медицина (в том числе крио

ния дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7).

Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки.

Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина.

Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии.

Считается, что особенно перспективно использование в медицине коротковолнового ультрафиолетового излучения с λ = 0,26 мкм, которое на 90 % поглощается нуклеиновыми кислотами и только на 10 % - белками.

1.4.2 Гелий - неоновый лазер

Гелий - неоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров на атомах нейтральных газов. Активная среда этого лазера - смесь нейтральных газов гелия и неона.

Современные гелий - неоновые лазеры ЛГ - 55, ЛГ - 72, ЛГ - 78, ОКГ - 13 и другие.

Их разделяют на:

-маломощные (малогабаритные) от 0,1 до 2,0 мВт. Длина излучателя 300 мм. Работают на λ = 0,633 мкм;

-средней мощности от 2,5 до 15 мВт; λ= 0,63 и 1,15 мкм.;

-мощные лазеры от 20 до 60 мВт, снабженные иногда комплектом дополнительных принадлежностей для выделения одной частоты селекции различных длин волн (0,63; 1,15 и 3,39 мкм), стабилизации мощности и пр.;

-лазеры специального назначения самых различных конструкций, с СВЧ накачкой и др.

λ= 0,63 мкм - видимая часть спектра (красная линия излучения неона).

λ= 1,15 и 3,39 мкм - инфракрасная часть спектра. Долговечность гелий - неоновых лазеров до 10000 ч и более.

Экспериментально установлено, что отношение Не к Ne по максимуму мощности излучения должно составлять 5:1 - 10:1 в зависимости от диаметра трубки (для малых диаметров отношение больше). Разрядный ток равняется от 5 до 50 мА, а плотность тока исчисляется в мА/см2.

В гелий - неоновом лазере давление газовой смеси в газоразрядной трубке имеет порядок 1мм.рт.ст. При этом пропорциональное давление гелия

примерно в 5 - 10 раз выше давления неона. В гелий - неоновых лазерах генерация происходит на переходах между уровнями нейтральных атомов неона (рабочий газ). Гелий - вспомогательный (буферный) газ.

В процессе газового разряда "активная" среда создается за счет столкновения атомов с электронами, что переводит электроны в атомах не только на верхний уровень, но и на остальные уровни, бесполезно растрачивая энергию. Чтобы их перевести исключительно на нужный уровень, к основному газу подмешивают вспомогательный (гелий). Сам он не генерирует света, но зато обладает полезной особенностью: его электроны под действием разряда скапливаются практически только на одном уровне.

При этом энергия уровней неона практически совпадает с энергией метастабильных уровней гелия. При столкновении "возбужденного" атома гелия с невозбужденным атомом рабочего газа, атом гелия резонансно передает последнему свою избыточную энергию. Вследствие чего электрон в атоме гелия переходит в свой нижний уровень, а электрон рабочего атома перейдет на более высокий и к тому же вполне определенный уровень, номер которого зависит от величины избыточной энергии электрона в возбужденном атоме гелия. Иначе говоря, при соударении атомы неона возбуждаются до определенных уровней, а атомы гелия переходят в нижнее основное состояние без излучения.

Таким образом, энергия электронов вспомогательного газа тратится в основном только на создание "активной среды" (инверсии населенностей). В гелий - неоновом лазере газовая смесь находится в трубке. Мощность генерации в значительной мере зависит от диаметра газоразрядной трубки. Установлено, что диаметр разрядной трубки составляет 1 ÷ 9 мм. При этом меньшие значения относятся к трубкам длиной до 300 мм, большие к трубкам длиной до 2 000 мм. На рисунок 1.11 дано схематическое изображение оптической части гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с жестким креплением зеркал резонатора 2

и 10.

Гелий - неоновые лазеры часто конструктивно выполняются с поворотными зеркалами для обеспечения юстировки.

Рисунок 1.11 -Конструктивная схема генератора гелий - неонового лазера ОКГ – 13:

1 – газоразрядная трубка; 2, 10 – зеркала резонатора; 3 – специальные вкладыши; 4 – кольца; 5 – корпус; 6 – винты; 7 – насадки; 8 – выходное окно; 9 – разъем для подключения прибора.

Газоразрядная трубка 1 зажимается в специальных вкладышах 3, на которые одеты и закреплены кольца 4 (для того, чтобы не затемнять схему выносными цифрами обозначена только одна из подобных деталей). Крепление трубки 1 в корпусе 5 осуществляется в двух плоскостях посредством четырех винтов 6 в каждой плоскости. Такое крепление трубки позволяет произвести установку газоразрядной трубки вдоль оптической оси резонатора (оси зеркал) - юстировку. Для уменьшения потерь выходные окна 8, представляющие собой плоско - параллельные пластины, расположены под углом Брюстера.

При таком расположении окон отражение от его торцовых пластин минимально, так как излучение имеет плоскую поляризацию. Торцовые поверхности корпуса (5) обработаны с такой точностью, чтобы обеспечить совпадение оптических осей зеркал, прижатых к этим поверхностям. Зеркала резонатора (2) и (10) прижимаются к торцовым поверхностям с помощью насадок

(7).

Для защиты рабочих поверхностей зеркал и выходных окон трубки от действия пыли и влаги в приборе предусмотрена герметизация пассивной части резонатора, осуществляемая резиновыми манжетами (на рисунке не показаны). На Рисунок 1.12 дан общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов.

Рисунок 1.12 Общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов

Области применения гелий - неоновых лазеров - измерительная техника, научные исследования, медицина. В медицинской практике гелий - неоновые лазеры используются в офтальмологии и терапии.

1.4.3 СО2 лазер

СО2-лазер, работающий на смеси углекислого газа, азота и гелия, является молекулярным газоразрядным лазером. Он достаточно широко распространен в промышленности и применяется в медицине.

Принципиальные схемы (см. рисунок 1.6) и краткое описание принципа действия этих лазеров дано на странице 16

В этих лазерах выходная мощность и КПД не зависят от диаметра газоразрядной трубки. Это обстоятельство позволяет применять газоразрядные трубки относительно большого диаметра (до 40 ÷ 70 мм), для которых легче выполнять систему охлаждения.

Соотношение газов в смеси (СО2 : N2 : He) составляет соответственно 1:5:10.Но эти значения примерные и могут колебаться в определенных пределах. Обычно СО2 лазеры излучают на длине волны равной 10,6 мкм.

В промышленности такие лазеры применяются в основном для резки и термоупрочнения материалов, а в медицине - в качестве скальпеля. Недостатком таких лазеров в настоящее время считается их слабая проводимость излучения по стекловолоконному кабелю.

Рис 1.13 Лазерная технологическая система "Искар 500"

Рис 1.14 Лазерные хирургические установки:

а - " Скальпель – 1"; б- "Ромашка"

На рисунке 1.13 показана лазерная технологическая система "Искар 500", применяемая в промышленности для резки различных материалов (сталь конструкционная до 5 мм), мощностью излучения 500Вт. Для сравнения на рисунок 1.14 даны общие виды медицинских СО2 лазеров " Скальпель1" и "Ромашка", применяемые в хирургии взамен скальпеля и имеющие мощность на выходе из световода соответственно не менее 20 Вт и 80 Вт.

Генерацию мощности, равную десяткам ватт (от 1 Вт до 100 Вт) можно получить в СО2 лазерах с отпаянной трубкой. Газоразрядная трубка этих лазеров заполняется смесью вышеуказанных газов и отпаивается. В качестве примера отпаянного лазера можно привести лазер марки ИЛГН - 70 с мощностью излучения 60 Вт. Ресурс работы отпаянной газоразрядной трубки подобных лазеров составляет примерно 500 часов и более. Затем трубка должна быть заменена или вновь заполнена свежей газовой смесью.

Мы рассмотрели некоторые газоразрядные лазеры. Остается добавить, что практически любой газоразрядный лазер при определенном конструктивном решении способен работать и в импульсном режиме.

1.4.4 Лазер на алюминийиттровом гранате с неодимом

Лазер на алюминий - иттровом гранате - твердотельный. В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу активатор (активный центр). Используются как кристаллические, так и аморфные (стеклянные) матрицы. ИАГ лазеры - одни из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров. Активный элемент этих лазеров - кристаллический, в котором матрицей служит иттрий - алюминиевый гранат (Y3Al5O12), а активатором - ионы Nd3+. Принятое обозначение этих лазеров ИАГ : Nd3+ (АИГ : Nd3+ и Nd - YAG). Длина волны излучения равна

1,06 мкм.

Накачка - оптическая. Основные переходы иона неодима совершаются по четырехуровневой схеме (см. рисунок 1.3.). Принципиальная схема работы дана на рисунок 1.5. Эти лазеры имеют сравнительно низкий порог возбуждения. Лазерная генерация может быть реализована как в непрерывном, так и в импульсном режимах. КПД достигает нескольких процентов и считается достаточно высоким для твердотельных лазеров.

В промышленности ИАГ лазеры (например: ЛТН - 102А, ЛТН - 103 др.) применяются для резки различных материалов. Существуют специальные лазер- но-технологические системы для нанесения различной информаций на поверхностях деталей, узлов и машин методом лазерной гравировки. Для этих целей также применяют ИАГ лазеры.

На рисунке 1.15 показано промышленное оборудование "Опал 50" для гравировки, оснащенный ИАГ лазером с мощностью генерации 80 Вт.

Рис 1.15 Лазерная технологическая система "Опал 50" для гравировки материалов, оснащенная ИАГ лазером

Рис 1.16 Основной модуль лазерной медицинской системы 405 - 4А

6 – микропроцессорное управление; 7 – принтер для документирования операций; 9 – адаптер для включения исполнительных устройств; 11 – педаль для дублированного запуска системы.

На рисунке 1.16 дан общий вид основного модуля лазерной медицинской системы 405 - 4А (Болгария), имеющей широкий спектр применения. В состав основного модуля входят: лазерный непрерывный излучатель (АИГ: Nd3+) с выходной максимальной мощностью 60 или 100 Вт., блок питания лазера, встроенное водяное охлаждение, гелий - неоновый лазер (трассирующий луч), встроенный измеритель мощности, информационная панель для слежения за состоянием системы, линия дозировки газовой среды, которые вмонтированы в корпус модуля (на рисунке не видны), а так же микропроцессорное управление (6), принтер для документирования операций (7), адаптер для включения исполнительных устройств (9) и педаль (11) для дублированного запуска системы. Программируемые параметры:

выходная мощность - от 3 Вт до 60 Вт или от 5 Вт до 100 Вт через 1 Вт, стабилизируется с постоянно действующей обратной связью;

диаметр зоны облучения воспринимаемой процессором - от 1 мм до 500 мм;

плотность мощности - от 1 до 90.000 Вт/см2 (через 1 вт/см2), стабилизируется с постоянно действующей обратной связью.

время экспозиции - от 1 с до 9999 с (через 1 с.)

Документируемые параметры при операции: код врача, суммарное время облучения, график излученной мощности во время операции. Лазер хорошо совмещается с эндоскопическим оборудованием и снабжается гибкими моноволоконными световодами серии 405 - 4А - 200, к которым, в зависимости от конкретных нужд, могут присоединяться различные наконечники. Лазерная медицинская система 405 - 4А нашла применение в общей хирургии, урологии, гинекологии, нейрохирургии, кожной хирургии и т.д. ИАГ лазеры способны коагулировать большие объемы и применяются там, где имеется густая сосудистая сеть - при аномалиях развития и опухолях. Хорошая проводимость стекловолоконным кабелем обеспечивает универсальность их применения.

При гибких и жестких эндоскопах он может использоваться для коагуляции кровотечения, аномальных образований и опухолей, а при более высокой мощности и для раскупоривания опухолевых сужений (стенозов). При использовании ручного фокусирующего устройства и соответствующей плотности мощности возможно осуществление резекций на печени, поджелудочной железе, селезенке и почках с одновременной остановкой кровотечения.

Кроме рассмотренных лазеров в медицинской практике применяют и другие лазеры: полупроводниковые, эксимерные и т.д. Поэтому выбор установок должен быть произведен только после тщательного анализа достоинств и недостатков их технических характеристик.

Общее представление о многообразии существующих в настоящее время лазеров, используемых в различных областях человеческой деятельности, может дать и приведенная в таблице 1.1 классификация лазеров. Этот небольшой раздел курса завершим рассмотрением двух рисунков 1.17 и 1.18, внимательно рассматривая которые, можно прийти к пониманию возможностей лазерной техники и ее применения при проведении тончайших работ: сверление отверстий в человеческом волосе и разрушение почечного камня.

Рис 1.17 Отверстия в человеческом волосе, проделанные с помощью эксимерного лазера

Рис 1.18 Разрушение почечного камня осуществляется с помощью индуцированных лазером ударных волн