Какими свойствами обладает лазер
Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами – оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation – LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.
Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.
Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.
Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.
Физические свойства излучения
- Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
- Когерентность (синфазность) – совпадение фаз электромагнитных колебаний.
- Поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
- Направленность – малая расходимость потока излучения.
Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.
Длина волны лазера
Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).
Частота импульсов лазера
Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.
Мощность лазера
Мощность излучения – средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ – Ватт (Вт). Плотность мощности – отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ – Вт/см2.
Доза облучения – энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ – Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.
Длина волны лазерного излучения
Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.
Спектр лазерного излучения (цвет лазера)
Ультрафиолетовый диапазон
- От 180 до 400 нм.
Видимый спектр
- Фиолетовый 400-450 нм.
- Синий 450-480 нм.
- Голубой 480-510 нм.
- Зелёный 510-575 нм.
- Жёлтый 575-585 нм.
- Оранжевый 585-620 нм.
- Красный 620-760 нм.
Инфракрасный диапазон
- Ближняя область 760 нм -15 мкм.
- Дальняя область 15-30 мкм.
В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.
Интенсивность лазерного излучения
В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:
- Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
- Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
- Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).
Наталия Баховец
Кандидат медицинских наук, физиотерапевт, косметолог, автор многочисленных книг и методических пособий по аппаратной косметологии,
руководитель и методолог учебного центра АЮНА.
Источник
Лазерное
излучение обладает следующими физическими
свойствами:
1. Высокая
пространственная и временнáя когерентность.
Это означает, что определённые фазовые
соотношения между отдельными волнами
сохраняются в течение некоторого времени
не только в данной точке пространства,
но и между колебаниями, происходящими
в разных точках. Такая согласованность
процессов позволяет сфокусировать
пучок лазерного излучения в пятно
диаметром равным длине волны этого
излучения. Это позволяет увеличить и
без того большую интенсивность пучка
лазерного излучения.
2.
Строгая монохроматичность излучения.
Интервал
длин волн Δλ испускаемых лазером
достигает величины ~ 10-15
м (в среднем Δλ < 10-11
).
3.
Большая
плотность потока энергии.
Так, например, неодимовый лазер генерирует
импульсы длительностью 3·10-12
с и энергией
75 Дж, что соответствует мощности 2,5·1013
Вт (мощность
Красноярской ГЭС 6·109
Вт)! Для
сравнения отметим так же, что интенсивность
солнечного света на поверхности Земли
всего лишь 103
Вт/м2
, в то время как лазерные системы могут
давать интенсивность до 1020
Вт/м2.
Очень
малая угловая расходимость пучка.
Угловая расходимость определяется
углом θ между крайними лучами,
ограничивающими пучок. Для лазерного
излучения угловая расходимость
составляет величину ~10-3
радиана, что соответствует одной угловой
минуте. Луч прожектора при использовании
специальной фокусировки
имеет расходимость около 3 градусов,
что в десятки тысяч раз хуже. В
общем случае расходимость пучка
квантового генератора определяется
явлением дифракции и зависит от диаметра
стержня активного вещества
,
θ – угловая расходимость луча (в
радианах); λ – длина волны излучения;D
– диаметр стержня.Высокая
степень поляризации излучения. Лазерное
излучение почти полностью поляризовано.Большое
значение напряжённости электрического
поля в пучке. Используя
формулу Умова-Пойнтинга можно подсчитать,
что напряжённость электрического поля
в световой волне с интенсивностью
переноса энергии 1018
Вт/м2
равна
3·1010
В/м (для обычного света Е = 104
В/м). Это означает, что пучок лазерного
излучения способен оказывать давление
в 1012 Па
(обычный свет – 10-6
Па).
Напряжённость электрического поля
лазерного излучения сопоставима с
напряжённостью поля внутри атома.
Необычные
свойства лазерного излучения находят
широкое практическое применение. В
промышленности лазеры используют для
обработки, резания и микросварки твёрдых
материалов (например, пробивание
калиброванных отверстий в алмазе),
скоростного и точного обнаружения
дефектов обработки поверхностей и др.
В науке лазерное излучение применяют
для исследования механизма химических
реакций и получения сверхчистых
веществ; для разделения изотопов и
изучения высокотемпературной плазмы;
для сверхточных дистанционных измерений
перемещений, показателей преломления,
давления и температуры (в астрономии).
Высокая когерентность лазерного
излучения позволила осуществить
принципиально новый метод записи и
восстановления изображения, основанный
на интерференции и дифракции волн. Этот
метод получения трёхмерного изображения
был назван голографией (от греческого
слова holos
– весь). Он заключается в следующем
(рис.7): перед экраном-фотодетектором
(фотопластинка) 3 помещён объект 2.
Полупрозрачное зеркало 4 расщепляет
лазерный пучок на опорную 7 и сигнальную
8 волны. Опорная волна 7, сфокусированная
линзой 5, отражается зеркалом 6 прямо на
фотопластинку. Сигнальная волна 8
попадает на фотодетектор после отражения
от предмета 2. Т.к. волны 7 и 8 когерентны,
то накладываясь друг на друга, они
образуют на фотопластинке интерференционную
картину. После проявления фотодетектора
получается голограмма – «негатив»
интерференционной картины сложения
двух когерентных световых волн 7 и 8.
При
освещении голограммы световой волной
тождественной опорной под соответствующим
углом происходит дифракция этой
«считывающей» волны на «дифракционной
решётке», которую представляет собой
зафиксированная на голограмме
интерференционная картина. В результате
восстанавливается (становится наблюдаемым)
зарегистрированное на голограмме
изображение объекта.
Если фотодетектор имеет толщину
светочувствительного слоя сравнимую
с расстоянием между соседними
интерференционными полосами, получают
обычную двухмерную, плоскую голограмму,
если же толщина слоя много больше
расстояния между полосами – получают
трёхмерное (объёмное) изображение.
Восстановить изображение с объёмной
голограммы можно и в белом свете
(солнечный свет или свет обычной лампы
накаливания) – голограмма сама “выбирает”
из сплошного спектра ту длину волны,
которая может восстановить записанное
на голограмме изображение.
Рассмотрим
основные эффекты взаимодействия
лазерного излучения с веществом и
биологическими объектами.
Термический
эффект. При
поглощении лазерного излучения веществом,
тканями человека, животных и растений
значительная часть энергии электромагнитного
поля переходит в теплоту. В биологических
тканях поглощение происходит избирательно,
т.к. входящие в состав тканей структурные
элементы имеют разные показатели
поглощения и отражения. Термический
эффект лазерного облучения определяется
интенсивностью светового потока и
степенью его поглощения тканью. При
этом изменения, возникающие в тканях,
сходны с ожогом. Однако в отличие от
ожога границы области локального
повышения температуры чётко очерчены.
Это связано с очень малым поперечным
сечением пучка лазерного излучения,
кратковременностью воздействия и плохой
теплопроводности биологических тканей.
Наиболее чувствительны к повышению
температуры ферменты, которые при
нагревании разрушаются первыми, что в
свою очередь приводит к замедлению
биохимических реакций в клетках. При
достаточной интенсивности лазерного
облучения может происходить коагуляция
(необратимая денатурация) белков и
полное разрушение тканей.
Ударный
эффект.
Выделение тепла в зоне воздействия
лазерного луча происходит за миллионные,
и даже стомиллионные доли секунды.
Мгновенное испарение частиц тканей и
их быстрое объёмное расширение вызывает
резкий рост давления в очаге нагревания.
В результате,
в жидких компонентах клеток и тканях
возникает ударная волна, которая
распространяется со сверхзвуковой
скоростью
(~1500 м/с) и способная вызвать их повреждение.
Электрические
явления.
Лазерное излучение по своей природе
представляет собой электромагнитное
поле. При достаточно большой электрической
составляющей этого поля воздействие
лазерного луча будет вызывать ионизацию
и возбуждение атомов и молекул. В
биологических тканях это может привести
к избирательному разрушению химических
связей в молекулах, образованию свободных
радикалов и, как следствие, к различным
патологическим процессам в организмах
животных и человека. Предполагается,
что они обуславливают химические
мутации, возникновение раковых
заболеваний, биологическое старение.
Перечисленные
выше свойства лазерного излучения и
эффекты его взаимодействия с биотканями
определяют уникальные возможности
применения лазеров в экспериментальной
биологии и медицине.
Сфокусированный до диаметра всего в
несколько микрон, лазерный луч становиться
исследовательским и микрохирургическим
инструментом на клеточном уровне.
Облучая определённые участки хромосом
можно вызвать изменение наследственности.
Такой лазерный луч позволяет отщепить
от макромалекулы отдельные фрагменты
и «пришить» на их место новые. Использование
лазера сделало технически возможным
решение целого ряда задач цитологии,
цитогенетики, эмбриологии и других
направлений биологической науки.
Основными областями
применения лазеров в медицине является
хирургия, офтальмология и онкология.
В
хирургии применяются СО2-лазеры
мощностью 30 ÷ 100 Вт, работающие в
непрерывном режиме. Свойства лазерного
луча разрушать биологические ткани,
совмещённые с коагуляцией белка,
позволяет проводить бескровные
рассечения. Лазерный скальпель перед
традиционным скальпелем имеет ряд
преимуществ. Основными проблемами
хирургии является боль, кровотечение
и стерильность. Эти проблемы решаются
при использовании лазера очень просто:
лазерное излучение, в отличие от обычного
скальпеля, не может внести инфекцию,
оно стерилизует рассекаемые ткани, даже
если они уже инфицированы нагноением;
потери крови не происходит, поскольку
кровеносные сосуды мгновенно закупориваются
свернувшейся кровью; лазерный скальпель
не оказывает на ткань механического
давления, что снижает ощущение боли.
Кроме того, с помощью современных
эндоскопов и гибких световодов (волоконная
оптика) лазерное излучение может
вводиться во внутренние полости,
благодаря чему становятся возможными
остановка внутреннего кровотечения и
испарение нагноений без вскрытия
органов. Для целей хирургии у нас в
стране созданы установки «Скальпель-1»
(Р = 30Вт) и «Ромашка-1» (Р = 100 Вт).
В
офтальмологии используются импульсные
рубиновые лазеры (длительность импульсов
30 ÷70 нс; Е = 0, 1 ÷ 0,3 Дж), которые позволяют
без нарушения целостности глаза
осуществлять ряд сложных операций:
приваривание отслоившейся сетчатки к
сосудистой оболочке глаза
(офтальмокоагулятор); лечение глаукомы
путём прокалывания лазерным лучом
отверстия диаметром 50-100 нм, для оттока
жидкости с целью снижения внутриглазного
давления; лечения некоторых видов
катаракт и других дефектов радужной
оболочки глаза. Для лечения глаукомы
была создана установка «Ятаган-1».
В
онкологии лазерное излучение используется
при иссечении и некротизации клеток
злокачественных опухолей. При некротизации
злокачественных опухолей используется
избирательность поглощения лазерного
излучения различными тканями. Например,
некоторые пигментированные опухоли
(меланома, гемангиома) поглощают лазерное
излучение гораздо интенсивнее, чем
окружающие ткани. При этом в микроскопическом
объеме ткани молниеносно выделяется
тепло с образованием ударной волны. Эти
факторы вызывают разрушение злокачественных
клеток. При импульсном воздействии
температура тканей на глубине 4-5 мм
повышается до 55-600С.
При использовании лазеров, работающих
в непрерывном режиме, температуру можно
повысить до 1000С.
Для воздействия на опухоли используется
сфокусированное лазерное излучение (d
= 1,5÷3 мм на поверхности объекта)
интенсивностью I
= 200 ÷ 900 Вт/см2.
Установлено,
что лазерное излучение имеет ряд
преимуществ перед используемой для
лечения рака кожи рентгенотерапией:
существенно уменьшается радиационная
нагрузка и в несколько раз уменьшаются
затраты. С помощью менее интенсивного
излучения можно подавлять рост раковых
клеток (лазерная терапия). Для этой цели
используется специальная лазерная
установка «Пульсатор-1» или аргоновые
лазеры мощностью до 1 Вт. Рак кожи
излечивается лазером в 97% случаев.
Соседние файлы в папке Физика
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
1. Лазерное излучение обладает высокой временной и пространственнойкогерентностью. Время когерентности τ ~ 10-3 с, что соответствует длине когерентности l = cτ ~105 м, т.е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.
2.Монохроматичность лазерного излучения. Как уже отмечалось, энергетические уровни атомов обладают определенной шириной, причем в кристалле из-за взаимного влияния атомов происходит более значительное уширение уровней, чем в газе. Вследствие этого вынужденное излучение будет происходит не при одной строго определенной частоте, а в некотором интервале частот. Правда, увеличение ширины энергетического уровня позволяет использовать большую часть излучения лампы накачки для создания инверсной населенности, т. е. увеличить коэффициент полезного действия лампы накачки.
При использовании резонатора ширина спектральных линий для оптических квантовых генераторов становится более узкой по сравнению с естественной шириной спектральной линии.
В этой связи следует обратить внимание на то, что до появления оптических квантовых генераторов считалось принципиально невозможным преодоление предела существующей до тех пор монохроматичности, определяемой естественной шириной спектральной линии, обусловленной, в свою очередь, конечностью времени излучения отдельного атома.
3. Направленность лазерного излучения. Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например у прожектора). Это объясняется как свойством индуцированного излучения, так и воздействием резонатора. Однако, несмотря на это, из-за явления дифракции строго параллельный пучок света получить принципиально невозможно. Как известно, при любом ограничении фронта волны имеет место дифракция. Так как при генерации света в лазере фронт световой волны ограничивается окружностью основания кристалла рубина или же зеркала диаметром D, то, согласно теории дифракции, угол минимального расхождения лучей определяется из следующего условия:
θмин ≥ 1,22λ/D.
Углы расхождения составляют соответственно для газовых лазеров
1’—2′, для рубиновых 7’—9′, для полупроводниковых 1°—2°. Диаметр расхождения таких лучей у поверхности Луны при ее локации с поверхности Земли составляет всего 3 км.
4. Интенсивность лазерного излучения. При увеличении мощности накачки увеличивается интенсивность лазерного излучения. Однако такое увеличение имеет предел. Это обусловлено тем, что по мере увеличения числа атомов в метастабильном состоянии возрастают процессы спонтанного излучения, в результате чего уменьшается инверсия населенности, приводящая к уменьшению интенсивности излучения. Энергия излучения рубиновых лазеров по сравнению с газовыми больше и может достигнуть 10 Дж и более, что связано с большей концентрацией активных атомов в рубине, чем в газе. Из-за очень малой длительности излучения в рубиновых лазерах такая энергия создает мощность порядка 1010 Вт/м2.
С помощью специальных усовершенствований можно увеличить мощность лазеров до 1012Вт.
Применения лазеров.Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, волоконно-оптические линии связи, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.
Как уже отмечалось, мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной среды рентгеновского лазера.
Другим перспективным направлением применения лазеров является
управляемый термоядерный синтез.
В США ведутся работы по программе управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы (Inertial Сonfinement Fusion — ICF). Данная программа − альтернатива работам по созданию систем с магнитным удержанием плазмы (это токамаки и стеллараторы). Для этих целей создана установка NIF (National Ignition Facility — «Национальная установка зажигания»), в которой для обстрела мишени используется 192 ультрафиолетовых лазера.
Мощный сфокусированный лазерный импульс, направленный на мишень из смеси дейтерия и трития в виде сферы диаметром около 2 мм, превратит ее в плазму с температурой около 100 миллионов градусов. При такой температуре произойдет термоядерная реакция синтеза. Запуск установки на полную мощность запланирован на 2013 г.
Источник