Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

обладает меньшим, а верхний - большим временами жизни. Необходимость создания большого количества ионов приводит к тому, что плотность тока газового разряда в ионных лазерах достигает десятков тысяч ампер на квадратный сантиметр. Электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах диаметром до 5 мм. При больших плотностях тока газ увлекается током от анода к катоду. Для компенсации этого эффекта анодная и катодная области разрядной трубки соединяются дополнительной длинной трубкой малого диаметра, обеспечивающей обратное движение газа.

Ввиду высокой плотности тока для изготовления газоразрядных трубок ионных лазеров применяются металлокерамические конструкции или трубки из бериллиевой керамики, обладающие высокой теплопроводностью. КПД ионных лазеров не превышает 0,01%. В области видимого света сравнительно высокой мощностью в непрерывном режиме обладают аргоновые лазеры (табл.1). Аргоновый ионный лазер генерирует излучение, равное 0,5145 мкм (зелёный луч), мощностью до нескольких десятков ватт.

Ионный лазер на смеси ионов аргона и криптона обладает способностью перестраиваться по длине волны во всём видимом диапазоне с использованием спектрально-селективных свойств резонатора. Он излучает мощность до 0,1 Вт на волнах 0,4880 мкм (синий), 0,5145 мкм (зелёный), 0,5682 мкм (жёлтый) и 0,6471 мкм (красный луч).

Весьма перспективен лазер на парах кадмия, работающий в непрерывном режиме в синей (0,4416 мкм) и ультрафиолетовой (0,3250 мкм) областях спектра. Пары Cd образуются в испарителе, расположенном около анода. Они сильно разбавлены Не. Равномерное распределение Cd+ в газоразрядной трубке и подбор его концентрации достигаются увлечением паров Cd ионами Не от анода к катоду. Парциальное давление паров Cd определяется температурой подогре- вателя. В охладителе около катода Cd конденсируется. Трубка диаметром 2,5 мм и длиной 140 см при давлении Не 4,5 мм рт. ст., температуре подогревателя 250 ° С, токе разряда 0,12 А и напряжении 4 кВ позволяет получить мощность 0,1 Вт в синей и 0,004 Вт в ультрафиолетовой областях спектра. Кадмиевый лазер применяется в оптических исследованиях, океанографии, а также в фотобиологии и фотохимии.

21

1.2. Газодинамические лазеры

Характерной особенностью газов является возможность создания быстрых потоков газовых масс. Если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например, при протекании со сверхзвуковой скоростью через сопло, то его температура резко падает. При резком снижении температуры молекулярного газа колебательные уровни энергии молекул оказываются возбуждёнными. Таким образом при газодинамическом возбуждении тепловую энергию удается эффективно преобразовать в энергию электромагнитного излучения

[16].

1.3. Эксимерный лазер

Эксимерный лазер – разновидность газового лазера, широко применяется в глазной хирургии и полупроводниковом производстве. Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (неассоциативное) основное состояние, то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон,

22

высокоинертны и обычно не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом) они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.

Несмотря на то что термин «димер» относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции.

Длина волны эксимерного лазера зависит от состава используемого газа и обычно лежит в ультрафиолетовой области:

Эксимерные лазеры работают только в импульсном режиме. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их ши- роко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах литогра- фии в полупроводниковом производстве, а также в дерматологии. Се- годня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении, однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам [18].

23

1.4. Жидкостный лазер

Жидкостные лазеры работают на растворах органических краси- телей и на неорганических жидкостях, налитых в кювету. Они способ- ны генерировать переменное по частоте лазерное излучение и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Накачка про- изводится либо мощными лампами, либо лазерным излучением. Нагре- вающаяся в процессе работы жидкость прокачивается через холодиль- ник.

Достоинства:

-высокая выходная мощность излучения;

-быстрое охлаждение жидкого активного вещества при циркуля- ции его через теплообменник;

-простота изготовления и низкая себестоимость;

-возможность получения когерентного узконаправленного излуче- ния (по параметрам почти такого же, как и у газовых);

-получение излучения с длиной волны в диапазоне от 0,34 до 1,75

мкм;

-КПД до 50% [19].

Рис. 6 Устройство жидкостного лазера

Первый жидкостный лазер был создан в 1962 г. В этом лазере пер- вичным источником монохроматического излучения (источником на- качки) был рубиновый лазер. В качестве активного вещества применя-

24

лась органическая жидкость - нитробензол. Могли использоваться так- же пиридин, бензол, толуол, дейтерий-бензол, циклогексан и некото- рые другие жидкости. Активное вещество помещалось в оптический резонатор и облучалось лучом рубинового лазера с длиной волны 0,6943 мкм. На противоположном конце резонатора в зависимости от типа жидкости создавалось излучение с длиной волны 0,7658, 0,8539 и 0,9632 мкм.

Лазеры на красителях строятся на основе оксазольных, антраце- новых, кумариновых, акридиновых, полиметиновых и других красите- лей. При соответствующем выборе красителя можно получить интен- сивное когерентное излучение почти любой длины волны в диапазоне от 0,34 до 11,75 мкм. Кроме того, длину волны излучения лазера на од- ном и том же красителе можно непрерывно изменять в области не- скольких десятков нанометров либо изменением параметров раствора, или оптического резонатора, путем введения в резонатор лазера селек- тора частоты (например, дифракционной решётки). К активному веще- ству жидкостных лазеров предъявляются особые требования:

-высокая диэлектрическая проницаемость растворителя.

-достаточная прозрачность растворителя в диапазоне излучения. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет неорганический рас- твор оксихлорида меди с примесью неодима.

1.5. Твердотельный лазер

Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кри- сталлах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью ред- ко-земельного элемента - неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора — между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристал- ле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом

(США).

25

Рис. 7 Схема твердотельного лазера.

Твердотельные лазеры имеют бó льшую расходимость луча чем газовые, но в импульсном режиме даже гравируют и режут металлы.

Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как неко- торые виды таких материалов являются либо полностью, либо частич- но прозрачными для лазерного излучения.

Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. На- качка активного элемента производится газоразрядными лампами, не- прерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельно- го лазера – 1,06÷1,32 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, (еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch).

Современный твердотельный лазер может иметь рабочей средой большой и оптически однородный стержень длиной до метра и диамет- ром до 5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж. за время ~ 10-3 сек.

Вариант конструкции твердотельного лазера с оптической накач- кой представлен на рис.7. В составе лазерного резонатора рубиновый стержень и два параллельных зеркала: непрозрачное и выходное, час- тично пропускающее лазерное излучение. Оптическую накачку лазера обеспечивает импульсная лампа (например, ртутная или ксеноновая).

Для эффективного использования энергии оптической накачки ла- зерный стержень и лампа-вспышка помещены в отражатель эллиптиче- ской формы. При этом лазерный стержень и лампа-вспышка размеще- ны в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет скон- центрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Отражатель заполнен охлаждающей жидкостью, которая прокачивается через лазерный излучатель.

Состав группы и особенности применения ионных кристаллов с примесями в качестве активной среды твердотельных лазеров.

26

Среди лазерных материалов наиболее представительной является груп- па ионных кристаллов с примесями. Кристаллы неорганических соеди- нений фторидов (CaF2, LaF3, LiYF4), оксидов (например, Al2O3) или сложных соединений (CaWO4, Y3Al5O12, Ca5(PO4)3F) содержат в кри- сталлической решетке ионы активных примесей, редкоземельных (са- мария Sm2+, диспрозия Dy2+, тулия Tm2+, Tm3+, празеодима Pr3+, неоди- ма Nd3+, церия Се3+, иттербия Yb3+, эрбия Er3+, гольмия Ho3+), переход- ных (хрома Cr3+, никеля Ni2+, кобальта Co2+, титана Тi3+, ванадия V2+) элементов или ионов урана U3+. Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких процентов (по массе) (табл. 2) [20]. Генерация возбуждается методом оптической накачки, причем энергия поглощается в основном примесными ионами.

Данные лазерные материалы отличают высокая концентрация ак- тивных частиц (1019÷10 21 см-3). Ширина линии генерации составляет Δλ=0,001÷0,1 нм. Перечисленные кристаллы обладают малой угловой расходимостью генерируемого излучения. К недостаткам следует отне- сти низкий (1-5%) коэффициент преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в системе лампа накачки - кристалл, сложность изготовления лазерных стержней больших размеров и необ- ходимой оптической однородности.

Таблица 2 Состав и длины волн излучения лазерных (твердотельных) ма-

териалов на базе ионных кристаллов с примесями

Лазерные кристаллы с дозированными примесями выращиваются, как правило, направленной кристаллизацией расплава в специальных (кристаллизационных) аппаратах, обеспечивающих высокую стабиль- ность температуры расплава и скорости роста кристалла. Из выращен- ных кристаллов вырезаются цилиндрические стержни длиной до

27

250 мм и диаметром 2-20 мм. Торцы стержней шлифуются, а затем по- лируются. В большинстве случаев стержни изготавливаются с плоски- ми торцами, параллельными друг другу, с точностью до 3-5" и строго перпендикулярными геометрической оси стержня. Возможно примене- ние торцов сферической или другой (нестандартной) конфигурации.

Состав группы и особенности использования стекол с приме- сями в качестве активной среды твердотельных лазеров

Вотличие от кристаллов лазерные стекла имеют неупорядочен- ную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонен-

тами (SiO2, B2O3, P2O5, BeF2) в них содержатся Na2O, K2O, Li2O, MgO, CaO, BaO, Al2O3, Sb2O3. Активными примесями служат чаще всего ио- ны неодима Nd3+, используются также гадолиний Gd3+, эрбий Er3+, гольмий Ho3+, иттербий Yb3+. Концентрация ионов неодима Nd3+ в стеклах доходит до 6% (по массе).

Встеклах (лазерных материалах) достигается высокая концентра- ция активных частиц. Другим достоинством стекол является возмож- ность изготовления активных элементов больших размеров (до 1,8 м длиной и до 70 мм диаметром) практически любой формы с очень вы- сокой оптической однородностью. Стекла варят в платиновых или ке- рамических тиглях.

К недостаткам стекол, применяемых в качестве лазерных мате- риалов, следует отнести низкую теплопроводность, препятствующую быстрому отводу тепла при мощной оптической накачке. Исключение составляет волоконный лазер с резонатором на базе оптического стек- ловолокна, внутри которого генерируется излучение.

Принцип действия рубинового лазера

Рубин (от лат. ruberus - красный и позднелат. rubinus) является разновидностью минерала корунда (Al2O3), но содержит примеси ионов хрома Cr3+ (от сотых долей до 2%, как правило 0,05%), которые заме- щают ионы алюминия Al3+ и (в отличие от бесцветного корунда) опре- деляют красный цвет рубина.

На рис. 8 представлена энергетическая диаграмма, пояс- няющая принцип работы рубинового лазера. Линии 1, 2, 3 соот-

28

ветствуют энергетическим уровням ионов хрома.

Рис. 8 Схема энергетических уровней рубинового лазера.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне в основном состоянии.

При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы поглощения этого уровня составляет около 800 А. С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвраща- ется на основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома от- дают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Веро- ятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приво- дит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов. Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, вызовет во втором атоме индуцированный переход, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излуче- ния. Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызываемые не- совершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет

29

выходить поток излучения, не будут превосходить той мощности, ко- торую приобретает в результате начавшейся генерации формирующий- ся в стержне лазера луч, то интенсивность излучения будет нарастать до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещест- ва (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в момент возбуждения. Направление луча будет строго параллельно оси лазерно- го резонатора.

Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколько-нибудь заметной генерации.

Именно многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную мощность.

Действие твердотельного лазера, построенного на основе ит-

триево-алюминиевого граната (ИАГ)

В ИАГ-лазере базовым материалом лазерного элемента является кристалл иттриево-алюминиевого граната Y3Al5O12, в котором приме- сью служат ионы трехвалентного неодима Nd3+. Энергетические уров- ни неодима Nd3+ в ИАГ-лазере показаны на рис.9.

Оптическая накачка осуществляется ксеноновыми (при мощности накачки ~10 Вт) и криптоновыми лампами (при мощности накачки ~100 Вт). Такая накачка обеспечивает переход лазера на различные уровни высокой энергии (рис.9.).

Далее возбужденные частицы без излучения энергии переходят на уровень E3 . Лазерный переход возбужденных частиц происходит меж-

ду энергетическими уровнями E3 и E2 с длиной волны излучения λ = 1,0641 мкм. Важно подчеркнуть, что уровень E2 в такой системе расположен существенно выше основного состояния E1 и, следова-

тельно, при термодинамическом равновесии не заселен. Таким обра- зом, ИАГ-лазер является четырехуровневой квантовой системой.

30