Прямая и резонансная ионизация

Выше уже говорилось, что в процессе поглощения фотонов один из них может подойти достаточно близко к разрешенному атомному состоянию. После создания лазеров с перестраиваемой частотой излучения такие ситуации стали создавать специально. В частности, удалось "организовать" многофотонное возбуждение высоколежащих атомных уровней.

В зависимости нелинейного фототока от частоты многофотонное возбуждение проявляется в виде резонанса. Поэтому многофотонную ионизацию с промежуточным возбуждением реальных атомных состояний называют резонансной, тогда как ионизацию с отсутствующими промежуточными резонансами называют прямой. Многофотонное возбуждение оказалось очень полезным для атомной спектроскопии, поскольку удалось наблюдать много новых атомных состояний, которые для обычной, не лазерной спектроскопии были недоступными. Это обстоятельство привлекло к явлению многофотонного возбуждения и физиков, изучающих строение молекул, так как молекулярные спектры намного сложнее в сравнении с атомными. Сейчас многофотонная молекулярная спектроскопия является весьма бурно развивающимся разделом молекулярной физики.

Туннельный эффект в лазерном поле

Одно из принципиальных отличий многофотонной ионизации от однофотонной состоит в следующем. Поскольку энергия каждого светового кванта в многофотонном случае может быть очень мала, а следовательно, велик период световых колебаний, многофотонная ионизация должна в пределе переходить в случай ионизации атома в постоянном электрическом поле. Как известно, полевая ионизация описывается квантовой механикой как туннелирование электрона под потенциальным барьером (аналогичным образом Г. Гамовым был описан ядерный a-распад, что явилось одним из триумфов квантовой механики в годы ее становления). Другими словами, ионизацию атома в постоянном поле можно рассматривать как многофотонное поглощение, когда энергия каждого отдельного фотона стремится к нулю, а число поглощенных фотонов становится бесконечным. Впервые туннельный эффект в переменном поле теоретически был описан в работе Л.В. Келдыша. Условие возникновения туннельного эффекта в переменном поле можно качественно понять следующим образом: в силу когерентности лазерное излучение возможно представить как классическую электромагнитную волну, причем магнитной составляющей волны можно пренебречь. Тогда на атомный электрон действует электрическое поле, периодически изменяющееся во времени с частотой лазерного излучения. В случае, если электрон успеет протуннелировать из атомной потенциальной ямы глубиной U за один полупериод поля, он окажется ионизованным в соответствии с законами туннельного эффекта, в противном случае будет реализован, как говорят, многофотонный режим, который описывается формулой (2).

Ла́зерная абля́ция

Ла́зерная абля́ция — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно в данном случае тёмная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами (аэрозоля). Режим лазерной абляции иногда также называется лазерной искрой (по аналогии с традиционной электрической искрой в аналитической спектрометрии. Лазерная абляция используется в аналитической химии и геохимии для прямого локального и послойного анализа образцов (непосредственно без пробоподготовки). При лазерной абляции небольшая часть поверхности образца переводится в состояние плазмы, а затем она анализируется, например, методами эмиссионной или масс-спектрометрии. Соответствующими методами анализа твёрдых проб являются лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС) лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС). В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в индуктивно-связанную плазму и последующим детектированием свободных ионов в масс-спектрометре. Перечисленные методы относятся к группе методов аналитической атомной спектрометрии и к более общей совокупности методов элементного анализа. Лазерная абляция также применяется для тонкой технической обработки поверхностей и нанотехнологии (например, при синтезе одностенных углеродных нанотрубок).

Лазерное излучение широко применяется в химии. Химические процессы, стимулируемые лазерным излучением, в которых решающую роль играют специфические свойства лазерного излучения. Так, высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, при этом молекулы других. видов остаются невозбужденными. При этом селективность возбуждения ограничена лишь степенью перекрывания полос в спектре поглощения вещества. Подбирая частоту возбуждения, удается не только осуществлять избирательную активацию молекул, но и менять глубину проникновения излучения. Использование импульсов излучения малой длительности позволяет в принципе снять ограничение селективности, связанное с обменом энергией между различными молекулами или между различными химическими. связями в одной молекуле. Большая интенсивность лазерного излучения дает возможность получать возбужденные молекулы или радикалы в высоких концентрациях. Наконец, возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию локально, в определенную область объема, занимаемого реагирующей смесью. Лазерное воздействие на химические. реакции может быть тепловым и фотохимическим. При тепловом воздействии реагирующая смесь только нагревается, энергия распределяется равномерно по всем степеням свободы реагирующих молекул. Преимущество лазерного нагрева в возможности вводить энергию в нужное место реакции. объема и за очень короткое время, а также избегать нежелательного контакта реагентов с нагреваемой поверхностью реактора. Локальный нагрев реагентов при этом может достигать тысяч градусов, что крайне трудно при других. способах нагрева. Химическая реакция часто представляет собой нелинейный процесс, имеющий сложное пространственно-временное поведение и описываемый нелинейными дифференциальными уравнениями. Воздействие лазерного излучения на реагирующую смесь вблизи точек бифуркации позволяет резко изменять режим теплового химического процесса при малых затратах лазерной энергии.

Фотохимическое воздействие лазерного излучения дает возможность достигать концентраций возбужденных молекул или радикалов, намного превышающих равновесное значение при данной температуре. Под действием лазерного ИК излучения стимулирование химических процессов в газах происходит путем резонансного возбуждения колебания. степеней свободы молекул. Подбором условий (давление газа, интенсивность и частота лазерного излучения) удается достичь высокой сверхравновесной концентрации колебательно возбужденных молекул и осуществить их диссоциацию (фрагментацию). Достаточно коротким и интенсивным импульсом излучения при малом давлении оказывается возможным возбудить и фрагментировать молекулы за времена более короткие, чем время межмолекулярного обмена энергией при их столкновениях. Важным является то, что при этом достигается высокая межмолекулярная селективность. Достигаемая селективность активации может быть использована для лазерного разделения изотопов получения особо чистых веществ. Предполагается, что с помощью лазерного ИК излучения окажется возможной и внутримолекулярная селективность активации молекул по заранее обусловленной химической. связи (или группе связей). Препятствием на пути к этому является быстрый обмен энергией между различными. типами колебаний, резко ускоряющийся при увеличении колебательной. энергии. Фотохимическое. действие лазерного излучения в видимом и УФ диапазонах менее специфично, чем в ИК области, тем не менее благодаря большой интенсивности излучения оно используется для возбуждения молекул в высоколежащие электронные уровни энергии и ионизации, которая происходит в результате поглощения нескольких. фотонов в одном элементарном акте реакцииции. Это позволяет отказаться от использования коротковолнового излучения обычных источников, заменив его сравнительно длинноволновым лазерным излучением. Применение лазерного излучения в химии наиболее. эффективно для процессов, связанных с получением дорогостоящих продуктов и изделий (разделение изотопов, создание интегральных схем для микроэлектроники, синтез особо чистых веществ и реактивов, потребляемых в небольших количествах). Использование лазеров в крупнотоннажных производствах, по-видимому, пойдет по пути инициирования технологии. процессов, базирующихся на цепных реакциях. При длине цепи v каждый химически активный центр. созданный лазерным излучением, даст v молекул продукта. Тогда энергетическоймне стоимость продукта оказывается равной Qh-lv-l, где Q - затраты лазерной энергии на создание активной молекулы или радикала, h – кпд лазера. При большой длине цепи (~103—104) стоимость лазерной энергии перестает быть решающим фактором даже для крупнотоннажного производства.

Так же лазерное излучение используется в биологии и медицине. Известно, что биологические ткани способны поглощать кванты лазерного излучения. По закону Эйнштейна-Старка о фотохимическом эквиваленте на каждый поглощенный фотон при фотохимической реакции образуется активированная частица (атом, молекула, свободный радикал). За ней следует клеточная реакция (первичная), переходящая в генерализованную (системную, вторичную) реакцию. Лазерное излучение высокой интенсивности вызывает обезвоживание, испарение облучаемых тканей; средней интенсивности – коагуляцию тканей. Низкоинтенсивное лазерное излучение (не более 100 мВт/см2) влияет на энергетический потенциал молекул; его действие отражается на кинетике биохимических процессов. Low Level Laser Therapy, не изменяющая внутримолекулярные связи, определяющие цепное строение биополимеров, не имеет мутагенного действия, не вызывая выраженных изменений морфологической структуры тканей. Степень соответствия длины волны излучения максимуму поглощения ткани определяет проницаемость тканей для лазерного излучения. Так, при выстреле рубиновым лазером по двойному воздушному шару, первая оболочка которого состоит из бесцветной резины, а вторая – из зеленой, разрывается только внутренняя (зеленая), хорошо поглощающая излучение; наружная (бесцветная) остается целой. Кожа и большинство тканей наиболее проницаемы для излучения с длиной волны 800-1200 нм, что позволяет ему при транскутанном воздействии распространяться в ткани на бóльшую глубину, чем другим видам лазерного излучения. Например, при длине волны 630 нм (гелий-неоновый лазер) глубина проникновения излучения, по разным источникам информации, колеблется от нескольких миллиметров до одного сантиметра, а при длине волны 890 нм (арсенид-галлиевый лазер) составляет 6-8 см . Результат действия лазерного излучения на биологические объекты, являющиеся многослойными системами, во многом определяется процессами поглощения и отражения излучения на границах сред. Установлено, что именно в этих местах наиболее выражены эффекты лазерного облучения. Когерентность излучения, по мнению отдельных исследователей, позволяет локализовать фотохимическую реакцию и приблизить ее к клеткам; повышает эффективность лечения заболеваний кожи, заживление ран.

Большая роль принадлежит режиму генерации излучения. Так, за время, равное длительности импульса, ткани, расположенные на максимальной глубине проникновения лазерного луча, при импульсной подаче излучения получают значительно больше энергии, чем при облучении непрерывным лазерным излучением. Это связано с более полной утилизацией атомами и молекулами импульсной энергии. Импульсное воздействие способствует, кроме того, образованию в тканях волн сжатия и разрежения, распространение которых обеспечивает общее действие излучения на организм. Облучение точек акупунктуры импульсным лазерным излучением оказывает стимулирующее действие на организм, а непрерывным – успокаивающее. Импульсный режим генерации излучения исключает развитие «привыкания» биологических тканей к действию этого физического фактора.

Варьируя частоту импульсов в соответствии с оптической плотностью тканей, можно оказать селективное действие на различные биологические структуры и клетки. Так, частота 10 Гц предлагается для стимуляции нервной ткани. Легкие чувствительны к излучению частотой 600-3000 Гц, максимальная ответная реакция наблюдается в интервале 600-1500 Гц, а отсутствие повреждающих эффектов – при частоте 600 Гц.

Значение экспозиции для биологического эффекта лазерного излучения доказано в экспериментальных исследованиях. Например, облучение продолжительностью 10 мин. способствует улучшению метаболизма и росту функциональной активности нейтрофилов «invivo» и «invitro», а более длительная экспозиция снижает функциональные возможности клеток. 60-минутное внутривенное лазерное облучение крови вызывает необратимые изменения: отслоение эндотелиоцитов от базальной мембраны и их десквамацию.

Лазерный свет как один из видов электромагнитного излучения может вызвать развитие адаптационных реакций: «тренировки» – при слабом воздействии, «активации» – при действии раздражителя средней силы, «стресса» – в ответ на сильный стимул. Каждая из них характеризуется определенным комплексом изменений, оказывающим влияние в первую очередь на уровень неспецифической резистентности организма, его противовоспалительный потенциал и обмен веществ. Это обусловлено тем, что тип стандартной ответной реакции на действующий фактор определяет сила раздражителя

Итак, биологические объекты весьма чувствительны к излучению лазеров низкой интенсивности.

Существует несколько гипотез, отражающих предполагаемый первичный эффект взаимодействия лазерного излучения с биологическими системами.

Сторонники первой полагают, что лазерное излучение активизирует некоторые ферменты-акцепторы, спектр поглощения которых совпадает с его энергетическим спектром. Ведущую роль в абсорбции излучения аргонового лазера отводят гемоглобину, гелий-кадмиевого – рибофлавину и цитохромоксидазе. Поглощая энергию лазерного излучения, акцепторы (ферменты или биологически активные вещества) запускают регулируемые ими биохимические процессы.

Вторая концепция предполагает неспецифическое действие излучения на биополимеры (белки, липиды, мембраны, ферменты), в результате которого меняется конформационное строение последних и их функциональное состояние. Энергия, необходимая для конформационных переходов биополимеров, невелика, поэтому слабые энергетические факторы (низкоинтенсивное лазерное излучение) могут влиять на электронно-конформационные взаимодействия.

По третьей концепции, в результате действия лазерного излучения образуются активные формы кислорода (синглетный кислород), которые индуцируют окислительные процессы .

Реакцию организма на лазерное излучение трактуют и как ответ на непривычный раздражитель.

Вероятно, возможно как специфическое, так и неспецифическое действие лазерного излучения.

Не вызывает сомнений одно: лазерное излучение стимулирует изменения, которые реализуются на всех уровнях организации живой материи: субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном.

Экспериментальные и клинические исследования свидетельствуют об изменении энергетической активности и конформационного состояния мембран, активации ядерного аппарата клеток, основных ферментных систем, биосинтетических и окислительно-восстановительных процессов, структурно-функциональных преобразованиях межклеточного пространства, увеличении продукции макроэргических соединений, повышении митотической активности клеток. Это обеспечивает быстрые темпы внутри- и внеклеточной физиологической и репаративной регенерации, формирование комплексных нервно-рефлекторных и нейрогуморальных реакций. Они, в сочетании с активацией симпатоадреналовой системы, запускают комплекс адаптационных и компенсаторных реакций, способствующих восстановлению гомеостаза организма, а, следовательно, выздоровлению больного.

Стимулированные местные реакции организма (т.е. развивающиеся в тканях, подвергшихся облучению) имеют фазовое течение. Согласно результатам экспериментов на животных, в начале изменяется структура мембран и цитоплазматических структур, функции мембранно-цитоплазматических регуляторных систем. Потом активируются генная регуляторная, антиоксидантная, антимутационная системы клетки, повышается её резистентность. Это сменяется увеличением проницаемости лизосом, активацией свободных радикалов, повреждением генов и хроматина, митохондрий, нарушением взаимодействия клеток с регуляторными системами организма. Следующий этап – репарация ДНК, РНК,

Разработка инфракрасных лазеров, излучение которых распространяется в ткани на глубину 6-8 см, исключила необходимость поиска биологически активных точек, введения световодов, проведения бронхоскопий для облучения лазерным излучением. Этот вид Лазерного излучения позволяет при транскутанном воздействии облучать внутренние органы, в том числе трахео-бронхиальное дерево и легкие. Такое действие определяет перспективность использования инфракрасного арсенид-галлиевого излучения в пульмонологии.

Оценка свойств ИК лазерного излучения показала, что основными воспринимающими тканями данного излучения являются кровь и стенка сосудов, основной воспринимающей структурой служат белки, реализация основных эффектов осуществляется через реакции системного характера. Их развитие после облучения уже доказано для сердечно-сосудистой и нервной систем. Отмечено, что сосудистые реакции составляют основу действия этого вида излучения, а стимулированные эффекты зависят от режима воздействия (частоты импульсов, продолжительности облучения).

При этом для достижения лечебного эффекта требуется меньшее количество энергии, чем при использовании гелий-неонового лазерного излучения.

Арсенид-галлиевое лазерное излучение вызывает развитие в организме компенсаторно-приспособительных реакций. У ИК лазерного излучения отмечен более выраженный сосудорасширяющий эффект, чем у излучения видимого диапазона. Для купирования бронхоспазма оно также более эффективно, чем излучение гелий-неоновых лазеров. Данный вид лазерного излучения оказывает минимальное отрицательное влияние на сложные белки, причем наименьшее, по сравнению с другими видами лазерных излучений. Арсенид-галлиевые лазерные установки работают в импульсном режиме. Это обеспечивает дополнительный эффект лазеротерапии и возможность подбора наиболее эффективных частот для лечения больных.

Так, частота 80 Гц наиболее перспективна для улучшения реологических свойств крови, а 600 Гц стимулирует максимальные ответные реакции в легких. Иммунная система реагирует на лазерное излучение в диапазоне 150-1500 Гц, максимальной выраженности иммуномодулирующий эффект достигает при использовании средних частот. Стимулированные изменения иммунитета могут иметь двухфазный характер. Например, облучение проекций тимуса и селезенки здоровых животных с частотой 150-1500 Гц вызывает первоначальное угнетение митотической активности лимфоцитов, сменяющееся стимуляцией антителогенеза через 15 дней после воздействия.

Таким образом, инфракрасное лазерное излучение (например, арсенид-галлиевой природы) имеет общие свойства с другими видами лазерного излучения, что позволяет предполагать сходство лечебных эффектов различных видов лазеротерапии и их особенностей.