3. Свойства лазерного излучения
Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.
1.Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 7, а).
2.Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис.7, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.
3.Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет ∆λ ≈ 0,01 нм). На рис.7, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.
Рис. 7. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения
До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов — монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.
4.Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10-12 с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~109 Вт).
5.Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014—1016 Вт/см2 (средняя интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).
6.Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109кд/м2).
7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/с, где I —интенсивность излучения, с — скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 1014 Вт/см2 = 1018 Вт/м2 Д = 3,3·109 Па = 33000 атм.
8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.
4. Изменение температуры и свойств ткани под действием непрерывного лазерного излучения
Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину — объемную плотность теплоты (q).
Объемная плотность выделяющейся теплоты (q) равна отношению выделенной теплоты (dQ) к объему ткани (dV) и времени облучения (dt):
q = dQ/dVdt, Вт/см3. ( 1)
Объемная плотность теплоты, выделяющейся при облучении вычисляется по формуле
q = kI, (2)
где I — интенсивность лазерного излучения, k [см-1] — коэффициент поглощения ткани, зависящий от вида ткани и длины волны.
Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:
при 40—60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;
при 60—80°С — денатурация коллагена, дефекты мембран;
при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды;
свыше 150°С — обугливание;
свыше 300°С — выпаривание ткани, газообразование.
Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 8.
Рис.8. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения
1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).
2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.
3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.
4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.
5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.
Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 9).
Рис.9. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине:
a — в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б — мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием — черная жирная линия); в — происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)
Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).
Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.