Главная
Принцип работы и устройство лазера: Лазер. Принцип работы, виды и применение

Принцип работы и устройство лазера: Лазер. Принцип работы, виды и применение

Принципы работы лазеров. Устройство и типы лазеров

Лазер (от англ. light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения) он же оптический квантовый генератор – устройство, преобразующее внешнее воздействие (накачку), в энергию когерентного, монохроматического узконаправленного потока излучения.

Законы квантовой механики гласят, что энергия атома может принимать определённые значения, называемые энергетические уровни. Наименьшая энергия атома соответствует основному уровню, прочие состояния, с большей энергией атома, являются возбуждёнными. При переходе атома на более низкий уровень происходит излучение кванта электромагнитного излучения – фотона. Для обратного перехода необходимо поглощение атомом фотона. Излучение фотонов является неодновременным и хаотичным. Так происходит, например, свечение тел при нагревании: неупорядоченным набором разных длин волн.

Картина меняется радикально при воздействии на атом электромагнитным излучением, близким по частоте к частоте перехода. Резонанс «расшатывает» атом, происходит вынужденный переход, выделенное же излучение будет иметь ту же частоту, фазу и направление, что и «расшатывающее». Эти волны когерентны и исходная интенсивность увеличится за счёт их сложения. Такое явление носит название вынужденного излучения.

Проходящее сквозь вещество излучение в значительной степени поглощается, приводя атомы с основным состоянием в состояние возбуждённое. Активным называют вещество, в котором количество возбуждённых атомов существенно выше, чем в основном состоянии, а состояние –

инверсной населённостью. Таким образом, каждый пролетевший сквозь вещество фотон, вызывает появление точно такого же. Эти два порождают четыре и т.д. В активном веществе возникает фотонная лавина.

На деле такого не происходит из-за сильного рассеяния волны на неоднородностях, загрязнениях и т. д. Для выхода стабильного излучения применяют зеркала, заставляющие фотоны «работать» снова. Инверсная населённость поддерживается так: отдельный источник «накачивает» активное вещество, переводя атомы на высокий энергетический уровень; затем атом переходит на средний уровень, на котором находится относительно долгое время (

уровень метастабильности) и переходит на основной уровень под воздействием электромагнитного излучения, генерируя когерентное исходному вынужденное излучение.

Все лазеры имеют: активную среду, устройство накачки, резонатор.

Активная среда – материал, в котором создаётся инверсная населённость. Вещество может быть твёрдым, жидким, газообразным. Применяются также полупроводники и плазма.

Резонатор – пара параллельных между собой зеркал, расположенных с противоположных сторон активной среды. Одно зеркало – полупрозрачное – часть излучения отправляет обратно в активную среду, часть, собственно, и есть лазерный луч.

В оптическом резонаторе, как и во всяком другом, возбуждаются собственные колебания, причём целое число полуволн должно точно соответствовать длине резонатора. Максимум интенсивности излучения придётся именно на эту длину волны. Собственные частоты лазерного резонатора называются модами.

Система накачки предназначена для создания в среде инверсной населённости. Для жидкотельных и твердотельных лазеров в качестве накачки используют импульсные лампы или лазеры, для газовых – электрический разряд, для полупроводников – электрический ток.

Лазеры обладают уникальными для источников света свойствами. Их излучение когерентно и монохроматично. Луч распространяется строго вдоль оси резонатора и его расходимость крайне незначительна. Это даёт возможность с небольшими потерями транслировать луч на значительные расстояния, сосредотачивая в световом пятне на преграде энергию огромной плотности. В шоу-индустрии особенно ценится чистота цветов лазера – следствие монохроматичности излучения. Для получения световых эффектов используются, как правило, лазерные диоды и твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Лазерный диод (LD) – полупроводниковый лазер на базе диода. При подаче положительного потенциала на анод диода дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, электроны же из n-области – в p-область. Находящиеся вблизи, на дистанции возможного туннелирования, электроны и дырки могут рекомбинировать с выделением фотона и фонона, создавая спонтанное излучение. Получится светодиод. В случае же прохождения через эту область фотона с резонансной частотой, произойдёт вынужденная рекомбинация с выделением излучения со всеми свойствами лазерного.

Практически это можно реализовать при помощи тонкой прямоугольной полупроводниковой пластины, в которой, путём легирования материала, создаются p- и n-зоны и, соответственно, широкий плоский p-n переход. То есть, потенциально – активная среда.

Два параллельных торца полируются для образования оптического резонатора (резонатор Фабри-Перо). Таким образом, случайный фотон спонтанного излучения, движущийся нужным образом внутри резонатора, создаст вынужденное излучение. Налицо все признаки лазера: активная среда (p-n переход), накачка (электрический ток), резонатор (полированные, в виде зеркала, торцы). До достижения нужного значения инверсной населённости и входящего тока диод будет работать в режиме LED (светодиода) с низким выходом. При работе лазера будет увеличиваться его температура, что вызовет повышение
порогового значения тока, изменение выходной мощности и длины волны. Поэтому приборам необходимо качественное охлаждение и/или температурная компенсация, например, термоэлектрическим охлаждением с обратной связью (ТЕС).

В большинстве диодов толщина кристаллов сравнима с длиной волны излучения, чем достигается хорошая фокусировка луча. В случаях, когда требуется именно мощность излучения, а расходимость не так важна, кристалл делают существенно толще.

Это позволяет диоду работать в нескольких поперечных режимах. Такие диоды называют многомодовыми (multimode). Многомодовые диоды часто применяют для накачки твердотельных лазеров. Луч на выходе имеет значительное расхождение, поэтому применяют собирающие линзы. В многомодовых диодах часто применяются цилиндрические линзы.

Лазерные диоды описанной конструкции весьма неэффективны, поэтому, во избежание перегрева, могут работать только в импульсном режиме и на практике не применяются. Такой тип лазеров называют «диод с n-p гомоструктурой».

 

Диоды с двойной гетероструктурой, в которых между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной располагается материал с узкой, концентрируют активную зону в тонком среднем слое. Это позволяет сосредоточить рекомбинации именно там, в области максимального усиления. Кроме того, излучение будет отражаться от переходов, усиливая эффект.

Диод с квантовыми ямами допускает квантование энергии электронов в среднем слое за счёт уменьшения толщины этого слоя. Средний слой, таким образом, выступит в роли квантовой ямы и разница между энергетическими уровнями может быть использована вместо потенциального барьера. Плотность рекомбинаций повысится за счёт более равномерного расределения, а длина волны излучения будет резко зависеть от толщины среднего слоя.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием (SCH, separate confinement heterostructure). Для эффективного удержания света добавлены ещё два слоя с меньшим коэффициентом преломления.

VCSEL. Поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором. Излучает свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла.

VЕCSEL. Поверхностно излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором

. Аналогичен VCSEL, но имеющий внешний резонатор. С токовой или оптической накачкой, в зависимости от исполнения.

 

Твердотельный лазер с диодной накачкой (Diode-pumped solid-state laser, DPSS) для создания активной среды использует лазерный диод. DPSS-лазеры отличаются компактностью и высокой эффективностью, что особенно важно, учитывая сложности получения зелёного лазерного диода.

Для получения зелёного DPSS-диода в качестве накачки используют мощные (до нескольких Вт) лазерные диоды с длиной волны 808 нм. При облучении активная среда (например, кристалл алюмо-иттриевого граната) излучает волну длной 1064 нм. При помощи нелинейной оптической системы данная частота удваивается и длина волны составит 532 нм. Что и соответствует зелёному цвету. Аналогично, только несколько сложнее, можно получить синий и жёлтый цвета. КПД зелёных лазеров составляет порядка 20%, синих и жёлтых – едва дотягивает до 3%.

Не так давно стали доступны красные DPSS-диоды.

DPSS-лазеры выгодно отличаются от лазерных диодов узким диапазоном длин волн (до 1 нм против 5…20 нм) и малой расходимостью луча. Параметры выходящего луча DPSS мало зависят от исходного, что даёт возможность в качестве накачки использовать относительно недорогие, но мощные многомодовые лазерные диоды. Лазерные же диоды дешевле и имеют более высокий КПД, проще в монтаже и эксплуатации. Более стойки к механическим нагрузкам и повышенным температурам.

В лазерных проекторах и лучевых системах используются преимущественно DPSS-лазеры (чаще для зелёного луча) и LD-лазеры. Срок службы лазеров может достигать 10 тысяч часов, однако, неэффективное охлаждение и последующий перегрев неминуемо сократит его в сотни раз. Категорически недопустимо нарушения питания: превышение максимально допустимого значения тока или разряд статического электричества мгновенно выведут прибор из строя.

Лазер.

Принцип действия. Свойства лазерного излучения, на которых основано их применение.

Лазером (или оптическим квантовым генератором) называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонаторе.

В основе работы лазеров лежат фундаментальные процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы спонтанного и вынужденного (индуцированного) излучения и процесс поглощения.

Внутренняя энергия частиц может принимать ряд определенных дискретных значений, соответствующих энергетическим состояниям или энергетическим уровням. Самый нижний энергетический уровень с наименьшей энергией частицы – основной, остальные энергетические уровни с более высокой энергией частицы – возбужденные. Переход частицы с уровня на уровень могут быть излучательными или поглощательными.

Переход частиц (молекул, атомов, ионов и атомных ядер) с более высокого энергетического уровня Е2 на уровень Е1 может происходить самопроизвольно и носит название спонтанного излучения (рис. 6а). Такой переход сопровождается излучением фотонов в результате ускорения и

торможения заряженных частиц. Фотон – это элементарная частица света, обладающая волновыми свойствами и энергия которой определяется так: E=hν, h = 6,62∙10-34 Дж∙сек – постоянная Планка, ν – частота излучения.

Следовательно, спонтанное излучение сопровождается выделением кванта энергии hν= Е2 – Е1.

Частицы, находящиеся в возбужденном энергетическом состоянии могут перейти в низшее (обычно нормальное, основное) энергетическое состояние под действием внешнего электромагнитного поля. Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный. Такое излучение под действием электромагнитной волны носит название индуцированного (вынужденного) излучения (рис. 6с). Явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество.

Главное свойство индуцированного излучения: частота, поляризация, направление распространения кванта энергии вынужденного излучения совпадают с соответствующими характеристиками внешнего поля, т.е. вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его проходящим светом.

Под действием внешнего электромагнитного поля частица может переходить с нижнего на более высокий уровень, поглотив квант энергии. Такой переход носит название резонансного поглощения (рис. 6в).

Поглощение фотонов уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. На рис. 7 схематически представлены два конкурирующих друг с другом процесса: поглощения и вынужденного излучения. Первый процесс уменьшает

число фотонов, проходящих через среду. Второй процесс увеличивает число фотонов, проходящих через среду.

До взаимодействия После взаимодействия

а) Поглощение

Е2

Рис. 7

Среда называется активной или средой с инверсной населенностью, ели процессы вынужденного излучения преобладают над процессами поглощения света. В такой среде возрастание интенсивности I проходящего света с увеличением толщины активной среды (рис. 8) происходит быстрее за счет лавинообразного нарастания числа фотонов (рис. 9).

Рис. 8

Рис. 9

Для получения активной среды необходимо создать в среде необычное, неравновесное состояние (инверсное состояние): число атомов (молекул, ионов) на возбужденном уровне должно быть больше, чем на нижнем уровне. Такое распределение атомов по уровням является «перевернутым», «инверсным» по сравнению с обычным. Обычно на верхних уровнях атомов меньше, чем на нижних.

Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например, при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

Накачка осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме лазера. Например, типичным и наиболее используемым лазером на нейтральных атомах является гелий-неоновый лазер, в котором усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном. На рис. 10 изображена упрощенная трехуровневая энергетическая диаграмма такого лазера.

Рис. 10

Под действием электрического разряда часть атомов He ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией, которые, сталкиваясь с атомами He, переводят их из основного состояния Е1 на долгоживущий возбужденный уровень Е3. При столкновениях возбужденных атомов He с атомами Ne последние также возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних уровней Е2 сопровождается лазерным излучением.

Эффект усиления света в лазерах увеличивается за счет многократного прохождения усиливаемого света через один и тот же слой активной среды. Это может быть достигнуто, ели слой активной среды (кювета с газом или кристалл) пометить между двумя зеркалами, установленными параллельно друг другу. Одно зеркало – «глухое» З1 с высоким коэффициентом отражения (около 100%) и второе, полупрозрачное зеркало З2, через которое проходит излучение.

Чтобы заставить активную среду излучать, надо перевести возможно большее число атомов в возбужденное состояние, для этого можно использовать газовый разряд. Как это делается в газоразрядных трубках, используемых для рекламы. Итак, фотон А, который движется параллельно оси кюветы или кристалла, рождает лавину фотонов, летящих в то же направлении (рис. 11а).

а)

б)

в)

Рис. 11

Часть этой лавины проходит через полупрозрачное зеркало З2 наружу, а часть отражается и нарастает в активной среде (рис. 11б). Когда лавина фотонов дойдет до зеркала З1, она частично поглотится, и после отражения от зеркала З1

усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный «затравочный» фотон. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало З2, создает пучок лучей света огромной интенсивности с малым расхождением по углам, т.е. остронаправленный. Таким образом, зеркала осуществляют положительную обратную связь: излучение одного атома увеличивает вероятность излучения других. Фотоны В и С (рис. 11а), летящие «вбок», под углом к оси кювета или кристалла, создают лавины, которые после небольшого числа отражений выходят из активной среды и в усилении света не участвуют.

Принципиальная схема действия лазера изображена на рис. 12

Рис. 12

Лазер, как любой генератор, состоит из следующих основных элементов: источника энергии (И), регулятора (Р), колебательной системы (КС) и обратной связи (ОС), которая соединяет колебательную систему и регулятор. Источник энергии поставляет ее в виде удобном для переработки ее в лазерное излучение. В качестве колебательного устройства служат электронные переходы между энергетическими уровнями активной среды. Регулятором является система возбуждения энергетических уровней. Положительная обратная связь обеспечивает подкачку энергии в колебательную систему в нужной фазе колебаний.

Основные параметры лазерного излучения

Преимущества лазеров по сравнению с некогерентными тепловыми источниками определяется следующими их свойствами:

  1. Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облученных участках.

  2. Монохроматичность характеризует длину волны λ и спектральную ширину излучения Δλ. Ее мерой является отношение Δλ к среднему значению λ. Для лазеров монохроматичность излучения высока и составляет около 10-5.

  3. Когерентность и поляризованность – эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.

  4. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию.

Вслед за созданием первых лазеров более чем 30 лет тому назад почти сразу появился интерес к взаимодействию когерентного монохроматического излучения с биологическими системами. Лазерная медицина развивается в основном в двух направлениях:

    • Макродеструкции целостности тканей и клеток, являющейся основой лазерной хирургии.

    • Молекулярной фотомедицины, основанной на фотофизических

    процессах и последующих фотохимических и фотобиологических реакциях в молекулах и клетках, являющейся основой лазерной терапии.

    Каждое из этих направлений требует своих типов лазеров, которые отличаются по длинам волн, значениям выходной мощности и энергии, длительности и скважности импульсов, а также своих способов доставки излучения к биологической ткани. Лазеры, используемые в медицине, перекрывают диапазон длин волн от 100 нм до 30 мкм, уровни выходной мощности составляют от нескольких милливатт до десятков и сотен ватт; энергия в импульсе изменяется в пределах от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей; длительность импульсов изменяется от единиц фемтосекунд (10-15сек) до нескольких миллисекунд; ширина спектра излучения лазеров – от нескольких герц до десятков гигагерц, угловая расходимость – от тысячных долей градуса у газоразрядных лазеров до десятков градусов у полупроводниковых лазеров. В таблице 1 приведены основные характеристики твердотельных лазеров.

    Таблица 1.

    Активное вещество

    Длина волны излучения, мкм

    Энергия в импульсе, Дж

    Расходимость излучения, мрад

    Частота повторения импульсов, Гц

    К.п.д. в режиме свободной генерации, %

    Рубин

    0,6943

    0,5

    20-40

    0,03

    1-1,5

    Стекло с неодимом

    1,06

    5000

    10-15

    0,01

    1,5-2

    Иттрий алюминиевый гранат

    1,064

    1100

    20-30

    108-109

    2,1-3

    Лабораторная работа

    Основные принципы лазерной технологии, применение и меры безопасности при анестезии: WFSA

    ВОПРОСЫ

    Прежде чем продолжить, попробуйте ответить на следующие вопросы. Ответы можно найти в конце статьи вместе с объяснением.

    1. Что такое лазер?
    2. Что такое длина волны лазера?
    3. Что такое лазерный диод?
    4. Что такое газовый лазер?

    ВВЕДЕНИЕ

    ЛАЗЕР — это аббревиатура от .L свет A усиление с помощью S стимуляция E миссия R излучение, которое описывает теорию работы лазера. Альберт Эйнштейн опубликовал теоретические основы лазера в 1917 году, но только в 1960 году Теодор Мейман в Калифорнии сконструировал первый действующий лазер с использованием кристалла рубина для получения лазерного излучения. Выдержка из газетной статьи после публичной демонстрации лазера:

    «Внезапно посреди рубина появился адский свет. Затем с конца цилиндра сто тысяча раз ярче солнца, вспыхнул тонкий красный свет, идеально параллельный монохроматический луч. Майман и его помощники некоторое время молчали, очарованные красотой этого зрелища… «Эйнштейн был прав, — пробормотал он, — свет может быть концентрированным и когерентным».

    Прибор производит пучок когерентного света с определенной длиной волны в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра. Дальнейшее развитие этой технологии привело к тому, что лазеры стали широко применяться в медицинской практике.

    ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА

    Свойства лазерного излучения

    В отличие от других форм света, лазерный свет обладает особыми свойствами, которые делают его значительно более эффективным и опасным, чем обычный свет той же мощности. Частицы лазерного света (фотоны) обычно:

    • Монохроматический : состоящий из одной длины волны или цвета
    • Когерентный : фотоны находятся в фазе (как марширующие солдаты)
    • Коллимированный : фотоны почти параллельны (выровнены), с небольшим отклонением от точки происхождения

    Компоненты лазера

    Лазер состоит из 3 основных компонентов:

    1. Среда генерации или «усиливающая среда»:
      Может быть твердой (кристаллы, стекла), жидкостью (красители или органические растворители), газом (гелий, CO2) или полупроводниками
    2. Источник энергии или «насос»:
      Может быть разрядом высокого напряжения, химической реакцией, диодом, лампой-вспышкой или другим лазером
    3. Оптический резонатор или «оптический резонатор»:
      Состоит из резонатора, содержащего излучающую среду, с двумя параллельными зеркалами с каждой стороны. Одно зеркало обладает высокой отражающей способностью, а другое зеркало частично отражает, что позволяет части света покинуть резонатор для создания выходного луча лазера — это называется выходным соединителем. Лазер обычно называют в соответствии с типом лазерной среды. Это также определяет тип требуемой накачки и длину волны излучаемого лазерного излучения.

    Рис. 1. Три компонента лазера

    Лазер обычно называют по типу лазерной среды. Это также определяет тип требуемой накачки и длину волны излучаемого лазерного излучения.

    Принцип работы на атомарном уровне (рис. 2 и 3)

    Одна модель в атомной физике описывает атом как центральное ядро ​​из протонов и нейтронов, окруженное облаком электронов, которые окружают ядро ​​на разных орбиталях. Когда к атому подводится соответствующая энергия, электроны могут перепрыгивать с низкоэнергетических орбиталей (основное состояние) вблизи ядра на высокоэнергетические орбитали дальше, что приводит к возбуждению атома за счет процесса энергии 9. 0019 поглощение.

    Некоторые электроны на высокоэнергетической орбите спонтанно возвращаются в основное состояние, высвобождая разницу в энергии в виде фотона с длиной волны, которая точно зависит от разницы в энергии двух состояний и имеет случайную фазу. и направление. Этот процесс называется спонтанным излучением и лежит в основе света, излучаемого неоновой вывеской, люминесцентной лампой и телевизионной трубкой.

    Этот испущенный фотон может столкнуться с одним из зеркал в резонаторе и отразиться обратно в излучающую среду, вызывая дальнейшее столкновение с некоторыми из уже возбужденных атомов. Если ударить по возбужденному атому, его можно стимулировать к распаду обратно в основное состояние, выпустив 2 фотона, идентичных по направлению, фазе, поляризации и энергии (длине волны). Этот процесс называется вынужденное излучение.

    Возникает каскадный эффект стимулированного излучения фотонов, приводящий к дальнейшему усилению (оптическому усилению), и вскоре многие атомы излучают свет вдоль одной и той же оси. Чтобы лазер мог работать, большинство атомов должно поддерживаться в возбужденном состоянии, что называется «инверсией населенностей» . Это достигается непрерывным вводом энергии от накачки (лазер с непрерывной волной) или прерывистой накачкой, в результате чего получается лазер с импульсной волной.

    Небольшое количество фотонов выходит из среды генерации через частично отражающее зеркало выходного ответвителя. Это пригодный для использования лазерный свет, который может быть в видимом спектре или за его пределами (инфракрасный или ультрафиолетовый). Он направляется к цели через систему доставки , которая состоит из волоконно-оптических световодов для видимого света или ряда зеркал для инфракрасного излучения.

    Рисунок 2. Поглощение и излучение

    Рисунок 3. Изготовление светового пучка

    МЕДИЦИНСКИЕ ЛАЗЕРЫ

    Медицинские лазеры могут работать в непрерывном или импульсном режимах. Выход лазеров с непрерывным излучением измеряется как мощности в ваттах, а выход импульсных лазеров измеряется как энергии в джоулях.

    Излучение, или плотность мощности, относится к мощности лазера на единицу площади (Вт/см2)

    Флюенс, или плотность энергии, представляет собой коэффициент излучения, умноженный на время воздействия (Дж/см2)

    Взаимодействие между лазерным лучом и тканью определяется длиной волны (рис. 4), плотностью мощности и временем воздействия.

    Именно монохроматическая природа лазерного излучения отвечает за его избирательное воздействие на биологические ткани. Когда свет вступает в контакт с тканями, он может передаваться, рассеиваться, отражаться или поглощаться. Это зависит от природы ткани и длины волны света. Лазерный свет должен поглощаться тканью, чтобы оказывать биологическое воздействие. Примеры основных абсорбирующих компонентов в тканях:

    • Вода – поглощает инфракрасный свет
    • Гемоглобин – поглощает видимый свет, особенно зеленый
    • Меланин – поглощает видимый и ультрафиолетовый свет

    Длина волны также определяет глубину проникновения. По мере уменьшения длины волны в сторону ультрафиолетового спектра происходит большее рассеяние, что ограничивает глубину проникновения в ткани. Следовательно, аргоновый лазер используется для хирургии сетчатки и родимых пятен от портвейна. Лазер Nd:YAG работает в ближнем инфракрасном диапазоне, который имеет большую глубину проникновения и поэтому используется для разрезания и коагуляции тканей.

    Рисунок 4. Длина волны медицинского лазера

    Примеры использования лазеров в медицинской практике

    CO2-лазер:

    Используется для рассечения и коагуляции мягких тканей, состоящих в основном из воды, напр. хирургия гортани. Создает фототермический эффект, быстро нагревая ткани. В зависимости от времени воздействия может произойти испарение ткани (абляция), коагуляция или и то, и другое. Импульсное воздействие лазера может свести к минимуму теплопроводность, которая может вызвать повреждение сопутствующих тканей.

    Гольмиевый лазер: YAG:

    Используется для абляции тканей или литотрипсии посредством фотомеханического эффекта . Чрезвычайно интенсивный, но очень короткий лазерный импульс вызывает взрывное расширение ткани или воды в почечных камнях, вызывая фотоакустические нарушения.

    Эксимерный (аргон: фтор) лазер:

    Используется для изменения формы роговицы. Лазер разрушает ковалентные связи в белковых молекулах (фотодиссоциация), , что приводит к нетермической абляции.

    Таблица 1. Примеры медицинских лазеров

    ОПАСНОСТИ И ЛАЗЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

    Свойства лазерного света делают его значительно более эффективным и опасным, чем обычный свет того же источника, то есть хирургический CO2-лазер мощностью 30 Вт по сравнению с лампой накаливания мощностью 60 Вт. Лазер обеспечивает гораздо большее излучение, чем обычный источник света той же мощности, поскольку свет является когерентным (что приводит к конструктивной интерференции на цели) и коллимированным (незначительная потеря мощности на расстоянии от источника). Таким образом, как прямые, так и отраженные лазерные лучи потенциально опасны. Основными опасностями являются повреждение глаз, ожоги и воспламенение. Лазерный свет от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона может вызвать ожоги кожи.

    Если параллельный выходной луч лазера фокусируется на меньшем пятне с помощью линзы, это значительно увеличивает плотность мощности в фокусе. Хрусталик глаза может перефокусировать рассеянный видимый или ближний инфракрасный лазерный свет на сетчатку, вызывая безболезненные ожоги сетчатки, которые могут привести к постоянному слепому пятну в поле зрения из-за повреждения фоторецепторов. Следует избегать прямого взгляда на лазерный луч. Защитные очки должны подходить для конкретного используемого лазера и обеспечивать защиту на соответствующей длине волны.

    Классификация

    Классификация лазеров основана на уровнях максимально допустимого воздействия (ПДВ) и воздействии на глаза и кожу. MPE — это расчет наибольшей плотности мощности (Вт/см2) или плотности энергии (Дж/см2), разрешенной для лазера, который считается безопасным и маловероятным для причинения ущерба. MPE измеряется на коже или роговице глаза для заданной длины волны или времени воздействия.

    Стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК) 60825-1 (2007 г.) включает методы расчета уровней MPE и определяет семь классов лазеров. Классы 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B и 4, где класс 1 — самый безопасный, а класс 4 — самый высокий и опасный класс лазера. Медицинские лазеры относятся к категории 4.

    Риски, связанные с анестезией

    Травмы или летальные исходы в результате использования медицинских лазеров в основном связаны с операциями на верхних дыхательных путях, особенно с пожарами дыхательных путей. Необходимо предвидеть воздействие лазеров на анестетики и оборудование, а также на общие дыхательные пути, и следует использовать методы предотвращения этих осложнений.

    Эндотрахеальные трубки:

    Прямые или отраженные лазерные лучи могут воспламенить неметаллические эндотрахеальные трубки. Лазероустойчивые интубационные трубки имеются в продаже и состоят из гибкой спирали из нержавеющей стали. Эти трубки негорючи, легко стерилизуются, газонепроницаемы и не вступают в реакцию с тканями человека. В качестве альтернативы, обычные трубки из ПВХ можно обернуть самоклеящейся неотражающей металлической лентой, что приемлемо, но небезопасно.

    Манжета также может быть повреждена лазерным лучом. Если манжета, наполненная воздухом, разрывается, это приводит к массивной утечке анестезирующих газов, создавая более богатую среду для возможного воспламенения. Наполнение манжеты физиологическим раствором действует как теплоотвод и обеспечивает рассеивание тепла от лазерного луча. Метиленовый синий может быть добавлен к физиологическому раствору для обеспечения видимого признака непреднамеренного разрыва. Дополнительной мерой безопасности является наличие двойных дистальных манжет.

    Кожа и глаза:

    Следует избегать использования горючих простыней, а растворов на спиртовой основе для очистки кожи следует либо избегать, либо дать им достаточно времени для испарения. Шторы не должны создавать карманов для скопления окислителей. Любые открытые волосы на лице можно покрыть водным смазывающим желе, чтобы сделать их негорючими. Глаза пациента следует защитить, заклеив их лентой и наложив влажные повязки на глаза.

    Смеси газов:

    Ни закись азота, ни кислород не воспламеняются, но поскольку закись азота является лучшим окислителем, чем кислород, она поддерживает горение при очень высоких температурах, и ее следует избегать, особенно в открытых анестезиологических системах. При условии адекватной оксигенации рекомендуется концентрация кислорода менее 30% в азоте или гелии в качестве газа-носителя.

    Этапы ликвидации пожара в дыхательных путях:

    Триада топлива (трубка, простыни, подготовка кожи), окислителя (кислород) и тепла (лазерный луч) может вызвать возгорание в театре или дыхательных путях. В этом случае необходимо предпринять следующие шаги;

    • Прекратить лазерную операцию и поставить в известность хирурга
    • Останов вентиляции
    • Отключить источник кислорода
    • Удаление обожженной эндотрахеальной трубки
    • Облить операционное место водой
    • Восстановить вентиляцию с помощью самонадувающегося мешка или повторно заинтубировать и проветрить комнатным воздухом
    • Выполните жесткую бронхоскопию для оценки степени термического повреждения и удаления инородных тел/мусора. Соответственно спланируйте дальнейшее лечение, например, трахеостомию
    • Начать короткий курс стероидной терапии по показаниям для предотвращения воспаления
    • Рассмотрите возможность антибактериальной терапии и перевода в отделение интенсивной терапии для поддержки искусственной вентиляции легких, если вас беспокоит отек верхних дыхательных путей или повреждение легких

    Театральная безопасность

    Должна быть введена официальная программа безопасности, определяющая опасности, связанные с используемым лазером, и контроль этих опасностей (включая клинические аспекты), а назначенный консультант должен обеспечить надлежащую подготовку всего персонала. Класс опасности лазера должен быть четко указан на внешнем корпусе. Лазер должен использоваться только теми, кто обучен этому. Только человек, использующий лазер, должен иметь возможность активировать его, и он должен быть переведен в режим ожидания, когда он не используется активно. Регулярное техническое обслуживание оборудования и ведение журнала использования лазера минимизируют риск несчастного случая. В клинической зоне должен быть доступен соответствующий неводяной огнетушитель.

    Весь персонал в театре должен носить защитные очки. Обозначенный театр должен быть четко обозначен как «зона, контролируемая лазером», а на всех входах должны быть размещены предупреждающие знаки, ограничивающие вход. Неосновные двери должны быть заперты, а окна закрыты, чтобы не поранить прохожих.

    ОБЗОР

    • ЛАЗЕР — это аббревиатура от «Усиление света за счет стимулированного излучения»
      • .
    • Лазерный свет имеет одну длину волны, когерентный и коллимированный
    • Лазер состоит из 3 основных компонентов: активной среды, источника энергии и оптического резонатора
    • Лазер производится за счет энергии, выделяемой электронами, движущимися с высокоэнергетических орбит на низкоэнергетические, с последующим столкновением с возбужденными атомами (стимулированное излучение), высвобождающим 2 фотона, идентичных по длине волны, фазе и параллельно.
    • Лазерный свет должен поглощаться тканью для оказания биологического эффекта. Основными абсорбирующими компонентами являются вода, меланин и гемоглобин.
    • Длина волны определяет глубину проникновения.
    • Основными опасностями лазеров являются повреждение глаз, ожоги и воспламеняемость.

    ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
    1. «Лазер» — это аббревиатура от «Усиление света за счет стимулированного излучения». Лазер генерирует энергию в виде света, который находится в оптической части электромагнитного спектра или близок к ней. Энергия лазера усиливается до чрезвычайно высокой интенсивности за счет атомного процесса, называемого вынужденным излучением. Цвет лазера определяется длиной волны лазера.
    2. Лазерный свет и энергию можно рассматривать как непрерывную серию волн, определяющих мощность лазера. Расстояние между этими волнами, от гребня до гребня, называется длиной волны лазера и обычно измеряется в нанометрах (нм). Лазеры с длиной волны от 400 до 700 нм производят энергию или свет в видимом спектре, который мы можем видеть. Лазеры с более короткими длинами волн в диапазоне от 100 до 400 нм называются ультрафиолетовыми (УФ), а лазеры с более длинными волнами в диапазоне от 700 нм до 1 мм относятся к инфракрасному (ИК) спектру.
    3. Лазерный диод, также известный как полупроводниковый лазер, представляет собой светоизлучающий диод, который использует стимулированное излучение для формирования когерентного светового потока. Как правило, лазерные диоды представляют собой небольшие компактные электронные устройства, которые можно разместить в корпусах и которые имеют небольшое окошко на конце, через которое излучается лазерный свет. Свет выходит из диода во многих направлениях, и затем используется линза или коллиматорная система для формирования коллимированного луча лазерного света.
    4. Газовые лазеры обычно основаны на паре зеркал, помещенных в газовую атмосферу, а лазерная энергия формируется внешним оптическим источником или электрической дугой. Возрастающая лазерная энергия, вызванная вынужденным излучением, отражается между парой противоположных зеркал и в конечном итоге проходит через одно из зеркал в виде коллимированного луча лазерной энергии. Газовые лазеры обычно определяются газом или газами, используемыми, например, в резонаторе лазера; Аргон, гелий-неон и CO2.

    ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЧТЕНИЕ

    1. Агентство по регулированию лекарственных средств и изделий медицинского назначения. DB 2008(03) Руководство по безопасному использованию лазеров, систем IPL и светодиодов. Также доступно по адресу:
      http://www.mhra.gov.uk/Publications/Safetyguidance/DeviceBulletins/CON014775 (по состоянию на 17 декабря 2010 г.).
    2. Laserfest: празднование 50-летия лазерных инноваций, http://www.laserfest.org (по состоянию на 21 декабря 2011 г.).
    3. Бэйли Г., МакИндо А.К. Пожары и взрывы . Анестезия и реаниматология. 2004;5:364–366
    4. ЭРСИ . Руководство для врачей по хирургическим огням. Приборы для здоровья. 2003;32:5–25
    5. Мучатута Н.А., Продажа СМ. Пожары и взрывы . Анестезия и реаниматология. 2007;8:457–460

    Принципы работы с лазером | Ключ радиологии



    Рис. 18.1

    Электромагнитный спектр (ЭМИ)






    18.3 Спонтанное и вынужденное испускание излучения


    Электроны, окружающие атом или молекулу, могут существовать более чем на одном энергетическом уровне, но обычно находятся на самом низком энергетическом уровне или в состоянии покоя, где они стабильны. Энергия может быть поглощена или потеряна молекулой фотоном, что приводит к изменению энергетического уровня электрона. Электрон в состоянии покоя может поглотить фотон света с правильной длиной волны, переводя его в возбужденное состояние. Он нестабилен в возбужденном состоянии и обычно возвращается в состояние покоя, высвобождая фотон энергии. Этот процесс называется спонтанным излучением (рис. 18.2а). Если другой фотон соответствующей длины волны сталкивается с электроном, пока он еще возбужден, электрон вернется в свое состояние покоя, испустив два фотона, которые синхронизированы во времени и пространстве и имеют одинаковую энергию. Это называется вынужденным излучением (рис. 18.2б). Испускаемые фотоны могут стимулировать дальнейшее излучение возбужденных атомов того же типа. Вынужденное излучение встречается редко, так как обычно большинство электронов находятся в состоянии покоя. Чтобы увеличить вероятность вынужденного излучения, должна быть «инверсия населенностей». Это состояние, когда фотоны имеют более высокую вероятность столкнуться с возбужденными электронами и стимулировать дальнейшее испускание фотонов с той же энергией. Необходимо использовать внешний источник энергии, чтобы увеличить долю возбужденных атомов в популяции до уровня, при котором вынужденное излучение является частым явлением. Этот процесс называется «накачка».




    Рис. 18.2

    (а) Спонтанное излучение. (b) Индуцированное излучение

    Конструкция лазерного устройства состоит из трех основных элементов: системы накачки, активной среды и оптического резонатора. Система накачки или внешний источник энергии создает инверсию населенностей для возбужденных электронов в лазерной камере. Например, в некоторых лазерах на красителях используется мощная импульсная лампа. Среда генерации или усиление является источником лазерного излучения и поставляет электроны, необходимые для вынужденного излучения излучения. Длина волны излучаемого света определяется характерными энергетическими переходами молекул среды. Среда может быть газообразной (аргон, CO 2 , пары меди), жидкость (органический краситель) или твердое вещество (рубин, александрит, Er:YAG, Nd:YAG и диод). Оптический резонатор представляет собой камеру, состоящую из двух параллельных зеркал, вмещающих лазерную среду, возбуждаемую системой накачки. Фотоны энергии по оси камеры отражаются от зеркал на обоих концах, стимулируя дальнейшее излучение по той же оси. Одно зеркало в камере частично отражающее, и это позволяет некоторым хранящимся фотонам ускользнуть и сформировать лазерный луч.



    18.4 Свойства лазерного света

    Лазерный свет обладает несколькими уникальными свойствами, которые отличают его от других типов света, таких как солнечный свет. Этими свойствами являются монохроматичность, когерентность и коллимация (Stratiagos and Dover 2000 ).



    18.4.1 Монохроматичность

    Лазерный свет содержит одну длину волны света или очень узкий диапазон длин волн. Длина волны определяется лазерной средой, используемой в лазере. Другие источники света излучают широкий спектр длин волн.



    18.4.2 Когерентность

    Волны лазерного излучения находятся в фазе по отношению к пространству и времени с минимальной степенью расходимости. Это основано на принципе вынужденного излучения.



    18.4.3 Коллимация

    Лазерные волны очень упорядочены и параллельны, что позволяет лучу перемещаться на большие расстояния без рассеивания и фокусироваться в маленьком пятне с очень высокой плотностью мощности.



    18.5 Радиометрия

    Важно понимать энергию, флюенс, мощность и излучение. Это поможет понять физику лазера и взаимодействие лазера с тканями. Энергия – это способность выполнять работу и измеряется в джоулях. Энергия лазерного излучения относится к числу фотонов, доставленных в одном импульсе, измеряется в джоулях и наиболее подходит для описания энергии импульсных лазеров. Fluence — это энергия на единицу площади, также известная как плотность энергии, которая выражается в джоулях на см 2 . Мощность — это количество энергии, высвобождаемой с течением времени, и измеряется в ваттах (Дж/с). Ватты в основном используются для описания лазеров непрерывного действия. Освещенность описывает плотность мощности, то есть ватты на квадратный сантиметр. Он описывает интенсивность лазера с непрерывной волной.



    18.6 Зависимость лазера от времени


    Лазерный свет можно разделить на три основных типа: непрерывный, квазинепрерывный и импульсный. Лазеры непрерывного действия излучают непрерывный луч постоянной мощности (рис. 18.3а). СО 2 , аргоновые, криптоновые и аргоновые лазеры на красителях являются примерами лазеров непрерывного действия. Пары меди являются примером лазера квазинепрерывного действия. Он испускает луч с последовательностью импульсов, расположенных близко друг к другу (рис. 18.3б). Импульсные лазерные лучи представляют собой либо короткие импульсы с наносекундной (10 −9 с) длительностью импульса, либо длинные импульсы с длительностью импульса в пределах миллисекунд (10 −3 с). Импульсные лазеры — это мощные лазеры, излучающие ультракороткие одиночные импульсы чрезвычайно высокой энергии (рис. 18.3в). Лазеры с переключением качества или (с модуляцией добротности) содержат фотооптический переключатель или затвор внутри резонатора лазера.

    Оставить комментарий