Устройство лазера Лазер- квантовый генератор источник когерентного монохроматического

Устройство лазера Лазер- квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов:

1)активной (рабочей) среды. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

2)системы накачки (источник энергии). Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций.

На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера

3)оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. . Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n: 2 L = nλ то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением: здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим.

Лазер, или оптиический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др. ) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей.

Принцип действия Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией» ). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др. ).

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости.

Медицина В 1960 -х годах были выполнены первые исследования в отношении использования лазеров в медицине. Они проходили в клиниках ММА им. И. М. Сеченова, ЦИТО, ЦНИИ курортологии и физиотерапии, разработчиком первых в СССР лазерных медицинских установок было Научно-производственное предприятие «Исток» (Фрязино, Московская область). Изучались возможности применения в клинической практике гелийнеоновых лазеров с длиной волны 0, 63 мкм. Была доказана целесообразность применения гелий-неоновых лазеров в лечебных целях и в 1972 году было получено разрешение Минздрава СССР на применение излучения гелий-неонового лазера малой мощности в терапии.

Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии — углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному.

Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. Создателям хирургических лазеров приходится прибегать к всевозможным уловкам, что сильно удорожает аппаратуру.

Лазерная терапия применяется практически во всех сферах медицины. Благодаря этому методу открылись новые возможности в хирургии и микрохирургии. Он приемлем как для врачей, так и для пациентов, поскольку эффективен, безболезнен, антисептичен, не имеет возрастных ограничений и побочных явлений.

Особенности лазеротерапии Длительность сеанса лазеротерапии составляет до 30 минут, проводят его 1 раз в сутки, а продолжительность курса зависит от цели лечения. Дозу и мощность воздействия определяет врач, он же в течение всего курса следит за состоянием пациента и за возможными реакциями на лазерное воздействие. После каждой процедуры больному необходимо 30 минут отдыха.

Лечение лазером Лазерный луч оказывает свое воздействие на молекулярном, клеточном, тканевом и органном уровне, восстанавливая функциональную активность, метаболизм, микроциркуляцию и саморегуляцию. Противовоспалительное, десенсибилизирующее, болеутоляющее, спазмолитическое, противоотечное и регенерирующее действие лазера позволяет применять этот метод во всех областях медицины.

Лазер в хирургии В хирургии лазеру «под силу» не только тончайшие манипуляции на глазном яблоке и в легких. С помощью такого «скальпеля» можно распилить кость, например при ампутации конечности и т. д. Лазерный луч сделал реальностью точное и быстрое выполнение различных операций, притом без крови, практически без боли и без опасности инфицирования. В офтальмологии и микрохирургии применяются «световые скальпели» тоньше волоса. Благодаря высокой технологии стали доступны такие хирургические вмешательства, о которых предшественники современных хирургов и мечтать не могли.

Сферы применения лазерной терапии Впервые лазерный луч начали применять в офтальмологии. Сегодня «световой скальпель» используют при лечении глаукомы, катаракты, опухоли радужной оболочки, для коррекции близорукости и при лечении астигматизма. Но наибольшую популярность лазеротерапия завоевала в дерматологии и косметологии при лечении долго не заживающих ран и ожогов. Собственно, благодаря успешному лечению ран и трофических язв произошло становление лазеротерапии: настолько очевидными оказались эффективность лазера и целесообразность его применения. А в косметологии лазер совершил просто революцию: с его помощью делают «подтяжки» , удаляют родинки, родимые пятна, рубцы и «сосудистые звездочки» на коже. Угри и экзему им лечат гораздо эффективнее и безопаснее, чем с помощью традиционной хирургии.

В неврологии также очень широко применяют лазеротерапию для лечения невритов, невралгий, полинейропатий, остеохондроза и мигрени. Гинекологи используют лазер для лечения воспаления половых органов, эрозии, бесплодия, для профилактики послеоперационных осложнений. Применяют этот вид терапии и в ортопедии, пульмонологии, для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, в ЛОР-практике и стоматологии. За свою 20 -летнюю историю лазеротерапия самостоятельно или как, компонент комплексного лечения внедрена во все области медицины. Перспективность этого метода сегодня очевидна, и его использование в повседневной медицинской практике остается лишь делом времени.

Способы и методы лазерной терапии Номенклатура выпускаемых аппаратов обширна и разнообразна. Одни предназначены для работы в специализированных кабинетах, другие - в кабинетах широкого профиля (для физиотерапевтических целей). В зависимости от своей мощности лазерный луч оказывает различное воздействие на ткани организма человека. Так, в хирургии используют высокоинтенсивные установки (десятки ватт и выше), а в терапии - низкоэнергетическое излучение, мощность которого измеряется милливаттами. Есть лазерные установки с непрерывным и импульсным излучением, гелийнеоновые и инфракрасные. Гелий-неоновые используют для поверхностного воздействия, инфракрасные импульсные - для воздействия на глубоко расположенные ткани и органы, их не применяют для акупунктуры.

По способу воздействия лазеротерапию можно разделить на чрезкожную, внутриорганную, внутрисосудистую, внутритканевую и лазеропунктуру. Наиболее часто применяют чрезкожную терапию - воздействие на органы и ткани, а также рефлексогенные зоны через поверхность кожи. При внутри органной лазеротерапии лечение осуществляется внутри больного органа с помощью фиброгастроскопа (при язвенной болезни) или бронхоскопа (бронхиальной астме, эмфиземе легких и т. д. ).

Внутрисосудистое облучение назначают как вспомогательный метод для лечения заболеваний, связанных с нарушением кровообращения (инфаркт миокарда, ишемическая болезнь сердца, диабетическая ангиопатия). Либо световод проводят через катетер в вену, либо проводят наружное облучение сосудов. Внутритканевая терапия показана при заболеваниях опорного аппарата, когда возникает необходимость глубокого проникновения луча в пораженный орган.

Лазер в диагностике В диагностике с помощью лазера проводят биохимические анализы крови. Лазерная спектроскопия позволяет определять скорость кровотока в сосудах. Этот диагностический метод применим в микрососудистой хирургии, диабетологии, кардиологии и т. д. На основе лазерной технологии разработали новый метод диагностики ревматоидного артрита, позволяющий за несколько минут выявить характерные изменения в суставах. Исследование проводят посредством лазерного сканера, который пропускает инфракрасные лучи через суставы пальцев. Компьютер анализирует степень рассеивания светового потока при прохождении через ткань. Увеличение интенсивности рассеивания, по сравнению со здоровыми суставами, свидетельствует о наличии заболевания. Чувствительность разработанного метода составляет 80%, он безопаснее, чем рентгенография, и намного дешевле, чем ядерномагнитный резонанс.