Молекулярные газовые лазеры.

Первыми лазерами, которые пришли в хирургию в качестве скальпеля и, видимо, еще надолго в ней останутся, были лазеры на углекислом газе. В СО₂–лазерах в качестве активных центров используются молекулы углекислого газа. Такие лазеры называют молекулярными. В углекислотных лазерах инверсия осуществляется между колебательными уровнями атомов в молекулах (см. рисунок 8.4).

Поскольку углекислый газ имеет линейную молекулу, образованную центральным атомом углерода и двумя расположенными по сторонам атомами кислорода, существуют три вида колебаний, описываемых тремя квантовыми числами V₁, V₂, V₃, соответствующими трем видам колебаний:

- симметричному n₁, когда атомы кислорода колеблются вдоль оси молекулы симметрично относительно атома углерода;

- деформационному n₂, когда атом углерода колеблется перпендикулярно оси молекулы, посколькутакое колебание может осуществляться в двух перпендикулярных областях, соответствующий уровень оказывается двукратно вырожденным n₃. V₂ снабжается индексом l ( ), принимающим значения 0 и 1;

- антисимметричному n₃, когда атом углерода колеблется вдоль оси между атомами кислорода.

Все эти уровни характеризуются энергиями возбуждения существенно меньшими, чем энергетические уровни ионов. Поэтому генерируемые длины волн лежат в дальней инфракрасной области спектра. Наиболее эффективный лазерный переход 00⁰1®10⁰0 имеет характерную длину волны 10,6 мкм. Нижний уровень 10⁰0 имеет малое время релаксации из-за связи с деформационным колебанием 02⁰0 и нижележащим 01¹0. Верхний же уровень 00⁰1 соответствует несимметричному колебанию и обладает большим временем жизни. Тем самым условие создания инверсной населенности в стационарном режиме выполнено. Кроме этого возможна менее эффективная генерация на переходе 00⁰1®02⁰0 с длиной волны около 9,4 мкм.

Этим картина энергетических уровней не исчерпывается: у молекулы CO₂, кроме колебательных, есть вращательные степени свободы. Поэтому частотный спектр люминесценции CO₂ для обоих переходов состоит из нескольких линий. При этом линии, соответствующие переходам с ростом J называют Р-линиями, а с уменьшением J ― R-линиями. Расстояние между линиями составляет примерно 1,8 см^-1. При хирургических применениях эта тонкая структура серьезной роли не играет. В то же время она дает возможность осуществить генерацию на любой из линий и даже перестройку с одной линии на другую, что оказывается полезным для диагностических целей и экологического мониторинга.

Создать эффективный лазер на чистом CO₂ невозможно, прежде всего из-за того, что энергия возбуждения (обычно за счет тлеющего разряда) расходуется на возбуждение большого числа уровней, в числе которых имеются такие, возбуждение которых не только бесполезно, но даже вредно, например нижние лазерные уровни 10⁰0 и 02⁰0 двух переходов. Кроме того, при разряде в чистом CO₂ сильны процессы диссоциации молекул CO₂ на CO и O₂ при столкновениях с высокоэнергичными электронами в разряде.

Положение существенно улучшается, если к углекислому газу добавить азот N₂, имеющий двухатомную молекулу с более простым спектром. Причем первый уровень возбужденного азота практически совпадает с верхним лазерным уровнем CO₂, благодаря чему между этими уровнями происходит интенсивный обмен энергиями. Кроме того, возбужденное состояние азота метастабильно. Таким образом, в газовой смеси ему отводится роль «энергетического резервуара». Использование буферного газа для резонансной накачки верхнего рабочего уровня ― распространенный прием в физике газовых лазеров. Аналогичную роль играет гелий в описанных выше газовых лазерах на нейтральных атомах.

Кроме этого, в активную смесь молекулярных лазеров добавляют большое количество гелия Не, который играет несколько ролей. Он активно опустошает за счет столкновений уровень 01¹0 СО₂, создавая предпосылки для усиленной релаксации 10⁰0®01⁰0. Верхний уровень при этом не затрагивается, поскольку энергия налетающих атомов гелия для этого недостаточна. Избыток гелия повышает устойчивость плазмы газового разряда. Гелий, кроме того, обладает высокой теплопроводностью, что важно для охлаждения активной среды, препятствуя тепловому заселению 01¹0 СО₂ (необходимо, как мы помним, избежать термического заселения нижнего рабочего уровня). Наконец, гелий играет еще и защитную роль: препятствует диссоциации молекул СО₂. Соотношение парциальных давлений газов в активной среде подбирается в зависимости от назначения лазера и лежит обычно в пределах СО₂ : Не : N₂ =1 : 1: 8 … 1: 6 : 12.

Кроме гелия, для препятствования диссоциации молекул СО₂ используется добавка небольшого количества водяных паров.

При написании балансных уравнений для СО₂-лазера можно полагать в качестве верхнего лазерного уровня объединенный, образованный уровнем СО₂ и первым возбужденным уровнем азота. Поскольку собственно лазерный переход осуществляется только с части объединенного верхнего уровня, в членах, содержащих поперечник вынужденного излучения σ, необходимо, как это было в случае АИГ:Nd, перейти к эффективному значению σ.

Наиболее распространенный способ возбуждения в СО₂-лазерах ― электрическое, в тлеющем высоковольтном разряде постоянного тока. Заметим, что это весьма распространенный способ возбуждения газовых лазеров, как и для Не-Nе-лазера. Первоначально это был электрический разряд между двумя электродами. Традиционно разрядная трубка изготавливается из кварца. Практически это достаточно сложная конструкция, которая имеет буферные емкости, смесь из которых по мере необходимости заменяет деградирующую смесь в зоне разряда. Конструкция такого лазера схематично представлена на рисунке 8.5. Лазеры можно делать с внутренними зеркалами: монолитная конструкция с запаянными в трубку через сильфоны (позволяющие осуществлять юстировку резонатора) зеркалами. Однако, как и для гелий-неоновых лазеров, наибольшим успехом пользуется конструкции лазеров, в которых газоразрядная трубка снабжается окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Поскольку активная смесь в процессе работы постепенно деградирует, создаются буферные объемы, из которых смесь за счет конвекции перетекает в зону разряда. В более мощных лазерах используется медленная прокачка активной среды, иногда даже с выбросом отработанной активной среды в атмосферу. Трубки, как правило, изготавливаются из кварца. Поскольку большая часть энергии накачки переходит в тепловую, собственно разрядную трубку заключают в рубашку, по которой прокачивается вода.

При увеличении до некоторого уровня мощности электрического разряда происходит рост выходной мощности излучения. Ограничением является момент, когда в тлеющем разряде начинают образовываться обычные электрические разряды – маленькие «молнии», называемые стриммерами. В них выделяется большая часть энергии накачки, причем эта энергия идет на грубые процессы ионизации газовой смеси, а не на возбуждение активной среды.

В еще более мощных лазерах используется поперечный разряд и поперечная прокачка ― решения очевидные. К сожалению, практическая реализация таких решений сталкивается с серьезными проблемами. Основными проблемами является создание равномерного тлеющего разряда и борьба с образованием стриммеров. Более подробно этот вопрос рассматривается в работе [7].

Неприятным свойством такой конструкции является наличие высоких напряжений. Поскольку вольт-амперная характеристика разряда имеет участок с отрицательным сопротивлением, блок питания должен быть источником (стабилизатором) тока. При простейшем решении ― включении в разрядную цепь балластного резистора ― на последнем выделяется значительная мощность накачки, то есть падает к.п.д. Для поддержания тлеющего разряда требуется достаточно высокое напряжение (несколько киловольт), а для первоначального пробоя разрядного промежутка используется импульсное напряжение порядка десятков киловольт. Это ведет к появлению проблем с электробезопасностью и к возрастанию габаритов и веса блоков питания (см. рисунок 8.5а).

Остроумное решение было предложено В.И. Юдиным, первоначально для Не-Nе лазеров, а затем и для СО₂-лазеров. [8]. Он предложил использовать для возбуждения тлеющего разряда высокочастотное поле, энергия которого подается на активную среду через полосковую линию (рисунок 8.5б). Это избавило и от высоких напряжений, и от крупногабаритных блоков питания. Так в первых образцах блок питания весом в 2-3 кг был заменен платой размером в спичечный коробок, питающейся от 24 В, которая была помещена в корпус трубки.

а)

б)

По сравнению с разрядом постоянного тока такие лазеры имеют и бóльший к.п.д.

На основе такого решения В.И. Юдиным с сотрудниками были разработаны лазеры цельнометаллической конструкции с выходной мощностью до 100 Вт, перекрывающие практически все потребности медицинских применений. Вопрос деградации активной смеси в этих лазерах решен простейшим образом ― заменой активной среды через встроенный кран. К сожалению, до сих пор в разрешенных Минздравом отечественных лазерах такая конструкция не была использована.

Коэффициент полезного действия СО₂-лазеров достигает величины порядка 10%. В России выпускается семейство современных скальпелей «Ланцет-1» и «Ланцет-2» на основе СО₂-лазеров с выходной мощностью до 20 Вт. Это одни из немногих отечественных лазерных медицинских аппаратов, прошедших европейскую сертификацию. Фотография аппарата «Ланцет-1» представлена на рисунке 8.6

За рубежом (в Израиле, Германии, США, Корее и т.д.) многие фирмы выпускают лазерные установки с большими мощностями. Так, лазерные хирургические установки «Sharplan–1100» с выходной мощностью 100 Вт выпускаются фирмой «Lumenis» (ранее «Laser Industries»), Израиль.

В СО₂–лазерных аппаратах реализованы различные импульсные режимы, получаемые за счет модуляции по питанию. Наиболее популярный из них ― суперимпульсный режим, представляющий собой наложение острых импульсов, следующих с низкими частотами повторения, и превышающими непрерывный «пьедестал». Соотношение между амплитудами импульсов и высотой пьедестала может меняться в широких пределах (так, в установке типа «Sharplan – 1100» при пьедестале от 0 до 100 Вт амплитуда импульсов может достигать 600 Вт).

Заметим, что электрический способ возбуждения не является единственным для СО₂–лазеров. Например, получение инверсной населенности возможно путем пропускания нагретой до высокой температуры активной среды через сверхзвуковое сопло. При нагреве происходит заселение верхних энергетических состояний. При истечении через сверхзвуковое сопло происходит быстрое охлаждение активной смеси и уменьшение населенности короткоживущего нижнего лазерного уровня. Заметим, что нагретая активная смесь СО₂, Н₂О и N₂ может быть получена сжиганием углеводородного топлива в камере сгорания. Иначе говоря, источником накачки активной среды может быть реактивный двигатель. Лазеры с таким типом возбуждения называют газодинамическими.

Кроме СО₂–лазеров некоторое время в поле зрения разработчиков лазерной медтехники были лазеры на окиси углерода СО (угарном газе), генерирующие в районе 5 мкм. Однако широкого распространения эти лазеры не получили, поскольку решаемые ими задачи в значительной степени могут быть решены твердотельными лазерами среднего ИК диапазона. Основные физические принципы работы СО–лазеров и связанные с ним проблемы и особенности практически такие же, как у рассмотренных СО₂–лазеров.