Функциональная схема и некоторые характеристики лазеров.

Лазеры используются для обработки материалов, для получения высокотемпературной плазмы, для целей связи, в физических исследованиях, в медицине, в оборонной технике.

Вместе с тем возможность огромной концентрации энергии вплоть до значений 10¹⁴-10¹⁵ Вт/см² (в импульсе длительного порядка 30 нс) является источником серьёзной опасности для людей, работающих с лазерами. Такие большие плотности потока мощности не встречаются нигде в природе. Для сравнения укажем, что плотность мощности излучения на поверхности Солнца составляет примерно 10⁸ Вт/см² (постоянное излучение). Лазерное излучение может вызвать серьёзные ожоги, а при поражении глаз привести к слепоте. Поэтому вопросам техники безопасности при работе с лазерами должно уделяться большое внимание.

Любой оптический квантовый генератор (лазер) состоит из трех главных элементов: активного вещества, источника накачки, приводящего активное вещество в возбуждённое состояние, и оптического резонатора, состоящего из двух параллельных друг другу зеркал (рис. 7.1). Главным элементом лазера является активное вещество, которое в возбуждённом состоянии имеет отрицательную проводимость, получающуюся вследствие инверсной населённости энергетических уровней.

Наличие резонатора способствует созданию положительной обратной связи и поддержанию режима генерации. Одновременное синфазное излучение

многих атомов приводит к возникновению монохроматического когерентного узконаправленного излучения всего лазера в целом. Для вывода этого

излучения наружу одно из зеркал резонатора

делается полупрозрачным.

Различные типы лазеров отличаются друг от друга видом применяемого активного вещества.

В качестве активного вещества могут использоваться кристаллы рубина, специальные виды стекол (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), различные газы или смеси газов (газовые лазеры) или жидкости (жидкостные лазеры). Все эти типы лазеров различаются по конструкции и параметрам излучения.

В качестве примера приведём параметры резания материалов лучами лазеров (таблица 7.1).

Таблица 7.1

В импульсном режиме работы лазеров, в особенности в режиме модуляции добротности, возникают большие импульсные значения плотности мощности излучения и напряжения электрического поля. При этом большую роль играет ударная волна, возникающая вследствие взрывного расширения испаряющегося материала, давления излучения и электрострикционного эффекта, т.е. смещения частиц материала под действием электрического поля.

7.2. Основные закономерности поглощения лазерного излучения
живой тканью

При воздействии лазерного излучения на организм происходит большое число различных биологических реакций, идущих параллельно и приводящих часто к совершенно противоположным эффектам, что создаёт большие трудности при изучении этих реакций. Распад одних крупных молекул и синтез других, окисление продуктов обмена, изменение скорости реакции, нарушение привычной цепочки биологических процессов, сдвиги в кислотно-щелочном равновесии тканей и органов и многое другое составляют сущность биологического действия лазерного излучения.

Лазерное излучение является для живого организма непривычным раздражителем, не встречающемся в естественных условиях. Лазерное излучение вызывает в биологических тканях различные эффекты, главным из которых являются термический, ударный и электрострикционный.

Термический эффект вызывается поглощением лазерного излучения облучаемой тканью. Каждое из веществ, составляющих организм: белки, ферменты, гормоны, пигменты – имеет свои, только ему присущие характеристики поглощения излучения. Поэтому лазерное излучение действует по разному на различные ткани и органы человека. Максимальному разрушению подвергаются ткани, содержащие красящее вещество – меланин. Лишённые этого пигмента ткани разрушаются в меньшей степени.

Из всех компонентов клетки наиболее чувствительны к термическому действию лазерного излучения. Они разрушаются первыми. При этом нарушаются все биохимические реакции, протекающие в клетке, и клетка гибнет.

Электрическое поле лазерного излучения большой мощности приводит к образованию в тканях свободных радикалов, т.е. молекул, содержащих не спаренный электрон. Свободные радикалы обладают большой химической активностью; они входят в состав ферментов, ускоряющих обменные процессы в организме. Накопление большого количества свободных радикалов в тканях организма является одной из причин ухудшения состояния здоровья человека, подвергшегося лазерному облучению. Предполагают, что свободные радикалы являются причиной изменения наследственности (мутации).

При воздействии на ткани организма излучения большой мощности наблюдалось изменение состава крови подопытных животных. Изменяется артериальное давление, причём интенсивность и стойкость таких изменений зависят, в частности, от состояния центральной нервной системы. Известны случаи изменения поведения животных. После облучения они становились возбуждёнными и агрессивными.

Наблюдения за состоянием здоровья лиц, работающих с лазерами, показали, что их излучение вызывает различные, функциональные нарушения в организме в первую очередь в нервной системе и сердечно-сосудистой системе. Это проявляется в изменении артериального давления, появлении раздражительности, повышенной потливости, появлении головной боли, повышенной утомляемости, боли в глазах, неспокойного сна. Канцерогенного действия лазерного излучения не обнаружено.

В зависимости от режима работы лазера в каждом конкретном случае преобладает тот или иной эффект.

При действии на ткани излучения лазеров в непрерывном режиме преобладает термический эффект. Другие эффекты существенного значения не имеют.

При работе лазеров в импульсном режиме (режиме свободной генерации) преобладает тот же термический эффект. За время импульса тепло из очага поражения не успевает передаться в соседние ткани. Поэтому поражение носит взрывной характер с быстрым повышением температуры и кипением жидкой фазы клеточных элементов. Границы очага поражения при этом резко очерчены.

При воздействии излучения лазеров, работающих в режиме модуляции добротности, существенную роль начинают играть значительные перепады давления и возникающие при этом ударные волны.

Лазерное излучение может поражать различные органы человека, однако наиболее, уязвимыми являются незащищённые части тела – глаза и кожа. Рассмотрим воздействие лазерного излучения на эти части тела более подробно.