела.
Индуцированное излучение. n n Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны под действием различных факторов. Такое излучение в основном случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), направлению распространения и поляризации. Однако если излучение возбужденной молекулой происходит под действием фотона с энергией равной разности соответствующих уровней энергии этой молекулы возникает так называемое — индуцированное излучение (вынужденное).
Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе: по фазе, направлению распространения, частоте, поляризации
Неравновесная инверсная населенность n n Когда система находится в тепловом равновесии с окружающей средой, большая часть молекул находится в основном состоянии. В этом случае «заселение» молекулами энергетических уровней, описывается распределением Больцмана. Фотоны будут сталкиваться, главным образом, с невозбужденными молекулами и излучение не будет преобладать над поглощением.
Чтобы излучение преобладало над поглощением необходимо создании термодинамически неравновесной системы, в которой, обратно закону Больцмана, на более высоком уровне будет находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вынужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера.
n n Главный элемент лазера – активная среда, для образования которой используют различные методы накачки. Состояние с инверсной населенностью можно создать, специально возбуждая частицы светом, электрическим разрядом и др. . Для усиления луча активную среду помещают в оптический резонатор (Фабри-Перо), состоящий из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду.
Схема гелий-неонового лазера: 2 3 3 3 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0, 1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1– 2 %.
Моделирование работы лазера
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ n n n n n Военное дело (лазерная локация, лазерные системы слежения, наведения и т. д. ) Связь Информационные технологии Искусство (зрелищные шоу) Голография Лазерная сварка, пайка и резка металлов Лазерный термоядерный синтез Лазерный катализ Медицина (хирургия, терапия, офтальмология, стоматология и др. ).
Лазеры в военном деле Американская система боевого ТЕА-лазера
Тактический высокоэнергетический лазер (THEL)
Сбита баллистическая ракета боевым лазером
Информационные технологии Лазер для вычислительной техники
2. Физические основы использования лазерного излучения в медицине
Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: n низкоинтенсивные — терапевтические (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2, чаще всего составляет около 0, 1 Вт/см 2) n высокоинтенсивные — хирургические. (интенсивность 102— 106 Вт/см 2).
n n Низкоинтенсивные лазеры — не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты 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, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др. , а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.
Высокоинтенсивные лазеры – могут вызывать ионизацию нуклеиновых кислот, тепловое действие на ткани приводящее к прогреванию, коагуляции, испарению (резание) биотканей. n Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. n При температурах ниже 40 °С необратимые повреждения не наблюдаются. n При температурах 60 °С и выше начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. n При 100— 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, n при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.
В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обугливание и коагуляция.
Применение лазеров в медицине
n В медицине лазеры нашли широкое применение в хирургии и терапии. Лазерная хирургическая установка Установки для лазерной терапии
Лазеры успешно используются в n онкологии, n кардиологии, n офтальмологии, n дерматологии, n стоматологии n и др. областях практической медицины.
n n Лазерные установки, с успехом используются при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации. На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.
n n n В настоящее время с помощью лазеров успешно проводятся операции на сердце. Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено. Лазерная терапии используется при лечении многочисленных онкологических заболеваний. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.
Широко применяются лазеры при лечении кожных заболеваний (удаление папиллом, родинок, бородавок и др. случаях).
В стоматологии используется лазерное излучение для обезболивания, лечения, отбеливания зубов и др.
Отбеливание зубов с помощью лазера
Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. n n При правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них заметного действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – привание отслоившейся сетчатки.
n n n Лазеры успешно применяются и в лечении таких распространённых заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.
Лазерная коррекция близорукости