Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

Рис.2 Схема трехуровневого лазера

Для создания инверсной населенности на уровне II по отношению к уровню I молекулы (атомы или ионы) привнесенной извне энергией (на- пример, излучением) сначала переводятся с основного энергетического уровня I на уровень III.

Уровень III должен быть таким, чтобы время релаксации, то есть время возможного пребывания молекул (атомов или ионов) в этом со- стоянии, было очень малым (например, порядка 10-8 с.).

Если время жизни атомов на уровне II будет значительно больше, чем на уровне III, скажем, 10-3 с., то молекулы (атомы или ионы), пере- ходя с уровня III, будут накапливаться на уровне II (который называется метастабильным), и при достаточно мощной накачке их число значи- тельно превысит число атомов на уровне I.

Созданная таким образом инверсная населенность обеспечит усло- вия для усиления излучения с частотой υII-I=EII-EI.

Однако генерация оптических колебаний может возникнуть только в том случае, если вынужденное излучение, раз возникнув, будет вызы- вать новые акты вынужденного излучения. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор.

Оптический резонатор, в простейшем случае, представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда

(рис. 3).

11

состояние. Следовательно, фотоны в этом направлении размножаются. Фотоны, летящие в других направлениях, покидают активную среду без образования каскадов фотонов.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает многократное происхождение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая напрвлен- ность излучения.

Излучение выходит через полупрозрачное зеркало. КПД твердо- тельных лазеров составляет 70-80% [8]. Для СО2 лазеров КПД состав- ляет 10%[9], КПД можно довести до 30%.

Устройство лазера Лазер обычно состоит из трёх основных элементов:

-источник энергии (механизм накачки);

-рабочее тело;

-оптический резонатор («система зеркал»).

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип исполь- зуемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабо- чего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. На- пример, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмоиттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG - лазеры) - сфокусиро- ванный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры - энер- гию пучка электронов.

Рабочее тело - основной определяющий фактор длины волны ге- нерации, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или да- же тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Для твердотельных лазеров энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной насе- лённости [10]. Рассмотрим работу нескольких типов лазеров.

Лазеры существенно различаются:

-рабочей средой, в качестве которой служат твердые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости, плазма;

-способом создания в среде инверсии населенностей, по существу способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным раз- рядом, интенсивная инжекция заряда, мощное электронное облучение, химическая накачка и т.п.);

-конструкцией резонатора;

13

- режимом действия (непрерывным, импульсным).

Указанные различия непосредственно определяют функциональ- ные и технические возможности конкретных лазеров, активно влияют на их назначение и целесообразное применение.

Безусловными и значительными достоинствами лазеров являются:

-малая расходимость лазерного излучения;

-возможность формирования кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;

-монохроматичность;

-возможность модуляции лазерного излучения.

Требования к веществам (материалам), которые используются в лазерах в качестве активной среды:

-должны обладать определенными спектральными уровнями, по- зволяющими эффективно воспринимать энергию внешней накачки и с минимальными потерями преобразовывать ее в электромагнитное (оп- тическое, лазерное) излучение;

-должны обладать высокой оптической однородностью;

-должны сохранять состав и свойства в процессе функционирова- ния лазера (за исключением химического лазера, в котором инверсия населенностей образуется в результате химических реакций, например

вэкзотермической реакции замещения типа: А+ВС→АВ+С+ Е) [11].

1.1. Газовый лазер

Газовый лазер – лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в про- стейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых полу- прозрачно.

Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при рас- пространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного ис- пускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энер- гии излучается газовым лазером вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излу- чение лазера обладает монохроматичностью, мощностью и направлен- ностью [12].

В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются ха- рактерные свойства лазерного излучения - высокая направленность и

14

монохроматичность. Существенным достоинством газового лазера яв- ляется его способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений [13].

Особенности газов как лазерных материалов. По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает по- терь энергии. Расходимость светового луча газового лазера в области видимого света составляет 10-5 — 10 -4 рад, а в инфракрасной области

10-4 — 10 -3 рад.

В отличие от твёрдых тел и жидкостей составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энер- гетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных час- тиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно.

Частота излучения газового лазера воспроизводится с точностью до 10-11, а относительная стабильность частоты

ωω = 10−14 .

Малая плотность газов препятствует получению высокой концен- трации возбуждённых частиц. Поэтому удельный съем энергии с ак- тивной среды у газового лазера существенно ниже, чем у твердотель- ных лазеров [14].

Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. Ак-

тивной средой газового лазера является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населён- ностей. Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше числа частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В обычных условиях теплового равновесия имеет место обратная картина – населённость низших уровней больше, чем более высоких. В случае инверсии населённостей акты вынужден-

ного испускания фотонов с энергией h = EB − EH , сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровня EB на нижний EH ,

15

преобладают над актами поглощения этих фотонов, в результате чего активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты

ν = EB − EH

h

или с длиной волны

λ = νc .

Одна из особенностей газа (или смеси газов) – многообразие фи- зических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением га- зоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, малоэффективно для получения инверсии насе- лённостей в газовом лазере, так как газы обладают узкими линиями по- глощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощно- сти источника накачки. В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газораз- рядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкнове- ниях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Если время жизни частиц на верхнем уровне энергии больше, чем на нижнем, то в газе создаётся устойчивая инверсия населённостей. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для воз- буждения газового лазера как в непрерывном, так и в импульсном ре- жимах.

Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с другим механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для воз- буждения частиц одного сорта от частиц другого сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта.

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний ла- зерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уро- вень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собст-

16

венным временем жизни. Именно по такой схеме осуществляется ин- версия населённостей в гелий-неоновом лазере.

Гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере рабочим веще- ством являются нейтральные атомы неона Ne. Атомы гелия Не служат для передачи энергии возбуждения. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E1 на возбуждённый верхний уровень энергии E3. Но в чистом Ne время жизни на уровне E3 мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни E1 и E2, что препятству- ет созданию достаточно высокой инверсии населённостей для пары уровней E2 и E3. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Первый возбуждённый уровень Не совпадает с верхним уровнем E3 неона. По- этому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией E1) происходит переда- ча возбуждения, в результате которой атомы Ne будут возбуждены, а атомы Не вернутся в основное состояние. При оптимальном соотноше- нии атомов Не и атомов Ne можно добиться преимущественного засе- ления уровня неона. Этому же способствует опустошение уровня E2

Рис. 4 Устройство гелий-неонового лазера

неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразряд- ной трубки (рис.4). Для эффективного опустошения уровня E2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает количество Ne и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зрения максимальной мощности генерации явля- ется диаметр около 7 мм. Таким образом, в результате специального подбора количеств (парциальных давлений) Ne и Не и при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей уровней энергии E2 и E3 неона. Уровни обла- дают сложной структурой, т.е. состоят из множества подуровней. В ре- зультате гелий-неоновый лазер может работать на нескольких длинах

17

волн в области видимого света и инфракрасного излучения [15]. Зерка- ла оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические по- крытия. Это позволяет создавать необходимый коэффициент отраже- ния на заданной длине волны и возбуждать тем самым в газовом лазере генерацию на требуемой частоте.

Лазер на углекислом газе. Молекулы в отличие от атомов имеют не только электронные, но и так называемые колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия. Переходы между колебательны- ми уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО2, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО2 -лазер).

В газоразрядных CO2 -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N2, возбуждаемые, в свою оче- редь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда око- ло 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумули- рует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO2 в про- цессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей дости- гается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO2. Эффективное возбуждение СО2-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

Тонкая структура колебательных уровней молекулы CO2 позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30–50 ГГц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

СО2-лазеры обладают высокой мощностью излучения в непрерывном режиме и высоким КПД. При возбуждении молекул CO2 электронным ударом и длине газоразрядной трубки 2,0 м СО2-лазер излучает мощность 9 кВт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 кВт. Кроме высокой выходной мощности, СО2-лазеры обладают большим КПД, достигающим 15—20% (возможен КПД 40%). СО2-лазеры могут принципиально работать и в

18

импульсном режиме. Перечисленные особенности CO2-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с λ = 10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

Газоразрядные трубки СО2-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой. Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких ампер при напряжениях до 10 кВ на секцию. Поскольку мощность СО2- лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах (рис.5). В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из германия, арсенида галлия и т.п.

В электрическом разряде СО2-лазеров имеют место нежелательные эффекты, разрушающие инверсию населённостей: разогрев газа и диссоциация его молекул. Для их устранения газовая смесь непрерывно «прогоняется» через разрядные трубки лазеров. Так происходит обновление активной среды. Для получения больших мощностей (несколько киловатт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью, и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Для того чтобы избежать потерь дорогостоящего Не, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру.

19

Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор.В лучших приборах практически все молекулы CO2, влетающие в резонатор, уже возбуждены и за время пролёта через него отдают энергию возбуждения в виде кванта излучения.

Ионные лазеры. В ионных лазерах инверсия населённостей соз- даётся между электронными уровнями энергии ионизированных ато- мов инертных газов и паров металлов. Инверсия населённостей дости- гается выбором пары уровней, для которой нижний лазерный уровень

20