51. Основные параметры и характеристики лазеров.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения^[8]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. Важнейшими параметрами лазеров медицинского назначения являются: излучаемая световая мощность(Вт);плотностьмощности (обычно в Вт/см² ); размер пятна светового излучения; длина волны; длительность промежутка времени непрерывного излучения.

В низкоэнергетических лазерах, предназначенных для проведения терапии, важны энергия воздействия и плотность энергии. 

Для хорошей повторяемости ответной реакции организма необходимо обеспечивать идентичность воздействующего лазерного облучения. При этом недостаточно иметь равенство только плотностей энергии. Так например, одну и ту же плотность энергии в 255 Дж/см² , можно получить при мощности лазера 2 Вт, размере пятна в диаметре 1 мм, времени облучения 1 с и при мощности лазера 2 Вт, размере пятна в диаметре 0,5 мм, времени облучения 0,25 с. Нов первом случае плотность мощности будет равна 255 Вт/см² , а во втором 1018 Вт/см². Чем больше плотность мощности, тем выше температура в ткани, хотя время облучения будет короче. Естественно реакции биоткани на такие облучения будут различными. При малой плотности мощности облучения нагрев биоткани будет небольшим даже при длительной экспозиции, а при большой плотности мощности - существенным даже при малом времени воздействия.

Режим генерации излучения также оказывает существенное влияние. Так очень короткий импульс светового потока вызывает нагрев только той локальной зоны, в пределах которой рассеивается оптическая энергия. Соседние зоны начинают ^» чувствовать ^« лазерный нагрев при длительностях световых импульсов больших одной миллисекунды . Поэтому термическое воздействие при коротких импульсах меньших 1 мс ограничено местом облучения и не распространяется на окружающие ткани.

Фокусируя или расфокусируй луч лазера, изменяют размеры пятна и существенно меняют плотности мощности. Так например, при мощности лазера в 2 Вт и размере пятна 0,01 см плотность мощности будет превышать 25000 Вт/см² . Если размеры пятна увеличить в 10 раз и сделать равными 0,1 см, то плотность мощности будет порядка 254 Вт/см² . Увеличивая диаметр пятна в 10 раз можно изменить плотность мощности, рассеиваемой в биоткани в 100 раз. Меняя диаметр пятна можно эффективно регулировать плотность мощности облучения и, соответственно, изменять ответную реакцию организма.

При проведении медицинских операций и терапии применяются лазеры, генерирующие излучение разных длин волн.

Лазеры на углекислом газе С0 ₂ генерируют излучение с длиной волны 10,6 мкм. Излучение с этой длиной волны почти полностью поглощается водой в биологических клетках и тканях. Поэтому это излучение эффективно для воздействия на поверхность биологического организма. На основе лазеров с такой длиной волны выполняются лазерные скальпели, которые эффективно рассекают биологические ткани и производят их испарение. Мощность излучения лазера в скальпелях на уровне десятков-сотен ватт. Причем, так как излучение с такой длиной волны не воспринимается человеческим глазом, инфракрасные лазеры с длиной волны 10,6 мкм используются совместно с низкоэнергетическими лазерами, генерирующими излучение в красном диапазоне (порядка 0,640 мкм). Последний иногда называют лазером-пилотом. Лучи лазеров сфокусированы так, что на расстоянии, на котором сечение луча красного лазера имеет минимальную площадь сечения, луч инфракрасного лазера проходит через эту точку. Такая конструкция обеспечивает эффективное наведение на цель луча мощного лазера, который не видим человеческим глазом и который производит рассечение биологической ткани.

При малой мощности излучения эта длина волны используется для ускорения заживления ран и для рефлексотерапии. Считается, что. такое излучение оказывает воздействие на клеточные соединения, нервы, кровеносные и лимфатические сосуды. Мощность излучения у низкоэнергетического лазера обычно регулируется в пределах от 0 до 100 мВт. В низкоэнергетических системах обычно нет направляющего луча.

Считается, что лазерное излучение с длиной волны 1,064 мкм и 0,83 мкм проникает в биологическую ткань наиболее глубоко. При этом пигментные особенности кожного покрова не играют существенной роли при условии, что белок является основной первичной средой, абсорбирующей излучение. Для получения этих длин используют АИГ -неодиммовые лазеры (1,064 мкм) и полупроводниковые лазеры на основе структур GaAlAS (0,7-0,9 мкм).

Полупроводниковый лазер при выходной мощности в 60 мВт и при овальном пятне 2 мм ×1 мм обеспечивает получение плотности мощности на участке биологической ткани в пределах 1,5 Вт/см ² -3 Вт/см ² . Такое низкоэнергетическое излучение не вызывает каких-либо термических эффектов в молекулах биоткани. АИГ -неодимовые лазеры считают наиболее эффективными источниками энергии для фотобиоактивации, которая усиливает активность фибропластов. В результате усиливается синтез коллагенов и улучшается процесс заживления.

Видимый красный цвет также достаточно глубоко проникает в биологическую ткань. Используют полупроводниковые и гелий-неоновые лазеры. Длины волн находятся в диапазоне (0,632-0,64 мкм). Считается, что низкоинтенсивное излучение этого диапазона длин волн достигает глубоких слоев дермы. Поэтому действию лазерного облучения подвергаются некоторый объем крови и лимфатической системы.

С практической точки зрения, особенно для использования в медицине, лазеры классифицируют по типу активного материала, по способу питания, длине волны и мощности генерируемого излучения.

Активной средой может быть газ, жидкость или твердое тело. Формы активной среды также могут быть различными. Чаще всего для газовых лазеров используются стеклянные или металлические цилиндры, заполненные одним или несколькими газами. Примерно так же обстоит дело и с жидкими активными средами, хотя часто встречаются прямоугольные кюветы из стекла или кварца. Жидкостные лазеры — это лазеры, в которых активной средой являются растворы определенных соединений органических красителей в жидком растворителе (воде, этиловом или метиловом спиртах и т.п.).

В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их смеси или пары металлов. Эти лазеры разделяются на газоразрядные, газодинамические и химические. В газоразрядных лазерах возбуждение осуществляется электричес¬ким разрядом в газе, в газодинамических — используется быстрое охлаждение при расширении предварительно нагретой газовой смеси, а в химических — активная среда возбуждается за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Спектральный диапазон газовых лазеров значительно шире, чем у всех остальных типов лазеров. Он перекрывает область от 150 нм до 600 мкм.

Эти лазеры имеют высокую стабильность параметров излучения по сравнению с другими типами лазеров.

Лазеры на твердых телах имеют активную среду в форме цилиндрического или прямоугольного стержня. Таким стержнем чаще всего является специальный синтетический кристалл, например рубин, александрит, гранат или стекло с приме¬сями соответствующего элемента, например эрбия, гольмия, неодима. Первый действующий лазер работал на кристалле рубина.

Разновидностью активного материала в виде твердого тела являются также полупроводники. В последнее время благодаря своей малогабаритности и эконо-мичности полупроводниковая промышленность очень бурно развивается. Поэтому полупроводниковые лазеры выделяют в отдельную группу.

Итак, соответственно типу активного материала выделяют следующие типы лазеров:

• газовые;

• жидкостные;

• на твердом теле (твердотельные);

• полупроводниковые.

Тип активного материала определяет длину волны генерируемого излучения. Различные химические элементы в разных матрицах позволяют выделить сегодня более 6000 разновидностей лазеров. Они генерируют излучение от области так называемого вакуумного ультрафиолета (157 нм), включая видимую область (385-760 нм), до дальнего инфракрасного (> 300 мкм) диапазона. Все чаще понятие «лазер», вначале данное для видимой области спектра, переносится также на другие области спектра.

Например, для более коротковолнового излучения, чем инфракрасное, используется понятие «рентгеновские лазеры», а для более длинноволнового, чем ультрафиолетовое, — понятие «лазеры, генерирующие миллиметровые волны»

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубе. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10~9 м) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семей¬ства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам.

Например, С02-газовый лазер излучает длину волны 10,6 мкм в дальней инф-ракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера — 488 и 514 нм.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является неодим (Кё)-лазер. Термин АИГ является сокращением для кристалла — алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 мкм. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон. В качестве лазерных сред могут использоваться различные кристаллы с разными концентрациями ионов-активаторов: эрбия (Ег3+), гольмия (Но3+), тулия (Тт3+).

Выберем из этой классификации лазеры, наиболее пригодные и безопасные для медицинского использования. К более известным газовым лазерам, используемым в стоматологии, относятся С02-лазеры, He-Ne-лазвры (гелий-неоновые лазеры). Представляют интерес также газовые эксимерные и аргоновые лазеры. Из твердотельных лазеров наиболее популярным в медицине является лазер на YAG:Er, имеющий в кристалле эрбиевые активные центры. Все чаще обращаются к лазеру на YAG:Ho (с гольмиевыми центрами). Для диагностического и терапевтического применения используется большая группа как газовых, так и полупроводниковых лазеров. В настоящее время в производстве лазеров в качестве активной среды используется свыше 200 видов полупроводниковых материалов.