Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профильного образования

«Казанский государственный технологический университет»

Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин, М.Ф. Самигуллин

Лазеры и их применение вмедицине

Учебное пособие

Казань

КГТУ

2011

УДК 621.9

Печатается по решению методической комиссии специальностей легкой промышленности КГТУ (протокол № от «____»________2011г.)

Рецензенты:

проф., д.т.н. Бурмистров А.В.

Доцент кафедры ТИЛП, к.т.н Давлетбаев И.Г.

Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин, М.Ф. Самигуллин «Лазеры и их при- менение в медицине». Учебное пособие. – КГТУ. – Казань. 2011, 96 с.

ISBN 978-5-7882-1073-5

Под редакцией проф.,чл.-кор. АН РТ, д.т.н. Н.Ф.Кашапова

В учебном пособии излагаются основные понятия о лазерах, их уст- ройстве, и принципах работы. Подробно рассмотрено физико-биологическое воздействие лазеров на человека с точки зрения их клинического примене- ния.

Данное пособие будет использовано магистрами специальности: 200400 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике» при проведении ис- следовательских работ. Учебное пособие рассчитано на студентов изучаю- щих дисциплину «Основы лазерной и плазменной техники», оно направлено на усвоение студентами тем дисциплины и формирование у них глубоких специальных знаний.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Технологическое обору- дование медицинской и легкой промышленности».

Казанский государственный технологический университет, 2011 г.

2

Предисловие

Мировой опыт отчетливо свидетельствует о том, что новые меди- цинские технологии и обеспечивающие их технические средства появ- ляются и ассимилируются клинической практикой прежде всего путем переноса идей физики, химии, математики, радиоэлектроники, инфор- матики в медицинскую проблематику. Современный технологический фундамент научной и клинической медицины возник и развивается именно на стыке наук, на основе потенциала различных областей науки и техники, объединяемого общими проблемами медицинской направ- ленности.

Медико-техническая наука и биомедицинская техника давно уже не считаются вспомогательными дисциплинами, «обслуживающими» собственно медицину. Научные работники инженеры биомедицинской техники являются обязательными участниками процесса создания новых медицинских технологий и их применения в практике.

Физиотерапевтическая аппаратура, в том числе различная электро- стимуляционная техника, лазерные аппараты, техника фототерапии со- ставляет более 40% от общего количества изделий по приборостроению, разрабатывается многими предприятиями, в том числе и в г.Казани.

Опыт проведения разработок электронных приборов для медицин- ских нужд показывает, что как для формулировки технического задания на медицинский прибор или систему, так и для непосредственного про- ектирования этих устройств необходима подготовка не только в области технических дисциплин, а в большей степени в области применения уст- ройства. Только владение обеими областями знаний, в особенности зна- ниями специфических для биообъекта свойств, позволяет надеяться на проведение необходимой для медицины разработки. Расширение сферы применения электронной биомедицинской аппаратуры, работа на стыке медицины, биологии и техники привлекают к области техники и моло- дежь, которая нуждается в современных руководствах для изучения этой области.

Специалисты, а также студенты соответствующих инженерных спе- циальностей испытывают недостаток в технической литературе, в кото- рой методически последовательно и комплексно излагались бы эти во- просы. В известных изданиях обсуждаемые вопросы изложены выбороч- но или разбросаны по большому числу книг и статей. Часто в качестве учебных пособий рекомендуются издания монографического характера, в которых материалы представлены в форме, рассчитанной на подготов- ленного специалиста, что затрудняет их применение в качестве учебных руководств.

3

Данное учебное пособие компенсирует отсутствие учебной литера- туры по специальностям: 200400 «Биотехнические и медицинские аппа- раты и системы» и 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике».

Несмотря на конкретную учебную ориентацию пособия, оно может быть полезным не только студентам, но и специалистам, заинтересован- ным в разработке и применении новых лазерных методов в медицине. Определенную пользу могут извлечь из представленного в пособии мате- риала специалисты в области медицины.

4

Введение

Слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосо-

четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в пере-

воде на русский язык означает: усиление света посредством вынужденно- го испускания. Таким образом, в самом термине «лазер» отражена фунда- ментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они иг- рают в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.

Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал со- ветский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность ис- пользования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверс- ной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечест- венной войны, В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф. А. Бутае- вой) заявку на изобретение способа усиления излучения с помощью вы- нужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в ко- тором в рубрике «Предмет изобретения» было написано: «Способ усиле- ния электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфра- красного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогатель- ного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верх- них энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состоя- ниями».

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализо- ванным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ - диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радио- спектроскопии советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ - диапазоне. Они назвали его молекулярным генератором (предпола- галось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.

5

В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках Земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебеде- ва Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руко- водством Ч. Таунса) [1].

Впоследствии от термина «мазер» и произошел термин «лазер» в ре- зультате замены буквы М (начальная буква слова Microwave - микровол- новой) буквой L (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформули- рованный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электрони- кой.

Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г., на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А.М. Прохоров сказал: «Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вско- ре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключа- лась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая - не были предложены конкретные систе- мы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазо- не».

Упомянутые А.М. Прохоровым шесть лет действительно были за- полнены теми исследованиями, которые позволили в конечном счете пе- рейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров обоснова- ли применение метода оптической накачки для создания инверсной засе- ленности уровней. В 1957 г. Н.Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он пред- ложил использовать в качестве резонатора специально обработанные по- верхности самого образца. В том же 1957 г. В.А. Фабрикант и Ф.А. Бутае- ва наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с элек- трическим разрядом в смеси паров ртути и небольшого количества водо- рода и гелия. В 1958 г. А.М. Прохоров и независимо от него американ- ский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапа- зоне не объемных (как в СВЧ - диапазоне), а открытых резонаторов. Заме- тим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного

6

тем, что в нем убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения [2].

В1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М. Вула и Ю.М. Попова

стеоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых гене- раторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в кото- рой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория кванто- вых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали: «Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генера- торы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазонах волн».

Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в СССР и США, вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю амери- канского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появи- лось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптического мазера» - лазера на рубине. Первый образец лазера выгля- дел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора) и периодически облучались зеленым све- том от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых им- пульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребрен- ных граней кубика.

Втом же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в элек- трическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено эксперимен- тальными исследованиями В.А. Фабриканта и Ф.А. Бутаевой, выполнен- ными в 1957 г.

Начиная с 1961 г. лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изго- товления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создают- ся первые полупроводниковые лазеры [3].

Так начинается новый, «лазерный» период оптики. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми

7

темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенст- вуются старые. Это послужило причиной глубокого проникновения лазе- ров во многие отрасли народного хозяйства.

8

Глава 1. Устройство лазеров

Термин «лазер» (laser) составлен из начальных букв пяти слов

«Light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе с английского означает «усиление света путем его вынужденного излуче- ния». В сущности, лазер представляет собой источник света, в котором путем подачи энергии различными способами извне достигается возбу- ждение атомов определенного вещества. И когда эти атомы под воздей- ствием электромагнитного излучения возвращаются в исходное состоя- ние, происходит вынужденное излучение света [4].

Принцип действия лазеров Когда среда поглощает энергию (доставленную любым способом,

например фотонами), то ее часть запасается (поглощается) в виде энер- гии возбужденных атомов или молекул (рис. 1а). Молекула, атом или ион из возбужденного состояния может перейти на более низкий энерге- тический уровень (рис. 1б) самопроизвольно (спонтанно) или под дейст- вием внешнего электромагнитного излучения (вынужденно) с частотой, равной частоте кванта, испущенного спонтанно (рис. 1в).

Эти переходы могут сопровождаться излучением, называемым со- ответственно спонтанным или вынужденным, причем частота излучения определяется соотношением

Рис. 1 Спонтанные и вынужденные переходы

9

hν = E j − Ei

где E j и Ei — энергетические уровни, между которыми осуществля- ется переход, сопровождающийся излучением кванта энергии.

1.Если кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, то квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант внешнего электромагнитного поля. Причем частота, фаза и поляризация вынужденного и внешнего излучений сов- падают, то есть оба кванта полностью тождественны (рис 1в).

Под действием электромагнитного излучения могут происходить переходы не только с более высокого энергетического уровня на более низкий, но и в обратном направлении, что соответствует акту поглоще- ния.

Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии, необходимо создать инверсную населенность возбу- жденного уровня Ej, то есть создать повышенную концентрацию атомов или молекул на этом уровне.

2.Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным, а среда, состоящая из такого вещества, – активной средой [5]. При облучении вещества будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приведет к уси- лению падающего на вещество света.

Процесс создания инверсной населенности уровней называется на- качкой. Методы накачки разнообразны и у каждого типа лазера они свои. Основная задача процесса накачки может быть рассмотрена на примере трехуровневого лазера (рис. 2).

10