Рубіновий лазер

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі (рис. 13.6). Його робочим елементом є циліндр з рожевого рубіна (1), який складається з Аl₂O₃ та домішок 0,05% Сr₂O₃

.

Плоскі торцеві поверхні циліндра паралельні і відполіровані (3). Вони покриті срібним шаром так, що один кінець — дзеркальний, а інший — посріблений не так щільно і частково відбиває випромінювання. Для накачування використовують спіральну імпульсну лампу (2), яка дає зелене світло. За рахунок енергії цього випромінювання і відбувається збудження. У генерації світла беруть участь лише іони хрому.

Збудження іонів хрому внаслідок накачування на рис. 13.7 показане стрілкою Е₁₃. Деякі іони спонтанно переходять з рівня 3 на основний рівень 1. Такі переходи показані стрілкою Е₃₁. Більшість іонів хрому переходить на метастабільний рівень 2 (імовірність переходів Е₃₂ істотно більша, ніж Е₃₁). При достатній потужності накачування кількість іонів хрому, які перебувають на рівні 2, стає більшою, ніж на рівні 1. Відбувається інверсія рівня 2. Стрілка Е₂₁ показує спонтанний перехід з метастабільного рівня на основний. Випромінений при цьому фотон може спричинити вимушене випромінювання додаткових фотонів (перехід Е_2І), які в свою чергу зумовлюють вимушені переходи і т.д. У результаті утворюється каскад фотонів. Фотони, напрям руху яких утворює невеликі кути з віссю кристала, багаторазово відбиваються від торцевих поверхонь (оптичний резонатор), тому шлях їх у кристалі великий, і потік фотонів у напрямі осі кристалу швидко зростає. Потужність імпульсу -1000 Вт, тривалість його — 1 мкс, питома потужність — 10⁹ Вт/см².

Властивості лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання має властивості як хвиль, так і частинок.

Властивості лазерного випромінювання, які зумовили його широке використання в різних галузях науки та техніки, — це монохроматичність, когерентність, малий кут розбігання променів, велика густина енергії та поляризованість випромінювання.

Монохроматичність лазерного випромінювання пояснюється тим, що індуковане випромінювання — це процес резонансний. Лазерне випромінювання має визначену довжину хвилі. Випромінювання гелій-неонового лазера — червоне, аргонового — зелене, гелій-кадмієвого — синє, неодимового — невидиме (інфрачервоне).

Монохроматичністю випромінювання пояс­нюється його селективна дія, тобто лазерний промінь взаємодіє лише з тим середовищем, у якому він поглинається. Наприклад, червоне світло рубінового лазера інтенсивно поглинається зеленими рослинами, руйнуючи їх. Зелене випромінювання аргонового лазера слабо адсорбується зеленими рослинами, але поглинається еритроцитами і швидко їх ушкоджує.

Лазерне випромінювання когерентне, тобто в різних точках простору в один і той же час, або в одній і тій же точці, але в різні моменти часу світлові хвилі скоординовані між собою. Звичайні джерела світла випромінюють кванти світла хаотично, неузгоджено, а в лазерах генерація фотонів відбувається узгоджено за напрямом і фазою. Це дає змогу створити високоефективні лампи з великою вихідною потужністю випромінювання, яке сфокусоване у пляму діаметром, що дорівнює довжині хвилі, тобто з великою густиною енергії.

Когерентність зумовлює високу спрямованість потоку лазерного випромінювання. Кут розбігання променів дорівнює менш ніж 0,01 хв, що дає змогу сфокусувати лазерне випромінювання майже в точку.

При фокусуванні лазерного випромінювання можна досягнути надзвичайно великої густини його енергії. Лазер з енергією 100 Дж дає такі спалахи, як електрична лампочка потужністю 100 Вт. За допомогою лазера можна отримати густину енергії випромінювання ~10¹⁵ Вт/м² (для порівняння, густина енергії випромінювання Сонця -7-10⁷ Вт/м²).

Лазерне випромінювання має нелінійні властивості (потужне випромінювання):

• оптичні характеристики середовища — показники заломлення, поглинання, розсіяння — сталі величини. Однак результати експериментів з дуже потужними лазерами свідчать, що їхні оптичні характе­ристики істотно змінюються внаслідок зміни інтенсивності випромінювання. Наприклад, під час проходження через деякі кристали червоне проміння рубінового лазера з λ = 0,694 мкм частково перетворюється на ультрафіолетове з λ = 0,347 мкм, а частота його вдвічі більша за частоту падаючого випромінювання;

• деякі середовища стають малопрозорими або й зовсім непрозорими, якщо на них спрямувати лазерне випромінювання великої інтенсивності;

• червона межа фотоефекту зникає внаслідок дії сильного лазерного випромінювання;

• безперервна зміна показника заломлення середовища під час проходження через нього потужного лазерного випромінювання зумовлює самофокусування променів.

Ці явища спостерігаються лише при дуже потужних випромінюваннях, коли інтенсивність світлових пучків становить 10⁷...10⁸ Вт/см² і більше.

Лазерне випромінювання поляризоване.

Дія лазерного випромінювання на живий організм виявляється через певні структурні, функціональні та біохімічні зміни. Результат дії залежить як від характеристик випромінювання, так і від властивостей тканин організму (поглинальної здатності, теплопровідності, питомої теплоти пароутворення тощо).

Під час взаємодії лазерного випромінювання з тканинами організму частина його енергії поглинається, а частина — відбивається.

Характерною особливістю лазерного випромінювання є також його селективна (вибіркова) дія на різні органи і системи. Усі компоненти організму (ферменти, гормони, вітаміни, пігменти) мають тільки їм властиві характеристики поглинання лазерного випромінювання. Під його впливом відбуваються зміни лише у тих середовищах, де воно поглинається, а ступінь поглинання залежить від оптичних властивостей середовища.

Внаслідок поглинання лазерного випромінюван­ня тканинами організму енергія випромінювання перетворюється в інші види енергії (внутрішню, енергію фотохімічних процесів, енергію електронних переходів), причому більша частина її перетворюється у внутрішню енергію. Під час підвищення температури від 37 до 60 ⁰С у тканинах не відбуваються структурні зміни. Починаючи від 60°С, спостерігається коагуляція, тобто перехід речовини з рідкого стану в твердий. При нагріванні до 100°С вода у клітинах закипає і перетворюється у пару. Зростає тиск у клітині, збільшується її об'єм, і клітинна стінка руйнується. Вода випаровується, нагріваючи навколишню тканину до температури 300...400 ⁰С. Тканина чорніє і починає диміти. При 500° С за наявності кисню тканина горить і випаровується.

Ушкодження живої тканини залежить, зокрема, від її забарвлення, мікроструктури та фізичної густини. Забарвлення печінки та селезінки зумовлює велику чутливість до дії випромінювання від аргонового лазера (0,48 та 0,51 мкм). Ферменти пришвидшують перебіг біохімічних реакцій в організмі. Вони найбільш чутливі до термічного ефекту від впливу лазерного випромінювання, внаслідок чого біохімічні реакції гальмуються і клітина відмирає.

Дані досліджень свідчать, що термічний ефект не єдиний у період дії лазерного променя на організм. У дослідах з опромінення голів мишей рубіновим лазером на шкірі черепа виявлені незначні ушкодження, а в мозку ушкодження та крововиливи були істотними. Це свідчить про ударний ефект лазерної радіації. Внаслідок швидкого нагрівання тканини теплота зосереджується в ділянці опромінення. Різке теплове розширення тканини поширюється у вигляді ударної хвилі.

У результаті взаємодії лазерного випромінювання з біологічною тканиною утворюються вільні радикали, які характеризуються великою хімічною активністю. Вважається, що радикали є хімічною основою зміни спадковості. їх накопичення спостерігається при патологіях, а також зумовлює біологічне старіння організму.

Під час роботи потужних лазерів виникає електромагнітне поле надвисокої частоти. Ці дециметрові, сантиметрові та міліметрові хвилі вкрай шкідливі для організму людини.

Велику роль у механізмі біологічної дії лазерного випромінювання відіграє дія на клітини та тканини внутрішніх ендотоксинів, які виникають у тканинах внаслідок опромінення (аутоінтоксикація). У свою чергу аутоінтоксикація посилює негативну дію на організм теплового та ударного ефектів, світлового тиску.

Залежно від виду лазера та енергії його випромінювання спостерігаються різні ефекти в біологічних тканинах. Випромінювання у вигляді безперервного потоку зумовлює в тканинах переважно тепловий ефект, а імпульсне випромінювання — ударний ефект.