2.4.2. Гелий-неоновый лазер

Принципиальная схема разрядной трубки лазера имеет следующий вид (рис. 49).

Активная среда представляет собой смесь гелия и неона в соотношении 10 : 1, содержащуюся в стеклянной трубке под низким давлением (около 100 Па). Рабочим веществом являются атомы неона, в котором происходит лазерный переход.

Подача энергии осуществляется через электрический разряд, в котором атомы гелия вследствие удара электронов возбуждаются на метастабильные, а следовательно сильно заселенные уровни 2¹s и 2³s, энергия которых близка к энергиям уровней 3s и 2s неона (рис. 50). При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона они передают им свою энергию на уровни 2s и 3s. Так как эти уровни Не и Ne почти идентичны, то передача осуществляется с высоким КПД. Уровни 3s и 2s получают большую заселенность и используются как верхние рабочие уровни лазера.

Рис. 49. Схема разрядной трубки с окнами Брюстера

Рис. 50. Схема энергетических уровней He-Ne лазера

Из всего спектра генерируемых лазерных переходов используются красная линия 633 нм, линии ближнего ИК диапазона 1152 и 3391 нм, в зеленой области – 543 нм, желтой – 594 нм, в оранжевой – 604 нм. Резонатор состоит либо из двух параллельных плоских зеркал, либо из плоского и сферического зеркала.

Плоскопараллельные зеркала резонатора могут быть установлены прямо на разрядной трубке, но при ударе атомов лазерных газов возможно их повреждение и поэтому они монтируются отдельно от разрядной трубки. Газоразрядная трубка имеет выходные "окна Брюстера" в виде специальных прозрачных пластин, расположенных под углом, удовлетворяющих условию tg  = n, где n – показатель преломления пластины. Луч света, поляризованный в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения проходит через окно без потерь интенсивности и усиливается в резонаторе, а луч, поляризованный в плоскости падения отражается частично. В результате излучение выходит из лазера линейно-поляризованным.

Мощность излучения He-Ne-лазера составляет единицы мВт для зеленой, желтой и оранжевых линий и до 100 мВт – на красной линии, при КПД – сотые доли процента. Лазеры работают в непрерывном режиме излучения. Основными достоинствами являются: узость спектрального состава (высокая монохроматичность) излучения, стабильность частоты и малый угол расходимости.

Лазер находит широкое применение в измерительных устройствах, принтерах, в устройствах оптоволоконной связи и т.д. В медицине лазеры получили широкое распространение как источники излучения для низкоинтенсивной терапии.

Основные характеристики и области применения некоторых отечественных He-Ne-лазеров приведены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п	Название установки	Длина волны, мкм	Мощность, мВт	Область применения
1	2	3	4	5
1	УФЛ-1	0,63	20	Лечение гнойных ран, язв, дерматозов, ожогов и т.п.
2	АФЛ-1 2	0,63	20	Аналогична УФЛ-1, а также для эндоскопического облучения язв желудка
3	Раскос	0,63	15	Лечение слизистой полости рта
4	Алок-1, Лазтер-0,5	0,63	1	Для внутривенного облучения крови (инфаркт, ИБС и т.п.)
5	ЛТУ-1, 2, 3	0,63	8–12	Для наружного и внутреннего облучения
6	Ярыло	0,63	4	Для применения в урологии (цистит, простатит и т.д.)
7	Ягода (УЛФ-01)	0,63	12	Лечение заболевания зубов и слизистой оболочки полости рта, уха, горла, носа и язв
8	ЛТМ-01	0,63	0,5	Стоматология, косметология
9	СОЛ-2	0,63	5–8	Стоматология

2.4.3. СО₂–лазер

СО₂-лазер был первым лазером, генерирующим на переходах в спектре молекул, и из всех газовых лазеров имеет самый высокий КПД ( 70 %). Схема лазера представлена на рис. 51.

Рис. 51. Схема СО₂-лазера

В качестве лазерной среды СО₂-лазера применяется смесь гелия (82 %), азота (13,5 %) и СО₂ (4,5 %). В лазерном процессе непосредственно участвуют молекулы N₂ и CO₂. Гелий служит для уменьшения теплового заселения нижних рабочих уровней, вследствие своей хорошей теплопроводности, а следовательно, для повышения КПД лазерного процесса.

По конструкции различают лазерные системы с замкнутым или открытым контуром лазерного газа. Газовая смесь при замкнутом контуре выкачивается из резонатора и снова подается в него после охлаждения или регенерации, благодаря чему обеспечивается большой срок эксплуатации, но система охлаждения и регенерации требует дополнительного оборудования и электропитания. При открытом контуре смесь переходит из газового баллона через лазерный резонатор и непрерывно прокачивается вакуумным насосом. Этот вариант потребляет много газа, но его проще реализовать технически.

Накачка молекулы СО₂ на верхний лазерный уровень происходит так же, как и в He-Ne-лазере опосредованно, путем передачи энергии от возбужденных молекул N₂, которые в свою очередь предварительно возбуждаются электрическим разрядом и являются, вследствие их долгого ( 0,1 с) нахождения в возбужденном состоянии, хорошим накопителем энергии. Эта энергия передается от молекулы азота, путем столкновений, на верхний лазерный уровень молекулы СО₂. Небольшая часть молекул СО₂ может быть накачана непосредственно соударением с электронами.

Наиболее сильные лазерные переходы генерируются на длине волны 10,6 и 9,6 мкм. Эти лазеры имеют КПД до 40 %, что позволяет с одной стороны достичь высокой мощности излучения (до 10 кВт в непрерывном режиме), а с другой стороны создавать лазеры с батарейным питанием, работающих в непрерывном режиме и меняющих мощность до десятков Вт.

Возбуждение СО₂-лазеров производится либо разрядом постоянного тока (импульсно или непрерывно) либо токами высокой частоты в мГц диапазоне. Так как в указанном ближнем ИК диапазоне излучения этого лазера стекло и кварц имеют слишком большое поглощение, то в качестве оптических материалов используют германий, арсенид галлия, сульфат цинка, селенид цинка и др. При эксплуатации этих лазеров следует следить за чистотой линз, т.к. даже малейшее загрязнение приводит к их разрушению.

Благодаря высокой мощности эти лазеры широко используются в технологических целях (сварка и резка, в т.ч. металлов, лазерное травление и др.).

В медицинской практике они используются в основном в качестве лазерного скальпеля. Основные технические характеристики и особенности применения некоторых наиболее известных лазеров приведены в табл. 3.

Таблица 3

№ п/п	Наименование установки	Тип лазера	Длина волны, мкм	Способ доставки излучения	Режим работы	Мощность Вт	Область применения
1	Хирургическая и терапевтическая установка ЛГХ-80-02 ("Разбор")	ИЛГН -702	10,6	Шарнирный манипулятор	Непрерывный одномодовый	80	Хирургия, онкология, лечение ожогов
2	Хирургическая установка "Скальпель-1"	ЛГ-25	10,6	Шарнирный манипулятор	Непрерывный	25	Хирургия
3	Хирургическая установка "Ромашка-1"	ЛГ-25	10.6	Шарнирный манипулятор	Непрерывный	80–100	Хирургия, нейрохирургия, лечение ожогов
4	Микрохирургическая установка "Ромашк а-2"	ЛГН-703	10,6	Шарнирный манипулятор	Непрерывный	15	Микрохирургия, подсветка
5	Широкопрофильная хирургическая установка "Радуга 1Ф"	ИЛГН- 204 He-Ne	10,6 0,63	Шарнирный манипулятор	Непрерывный одномодовый импульсный	50 1 кВт	Хирургия, в т.ч. резка костей Подсветка