Содержание

Введение 2

Понятие лазера. История создания. 3

Строение лазера. Генерация лазерного излучения. 6

Процесс генерации лазерного излучения. 8

Схема генерации лазерного излучения по трехуровневой системе для рубинового лазера. 9

Свойства лазерного излучения. 11

Применение в медицине. 12

Список литературы 17

Введение

Свет использовался  для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки  и римляне часто «принимали солнце»  в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.

Настоящий рассвет  фототерапии пришелся на 19 век –  с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В  конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые  ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения  психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.

В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня  лазерные технологии применяются практически  при любых заболеваниях.

Понятие лазера. История создания.

Лазер (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов), основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.

Слово «лазер» - это аббревиатура слов английского  выражения «Light Amplifacation bz Stimulated of Radiation», что означает «усиление света вынужденным излучением.

Основой лазеров  служит явление индуцированного  излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в  1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют следующие типы переходов между энергетическими состояниями: спонтанное и вынужденное излучение.

Спонтанное излучение  – самопроизвольное испускание электромагнитного  излучения атомами и другими квантовыми системами, находящимися на возбужденных уровнях энергии. Спонтанное излучение происходит без внешнего воздействия. Закономерности спонтанного излучения определяются исключительно свойствами самой системы. Спонтанное излучение возникает при спонтанном квантовом переходе возбужденной системы с более высоко уровня энергии на более низкий.

Вынужденное излучение еще называют вынужденным испускание или индуцированным излучением. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равно частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона.

Для получения  лазерного излучения необходимо выполнение еще одного условия, так  называемой инверсии населенностей. Инверсия населенностей  - неравновесное состояние  вещества, при котором для составляющих его частиц (молекул, атомов) выполняются  следующие неравенства:

> , < .

То есть, для  того, чтобы происходило вынужденное  излучение необходимо, чтобы на возбужденном уровне находилось больше атомов, чем на невозбужденном уровне .

Для того, чтобы инверсия населенностей долгое время сохранялась, необходимо, чтобы время жизни на возбужденном уровне было как можно больше метастабильным.

Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в  то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при  взаимодействии электромагнитного  излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.

Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения  или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения  в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. За создание этого прибора физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров а также И. Таунс получили Нобелевскую премию.  По предложению распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер.

Строение  лазера. Генерация  лазерного излучения.

Лазер содержит три основных элемента:

1. активная среда (активный элемент, рабочее тело), в которой создают инверсию населенностей.

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей  длины волны, а также остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.

В лазерах используются следующие рабочие тела:

• Жидкость, например, в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин.
• Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
• Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

2) устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки).

Источник накачки  подаёт энергию в систему. В его  качестве могут выступать:

• электрический разрядник
• импульсная лампа
• дуговая лампа
• другой лазер
• химическая реакция
• взрывчатое вещество

Тип используемого  устройства накачки напрямую зависит  от используемого рабочего тела, а  также определяет способ подвода  энергии к системе.

3) устройство для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор). Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Процесс генерации лазерного излучения.

После того, как в активном элемента, расположенном внутри резонатора, достигнуто состояние инверсии, в нем возникают многочисленны акты люминесценции. ( Люминесценция – электромагнитное излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжавшееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний). Фотоны, спонтанно испущенные вдоль оси резонатора, многократно отражаются от его зеркал, вновь и вновь проходя через активный элемент и вызывая в нем акты вынужденного испускания. В начале возникновения генерации лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами, испущенными спонтанно вдоль оси резонатора. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между длиной волны излучения и размерами резонатора (расстояние между зеркалами l). Во время первого пролета усиливаются все фотоны, испущенные в результате  спонтанных процессов, однако после отражения от зеркал в преимущественном положении оказываются лишь те фотоны,  для которых выполняются условия возникновения стоячих волн. В наиболее благоприятных условия оказываются тез из мод резонатора, для которых λ совпадает с вершиной спектральной линии активной среду или расположена вблизи. Интенсивность таких волн лавинообразно возрастает. В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора. Для достижения наивысшей когерентности излучения стремятся к одновременному режиму генерации. Потери энергии в лазере складываются из внутренних потерь в активной среде и за счет вывода части генерируемой энергии сквозь зеркала резонатора. Одно из зеркал резонатора должно быть полупрозрачным.

Схема генерации лазерного  излучения по трехуровневой  системе для рубинового лазера.

Специальная ксеноновая газоразрядная лампа испускает кванты зеленого цвета, которые поглощаются ионами Cr³⁺, которые находятся в рабочей среде лазера. Ион Cr³⁺ переходит на возбужденный уровень (3).

Большинство ионов  Cr³⁺ переходят далее на метастабильный уровень (2). Это безызлучательный переход на уровень с огромным временем жизни (> секунд). Поскольку время жизни велико, на нем накапливается большое число ионов, и он становится инверсно населен по отношению к уровню .

Какой-либо ион  спонтанно переходит с уровня на уровень и при этом рождается квант света (красный). Он является заправочным. Двигаясь внутри кристалла, этот квант встречает ионы Cr³⁺  в метастабильном состоянии и «сшибает» их на уровень .

Специальными  методами добиваются того, чтобы лазерный луч был очень узким, монохроматичным.

Верхний уровень (3) – широкая полоса поглощения. Это позволяет использовать значительную часть спектра некогерентного источника  накачки для возбуждения атомов активного вещества.

Ниже располагается  метастабильный уровень (2). Среднее  время метастабильного уровня, т. е. среднее время до спонтанного  испускания фотона частицей, попавшей на этот уровень, велико. Для рубинового лазера время жизни метастабильного уровня составляет около с. Для сравнения, время жизни уровня (1) составляет около с. Такая ситуация обеспечивает возможность накопления большого числа частиц на метастабильном уровне. Таким образом, может возникнуть инверсия населенностей между уровнями (1) и (2), между которыми и возникнет рабочий (лазерный) переход. Наиболее распространенной трехуровневой средой является рубин, в состав которого входит кристалл корунда Al₂O₃ с примесью ионов Cr³⁺, которые и являются источником лазерного излучения.  

Используются  также активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Например, четырехуровневым ионом является ион неодима Nd³⁺, введенный в состав специальных стекол или кристаллов. По четырехуровневой системе часто работают и газовые лазеры. 
 

Свойства  лазерного излучения.

1)Чрезвычайно высокая степень монохроматичности.

2)Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Колебания называют когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени.

3)Высокая направленность излучения. Расходимость лазерного излучения составляет 0,5 -10 мрад. Для сравнения расходимость излучения от обычного источника достигает 4π мрад

4) Высокая степень поляризации лазерного излучения. Для получения поляризованного излучения от нелазерных источников необходимо использовать поляризационные приборы.

5) Высокая интенсивность лазерного излучения. Благодаря свойствам лазерного излучения можно сфокусировать лазерное изучение до диаметра, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получать высокие интенсивности излучения в очень локализованной области пространства

Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему  разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально  отличным от обычных источников света  процессом генерации излучения  за счет вынужденного излучения. 

Применение  в медицине.

Лазеротерапия (лазерная терапия) — метод лечения, состоящий в применении световой энергии лазерного излучения с лечебной целью.

Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.

Важное для  хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови.

Хирургические лазеры делятся на две большие  группы: абляционные (от лат. ablatio – «отнятие»; в медицине – хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.

В хирургии применяются CO₂-лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.

В онкологии  было замечено, что лазерный луч  оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и  внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.

Сегодня также  очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом  применении данного метода. Суть его  состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество – фотосенсибилизатор. Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.

Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в  красной области спектра (0,63 мкм) мощностью 1,5–2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15–20 мин за сеанс для взрослых и 5–7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

В офтальмологии  лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью  лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии по лечению  глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области  спектра. Для коррекции зрения давно  и успешно используются эксимерные лазеры.

В дерматологии с помощью лазерного излучения  лечат многие тяжёлые и хронические  заболевания кожи, а также выводят  татуировки. При облучении лазером  активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов .

Основной принцип  применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает  в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для  красного спектра - меланин волос, а  для инфракрасного спектра - клеточная  вода.

При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло  на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к  тепловому разрушению мишени. Таким  образом, с помощью лазера можно  селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна  и другие дефекты кожи.

Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они  содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.

В стоматологии лазерное излучение  является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза  и заболеваний слизистой оболочки полости рта.

Лазерный луч  применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой – держателем световода.

В диагностике  лазеры применяются для обнаружения  различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических  операций сводятся к пропусканию  через тело пациента (либо один из его  органов) лазерного луча и по спектру  или амплитуде прошедшего или  отражённого излучения выводят  диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода). 

Список  литературы

1. Физика  и биофизика: Учебник / Под ред. В.Ф. Антонова. – М. : Ф50 ГЭОТАР – Медиа, 2008. – 480с.: ил.
2. Медицинская и биологическая физика : Учебник для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2003. – 560с .: ил.
3. Серебряков В.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии в медицине». – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 266 с.
4. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. – Самара: СМИ, 1993. – 52 с.
5. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 255 с.