Глава 2. Физические свойства лазерного излучения.

Проблема целенаправленного воздействия света стала актуальной только в наши дни, во многом - в результате повсеместного внедрения во все отрасли медицины лазерной терапии. Лазерная медицина возникла как симбиоз научной мысли, воплотившей в себя тысячелетний опыт восточной медицины и высоких современных технологий, включающей последние достижения квантовой фи-зики Основой лазерной медицины являются источники когерентного света - ла-зеры, которые обеспечивают генерацию электромагнитного излучения в раз-личных участках оптического диапазона. Слово “лазер” - это аббревиатура, со-ставленная из начальных букв в фразе:

«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» что в переводе с английского означает - усиление света с помощью вынужденного излучения. Следовательно, основным действующим фактором лазера является направлен-ный световой поток. «Вынужденность» излучения состоит в том, что оно обра-зуется после стимуляции атомов рабочего вещества внешним электромагнит-ным полем. За счет многократного отражения в системе зеркал излучение уси-ливается, и, в итоге мы получаем явление, физические свойства которого не имеют аналогов в природе.

Лазерное излучение представляет собой электромагнитные волны в преде-лах видимой и прилежащей к ней части светового спектра (от ультрафиолето-вого до инфракрасного). Лазерное излучение имеет двойственный (волновой и квантовый) характер: с одной стороны - это электромагнитные волны оптиче-ского диапазона, а с другой - поток элементарных частиц - фотонов (квантов). Созданные в 60-х годах ХХ века оптические квантовые генераторы (лазеры) в кратчайшие сроки нашли применение в биологии и медицине. В отличие от обычного света, лазер испускает направленный, сфокусированный пучок коге-рентного, монохроматического, поляризованного электромагнитного излуче-ния. Луч медицинского лазера является контролируемым источником падаю-щей энергии и по ее величине на целый порядок превышает солнечный свет. Существенным отличием этого вида излучения является вызываемый им прин-цип генерации и усиления электромагнитного потока оптического диапазона, характеризующийся: малой расходимостью луча, монохроматичностью, коге-рентностью, поляризованностью излучения, возможностью концентрации больших плотностей световой энергии на малых площадях облучаемой поверх-ности, точностью и контролем дозы воздействия.

Когерентность -одна из физических характеристик лазерного луча,кото-рый представлен одинаковыми фотонами, синхронными во времени и про-странстве. Этим он отличается от обычного света, который состоит из большо-го количества фотонов, разлетающихся хаотично в различных направлениях. Особенностью когерентного лазерного излучения является то, что оно может быть сфокусировано до очень маленьких размеров. Благодаря этому свойству лазеры используют в акупунктуре, офтальмологии, хирургии.

Поляризованность излучения-это поперечность световых волн по отно-шению к направлению луча лазера. Некогерентное, но линейно поляризованное излучение в красной области спектра, оказывает такое же иммуносупрессивное воз действие, как и гелий-неоновый лазер. В то же время, не выявлено различий

в действии поляризованного и неполяризованного света на биологические объ-екты.

Одной из важных характеристик лазерного излучения является его моно-хроматичность.Именно этот фактор определяет направление интенсивностиизменений в живых системах. С увеличением длины волны излучения нараста-ет скорость возникновения биологических эффектов.

В основе работы лазера лежат способы генерации электромагнитных коле-баний, опирающиеся на принципы индуцированного излучения в атомах и мо-лекулах вещества. Они сформулированы Альбертом Эйнштейном в виде трех фундаментальных процессов, происходящих при взаимодействии электромаг-нитной волны с веществом. Ими являются: а) спонтанное излучение; б) вынуж-денное излучение; в) поглощение.

Из квантовой теории следует, что переход из одного энергетического со-стояния в другое осуществляется скачком, при этом происходят следующие процессы. Первое из них - поглощение света атомом, находящимся в основном, энергетически наиболее выгодном, а потому стабильном состоянии. В этом случае электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах. При наличии светового потока электрон с энергией Е может поглотить пролетающий фотон и перейти на более удаленную от ядра энергетическую орбиту Е за счет дополни-тельно приобретенной энергии. При этом атом переходит в новое электронно-возбужденное состояние. Вместе с тем атом не может постоянно находиться в возбужденном состоянии, он стремится возвратиться на более устойчивый (ос-новной) уровень, отдавая в окружающую среду полученную ранее энергию в виде излучения фотона. При этом происходит акт спонтанного испускания с переходом электрона обратно на ближнюю к ядру орбиту. При третьем типе взаимодействия атом исходно находится в электронно-возбужденном состоя-нии после поглощения фотона. Под действием света, фотоны обладают энерги-ей равной разнице энергий данного атома в возбужденном и невозбужденном состоянии. В результате этого атом может перейти в основное состояние, ис-пустив фотон, который по всем параметрам (частота, импульс, направление движения) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Этот про-цесс называется вынужденным излучением. Для усиления света необходимо,

чтобы в среде (веществе) было превышение населенности верхнего энергетиче-ского уровня над нижним, говоря проще, следует создать инверсную заселен-ность. Процесс ее создания называется накачкой, а среда, в которой создана ин-версная заселенность, называется активной. В квантовом генераторе накачка осуществляется с помощью различных способов: оптический - мощная лампа-вспышка или другой лазер; газовый разряд; инжекция носителей тока в р-n пе-реходах полупроводников; электронное возбуждение - облучение в вакууме по-лупроводника пучком электронов; тепловой - нагревание газа с последующим резким охлаждением и другие.

Лазер - это устройство, основанное на принципе индуцированного излуче-ния в атомах и молекулах. При воздействии внешнего, наведенного электро-магнитного поля в резонаторе возбужденные атомы и молекулы вещества ак-тивной среды излучают электромагнитную энергию с той частотой, фазой, по-ляризацией и в том же направлении, что и возбуждающее их излучение. Для ла-зерного излучения обязательным условием является значительное усиление света в активной среде. В полупроводниковых лазерах энергия источника тока преобразуется в энергию электромагнитных колебаний оптического диапазона. Все лазеры, независимо от типа, состоят из следующих основных элементов: рабочего вещества, источника накачки, создающего инверсную заселенность в рабочем веществе, и оптического резонатора. Для того, чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести положи-тельную обратную связь. Для этого следует часть излученной энергии напра-вить обратно в оптическую среду, что осуществляется при помощи оптических резонаторов. Оптические резонаторы представляют из себя два параллельно расположенных зеркала, одно из которых полупрозрачное - резонатор Перо. Рабочее вещество (активная среда), в котором создана инверсная заселенность, располагается между зеркалами. Вынужденное излучение проходит через ак-тивную среду, усиливается, отражается от зеркала, вновь проходит через среду

и еще более усиливается. Через полупрозрачное зеркало часть излучения выхо-дит во внешнюю среду, а часть отражается обратно в среду и снова усиливает-

ся. Таким образом, поддерживается устойчивая генерация монохроматического когерентного света.

Для лазерного излучения обязательным условием является значительное усиление света в активной среде. В лазерах энергия источника постоянного то-ка преобразуется в энергию электромагнитных колебаний оптического диапа-зона. Как известно из физики, электромагнитное излучение в общем случае но-сит двойственный характер - оно одновременно является и электромагнитной волной и потоком элементарных частиц - квантов. При этом, чем выше частоты диапазона колебаний излучения, тем более выражены квантовые свойства и менее - волновые свойства. Знание физической сущности, биологического и ле-чебного действия когерентного излучения является непременным условием дальнейшего его эффективного использования.

В зависимости от физико-технических параметров медицинские лазеры подразделяют на два класса:

1) высокоэнергетические (хирургические, повреждающие ткани) лазеры;

2) низкоэнергетические (терапевтические) лазеры.

Выпускаемые в настоящее время различные типы лазеров работают в не-прерывном и импульсном режимах, обеспечивая генерацию излучения любой длины волны в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектральных диа-пазонах, обладают возможностью плавной перестройки генерируемого спектра. Импульсные лазеры могут генерировать Милли-, нано- и пикосекундные им-пульсы. Высокоэнергетические (хирургические) лазеры находят применение в лечении больных в хирургической, в том числе и урологической практике.