За последние полвека лазеры нашли применение в офтальмологии, онкологии, пластической хирургии и многих других областях медицины и медико-биологических исследованиях.

О возможности использования света для лечения болезней было известно тысячи лет назад. Древние греки и египтяне применяли солнечное излучение в терапии, и эти две идеи даже были связаны друг с другом в мифологии - греческий бог Аполлон был богом солнца и исцеления.

И только после изобретения источника когерентного излучения более 50 лет назад действительно был выявлен потенциал использования света в медицине.

Благодаря особым свойствам, лазеры гораздо эффективнее, чем радиация солнца или других источников. Каждый квантовый генератор работает в очень узком диапазоне длин волн и излучает когерентный свет. Также лазеры в медицине позволяют создавать большие мощности. Пучок энергии может быть сосредоточен в очень маленькой точке, благодаря чему достигается ее высокая плотность. Эти свойства привели к тому, что сегодня лазеры используются во многих областях медицинской диагностики, терапии и хирургии.

Лечение кожи и глаз

Применение лазеров в медицине началось с офтальмологии и дерматологии. Квантовый генератор был открыт в 1960 году. И уже через год после этого Леон Голдман продемонстрировал, как рубиновый красный лазер в медицине может быть использован для удаления капиллярной дисплазии, разновидности родимых пятен, и меланомы.

Такое применение основано на способности источников когерентного излучения работать на определенной длине волны. Источники когерентного излучения в настоящее время широко используются для удаления опухолей, татуировок, волос и родинок.

В дерматологии применяются лазеры различных типов и длин волн, что обусловлено разными видами излечиваемых поражений и основного поглощающего вещества внутри них. также зависит от типа кожи пациента.

Сегодня нельзя практиковать дерматологию или офтальмологию, не имея лазеров, так как они стали основными инструментами лечения пациентов. Применение квантовых генераторов для коррекции зрения и широкого спектра офтальмологических приложений выросло после того, как Чарльз Кэмпбелл в 1961 году стал первым врачом, использовавшим красный лазер в медицине для исцеления пациента с отслоением сетчатки.

Позже для этой цели офтальмологи стали применять аргоновые источники когерентного излучения в зеленой части спектра. Здесь были задействованы свойства самого глаза, особенно его линзы, фокусировать луч в области отслоения сетчатки. Высококонцентрированная мощность аппарата ее буквально приваривает.

Больным с некоторыми формами макулодистрофии может помочь лазерная хирургия - лазерная коагуляция и фотодинамическая терапия. В первой процедуре луч когерентного излучения используется для герметизации кровеносных сосудов и замедления их патологического роста под макулой.

Подобные исследования были проведены в 1940 годах с солнечным светом, но для их успешного завершения врачам были необходимы уникальные свойства квантовых генераторов. Следующим применением аргонового лазера стала остановка внутренних кровотечений. Селективное поглощение зеленого света гемоглобином - пигментом красных кровяных клеток - использовалось для блокирования кровоточащих кровеносных сосудов. Для лечения рака разрушают кровеносные сосуды, входящих в опухоль и снабжающие ее питательными веществами.

Этого невозможно добиться, используя солнечный свет. Медицина очень консервативна, как это и должно быть, но источники когерентного излучения получили признание в разных ее областях. Лазеры в медицине заменили многие традиционные инструменты.

Офтальмология и дерматология также извлекли выгоду из эксимерных источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Они стали широко использоваться для изменения формы роговицы (LASIK) для коррекции зрения. Лазеры в эстетической медицине применяются для удаления пятен и морщин.

Прибыльная косметическая хирургия

Такие технологические разработки неизбежно популярны среди коммерческих инвесторов, так как обладают огромным потенциалом получения прибыли. Аналитическая компания Medtech Insight в 2011 г. оценила объем рынка лазерного косметического оборудования на сумму более 1 млрд долларов США. Действительно, несмотря на снижение общего спроса на медицинские системы во время глобального спада, косметические операции, основанные на использовании квантовых генераторов, продолжают пользоваться постоянным спросом в Соединенных Штатах - доминирующем рынке лазерных систем.

Визуализация и диагностика

Лазеры в медицине играют важную роль в раннем выявлении рака, а также многих других заболеваний. Например, в Тель-Авиве группа ученых заинтересовалась ИК-спектроскопией с использованием инфракрасных источников когерентного излучения. Причиной этого является то, что рак и здоровая ткань могут иметь различную проходимость в инфракрасном диапазоне. Одним из перспективных применений этого метода является выявление меланом. При раке кожи ранняя диагностика очень важна для выживаемости пациентов. В настоящее время обнаружение меланомы делается на глаз, поэтому остается полагаться на мастерство врача.

В Израиле раз в год каждый человек может пойти на бесплатный скрининг меланомы. Несколько лет назад в одном из крупных медицинских центров проводились исследования, в результате которых появилась возможность наглядно наблюдать разницу в ИК-диапазоне разницу между потенциальными, но неопасными признаками, и настоящей меланомой.

Кацир, организатор первой конференции SPIE по биомедицинской оптике в 1984 году, и его группа в Тель-Авиве также разработали оптические волокна, прозрачные для инфракрасных длин волн, что позволило распространить этот метод на внутреннюю диагностику. Кроме того, это может стать быстрой и безболезненной альтернативой цервикальному мазку в гинекологии.

Голубой в медицине нашел применение в флюоресцентной диагностике.

Системы на основе квантовых генераторов также начинают заменять рентген, который традиционно использовался в маммографии. Рентгеновские лучи ставят врачей перед сложной дилеммой: для достоверного обнаружения раковых образований необходима их высокая интенсивность, но рост радиации сам по себе увеличивает риск заболевания раком. В качестве альтернативы изучается возможность использования очень быстрых лазерных импульсов для снимка груди и других частей тела, например, мозга.

ОКТ для глаз и не только

Лазеры в биологии и медицине нашли применение в оптической когерентной томографии (ОКТ), что вызвало волну энтузиазма. Этот метод визуализации использует свойства квантового генератора и может дать очень четкие (порядка микрона), поперечные и трехмерные изображения биологической ткани в режиме реального времени. ОКТ уже применяется в офтальмологии, и может, например, позволить офтальмологу увидеть поперечное сечение роговицы для диагностики заболеваний сетчатки и глаукомы. Сегодня техника начинает использоваться также и в других областях медицины.

Одна из крупнейших областей, формирующихся благодаря ОКТ, занимается получением волоконно-оптических изображений артерий. может быть применена для оценки состояния склонной к разрыву нестабильной бляшки.

Микроскопия живых организмов

Лазеры в науке, технике, медицине также играют ключевую роль во многих видах микроскопии. В этой области было сделано большое число разработок, целью которых является визуализация того, что происходит внутри тела пациента без использования скальпеля.

Самым сложным в удалении рака является необходимость постоянно прибегать к услугам микроскопа, чтобы хирург мог убедиться, что все сделано правильно. Возможность делать микроскопию «вживую» и в реальном времени является значительным достижением.

Новое применение лазеров в технике и медицине - сканирование в ближней зоне оптической микроскопии, которая может производить изображения с разрешением гораздо большим, чем у стандартных микроскопов. Этот метод основан на оптических волокнах с насечками на торцах, размеры которых меньше длины волны света. Это позволило субволновую визуализацию и заложило основу для получения изображения биологических клеток. Использование данной технологии в ИК-лазерах позволит лучше понять болезнь Альцгеймера, рак и другие изменения в клетках.

ФДТ и другие методы лечения

Разработки в области оптических волокон помогают расширить возможности применения лазеров и в других сферах. Кроме того, что они позволяют проводить диагностику внутри организма, энергия когерентного излучения может быть передана туда, где в этом есть необходимость. Это может быть использовано в лечении. Волоконные лазеры становятся гораздо более продвинутыми. Они кардинально изменят медицину будущего.

Область фотомедицины, использующая светочувствительные химические вещества, которые взаимодействуют с телом особым образом, может прибегнуть к помощи квантовых генераторов как для диагностики, так и для лечения пациентов. В фотодинамической терапии (ФДТ), например, лазер и фоточувствительное лекарственное средство может восстановить зрение у больных с «влажной» формой возрастной макулярной дегенерации, основной причиной слепоты у людей в возрасте старше 50 лет.

В онкологии некоторые порфирины накапливаются в раковых клетках и флуоресцируют при освещении определенной длиной волны, указывая на место расположения опухоли. Если эти же самые соединения затем осветить другой длиной волны, они становятся токсичными и убивают поврежденные клетки.

Красный газовый гелий-неоновый лазер в медицине применяется в лечении остеопороза, псориаза, трофических язв и др., так как данная частота хорошо поглощается гемоглобином и ферментами. Излучение замедляет воспалительные процессы, предотвращает гиперемию и отеки, улучшает кровоснабжение.

Персонализированное лечение

Еще две области, в которых найдется применение для лазеров - генетика и эпигенетика.

В будущем все будет происходить на наноуровне, что позволит заниматься медициной в масштабах клетки. Лазеры, которые могут генерировать фемтосекундные импульсы и настраиваться на определенную длину волны, являются идеальными партнерами для медиков.

Это откроет дверь для персонализированного лечения, основанного на индивидуальном геноме пациента.

Леон Голдман - родоначальник лазерной медицины

Говоря об использовании квантовых генераторов в лечении людей, нельзя не упомянуть Леона Голдмана. Он известен как «отец» лазерной медицины.

Уже через год после изобретения источника когерентного излучения Голдман стал первым исследователем, применившим его для лечения заболевания кожи. Техника, которую применил ученый, проложила путь последующему развитию лазерной дерматологии.

Его исследования в середине 1960 годов привели к использованию рубинового квантового генератора в хирургии сетчатки глаза и к таким открытиям, как возможность когерентного излучения одновременно разрезать кожу и запечатывать кровеносные сосуды, ограничивая кровотечение.

Голдман, работавший на протяжении большей части своей карьеры дерматологом в университете Цинциннати, основал Американское общество лазеров в медицине и хирургии и помог заложить основы безопасности лазеров. Умер в 1997 г.

Миниатюризация

Первые 2-микронные квантовые генераторы были размером с двуспальную кровать и охлаждались жидким азотом. Сегодня появились диодные, умещающиеся в ладони, и еще более миниатюрные Такого рода изменения прокладывают путь для новых сфер применения и разработок. Медицина будущего будет располагать крошечными лазерами для хирургии головного мозга.

Благодаря технологическому прогрессу происходит постоянное снижение затрат. Подобно тому как лазеры стали привычными в бытовой технике, они начали играть ключевую роль в больничном оборудовании.

Если раньше лазеры в медицине были очень большими и сложными, то сегодняшнее их производство из оптического волокна значительно снизило стоимость, а переход на наноуровень позволит еще больше сократить затраты.

Другие применения

С помощью лазеров урологи могут лечить стриктуру уретры, доброкачественные бородавки, мочевые камни, контрактуру мочевого пузыря и увеличение простаты.

Использование лазера в медицине позволило нейрохирургам делать точные разрезы и производить эндоскопический контроль головного и спинного мозга.

Ветеринары применяют лазеры для эндоскопических процедур, коагуляции опухолей, выполнения разрезов и фотодинамической терапии.

Стоматологи используют когерентное излучение для проделывания отверстий, в хирургии десен, для проведения антибактериальных процедур, зубной десенсибилизации и рото-лицевой диагностики.

Лазерный пинцет

Биомедицинские исследователи во всем мире применяют оптические пинцеты, клеточные сортировщики, а также множество других инструментов. Лазерные пинцеты обещают лучшую и более быструю диагностику рака и использовались для захвата вирусов, бактерий, мелких металлических частиц и нитей ДНК.

В оптическом пинцете пучок когерентного излучения применяется для удержания и вращения микроскопических объектов, аналогично тому, как металлический или пластиковый пинцет способен подобрать маленькие и хрупкие предметы. Отдельными молекулами можно манипулировать, прикрепляя их к стеклышкам микронного размера или шарикам из полистирола. Когда луч попадает в шарик, он искривляется и оказывает небольшое воздействие, подталкивая шарик прямо в центр луча.

Это создает «оптическую ловушку», которая способна удерживать небольшую частицу в пучке света.

Лазер в медицине: плюсы и минусы

Энергия когерентного излучения, интенсивность которой можно модулировать, используется для рассечения, уничтожения или изменения клеточной или внеклеточной структуры биологических тканей. Кроме того, применение лазеров в медицине, кратко говоря, уменьшает риск инфицирования и стимулирует заживление. Применение квантовых генераторов в хирургии увеличивает точность рассечения, однако, они представляют опасность для беременных и есть противопоказания по употреблению фотосенсибилизирующих лекарств.

Сложная структура тканей не позволяет сделать однозначную интерпретацию результатов классических биологических анализов. Лазеры в медицине (фото) являются эффективным инструментом для уничтожения раковых клеток. Однако мощные источники когерентного излучения действуют без разбора и разрушают не только пораженные, но и окружающие ткани. Это свойство - важный инструмент метода микродиссекции, используемый для проведения молекулярного анализа в интересующем месте с возможностью выборочного разрушения лишних клеток. Цель данной технологии заключается в преодолении гетерогенности, присутствующей во всех биологических тканях, для облегчения их исследования по четко определенной популяции. В этом смысле, лазерная микродиссекция внесла значительный вклад в развитие исследований, в понимание физиологических механизмов, которые сегодня можно четко продемонстрировать на уровне популяции и даже одной клетки.

Функционал тканевой инженерии сегодня стал основным фактором в развитии биологии. Что произойдет, если разрезать актиновые волокна во время деления? Будет ли эмбрион дрозофилы стабильным, если разрушить клетку при фолдинге? Каковы параметры, участвующие в меристемной зоне растения? Все эти вопросы можно решить с помощью лазеров.

Наномедицина

В последнее время появилось множество наноструктур, обладающих свойствами, пригодными для целого ряда биологических применений. Важнейшими из них являются:

• квантовые точки - крошечные светоизлучающие частицы нанометровых размеров, используемые в высокочувствительной клеточной визуализации;
• магнитные наночастицы, которые нашли применение в медицинской практике;
• полимерные частицы для инкапсулированных терапевтических молекул;
• металлические наночастицы.

Развитие нанотехнологий и применение лазеров в медицине, кратко говоря, революционизировало способ введения лекарственных средств. Суспензии из наночастиц, содержащие лекарственные препараты, могут повысить терапевтический индекс многих соединений (увеличить растворимость и эффективность, снизить токсичность) путем селективного воздействия на пораженные ткани и клетки. Они доставляют действующее вещество, а также регулируют высвобождение активного ингредиента в ответ на внешнюю стимуляцию. Нанотераностика является дальнейшим экспериментальным подходом, обеспечивающим двойное использование наночастиц, соединения лекарственное средство, терапию и средства диагностической обработки изображений, что открывает путь к персонализированному лечению.

Применение лазеров в медицине и биологии для микродиссекции и фотоаблации позволило на разных уровнях понять физиологические механизмы развития болезни. Результаты помогут определить лучшие методы диагностики и лечения каждого пациента. Развитие нанотехнологий в тесной связи с достижениями в области визуализации также будут незаменимы. Наномедицина является перспективной новой формой лечения некоторых видов рака, инфекционных заболеваний или диагностики.

«Лазеры в современной клинической практике» - так называлось научное сообщение директора ИОФ РАН им. А.М. Прохорова академика Ивана Щербакова, которое тот сделал на заседании Президиума РАН 16 февраля 2016 г. Речь шла о новом поколении лазерной медицинской техники, лазерных технологиях в диагностике и лечении различных заболеваний, основанных на результатах фундаментальных исследований в области лазерной физики. Релевантными исследованиями занимается и ИОФ РАН, и целый ряд результатов этих исследований внедрены или внедряются в клиническую практику.

Механизм действия лазера как медицинского инструмента состоит в том, что в живую ткань попадает сфокусированный инфракрасный луч. В точке размером 2-3 микрона мгновенно концентрируется большая энергия и происходит микровзрыв. Эти микровзрывы кладутся один к другому с огромной частотой на всей площади воздействия, тем самым разрывая ткань. Лазер работает как скальпель, только изнутри ткани. Хирурги в настоящее время используют четыре различных эффекта лазера - термический, механический, фотохимический и эффект сварки тканей. Еще одна широчайшая область применения лазеров - диагностика самых разных заболеваний.

В частности, применение лазеров очень популярно в офтальмологии, где уже десятилетия используют лазерный луч как малоинвазивный и точный хирургический инструмент. В лечении глазных заболеваний применяются разные типы лазеров, с разным источником и длиной волны. Длина волны лазерного излучения определяет область применения лазера в офтальмологии.

Например, аргоновый лазер излучает свет в синем и зеленом диапазонах, совпадающий со спектром поглощения гемоглобина. Это позволяет эффективно использовать аргоновый лазер при лечении сосудистой патологии: диабетической ретинопатии, тромбозах вен сетчатки, ангиоматозе Гиппеля-Линдау, болезни Коатса и др.; 70% сине-зеленого излучения поглощается меланином и преимущественно используется для воздействия на пигментированные образования. Криптоновый лазер излучает свет в желтом и красном диапазонах, которые максимально поглощаются пигментным эпителием и сосудистой оболочкой, не вызывая повреждения нервного слоя сетчатки, что особенно важно при коагуляции центральных отделов сетчатки.

В последнее время в клинической практике разработан целый ряд операций с использованием короткоимпульсных лазеров - с длительностью импульса в 250, 300, 400 фемтосекунд. Эти операции очень эффективны и точны, потому что чем короче импульс - тем меньше точка, в которую нужно его сфокусировать, и, следовательно, тем меньше инвазивность и травматичность. С помощью фемтосекундных лазеров врачи производят самые разные операции по коррекции зрения.

Еще одна отрасль медицины, где медицинское применение лазеров приобрело заслуженную популярность - урология. Mеханический эффект лазера проявляется, например, при воздействии на камни в почках, причем даже самые опасные и сложные по форме. Применение лазера приводит к раздроблению камней и выведению их при проведении малоинвазивной операции.

Далее, при помощи лазера можно удалять опухоли головного мозга и выполнять многие нейрохирургические операции. В современной нейроонкологии используют методы лазерной микрохирургии, лазерной стереотаксии, лазерной эндоскопии и интерстициальной лазерной термотерапии. Применение нейрохирургической лазерной техники позволяет повысить радикальность и снизить травматичность операции при опухолях, располагающихся в «критических» областях мозга, поражающих жизненно важные и функционально значимые его отделы, при условии щадящего отношения к смежным мозговым структурам, сохранения анатомической и функциональной целости сосудов головного мозга.

Очень популярны и быстро развиваются лазерные технологии в косметологии и дерматологии. При помощи лазерного луча сегодня возможно удалять самые разные дефекты кожи, в том числе рубцы - как поверхностные, так и глубокие. При этом происходит стимуляция образования нового коллагена, скрывающего рубец. С другой стороны, лазерная хирургия - это и новый подход к деструкции поверхностных злокачественных и предраковых поражений кожи или слизистой оболочки.

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

Характеристики некоторых типов лазеров.

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl 2 O 3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr 2 Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr +3 . В решетке кристалла Аl 2 О 3 ион Сг +3 замещает ион Аl +3 . Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна-в зеленой, другая-в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг +3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг +3 достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е 1 и Е 1 ’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый - для l = 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч Кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr + , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr +3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е 1 , Е 1 ’ . При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е 1 , Е 1 ’ метастабильны. Время жизни на уровне Е 1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е 1 , Е 1 ’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е 0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2 3 S и 2 2 S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона - 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, - около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

Газовые лазеры . Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.

Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

С0 2 -лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO 2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO 2 передается от молекул азота N 2 , которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N 2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1 , что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO 2 . Ввиду метастабильности возбужденного состояния N 2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N 2 с CO 2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N 2 к CO 2 . Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO 2 . Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

При работе CO 2 - лазера происходит распад молекул CO 2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO 2 -лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О ® CO 2 .

Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO 2 , N 2 , Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO 2 -лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО 2 -лазер. Важной модификацией является проточный СО 2 -лазер, в котором смесь газов CO 2 , N 2 , Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, имеет длину волны 1,06 мкм.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO 2 -лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO 2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000-2000 К) смесь CO 2 и N 2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 -11 -10 -12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е 1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

Принципы работы МО накопителя.

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диски, и под воздействием температуры сопротивляемость изменения полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается. Полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем, примененным к ней в момент нагрева.

В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.

Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличие от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система уже реализована некоторыми фирмами-производителями. Существуют еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология, основанная на изменении фазового состояния, основана на способности вещества переходить из кристаллического состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом деформируется поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

В настоящие время уже разрабатывается технология, позволяющая менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле синхронно с поступлением данных на запись. Существует также технология, построенная на модуляции излучения лазера. В этой технологии дисковод работает в трех режимах: режим чтения с низкой интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера.

Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

ВВЕДЕНИЕ

Основными инструментами, которые применяет хирург для диссекции тканей, являются скальпель и ножницы, т. е. режущие инструменты. Однако раны и разрезы, производимые скальпелем и ножницами, сопровождаются кровотечением, требующим применения специальных мер гемостаза. Кроме того, при контакте с тканями режущие инструменты могут распространять микрофлору и клетки злокачественных опухолей вдоль линии разреза. В связи с этим с давних пор хирурги мечтали иметь в своем распоряжении такой инструмент, который производил бы бескровный разрез, одновременно уничтожая патогенную микрофлору и опухолевые клетки в операционной ране. Вмешательства на «сухом операционном поле» являются идеалом для хирургов любого профиля.

Попытки создать «идеальный» скальпель относятся к концу прошлого века, когда был сконструирован так называемый электронож, работающий с использованием токов высокой частоты. Этот прибор в более совершенных вариантах в настоящее время применяют довольно широко хирурги различных специальностей. Однако по мере накопления опыта выявлены отрицательные стороны «электрохирургии», основной из которых является слишком большая зона термического ожога тканей в области проведения разреза. Известно, что чем шире зона ожога, тем хуже заживает хирургическая рана. Кроме того, при использовании электроножа возникает необходимость включения тела больного в электрическую цепь. Электрохирургические аппараты отрицательно влияют на работу электронных приборов и устройств слежения за жизнедеятельностью организма во время операции. Криохирургические аппараты также вызывают значительное повреждение тканей, ухудшающее процесс заживления. Скорость рассечения тканей криоскальпелем очень низка. Фактически при этом происходит не рассечение, а деструкция тканей. Значительную зону ожога наблюдают и при использовании плазменного скальпеля. Если принять во внимание, что луч лазера обладает выраженными гемостатическими свойствами, а также способностью герметизировать бронхиолы, желчевыводящие протоки и протоки поджелудочной железы, то применение лазерной техники в хирургии становится исключительно перспективным. Кратко перечисленные некоторые достоинства применения лазеров в хирургии относятся прежде всего к лазерам на углекислом газе (С0 2 -лазерам). Кроме них, в медицине применяют лазеры, работающие на других принципах и на других рабочих веществах. Эти лазеры обладают принципиально другими качествами при воздействии на биологические ткани и применяющих по сравнительно узким показаниям, в частности в сердечно-сосудистой хирургии, в онкологии, для лечения хирургических заболеваний кожи и видимых слизистых оболочек и др.

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света -- возбужденные частицы и генераторы радиоволн -- имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики -- квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов -- лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение -- вынужденное, или индуцированное -- возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне 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 меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда -- активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < О К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной сред интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басоиым и А. М. Прохоровым и американскими -- Ч. Таунсом и др.. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения -- лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом -- «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах -- электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин -- это кристалл окиси алюминия Аl 2 0 3 , содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг 3+ . Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {R < 100%). Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2".

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер - (рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность (~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность -- около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. .На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами.

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2 , чаще всего составляет около 0,1 Вт/см 2) -- терапевтические и высокоинтенсивные -- хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10 14 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10 2 -- 10 6 Вт/см 2 .

Низкоинтенсивные лазеры -- это такие, которые 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.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = E t - E k ,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Е г. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10 6 Вт/см 2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S 0 --> S1 --> S n), а при hv hv наносекундных (рис. 4., б) -- по схеме (S 0 --> S1 -> Т г -> Т п). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10 7 Вт/см 2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep -- наиболее широко исполь-зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd 3+),введенных в кристаллыY 3 Al 5 0 12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях пронсходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 10 3 Вт/см 2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10 - 10 с) и увеличивать интенсивность (выше 10 6 Вт/см 2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01--100 Дж/см 2 .

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс -- «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например в воздухе.

В современной медицине используется множество достижений науки и техники. Они помогают своевременной диагностике заболеваний и способствуют их успешной терапии. Медики активно применяют в своей деятельности возможности лазерного излучения. В зависимости от длины волн оно может по-разному влиять на ткани организма. Поэтому учеными было изобретено много медицинских многофункциональных приборов, которые широко используются в клинической практике. Обсудим применение лазера и излучений в медицине чуть более подробно.

Лазерная медицина развивается по трем основным направлениям: в хирургии, терапии и диагностике. Влияние лазерного излучения на ткани определяется диапазоном излучения, длиной волны и энергией фотона излучателя. В целом все виды влияния лазера в медицине на организм можно разделить на две группы

Низкоинтенсивное лазерное излучение;
- высокоинтенсивное лазерное излучение.

Как влияет на организм низкоинтенсивное лазерное излучение?

Воздействие таким лазером может вызывать изменение в тканях организма биофизичеческих, а также химических процессов. Также такая терапия приводит к изменениям метаболизма (обменных процессов) и к его биоактивации. Влияние лазером низкой интенсивности вызывает морфологические и функциональные изменения нервных тканей.

Также такое воздействие стимулирует сердечно-сосудистую систему и микроциркуляцию.
Еще лазер низкой интенсивности повышает биологическую активность клеточных, а также тканевых кожных элементов, приводит к активации внутриклеточных процессов в мышцах. Его использование позволяет запустить окислительно-восстановительные процессы.
Кроме всего прочего подобный метод воздействия положительно сказывается на общей устойчивости организма.

Какой лечебный эффект достигается при применении низкоинтенсивного лазерного излучения?

Такой способ терапии способствует устранению воспаления, снижению отечности, устранению болезненных ощущений и активации процессов регенерации. Кроме того он стимулирует физиологические функции и иммунный ответ.

В каких случаях медики могут применять низкоинтенсивное лазерное излучение?

Такой метод воздействия показан пациентам с острыми и хроническими воспалительными процессами различной локализации, травмами мягких тканей, ожогами, обморожениями и кожными недугами. Есть смысл использовать его при недугах периферический нервной системы, болезнях опорно-двигательного аппарата и при многих заболеваниях сердца и сосудов.

Также низкоинтенсивное лазерное излучение применяется в терапии органов дыхания, пищеварительного тракта, мочеполовой системы, ЛОР-заболеваний и нарушений иммунного статуса.

Такой метод терапии широко применяется в стоматологии: при коррекции недугов слизистых оболочек ротовой полости, болезней пародонта и ВНЧС (височно-нижнечелюстного сустава).

Кроме того таким лазером лечат некариозные поражения, возникшие в твердых тканях зубов, кариес, пульпиты и периодонтиты, лицевые боли, воспалительные поражения и травмы челюстно-лицевого участка.

Применение в медицине высокоинтенсивного лазерного излучения

Высокоинтенсивное лазерное излучение чаще всего применяют в хирургии, причем в разных ее областях. Ведь влияние высокоинтенсивным лазерным излучением помогает разрезать ткани (действует как лазерный скальпель). Иногда его используют для достижения антисептического эффекта, для формирования коагуляционной пленки и для образования защитного барьера от агрессивных воздействий. Кроме того такой лазер может применяться при сварке металлических протезов и различных ортодонтических приспособлений.

Как влияет высокоинтенсивное лазерное излучение на организм?

Такой метод воздействия вызывает термический ожог тканей или приводит к их коагуляции. Он становится причиной испарения, сгорания или обугливания соответствующих участков.

Когда используется высокоинтенсивное лазерное излучение

Такой метод воздействия на организм широко применяется при выполнении самых разных оперативных вмешательств в области урологии, гинекологии, офтальмологии, отоларингологии, ортопедии, нейрохирургии и пр.

При этом лазерная хирургия имеет массу плюсов:

Практически бескровные операции;
- максимальная асептичность (стерильность);
- минимум послеоперационных осложнений;
- минимум воздействия на соседние ткани;
- короткий послеоперационный период;
- высокоточность;
- снижение вероятности формирования рубцов.

Лазерная диагностика

Этот метод диагностики является прогрессивным и развивающимся. Он позволяет определить многие серьезнейшие заболевания на ранней стадии развития. Есть данные, что лазерная диагностика помогает в выявлении рака кожи, костных тканей и внутренних органов. Ее применяют в офтальмологии – для обнаружения катаракты и определения ее стадии. Кроме того такой метод исследования практикуют гематологи – для того чтобы исследовать качественные и количественные изменения кровяных клеточек.

Лазер эффективно определяет границы здоровых и патологических тканей, его можно использовать в сочетании с эндоскопической аппаратурой.

Использование излучения в медицине прочей природы

Медики широко используют различные виды излучений в терапии, диагностике и профилактике разных состояний. Чтобы узнать про применение излучений просто перейдите по интересующим ссылкам:

Рентгеновские лучи в медицине
- радиоволны
- тепловые и ионизирующие лучи
- ультрафиолетовое излучение в медицине
- инфракрасное излучение в медицине