2. Особенности конструкции гелий- неонового лазера, технические характеристики.
Из всех газовых лазеров гелий-неоновый лазер наиболее прост по своей конструкции, которая полностью соответствует схеме рис. 3. Разрядная трубка изготавливается, как правило, из стекла и заполняется смесью газов He + Ne при оптимальном давлении. В трубку впаяны электроды. Часто применяют полый холодный катод из оксидированного тантала. Иногда в дополнительный отросток помещается геттер. При внешнем расположении зеркал резонатора с торцов трубки под углом Брюстера к ее продольной оси вакуум плотно приклеиваются плоские окна толщиной 3...5 мм, изготовленные из оптического стекла высокого качества. Зеркала резонатора и газоразрядная трубка зафиксированы в специальной арматуре, основу которой составляют инваровые стержни, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения. Юстировочные устройства позволяют настраивать одно из зеркал резонатора и перемещать трубку. При расположении зеркал внутри рабочей трубки необходимость в специальной арматуре, естественно, отпадает.
Наибольшее распространение получили малогабаритные маломощные (He-Ne) лазеры с длиной разрядной трубки 8...20 см и внутренним диаметром 2...4 мм, работающие в красной области спектра на длине волны 0,6328 мкм в непрерывном режиме с выходной мощностью 1...5 мВт.
В конструкции (Не-Ne) лазера используется диэлектрический резонатор. Поскольку коэффициент усиления в (Не-Ne) лазере мал, особенно для λ = 0,63 мкм, то его резонатор должен обладать высокой добротностью. Это накладывает жесткие требования к качеству зеркал резонатора. Коэффициент отражения на рабочей Длине волны для одного из них должен быть близок к 100% (глухое зеркало), а для другого — 99,5...98% при пропускании 0,5...2%. Металлические покрытия этим требованиям не удовлетворяют и в резонаторе (Не-Nе) лазера всегда применяют многослойные интерференционные диэлектрические зеркала. Они представляют собой плоские или сферические пластины, изготовленные из оптического стекла или плавленого кварца, на которые методом напыления или химического осаждения нанесены чередующиеся диэлектрические слои толщиной dt и d2 с разными указателями преломления n1 и n2, как показано на рис.4. Отражаясь от каждой из границ раздела, световые волны интерферируют между собой.
Рабочие характеристики (Не-Nе) лазера зависят от общего давления и соотношения компонент газовой смеси, от диаметра и длины газоразрядной трубки, от коэффициентов отражения зеркал и от разрядного тока. Эти зависимости определяются особенностями процессов возбуждения и релаксации активных атомов. Для каждого из перечисленных параметров существует свой оптимум.
3. Применение гелий- неонового лазера.
(He-Ne) лазер нашёл широкое применение в медицине.
К примеру, было проведено огромное количество исследований по поиску первичного элемента, определяющего весь ход биохимических реакций в клетке. Учёные обнаружили, что биостимулирующее действие гелий-неонового лазера связано с его поглощением порфирин-содержащим ферментом каталазой, имеющим максимум светоабсорбции 628 нм. Повышение активности каталазы в результате облучения красным светом положительно влияет на антиоксидантную систему организма с последующими физиологическими эффектами при тех или иных заболеваниях. Установлено также, что под действием красного света происходит реактивизация особого фермента в тканях, который также имеет максимум поглощения в красной области спектра. Реактивизация супероксидисмутазы ведет к повышению антиоксидантного статуса в тканях и снижению уровня перекисного окисления липидов.
Усиление синтеза ДНК при воздействии красным светом на культуру клеток происходит в сравнительно узком временном интервале облучения. В опытах по выявлению воздействия гелий-неонового лазера на суспензию клеток селезенки мыши получены данные о стимуляции их хемолюминесценции в интервале доз облучения 0,1-0,3 Дж/см2 с максимумом около 0,2 Дж/см2. Эти данные свидетельствуют об активизации НАДФ Н2-оксидазы, ответственной за респираторный взрыв в клетках и генерацию свободных радикалов кислорода, так как семихиноновая форма флавиноного хромофора этого фермента имеет полосы поглощения в области 633 нм.
Высказаны предположения, что благодаря наличию у кислорода полосы поглощения вблизи 640 нм, он активно поглощает красный свет, переходя в синглетное состояние и инициируя в тканях окислительные процессы. В исследованиях на эритроцитах человека высокочувствительным методом лазерной цитодифрактометрии показано, что НИЛИ ближней инфракрасной области (700-900 нм) при плотности потока излучения 1-10 мВт/см2 и длительности воздействия 100 с влияет на деформируемость мембраны эритроцитов. Механизм действия заключается в возникновении первичных повреждений цитоплазматической мембраны синглетным кислородом, образующимся в результате фотовозбуждения молекулярного кислорода, имеющего полосы поглощения вблизи 586, 640,762, 1060 нм.
При отсутствии специфических фотоакцепторов неспецифическими поглотителями энергии лазерного излучения могут стать макромолекулярные и мембранные образования клеток, подвергаясь при этом конформным изменениям, а также вода. Возможно, что действие низкоинтенсивного лазерного излучения проявляется через изменения физико-химических свойств свободной и связанной воды. Допускается и возможность теплового эффекта НИЛИ при действии на биологические ткани. Однако это мнение не подкрепляется ни экспериментальными данными, ни какими-либо теоретическими оценками, позволяющими проверить справедливость этих моделей.
На основании большого количества клинических данных эффективности лечения ишемической болезни сердца с помощью гелий-неонового лазера предложено оценивать по общей антиокислительной активности плазмы крови больных. Необходимость прекращения инвазивной лазерной терапии связывается при этом с достижением показателей антиокислительной активности плазмы максимальных значений и выходом их на "плато". Также, (He-Ne) лазер применяется при лечении язв, ран, воспалительных процессов, некоторых сосудистых заболеваний и в кардиологии. Не вызывает сомнения стимулирующее действие излучения (He-Ne) лазера при регенерации и улучшении обменных процессов. Основными преимуществами, стимулирующими применение в медицине лазеров в общем (и (He-Ne) лазера в частности), являются радикальность лечения, снижение сроков вмешательства, уменьшение числа осложнений, кровопотери, улучшение условий стерильности и т. д. (He-Ne) лазер применяется при лечении различных форм гайморитов (для воздействия на кожу в проекции пазухи, а также для облучения слизистой оболочки верхнечелюстной пазухи с помощью световодов, вводимых в синус после пункции и промывания его). Сочетанное использование методов воздействия гелий-неонового лазера, особенно с хирургическим и криовоздействием, позволяет быстро устранить состояние гипоксии, отека и болевой синдром, активизируя регенеративно-репаративные процессы. Для оптимизации положительного эффекта предложены методы лазерооксигеновоздействия
Одновременно с созданием (He- Ne) лазера начали развиваться различные направления его применений. К примеру, стоит отметить, что гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3*10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2 стерадиан)). Благодаря этому получить очень большую интенсивность света. Также прямое подтверждение вывода о формировании при «критических» температурах крупных молекулярных структур было получено путем измерений релеевского рассеяния света. Источником света служил гелий- неоновый лазер с длиной волны 633 нм. Интенсивность рассеяния IР измеряли под углом 900. В связи с малой прозрачностью исходных нефтяных сред, в качестве образца использовали разбавленный раствор обезвоженной нефти (0,3% по объему) в толуоле. На рисунке 5 приведена измеренная зависимость IР от температуры образца. Хорошо видно, что при обсуждавшейся выше «критической» температуре Т=370С начинается резкий рост интенсивности рассеяния, свидетельствующий об образовании в жидкости крупных молекулярных агрегатов.
Применяется (He-Ne) лазер и в сельском хозяйстве. К примеру, в результате стимулирования семян гелий-неоновым лазером ускоряется приток питательных веществ к зародышу, обеспечивается активация метаболических процессов в растениях, что ускоряет прохождение ими фаз развития в процессе онтогенеза, вследствие чего срок созревания сельскохозяйственных культур сокращается на 3-5 дней. Повышенная интенсивность развития растений ведет к увеличению урожайности как за счет большего количества завязей на одном растении, так и большего размера одной завязи. На практике хорошо зарекомендовали себя автоматические лазеры. Лазерная обработка дает прекрасные результаты при воздействии не только на сами растения, но и на посевной материал (семена, клубни, луковицы), который, как известно, хлорофилла еще не содержит. В этом случае световая энергия не тратится на процесс фотосинтеза, а преобразуется в фотохимическую и запасается, а затем расходуется во время прорастания и всех стадий вегетации. Семена быстрее и дружнее всходят, растение скорее обзаводится корневой системой и кроной, площадь его листьев оказывается большей, а корневая система - более разветвленной. В большем количестве и существенно раньше созревают плоды, что немаловажно в нашем прохладном климате.
Создание (He-Ne) ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Таким образом, все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. С помощью гелий-неонового Л., обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового Л. (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 1012 гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,99792456,2 + 1,1 м/сек .