Лазеры или оптические квантовые генераторы — это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками — газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 -1013 Вт (в импульсном режиме).
Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E 1 , E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10— 8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10— 3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
Лазеры и их применение
... индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. 1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА Лазеры являются ...
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.
В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным илииндуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.
Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
1. 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.
Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани
... Вынужденное излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. Поглощение электромагнитного излучения — это процесс поглощения одного или нескольких фотонов другой частицей, в результате ...
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 среде 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.
Лазеры и их применение в медицине (3)
... энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно ... 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 ...
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. Басоным 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 03 , 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 безизлучательный 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 %).
Лазеры. Строение и применение
... излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света ... в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать ... реферата – узнать и понять самому, а также ознакомить окружающих с таким изобретением, как лазер. ...
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. лазер пробой медицинское биологическое
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.
Лазеры в медицине
... 1. Физические основы применения лазерной техники в медицине 1.1 Принцип действия лазера Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными ...
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 1014 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 102 — 106 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 — Ek ,
что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Ег. 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.
Лазеры и их применение в медицине
... отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, поляризацию и фазу. Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический ...
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 (S0 -> S1 -> Sn ), а при hv hv наносекундных (рис. 4, б) — по схеме (S0 -> S1 -> Тг -> Тп ).
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 С 02 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep — наиболее широко используемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd3+ ), введенных в кристаллыY3 Al5 012 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 происходит 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 С 0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 103 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 .
Применение лазеров в лазерном шоу
... выделяют три вида лазерных шоу: ·лазерная графика (laser grafic show), ·объемное лазерное шоу (laser beam show) ·смешанное лазерное шоу (laser mix show). .1.Лазерная графика Лазер рисует изображение, в ... Полноцветный ("RGB" или "белый") лазер. В полноцветных лазерных проекторах, как правило, установлено три источника излучения - красный, зеленый и синий, излучение которых может смешиваться в ...
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.
2. Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в хирургии (общие принципы)
Основной метод лечения хирургических болезней — операции, связанные с рассечением биотканей. Воздействие сильносконцентрированной световой энергии на биоткань приводит к ее сильному нагреву с последующим испарением межтканевой и внутриклеточной жидкости, уплотнению и коагуляции тканевых структур. При малых экспозициях разрушению подвергаются поверхностные слои биоткани. С ростом экспозиции увеличиваются глубина и объем деструкции.
Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:
- коагулирующие: 1-5 Вт;
- испаряющие и неглубоко режущие: 5-20 Вт;
- глубоко режущие: 20-100 Вт.
Конечно, это деление в значительной степени условно, так как длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера
При использовании лазерного излучения большой мощности происходит очень быстрое повышение температуры ткани в месте контакта лазерного луча с биотканью. Это приводит к эффекту обратимой денатурации белка (40-53 °С), дальнейшее повышение температур (55-63 °С) к необратимой деструкции белковых структур. Повышение температуры от 63 до 100 °С приводит к коагуляции, а от 100 °С и более к испарению и карбонизации биоткани.
Операция, проводимая бесконтактным методом, обеспечивает ярко выраженное гемостатическое действие. Воздействие осуществляется практически бескровно или с минимальной кровопотерей, что упрощает ее выполнение и сопровождается незначительной травматизацией окружающих тканей.
Глубина проникновения излучения лазера в ткани зависит от времени воздействия и степени гидратации ткани. Чем выше гидрофильность, тем глубина проникновения меньше, и наоборот, чем меньше степень гидратации ткани, тем глубже проникает излучение. При импульсном лазерном излучение биоткань не прогревается на необходимую глубину в результате значительного поверхностного поглощения, и поэтому испарения не происходит, а имеет место только коагуляция. При длительном воздействии после обугливания изменяются параметры поглощения ткани и начинается испарение.
В лазерной хирургии используется высокоинтенсивное лазерное излучение (ВИЛИ), которое получают с помощью С0 2 , EnYAG-лазера и аргонового лазера.
Лазерные хирургические инструменты обладают высокой точностью и аккуратностью производимого деструктивного действия на оперируемые органы и ткани. Это актуально и подчас является всегда недостающим звеном в ключевых этапах операций, особенно операций, производимых на тканях и органах с интенсивным кровоснабжением, для того чтобы вызывать коагуляцию фронта деструкции и избегать кровоизлияния. Также применение лазерного скальпеля обеспечивает абсолютную стерильность операции. Здесь можно привести медицинские комплексы «Скальпель-1», «Калина», «Разбор», «Ланцет-1» — модели СО, лазера, предназначенные для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики. Лазерные хирургические аппараты являются универсальным режущим средством и могут быть использованы на ключевых этапах хирургических вмешательств. Показаниями к применению лазерного излучения во время операции служат: необходимость проведения операций на обильно кровоснабжаемых органах, когда требуется полный гемостаз, а его выполнение обычными способами сопровождается большой кровопотерей; необходимость стерилизации гнойных ран и профилактики возможного микробного загрязнения чистых операционных ран (это обстоятельство чрезвычайно важно в регионах с тропическим климатом); необходимость прецизионной техники оперативных вмешательств; оперативные вмешательства у больных с нарушением свертывания крови.
Лазерные измерители вибрации (виброметры)
... индустриальный датчик вибрации - лазерный виброметр, предназначенный для бесконтактного измерения вибрации. Изначально, IVS-200был разработан для стационарного применения в существующих поточных линиях. Лазер, оптика ... распределения интенсивности волнового фронта диффузно отраженного излучения лазера. Лазерный пучок с линейной поляризацией от модифицированного лазера ГН-2П (λ=0,63 мкм) поворотными ...
Универсальных режимов лазерного воздействия на различные ткани не существует. Поэтому подбор оптимальных параметров и режимов воздействия осуществляется хирургом самостоятельно на основе базовых методик применения лазерных хирургических установок в медицинской практике. Для хирургической обработки указанные методики разработаны сотрудниками Российского государственного научного центра лазерной медицины и ММА им. И.М. Сеченова, Тверской медицинской академии на основе обобщения клинического опыта в различных областях медицины: в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, абдоминальной хирургии, хирургии легких и плевры, пластической хирургии, косметологии, гнойной хирургии, ожоговой хирургии, хирургии аноректальной области, гинекологии, урологии, отоларингологии.
Характер взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью зависит от плотности мощности лазерного излучения и от времени взаимодействия. Скорость разреза тканей лазерным лучом на разных этапах операции подбирается хирургом опытным путем в зависимости от вида ткани и желаемого качества разреза при выбранных параметрах лазерного излучения. Замедление скорости разреза может привести к увеличению карбонизации тканей и образованию глубокой зоны коагуляции. В суперимпульсном режиме и особенно в импульсно-периодическом режиме карбонизация и некроз, связанные с перегревом окружающих тканей, практически исключены при любой скорости движения лазерного луча. Приведем основные характеристики используемых в медицинской практике аппаратов. Длина волны излучения — 10,6 мкм. Выходная мощность излучения (регулируемая) — 0,1-50 Вт. Мощность в режиме «медимпульс» — 50 Вт. Плотность мощности лазерного облучения сверху ограничена условно величиной 50-150 Вт/см 2 для импульсных лазеров и величиной 10 Вт/см 2 для лазеров непрерывного действия. Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый) — 200; 300; 500 мкм. Наведение основного излучения лучом диодного лазера — 2 мВт, 635 нм. Режимы излучения (переключаемые) — непрерывный, импульсно-периодический, медимпульс. Время экспозиции излучения (регулируемое) — 0,1-25 мин. Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая) — 0,05-1,0 с. Длительность паузы между импульсами — 0,05-1,0 с. Пульт управления выносной. Включение и выключение излучения — ножная педаль. Удаление продуктов сгорания — система эвакуации дыма. Радиус операционного пространства — до 1200 мм. Система охлаждения — автономная, воздушно-жидкостного типа. Размещение в операционной напольное или настольное. Электропитание (переменный ток) — 220 В, 50 Гц, 600 Вт. Габаритные размеры, масса варьируют. Как можно заметить, основным отличием лазера для хирургии от остальных медицинских лазеров является высокая мощность излучения, особенно в импульсе. Это необходимо, чтобы за время действия импульса тканевое вещество успело поглотить излучение, разогреться и испариться в окружающее воздушное пространство. В основном все хирургические лазеры работают в средней инфракрасной области оптического диапазона.
Для проведения операций в мобильном варианте подходит JIM-10 — лазерный хирургический аппарат «Лазермед» — последнее достижение в области лазерной техники. Построенный на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм, аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Выходная мощность излучения — 0-7(10) Вт, габариты в упакованном состоянии 470 х 350 х 120 мм, масса не более 8 кг. Этот аппарат выполнен в виде чемодана, который в случае необходимости можно трансформировать в рабочее положение.
Также среди продукции других отечественных фирм-производителей можно указать следующие хирургические комплексы: АЛОД-ОБАЛКОМ «Хирург» (хирургический лазерный аппарат ближнего ИК-диапазона с регулируемой мощностью излучения).
Предлагается 5 модификаций, отличающихся максимальной мощностью лазерного излучения, — 6 Вт, 9 Вт, 12 Вт, 15 Вт, 30 Вт. Используются для ПТ-терапии (коагуляции, удаления новообразований, разрезания тканей), установки на основе углекислотного, YAG-неодимового (общая хирургия) и аргонового (офтальмология) лазера компании, а также многие другие на основе как газовых, так и твердотельных и полупроводниковых активных сред.
Существуют многие зарубежные и отечественные аналоги, принципы использования которых аналогичны вышеизложенным.
3. Световой пробой
Световой пробой (оптический пробой, оптический разряд, лазерная искра), переход вещества в результате интенсивной ионизации в состояние плазмы под действием электромагнитных полей оптических частот. Впервые световой пробой наблюдался в 1963 при фокусировке в воздухе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина, работающего в режиме модулированной добротности. При световом пробое в фокусе линзы возникает искра, эффект воспринимается наблюдателем как яркая вспышка, сопровождаемая сильным звуком. Для пробоя газов на оптических частотах требуются огромные электрические поля порядка 106-107 В/см, что соответствует интенсивности светового потока в луче лазера =109-1011 Вт/см 2 (для сравнения, СВЧ-пробой атм. воздуха происходит при напряжённости поля =104 В/см).
Возможны два механизма Световой пробой газа под действием интенсивного светового излучения. Первый из них не отличается по своей природе от пробоя газов в полях не очень больших частот (сюда относится и СВЧ-диапазон).
Первые затравочные электроны, появившиеся по тем или иным причинам в поле, сначала набирают энергию, поглощая фотоны при столкновениях с атомами газа. Этот процесс является обратным по отношению к тормозному испусканию квантов при рассеянии эл-нов нейтр. возбуждёнными атомами. Накопив энергию, достаточную для ионизации, эл-н ионизует атом, и вместо одного появляются два медленных эл-на, процесс повторяется. Так развивается лавина (см. ЛАВИННЫЙ РАЗРЯД).
В сильных полях такой процесс осуществляется достаточно быстро и в газе вспыхивает пробой. Второй механизм возникновения Световой пробой, характерный именно для оптических частот, имеет чисто квантовую природу. Электроны могут отрываться от атомов в результате многоквантового фотоэффекта, т. е. при одновременном поглощении сразу нескольких фотонов. Одноквантовый фотоэффект в случае частот видимого диапазона невозможен, т. к. потенциалы ионизации атомов в несколько раз превышают энергию кванта. Так, напр., энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а ионизационный потенциал аргона равен 15,8 эВ, т. е. для отрыва электрона требуется 9 фотонов. Обычно многофотонные процессы маловероятны, но скорость их резко повышается при увеличении плотности числа фотонов, а при тех высоких интенсивностях, при которых наблюдают Световой пробой, вероятность их достигает значительной величины. В плотных газах, при давлениях порядка атмосферного и выше, всегда происходит лавинная ионизация, многофотонные процессы является здесь лишь причиной появления первых эл-нов. В разреженных же газах и в полях пикосекундных импульсов, когда электроны вылетают из области действия поля, не успев испытать много столкновений, лавина не развивается и Световой пробой возможен только за счёт непосредственного вырывания эл-нов из атомов под действием света. Это возможно только при очень сильных световых полях >107 В/см. При высоких давлениях Световой пробой наблюдается в гораздо более слабых полях. Весь механизм Световой пробой сложен и многообразен.
Основные световые величины
Световой пробой наблюдается и в конденсированных средах при распространении в них мощного лазерного излучения и может явиться причиной разрушения материалов и оптических деталей лазерных устройств.
Использование полупроводникового лазера открывает новые возможности в качестве и сроках проводимого лечения. Этот высокотехнологический хирургический инструмент и аппарат может применяться для профилактики и ведения раны в постоперационном периоде. Это становится возможным за счет использования физиотерапевтических свойств лазерного излучения инфракрасного спектра, обладающего выраженным противовоспалительным эффектом, бактериостатическим и бактерицидным действием, и оказывающего стимулирующее влияние на тканевой иммунитет и процессы регенерации. Отдельно стоит упомянуть о возможности использования диодного лазера для отбеливания зубов на 3-4 тона за одно посещение. Тем не менее, наиболее частыми областями применения лазера являются хирургия и пародонтология.
Результаты, полученные при работе с лазером, дают основания утверждать: диодный лазер — это практически незаменимый помощник врача в каждодневной работе, что подтверждается и положительными отзывами пациентов. По их мнению применение данного вида лечения является обоснованным и комфортным. Операция проходит бескровно, быстро, послеоперационный этап переносится легче.
Объективно наблюдаются уменьшение сроков заживления в 2 раза, меньшие болевые ощущения во время и после операций, позволяющие обходиться без анестетиков, более быстрое течение регенерации, отсутствие отеков — неудивительно, что все большее количество пациентов предпочитают проведение манипуляции лазером. Но это еще не все — разработанная методика ведения пациентов с заболеванием пародонта позволяет уменьшить количество и отсрочить проведение лоскутных операций. Также получены обнадеживающие результаты в эндодонтии — очень перспективным представляется проведение обработки каналов лазерным светом.
Области применения
* Коррекция десны при предпротезной подготовке облегчает работу с материалами. Бескровное поле дает непосредственный доступ к поверхностям, закрытым слизистой оболочкой.
* Пластика уздечек — устраняются короткие уздечки языка и верхней губы, пластика преддверия полости рта. В большинстве случаев успешно проводится полное удаление уздечки. В процессе заживления наблюдается минимальное образование отека — значительно меньше, чем раны от вмешательства скальпелем.
* Обработка пародонтальных карманов при гингивите и начальном пародонтите. После проведения курса облучения достигается быстрый и хороший результат. Также замечено, что твердые зубные отложения после воздействия лазерного излучения легче удаляются.
* Гингивопластика. Гингивальная гиперплазия, возникающая в результате ортодонтического лечения, механического раздражения встречается все чаще. Известно, что стимуляция слизистых тканей приводит к патологическому покрытию зуба. Реакция ткани постоянна, обычно требуется удаление лишней ткани. Лазерная хирургия представляет эффективный метод удаления лишней ткани, восстанавливающий нормальный внешний вид слизистой.
* Лечение афтозных язв и гиперестезий герпеса. Используются физиотерапевтические возможности диодного лазера. Энергия лазера в виде несфокусированного пучка, направленная на поверхность данных повреждений, воздействует на нервные окончания (при гиперестезиях).
Более трудные случаи требуют наличия легкого поверхностного контакта.
* Косметическая реконструкция слизистой. Эта манипуляция является совершенным эстетическим методом лечения. Лазеры дают возможность удалять ткань послойно. Отсутствие кровотечения позволяет проводить данные операции с большей точностью. Десневые ткани легко выпариваются, оставляя четкие края. Параметры ширины, длины разрезов и высоты гингивальных контуров легко достижимы.
* Пародонтологическое лечение. В данной ситуации наиболее успешным является комплексный подход, сочетающий хирургию и физиотерапию. Имеются программы лечения, приводящие к длительной ремиссии при соблюдении пациентом рекомендаций по гигиене полости рта. При первом посещении производится купирование острого процесса, затем производится санация патологических карманов, при необходимости выполняются хирургические манипуляции с использованием дополнительных костных материалов. Далее пациент проходит поддерживающий курс лазерной терапии. Период лечения занимает в среднем 14 дней.
* Эндодонтическое лечение. Традиционное применение лазера в эндодонтии — это выпаривание остатков пульпы и обеззараживание каналов. Специальные эндодонтические насадки позволяют работать непосредственно в открытом канале до апекса. С помощью лазера происходит аблация остатков тканей, уничтожение бактерий и остекление стенок каналов. При наличии фистулы лазерный луч проходит через канал фистулы в сторону очага воспаления. При этом на некоторое время приостанавливается распространение инфекции и подавляются симптомы, однако рецидив очевиден, если корневой канал не будет полноценно обработан.
* Отбеливание. Не стоит отмахиваться от того факта, что это одна из самых востребованных среди пациентов эстетических процедур. С помощью диодного лазера существенного отбеливающего эффекта удается достичь уже за одно посещение. Сама процедура предельно проста и заключается в активации лазерным излучением предварительно нанесенного отбеливающего геля.
Преимущества. В хирургической стоматологии и пародонтологии преимущества лазера определяются такими факторами, как точность и простота доступа к операционному полю. При этом во время операции отсутствует кровотечение, что позволяет операционному полю оставаться сухим, а это естественным образом обеспечивает лучший обзор — в результате уменьшается время проведения операции. Дополнительно стоит отметить, что во время операции сосуды коагулируются, тем самым происходит минимизация послеоперационного отека.
Также за счет противовоспалительного и бактериостатического действия лазерного излучения уменьшается риск возникновения осложнений. Заживление ран происходит быстрее по сравнению с использованием традиционных методик.
При лазерном консервативном лечении гингивита и пародонтита с глубиной карманов до 5 мм отмечается отсутствие кровоточивости и воспалительных явлений, в ряде случаев наблюдается регенерация костной ткани, что подтверждается рентгенологическими исследованиями.
При проведении отбеливания помимо небольшого времени процедуры (около 1 часа) значительным преимуществом является минимальное проявление гиперчувствительности после процедуры отбеливания.
Отечественные разработки. Как видите, преимуществ использования диодных лазеров немало. Есть правда и один серьезный недостаток, присущий всем инновационным разработкам во всех областях человеческого знания — высокая цена. Действительно, стоимость таких аппаратов, особенно производства известных западных брендов, значительна. К счастью, в этой области есть и российские разработки, причем это тот достаточно редкий случай (когда речь заходит о высокотехнологичных разработках), когда «российское» не означает «худшее». Еще с советских времен отечественные разработки в области лазерных технологий не только не уступают западным аналогам, но зачастую и превосходят их — многие прототипы современных лазерных систем разрабатывались именно в нашей стране.
Существует и отечественный полупроводниковый стоматологический лазер — это аппарат «Лами С» (совместная разработка УМЦ «Дента-Рус» и НПФ «Опттехника»), которым уже заинтересовались некоторые западные компании, т.к. среди всего прочего неоспоримым его достоинством является тот факт, что стоимость лазера в 3 раза ниже, по сравнению с импортными аналогами.
В аппарате используются полупроводниковые лазерные кристаллы, работающие от низковольтных маломощных (350 Вт) источников питания, а не газоразрядные трубки, требующие специального высоковольтного источника питания. Такая конструкция позволяет решить сразу несколько задач — отсутствие высокого напряжения является определенной гарантией безопасности для врача и пациента, нет вредных электромагнитных полей, не требуется и специальное охлаждение.
Но вернемся к невысокой цене прибора — это позволяет значительно быстрее окупить финансовые вложения и начать получать прибыль. Согласитесь, помимо улучшения качества обслуживания пациентов, это также очень немаловажно в условиях коммерческого приема.
Из других особенностей аппаратов «Лами» имеет смысл отметить следующие — они не требуют особых условий и специального обслуживания, малогабаритны и легко транспортируются в пределах клиники, обладают надежностью и стабильностью параметров. Сервисное обслуживание организовано таким образом, что при возникновении неисправностей на время ремонта врач получает другой аппарат.
Все это позволяет разработчикам рекомендовать лазерный аппарат «Лами» для использования в каждодневной практике стоматолога для повышения качества приема.
Заключение
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 (С 0 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.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/zastosuvannya-lazeriv-v-meditsini/
1. А.Н. Ремизов «Медицинская и биологическая физика».
2. О.К. Скобелкина «Лазеры в хирургии под редакцией профессора».
3. С.Д. Плетнева «Лазеры в клинической медицине» под редакцией».
