Лазери. нм - зелений

1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище.

2. Створення інверсної населеності. Способи накачування.

3. Принцип дії лазера. Типи лазерів.

4. Особливості лазерного випромінювання.

5. Характеристики лазерного випромінювання, яке застосовується в медицині.

6. Зміни властивостей тканини і її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання.

7. Використання лазерного випромінювання в медицині.

8. Основні поняття і формули.

9. Завдання.

Ми знаємо, що світло випускається окремими порціями - фотонами, кожен з яких виникає в результаті радіаційного переходу атома, молекули або іона. Природне світло - це сукупність величезного числа таких фотонів, що розрізняються по частоті і фазі, випущених в випадкові моменти часу в випадкових напрямках. Отримання потужних пучків монохроматичного світла з допомогою природних джерел - завдання практично нерозв'язна. У той же час потреба в таких пучках відчувалася як фізиками, так і фахівцями багатьох прикладних наук. Створення лазера дозволило вирішити цю задачу.

лазер- пристрій, що генерує когерентні електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випромінювання мікрочастинок середовища, в якій створена висока ступінь збудження одного з енергетичних рівнів.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання.

Інтенсивність лазерного випромінювання (ЛВ) у багато разів перевершує інтенсивність природних джерел світла, а розбіжність лазерного променя менше однієї кутової хвилини (10 -4 рад).

31.1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище

У лекції 27 ми з'ясували, що проходження світла через речовину супроводжується як фотонним збудженнямйого частинок, так і актами вимушеного випромінювання.Розглянемо динаміку цих процесів. Нехай в середовищі поширюється монохроматическийсвітло, частота якого (ν) відповідає переходу частинок цього середовища з основного рівня (E 1) на збуджений (Е 2):

Фотони, що потрапляють в частинки, що знаходяться в основному стані, будуть поглинатися,а самі частинки будуть переходити в збуджений стан Е2 (див. рис. 27.4). Фотони, які потрапляють в порушені частинки, ініціюють вимушене випромінювання (див. Рис. 27.5). При цьому відбувається подвоєння фотонів.

У стані теплової рівноваги співвідношення між числом збуджених (N 2) і не збудженому (N 1) частинок підпорядковується розподілу Больцмана:

де k - постійна Больцмана, T - абсолютна температура.

При цьому N 1\u003e N 2 і поглинання домінує над подвоєнням. Отже, інтенсивність виходить світла I буде менше інтенсивності падаючого світла I 0 (рис. 31.1).

Мал. 31.1.Ослаблення світла, що проходить через середовище, в якій ступінь збудження менше 50% (N 1\u003e N 2)

У міру поглинання світла ступінь збудження буде рости. Коли вона досягне 50% (N 1 \u003d N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновага, так як ймовірності попадання фотонів в збуджену і непорушення частки стануть однаковими. Якщо освітлення середовища припиниться, то через деякий тимчасового середовища повернеться в початковий стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1\u003e N 2). Зробимо попередній висновок:

При висвітленні середовища монохроматическим світлом (31.1) неможливо домогтися такого стану середовища, при якому ступінь збудження перевищує 50%. І все-таки давайте розглянемо питання про проходження світла через середовище, в якій якимось способом досягнуто стан N 2\u003e N 1. Такий стан називається станом з инверсной населенностью(Від лат. inversio- перевертання).

інверсна населеність- такий стан середовища, при якому число частинок на одному з верхніх рівнів більше, ніж на нижньому.

У середовищі з інверсної населеністю ймовірність попадання фотона в збуджену частку більше, ніж в не збудженому. Тому процес подвоєння домінує над процесом поглинання і має місце посилення світла (рис. 31.2).

У міру проходження світла через середовище зінверсної населенностью ступінь збудження буде знижуватися. Коли вона досягне 50%

Мал. 31.2.Посилення світла, що проходить через середовище зінверсної населенностью (N 2\u003e N 1)

(N 1 \u003d N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновагу і ефект посилення світла зникне. Якщо освітлення середовища припиниться, то через деякий тимчасового середовища повернеться в стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1\u003e N 2).

Якщо вся ця енергія виділиться в випромінювальних переходах, то ми отримаємо світловий імпульс величезної потужності. Правда, він ще не буде мати необхідної когерентністю і спрямованістю, але буде в високого ступеня монохроматічен (hv \u003d E 2 - E 1). Це ще не лазер, але вже щось близьке.

31.2. Створення інверсної населеності. способи накачування

Так чи можна домогтися інверсної населеності? Виявляється, можна, якщо використовувати триенергетичних рівня з наступною конфігурацією (рис. 31.3).

Нехай серед висвітлюється потужним спалахом світла. Частина спектра випромінювання буде поглинена в переході з основного рівня Е 1 на широкий рівень Е3. Нагадаємо, що широкимє енергетичний рівень з малим часом релаксації. Тому більшість частинок, які потрапили на рівень збудження Е 3, безвипромінювальної переходить на вузький метастабільний рівень Е 2, де відбувається їх накопичення. Внаслідок вузькості цього рівня лише мала частка фотонів спалаху

Мал. 31.3.Створення інверсної населеності на метастабільних рівні

здатна викликати вимушений перехід Е 2 → Е 1. Цим і забезпечуються умови для створення інверсної населеності.

Процес створення інверсної населеності називається накачуванням.В сучасних лазерах застосовуються різні види накачування.

Оптичне накачування прозорих активних середовищ використовує імпульси світла від зовнішнього джерела.

Електророзрядними накачування газових активних середовищ використовує електричний розряд.

Инжекционная накачування напівпровідникових активних середовищ використовує електричний струм.

Хімічна накачування активного середовища з суміші газів використовує енергію хімічної реакції між компонентами суміші.

31.3. Принцип дії лазера. типи лазерів

Функціональна схема лазера показана на рис. 31.4. Робоче тіло (активне середовище) представляє собою довгий вузький циліндр, торці якого закриті двома дзеркалами. Одне з дзеркал (1) напівпрозорої. Така система називається оптичним резонатором.

Система накачування переводить частки з основного рівня Е 1 на поглощательная рівень Е3, звідки вони безвипромінювальної переходять на метастабільний рівень Е2, створюючи його інверсно населеність. Після цього починаються спонтанні випромінювальні переходи Е 2 → Е 1 з випусканням монохроматичних фотонів:

Мал. 31.4.Схематичне пристрій лазера

Фотони спонтанного випромінювання, випущені під кутом до осі резонатора, виходять через бічну поверхню і в процесі генерації не беруть участь. Їх потік швидко вичерпується.

Фотони, які після спонтанного випромінювання рухаються уздовж осі резонатора, багаторазово проходять через робоче тіло, відбиваючись від дзеркал. При цьому вони взаємодіють з порушеними частинками, ініціюючи вимушене випромінювання. За рахунок цього відбувається «лавиноподібне» наростання індукованих фотонів, що рухаються в тому ж напрямку. Багаторазово посилений потік фотонів виходить через напівпрозоре дзеркало, створюючи потужний пучок майже паралельних когерентних променів. Фактично лазерне випромінювання породжується першимспонтанним фотоном, який рухається уздовж осі резонатора. Це і забезпечує когерентність випромінювання.

Таким чином, лазер перетворює енергію джерела накачування в енергію монохроматичного когерентного світла. Ефективність такого перетворення, тобто ККД, залежить від типу лазера і лежить в діапазоні від часток відсотка до декількох десятків відсотків. У більшості лазерів ККД становить 0,1-1%.

типи лазерів

Перший створений лазер (1960) використовував як робоче тіло рубін і оптичну систему накачування. Рубін - це кристалічна окис алюмінію А1 2 О 3, яка містить близько 0,05% атомів хрому (саме хром надає рубіну рожевий колір). Атоми хрому, впроваджені в кристалічну решітку, є активним середовищем

з конфігурацією енергетичних рівнів, зображеної на рис. 31.3. Довжина хвилі випромінювання рубінового лазера дорівнює λ \u003d 694,3 нм. Потім з'явилися лазери, що використовують інші активні середовища.

Залежно від типу робочого тіла лазери діляться на газові, твердотільні, рідинні, напівпровідникові. У твердотільних лазерах активний елемент зазвичай виготовляється у вигляді циліндра, довжина якого багато більше його діаметра. Газові і рідкі активні середовища поміщають в циліндричну кювету.

Залежно від способу накачування можна отримати безперервну і імпульсну генерацію лазерного випромінювання. При безперервної системі накачування інверсія населеності підтримується тривалий час за рахунок зовнішнього джерела енергії. Наприклад, безперервне збудження електричним розрядом в газовому середовищі. При імпульсної системі накачування інверсія населеності створюється в імпульсному режимі. Частота проходження імпульсів від 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особливості лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання за своїми властивостями значно відрізняється від випромінювання звичайних джерел світла. Відзначимо його характерні риси.

1. Когерентність.випромінювання є висококогерентним,що обумовлено властивостями вимушеного випромінювання. При цьому має місце не тільки тимчасова, а й просторова когерентність: різниця фаз в двох точках площини, перпендикулярної напрямку поширення, зберігається незмінною (рис. 31.5, а).

2. Коллімірованіе.Лазерне випромінювання є коллімірованним,тобто всі промені в пучку майже паралельні один одному (рис. 31.5, б). На великій відстані лазерний пучок лише незначно збільшується в діаметрі. Так як кут розходження φ малий, то інтенсивність лазерного пучка слабо зменшується з відстанню. Це дозволяє передавати сигнали на великі відстані при малому ослабленні їх інтенсивності.

3. Монохроматичність.Лазерне випромінювання є в високого ступеня монохроматическим,тобто містить хвилі практично однаковою частоти (ширина спектральної лінії складає Δλ ≈0,01 нм). на

малюнку 31.5, в наведено схематичне порівняння ширини лінії лазерного променя і променя звичайного світла.

Мал. 31.5.Когерентність (а), коллімірованіе (б), монохроматичность (в) лазерного випромінювання

До появи лазерів випромінювання з деяким ступенем монохроматичности вдавалося отримати за допомогою приладів - монохроматоров, що виділяють із суцільного спектра вузькі спектральні інтервали (вузькі смуги довжин хвиль), проте потужність світла в таких смугах мала.

4. Висока потужність.За допомогою лазера можна забезпечити дуже високу потужність монохроматичноговипромінювання - до 10 5 Вт в безперервному режимі. Потужність імпульсних лазерів на кілька порядків вище. Так, неодимовий лазер генерує імпульс з енергією Е \u003d 75 Дж, тривалість якого t \u003d 3х10 -12 с. Потужність в імпульсі дорівнює Р \u003d Е / t \u003d 2,5х10 13 Вт (для порівняння: потужність ГЕС становить Р ~ 10 9 Вт).

5. Висока інтенсивність.В імпульсних лазерах інтенсивність лазерного випромінювання дуже висока і може досягати I \u003d 10 14 -10 16 Вт / см 2 (пор. Інтенсивність сонячного світла поблизу земної поверхні I \u003d 0,1 Вт / см 2).

6. Висока яскравість.У лазерів, що працюють у видимому діапазоні, яскравістьлазерного випромінювання (сила світла з одиниці поверхні) дуже велика. Навіть найслабші лазери мають яскравість 10 15 кд / м 2 (для порівняння: яскравість Сонця L ~ 10 9 кд / м 2).

7. Тиск.При падінні лазерного променя на поверхню тіла створюється тиск(Д). При повному поглинанні лазерного випромінювання, що падає перпендикулярно поверхні, створюється тиск Д \u003d I / c, де I-інтенсивність випромінювання, з - швидкість світла у вакуумі. При повному відображенні величина тиску в два рази більше. Для інтенсивності I \u003d 10 14 Вт / см 2 \u003d 10 18 Вт / м 2; Д \u003d 3,3х10 9 Па \u003d 33 000 атм.

8. Поляризованность.Лазерне випромінювання повністю поляризоване.

31.5. Характеристики лазерного випромінювання, яке застосовується в медицині

Довжина хвилі випромінювання

Довжини хвиль випромінювання (λ) медичних лазерів лежать в діапазоні 0,2 -10 мкм, тобто від ультрафіолетової до далекої інфрачервоної області.

потужність випромінювання

Потужність випромінювання (P) медичних лазерів варіюється в широких межах, визначених цілями застосування. У лазерів з безперервною накачуванням Р \u003d 0,01-100 Вт. Імпульсні лазери характеризуються потужністю в імпульсі Р і і тривалістю імпульсу τ і

Для хірургічних лазерів Р і \u003d 10 3 -10 8 Вт, а тривалість імпульсу т і \u003d 10 -9 -10 -3 с.

Енергія в імпульсі випромінювання

Енергія одного імпульсу лазерного випромінювання (Е і) визначається співвідношенням Е і \u003d Р і -т і, де т і - тривалість імпульсу випромінювання (зазвичай т і \u003d 10 -9 -10 -3 с). Для хірургічних лазерів Е і \u003d 0,1-10 Дж.

Частота проходження імпульсів

Ця характеристика (f) імпульсних лазерів показує кількість імпульсів випромінювання, що генеруються лазером за 1 с. Для терапевтичних лазерів f \u003d 10-3 000 Гц, для хірургічних f \u003d 1-100 Гц.

Середня потужність випромінювання

Ця характеристика (Р ср) імпульсно-періодичних лазерів показує, яку енергію лазер випромінює за 1 с, і визначається наступним співвідношенням:

Інтенсивність (щільність потужності)

Ця характеристика (I) визначається як відношення потужності лазерного випромінювання до площі поперечного перерізу пучка. Для безперервних лазерів I \u003d P / S. У разі імпульсних лазерів розрізняють інтенсивність в імпульсіI і \u003d P і / S і середню інтенсивність I ср \u003d Р ср / S.

Інтенсивність хірургічних лазерів і тиск, що створюється їх випромінюванням, мають таке значення:

для безперервних лазерів I ~ 10 3 Вт / см 2, Д \u003d 0,033 Па;

для імпульсних лазерів I і ~ 10 5 -10 11 Вт / см 2, Д \u003d 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Щільність енергії в імпульсі

Ця величина (W) характеризує енергію, яка припадає на одиницю площі опромінюваної поверхні за один імпульс і визначається співвідношенням W \u003d E і / S, де S (см2) - площа світлового плями (тобто поперечного перерізу лазерного променя) на поверхні биоткани. У лазерів, що використовуються в хірургії, W ≈ 100 Дж / см 2.

Параметр W можна розглядати як дозу опромінення D за 1 імпульс.

31.6. Зміни властивостей тканини і її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання

Зміна температури і властивостей тканини

під дією безперервного лазерного випромінювання

Поглинання потужного лазерного випромінювання біологічною тканиною супроводжується виділенням теплоти. Для розрахунку теплоти, що виділяється використовують спеціальну величину - об'ємну щільність теплоти(Q).

Виділення теплоти супроводжується підвищенням температури і в тканинах протікають наступні процеси:

при 40-60 ° С мають місце активація ферментів, утворення набряків, зміна і в залежності від часу дії загибель клітин денатурація протеїну, початок коагуляції і некрози;

при 60-80 ° С - денатурація колагену, дефектимембран; при 100 ° С - зневоднення, випарювання тканинної рідини; понад 150 ° С - обвуглювання;

понад 300 ° С - випарювання тканини, газоутворення. Динаміка протікання цих процесів зображена на рис. 31.6.

Мал. 31.6.Динаміка зміни температури тканини під впливом безперервного лазерного випромінювання

1 фаза.Спочатку температура тканини підвищується від 37 до 100 ° С. У цьому діапазоні температур термодинамічні властивості тканини залишаються практично незмінними, і відбувається лінійне зростання температури з часом (α \u003d const і I \u003d const).

2 фаза.При температурі 100 ° С починається випарювання тканинної рідини, і до закінчення цього процесу температура залишається постійною.

3 фаза.Після випаровування води температура знову починає рости, але повільніше, ніж на ділянці 1, так як зневоднена тканину поглинає енергію слабкіше нормальної.

4 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 150 ° С починається процес обвуглювання і, отже, «почорніння» биоткани. При цьому коефіцієнт поглинання α зростає. Тому спостерігається нелінійний, що прискорюється з часом зростання температури.

5 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 300 ° С починається процес випаровування збезводненої обвугленою биоткани і зростання температури знову припиняється. Саме в цей момент лазерний промінь розсікає (видаляє) тканину, тобто стає скальпелем.

Ступінь підвищення температури залежить від глибини залягання тканини (рис. 31.7).

Мал. 31.7.Процеси, які відбуваються в опромінюваних тканинах на різній глибині: а- в поверхневому шарі тканину нагрівається до кількох сотень градусів і випаровується; б- потужність випромінювання, ослабленого верхнім шаром, недостатня для випаровування тканини. Відбувається коагуляція тканини (іноді спільно з обугливанием - чорна жирна лінія); в- відбувається нагрівання тканини внаслідок передачі теплоти з зони (Б)

Протяжності окремих зон визначаються як характеристиками лазерного випромінювання, так і властивостями самої тканини (в першу чергу коефіцієнтами поглинання і теплопровідності).

Вплив потужного сфокусованого пучка лазерного випромінювання супроводжується і виникненням ударних хвиль, які можуть стати причиною механічного пошкодження прилеглих тканин.

Абляція тканини під впливом потужного імпульсного лазерного випромінювання

При впливі на тканину коротких імпульсів лазерного випромінювання з високою щільністю енергії реалізується інший механізм розсічення і видалення биоткани. В цьому випадку відбувається дуже швидке нагрівання тканинної рідини до температури Т\u003e Т кип. При цьому тканинна рідина виявляється в метастабільних перегрітому стані. Потім відбувається «вибуховий» закипання тканинної рідини, яке супроводжується видаленням тканини без обвуглювання. Це явище називається абляцией.Абляція супроводжується генерацією механічних ударних хвиль, здатних викликати механічне пошкодження тканин в околицях зони лазерного впливу. Цей факт необхідно враховувати при виборі параметрів імпульсного лазерного випромінювання, наприклад при шліфуванні шкіри, свердління зубів або при лазерної корекції гостроти зору.

31.7. Використання лазерного випромінювання в медицині

Процеси, що характеризують взаємодію лазерного випромінювання (ЛВ) з біооб'єктами, можна розділити на 3 групи:

невозмущающее вплив(Що не надає помітного дії на біооб'єкт);

фотохімічні дію(Збуджена лазером частка яких сама бере участь у відповідних хімічних реакціях, або передає своє збудження інший частці, яка бере участь в хімічній реакції);

фоторазрушеніе(За рахунок виділення тепла або ударних хвиль).

лазерна діагностика

Лазерна діагностика являє собою невозмущающее вплив на біооб'єкт, що використовує когерентністьлазерного випромінювання. Перелічимо основні методи діагностики.

Інтерферометрія.При відображенні лазерного випромінювання від шорсткою поверхні виникають вторинні хвилі, які інтерферують між собою. В результаті утворюється картина темних і світлих плям (спеклів), розташування яких дає інформацію про поверхні біооб'єкту (метод спеклоінтерферометріі).

Голографія.За допомогою лазерного випромінювання отримують 3-мірне зображення об'єкта. У медицині цей метод дозволяє отримувати об'ємні зображення внутрішніх порожнин шлунка, очі і т.д.

Розсіювання світла.При проходженні гостроспрямованої лазерного пучка через прозорий об'єкт відбувається розсіювання світла. Реєстрація кутовий залежності інтенсивності розсіяного світла (метод нефелометрії) дозволяє визначати розміри частинок середовища (від 0,02 до 300 мкм) і ступінь їх деформації.

При розсіянні може змінюватися поляризація світла, що також використовується в діагностиці (метод поляризаційної нефелометрії).

Ефект Доплера.Цей метод заснований на вимірюванні доплерівського зсуву частоти ЧИ, який виникає при відображенні світла навіть від повільно рухаються часток (метод аненометріі). Таким способом вимірюється швидкість кровотоку в судинах, рухливість бактерій і т.д.

Квазіпружної розсіювання.При такому розсіянні відбувається незначна зміна довжини хвилі зондуючого ЧИ. Причина цього - зміна в процесі вимірювання розсіюють властивостей (конфігурації, конформації частинок). Тимчасові зміни параметрів розсіює поверхні виявляються в зміні спектра розсіювання в порівнянні зі спектром подає випромінювання (спектр розсіювання або уширяется, або в ньому з'являються додаткові максимуми). даний метод дозволяє отримувати інформацію про мінливих характеристиках розсіювачів: коефіцієнті дифузії, швидкості спрямованого транспорту, розмірах. Так здійснюється діагностика макромолекул білків.

Лазерна мас-спектроскопія.Цей метод використовують для дослідження хімічного складу об'єкта. Потужні пучки лазерного випромінювання випаровують речовина з поверхні біооб'єкту. Пари піддають мас-спектрального аналізу, за результатами якого судять про склад речовини.

Лазерний аналіз крові.Лазерний промінь, що пропускається через вузький кварцовий капіляр, по якому прокачується спеціально оброблена кров, викликає флуоресценцію її клітин. Флуоресцентне світіння потім вловлюється чутливим датчиком. Це свічення специфічно для кожного типу клітин, що проходять поодинці через перетин лазерного променя. Підраховується загальна кількість клітин в заданому обсязі крові. Визначаються точні кількісні показники по кожному типу клітин.

Метод фоторазрушенія.Його використовують для дослідження поверхневого складуоб'єкта. Потужні пучки ЧИ дозволяють брати мікропроб з поверхні біооб'єктів шляхом випаровування речовини і подальшого мас-спектрального аналізу цього пара.

Використання лазерного випромінювання в терапії

У терапії використовуються низкоинтенсивние лазери (інтенсивність 0,1-10 Вт / см 2). Низькоінтенсивне випромінювання не викликає помітного деструктивної дії на тканини безпосередньо під час опромінення. У видимій і ультрафіолетовій областях спектру ефекти опромінення обумовлені реакціями і не відрізняються від ефектів, що викликаються монохроматическим світлом, отриманим від звичайних некогерентних джерел. У цих випадках лазери є просто зручними монохроматичними джерелами світла, обеспечи-

Мал. 31.8.Схема застосування лазерного джерела для внутрішньосудинного опромінення крові

вающими точну локалізацію і дозування впливу. Як приклад на рис. 31.8 наведена схема використання джерела лазерного випромінювання для внутрішньосудинного опромінення крові у хворих з серцевою недостатністю.

Нижче вказані найбільш поширені методи лазеротерапії.

Терапія за допомогою червоного світла.Випромінювання Ні-Ne лазера з довжиною хвилі 632,8 нм використовується з протизапальною метою для лікування ран, виразок, ішемічної хвороби серця. Лікувальний ефект пов'язаний з впливом світла цієї довжини хвилі на проліферативну активність клітини. Світло виступає в ролі регулятора клітинного метаболізму.

Терапія за допомогою синього світла.Лазерне випромінювання з довжиною хвилі в синій області видимого світла використовується, наприклад, для лікування жовтяниці новонароджених. Це захворювання - наслідок різкого зростання в організмі концентрації білірубіну, який має максимум поглинання в синій області. Якщо опромінювати дітей лазерним випромінюванням такого діапазону, то білірубін розпадається, утворюючи водорозчинні продукти.

Лазерофізіотерапія -використання лазерного випромінювання при поєднанні з різними методами електрофізіотерапія. Деякі лазери мають магнітні насадки для поєднаної дії лазерного випромінювання та магнітного поля - магнітолазеротерапії. До них відноситься магніто-інфрачервоний лазерний терапевтичний апарат «Мільто».

Ефективність лазеротерапії збільшується при одночасному впливі з лікарськими речовинами, попередньо нанесеними на опромінюється зону (лазерофорез).

Фотодинамічна терапія пухлин.Фотодинамічна терапія (ФДТ) використовується для видалення пухлин, доступних для опромінення світлом. ФДТ заснована на застосуванні локалізуються в пухлинах фотосенсибилизаторов, що підвищують чутливість тканин при їх

подальшому опроміненні видимим світлом. Руйнування пухлин при ФДТ засноване на трьох ефектах: 1) пряме фотохімічні знищення клітин пухлини; 2) пошкодження кровоносних судин пухлини, що призводить до ішемії і загибелі пухлини; 3) виникнення запальної реакції, мобілізуючою протипухлинну імунну захист тканин організму.

Для опромінення пухлин, що містять фотосенсибілізатори, використовується лазерне випромінювання з довжиною хвилі 600-850 нм. У цій області спектра глибина проникнення світла в біологічні тканини максимальна.

Фотодинамічна терапія застосовується при лікуванні пухлин шкіри, внутрішніх органів: легенів, стравоходу (при цьому до внутрішніх органів лазерне випромінювання доставляється за допомогою світловодів).

Використання лазерного випромінювання в хірургії

У хірургії високоінтенсивні лазери використовуються для розсічення тканин, видалення патологічних ділянок, зупинки кровотечі, зварювання биотканей. Вибираючи належним чином довжину хвилі випромінювання, його інтенсивність і тривалість впливу, можна отримувати різні хірургічні ефекти. Так, для розрізання біологічних тканин використовується сфокусований промінь безперервного СО 2-лазера, що має довжину хвилі λ \u003d 10,6 мкм, потужність 2х10 3 Вт / см 2.

Застосування лазерного променя в хірургії забезпечує виборче і контрольоване вплив. Лазерна хірургія має ряд переваг:

Безконтактність, що дає абсолютну стерильність;

Селективність, що дозволяє вибором довжини хвилі випромінювання дозовано руйнувати патологічні тканини, не зачіпаючи навколишні здорові тканини;

Безкровність (за рахунок коагуляції білків);

Можливість мікрохірургічних впливів, завдяки високому ступеню фокусування променя.

Зазначимо деякі області хірургічного застосування лазерів.

Лазерне зварювання тканин.З'єднання розсічених тканин являє собою необхідний етап багатьох операцій. На малюнку 31.9 показано, як зварювання одного зі стовбурів великого нерва здійснюється в контактному режимі з використанням припою, який

Мал. 31.9.Зварювання нерва за допомогою лазерного променя

краплями з піпетки подається за місцем лазірованія.

Руйнування пігментованих ділянок.Лазери, що працюють в імпульсному режимі, використовуються для руйнування пігментованих ділянок. даний метод (Фототермоліз)використовується для лікування ангиом, татуювань, склеротичних бляшок у кровоносних судинах і т.п.

Лазерна ендоскопія.Впровадження ендоскопії справило корінний переворот в оперативній медицині. Щоб уникнути великих відкритих операцій, лазерне випромінювання доставляється до місця впливу за допомогою волоконно-оптичних світловодів, які дозволяють підводити лазерне випромінювання до біотканинах внутрішніх порожнистих органів. При цьому значно знижується ризик інфікування і виникнення післяопераційних ускладнень.

Лазерний пробій.Короткоімпульсних лазери в поєднанні зі световодами застосовують для видалення бляшок в судинах, каменів в жовчному міхурі і нирках.

Лазери в офтальмології.Використання лазерів в офтальмології дозволяє виконувати безкровні оперативні втручання без порушення цілісності очного яблука. Це операції на склоподібному тілі; приварювання відшарувалася сітківки; лікування глаукоми шляхом «проколювання» лазерним променем отворів (діаметром 50 ÷ 100 мкм) для відтоку внутрішньоочної рідини. Пошарова абляція тканин рогівки застосовується при корекції зору.

31.8. Основні поняття і формули

закінчення таблиці

31.9. завдання

1. У молекулі фенілаланіну різниця енергій в основному і збудженому станах становить ДЕ \u003d 0,1 еВ. Знайти співвідношення між заселення цих рівнів при Т \u003d 300 К.

відповідь:n \u003d 3,5 * 10 18.

Лазери стають все більш важливими інструментами дослідження в галузі медицини, фізики, хімії, геології, біології та техніки. При неправильному використанні вони можуть засліплювати і наносити травми (в т. Ч. Опіки та електротравми) операторам і іншому персоналу, включаючи випадкових відвідувачів лабораторії, а також завдати значної шкоди майну. Користувачі цих пристроїв повинні повною мірою розуміти і застосовувати необхідні заходи безпеки при поводженні з ними.

Що таке лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) є абревіатурою, що розшифровується як «посилення світла індукованим випромінюванням». Частота випромінювання, що генерується лазером, знаходиться в межах або поблизу видимої частини електромагнітного спектра. Енергія посилюється до стану надзвичайно високої інтенсивності за допомогою процесу, який носить назву «випромінювання лазерне індуковане».

Термін «радіація» часто розуміється неправильно, тому що його також використовують при описі У даному контексті воно означає передачу енергії. Енергія переноситься з одного місця в інше за допомогою провідності, конвекції і випромінювання.

Існує безліч різних типів лазерів, що працюють в різних середовищах. В якості робочого середовища використовуються гази (наприклад, аргон або суміш гелію з неоном), тверді кристали (наприклад, рубін) або рідкі барвники. Коли енергія подається в робочу середу, вона переходить в збуджений стан і вивільняє енергію у вигляді частинок світла (фотонів).

Пара дзеркал на обох кінцях герметизированной трубки або відображає, або передає світло у вигляді концентрованого потоку, званого лазерним променем. Кожна робоча середу виробляє промінь унікальною довжини хвилі і кольору.

Колір світла лазера, як правило, виражається довжиною хвилі. Він є неіонізуючих і включає ультрафіолетову (100-400 нм), видиму (400-700 нм) і інфрачервону (700 нм - 1 мм) частину спектру.

електромагнітний спектр

Кожна електромагнітна хвиля має унікальну частотою і довжиною, пов'язаної з цим параметром. Подібно до того, як червоне світло має свою власну частоту і довжину хвилі, так і всі інші кольори - помаранчевий, жовтий, зелений і синій - мають унікальні частотами і довжинами хвиль. Люди здатні сприймати ці електромагнітні хвилі, але не в змозі бачити іншу частину спектру.

Найбільшу частоту мають і ультрафіолет. Інфрачервоне, мікрохвильова радіація і радіохвилі займають нижні частоти спектра. Видиме світло знаходиться в дуже вузькому діапазоні між ними.

вплив на людину

Лазер виробляє інтенсивний спрямований пучок світла. Якщо його направити, відобразити або сфокусувати на об'єкт, промінь частково поглине, підвищуючи температуру поверхні і внутрішньої частини об'єкта, що може викликати зміну або деформацію матеріалу. Ці якості, які було застосовано в лазерної хірургії та обробці матеріалів, можуть бути небезпечні для тканин людини.

Крім радіації, яка надає тепловий вплив на тканини, небезпечно лазерне випромінювання, яке виробляє фотохімічний ефект. Його умовою є досить коротка т. Е. Ультрафіолетова або синя частини спектра. сучасні пристрої виробляють лазерне випромінювання, вплив на людину якого зведено до мінімуму. Енергії малопотужних лазерів недостатньо для нанесення шкоди, і небезпеки вони не представляють.

Тканини людини чутливі до дії енергії, і при певних обставинах електромагнітне випромінювання, Лазерне в тому числі, може привести до пошкодження очей та шкіри. Були проведені дослідження порогових рівнів травмуючої радіації.

Небезпека для очей

Людське око більш схильний до травм, ніж шкіра. Рогівка (прозора зовнішня передня поверхня очі), на відміну від дерми, не має зовнішнього шару відмерлих клітин, що захищають від впливу довкілля. Лазерне і поглинається рогівкою ока, що може завдати їй шкоди. Травма супроводжується набряком епітелію і ерозією, а при важких ушкодженнях - помутнінням передньої камери.

Кришталик ока також може бути схильний до травм, коли на нього впливає різне лазерне випромінювання - інфрачервоне і ультрафіолетове.

Найбільшу небезпеку, проте, являє вплив лазера на сітківку ока у видимій частині оптичного спектру - від 400 нм (фіолетовий) до 1400 нм (ближній інфрачервоний). В межах цієї області спектра коллімірованним промені фокусуються на дуже маленьких ділянках сітківки. Найбільш несприятливий варіант впливу відбувається, коли око дивиться вдалину і в нього потрапляє пряме або відбитий промінь. В цьому випадку його концентрація на сітківці досягає 100 000 крат.

Таким чином, видимий пучок потужністю 10 мВт / см 2 впливає на сітківку ока з потужністю 1000 Вт / см 2. Цього більш ніж достатньо, щоб викликати пошкодження. Якщо око не дивиться вдалину, або якщо промінь відбивається від дифузійної, що не дзеркальної поверхні, до травм веде значно потужніше випромінювання. лазерний вплив на шкіру позбавлене ефекту фокусування, тому вона набагато менше схильна до травм при цих довжинах хвиль.

рентгенівські промені

Деякі високовольтні системи з напругою понад 15 кВ можуть генерувати рентгенівські промені значної потужності: лазерне випромінювання, джерела якого - потужні з електронним накачуванням, а також плазмові системи і джерела іонів. Ці пристрої повинні бути перевірені на в тому числі для забезпечення належного захисту, в.

Класифікація

Залежно від потужності або енергії пучка і довжини хвилі випромінювання, лазери діляться на кілька класів. Класифікація заснована на потенційну здатність пристрою викликати негайну травму очей, шкіри, запалення при прямому впливі променя або при відображенні від дифузних відбивають. Всі комерційні лазери підлягають ідентифікації за допомогою нанесених на них міток. Якщо пристрій було виготовлено будинку або іншим чином не позначено, слід отримати консультацію по відповідній його класифікації і маркування. Лазери розрізняють по потужності, довжині хвилі і тривалості експозиції.

безпечні пристрої

Пристрої першого класу генерують низкоинтенсивное лазерне випромінювання. Воно не може досягти небезпечного рівня, тому джерела звільняються від більшості заходів контролю або інших форм спостереження. Приклад: лазерні принтери і програвачі компакт-дисків.

Умовно безпечні пристрої

Лазери другого класу випромінюють у видимій частині спектру. Це лазерне випромінювання, джерела якого викликають у людини нормальну реакцію неприйняття занадто яскравого світла (мігательний рефлекс). При впливі променя людське око моргає через 0,25 с, що забезпечує достатній захист. Однак випромінювання лазерне у видимому діапазоні здатна зашкодити очей при постійному впливі. Приклади: лазерні покажчики, геодезичні лазери.

Лазери 2а-класу є пристроями спеціального призначення з вихідною потужністю менше 1 мВт. Ці прилади викликають пошкодження тільки при безпосередньому впливі протягом більше 1000 з за 8-годинний робочий день. Приклад: пристрої зчитування штрих-коду.

небезпечні лазери

До класу 3а відносять пристрої, які не травмують при короткочасному впливі на незахищений очей. Можуть становити небезпеку при використанні фокусує оптики, наприклад, телескопів, мікроскопів або біноклів. Приклади: гелій-неоновий лазер потужністю 1-5 мВт, деякі лазерні покажчики і будівельні рівні.

Промінь лазера класу 3b може привести до травми при безпосередньому впливі або при його дзеркальному відображенні. Приклад: гелій-неоновий лазер потужністю 5-500 мВт, багато дослідницьких і терапевтичні лазери.

Клас 4 включає пристрої з рівнями потужності більше 500 мВт. Вони небезпечні для очей, шкіри, а також пожежонебезпечні. Вплив пучка, його дзеркального або дифузного відображень може стати причиною очних і шкірних травм. Повинні бути вжиті всі заходи безпеки. Приклад: Nd: YAG-лазери, дисплеї, хірургія, металлорезаніе.

Лазерне випромінювання: захист

Кожна лабораторія повинна забезпечити відповідний захист осіб, які працюють з лазерами. Вікна приміщень, через які може проходити рівень радіаційного випромінювання 2, 3 або 4 класу з нанесенням шкоди на неконтрольованих ділянках, повинні бути покриті або іншим чином захищені під час роботи такого приладу. Для забезпечення максимального захисту очей рекомендується наступне.

• Пучок необхідно укласти в неотражающих негорючую захисну оболонку, щоб звести до мінімуму ризик випадкового впливу або пожежі. Для вирівнювання променя використовувати люмінесцентні екрани або вторинні візири; уникати прямого впливу на очі.
• Для процедури вирівнювання променя використовувати найменшу потужність. По можливості для попередніх процедур вирівнювання використовувати пристрої низького класу. Уникати присутності зайвих відображають об'єктів в зоні роботи лазера.
• Обмежити проходження променя в небезпечній зоні в неробочий час, використовуючи заслінки і інші перешкоди. Не застосовувати препарат стіни кімнати для вирівнювання променя лазерів класу 3b і 4.
• Використовувати неотражающих інструменти. Деякий інвентар, який не відбиває видиме світло, стає дзеркальним в невидимій області спектра.
• Чи не носити відображають ювелірні вироби. Металеві прикраси також підвищують небезпеку ураження електричним струмом.

Захисні окуляри

При роботі з лазерами 4 класу з відкритою небезпечною зоною або при ризику відображення слід користуватися захисними окулярами. Тип їх залежить від виду випромінювання. Окуляри необхідно вибирати для захисту від відбитків, особливо дифузних, а також для забезпечення захисту до рівня, коли природний захисний рефлекс може запобігти травми очей. Такі оптичні прилади збережуть деяку видимість променя, допоможуть запобігти опіки шкіри, знизять можливість інших нещасних випадків.

Фактори, які слід враховувати при виборі захисних окулярів:

• довжина хвилі або область спектра випромінювання;
• оптична щільність при певній довжині хвилі;
• максимальна освітленість (Вт / см 2) або потужність пучка (Вт);
• тип лазерної системи;
• режим потужності - імпульсна лазерне випромінювання або безперервний режим;
• можливості відображення - дзеркального і дифузного;
• точка зору;
• наявність коригувальних лінз або достатнього розміру, що дозволяє носіння окулярів для корекції зору;
• комфорт;
• наявність вентиляційних отворів, що запобігають запотівання;
• вплив на колірний зір;
• ударостійкість;
• можливість виконання необхідних завдань.

Так як захисні окуляри схильні до пошкоджень і зносу, програма безпеки лабораторії повинна включати періодичні перевірки цих захисних елементів.

Тривалість дії лазерного випромінювання

Тривалість визначається конструкцією лазера. Можна виділити наступні типові режими розподілу випромінювання в часі:

Безперервний режим;

Імпульсний режим, тривалість імпульсу визначається при цьому тривалістю спалаху лампи накачування, типова тривалість ДФО ~ 10-3с;

Режим модуляції добротності резонатора (тривалість імпульсу випромінювання визначається перевищенням накачування над порогом генерації і швидкістю і швидкістю включення добротності, типова тривалість лежить в інтервалі 10-9 - 10-8 с, це так званий наносекундний діапазон тривалостей випромінювання);

Режим синхронізації і поздовжніх мод в резонаторі (тривалість імпульсу випромінювання ДФО ~ 10-11с - пикосекундной діапазон тривалостей випромінювання);

Різні режими примусового укорочення імпульсів випромінювання (ДФО ~ 10-12С).

Щільність потужності випромінювання

Лазерне випромінювання може бути сконцентровано в Вузьконаправлене промені з великою щільністю потужності.

Щільність Ps потужності випромінювання визначається відношенням потужності випромінювання, що проходить через перетин лазерного пучка, до площі перетину і має розмірність Вт см-2.

Відповідно щільність Ws енергії випромінювання визначається відношенням енергії, що проходить через перетин лазерного пучка, до площі перетині і має розмірність Дж см-2

Щільність потужності в промені лазера досягає великих величин внаслідок додавання енергії величезної кількості когерентних випромінювань окремих атомів, що приходять в обрану точку простору в однаковій фазі.

Когерентне випромінювання лазера за допомогою оптичної системи лінз можна сфокусувати на малу, порівнянну з довжиною хвилі майданчик на поверхні об'єкту.

Щільність потужності лазерного випромінювання на цьому майданчику досягає величезної величини. У центрі майданчика щільність потужності:

де Р - вихідна потужність лазерного випромінювання;

D - діаметр об'єктива оптичної системи;

л - довжина хвилі;

f - фокусна відстань оптичної системи.

Випромінювання лазера з величезною щільністю потужності, впливаючи на різні матеріали, руйнує і навіть випаровує їх в області падаючого сфокусованого випромінювання. Одночасно в області падіння лазерного випромінювання на поверхню матеріалу на ньому створюється світловий тиск в сотні тисяч мегапаскалей.

У підсумку зазначимо, що фокусуючи випромінювання ОКГ до плями, діаметр якого приблизно дорівнює довжині хвилі випромінювання, можна отримати світлове тиск в 106МПа, а так само величезні щільності потужності випромінювання, що досягають величин 1014-1016Вт.см-2, при цьому виникають температури до декількох мільйонів коливань.

Блок схема оптичного квантового резонатора

Лазер складається з трьох основних частин: активне середовище, пристрій накачування і оптичний резонатор. Іноді додають і пристрій термостабілізації.

Малюнок 3 - Блок-схема лазера

1) Активне середовище.

Для резонансного поглинання і підсилення за рахунок вимушеного випромінювання необхідно, щоб хвиля проходила крізь матеріал, атоми або системи атомів якого "налаштовані" на потрібну частоту. Інакше кажучи, різниця енергетичних рівнів E2 - E1 для атомів матеріалу повинна бути рівна частоті електромагнітної хвилі, Помноженої на постійну Планка: E2 - E1 \u003d hn. Далі, для того щоб вимушене випромінювання переважало над поглинанням, атомів на верхньому енергетичному рівні має бути більше, ніж на нижньому. Зазвичай цього не буває. Більш того, будь-яка система атомів, на досить тривалий час надана сама собі, приходить в рівновагу зі своїм оточенням при низькій температурі, тобто досягає стану найнижчою енергії. При підвищених температурах частина атомів системи порушується тепловим рухом. При нескінченно високій температурі все квантові стану були б однаково заповнені. Але оскільки температура завжди конечна, переважна частка атомів знаходиться в нижчому стані, і чим вище стану, тим менше вони заповнені. Якщо при абсолютній температурі T в нижчому стані знаходиться n0 атомів, то число атомів у збудженому стані, енергія якого на величину E перевищує енергію нижчого стану, дається розподілом Больцмана: n \u003d n0e-E / kT, де k - постійна Больцмана. Оскільки атомів, що знаходяться в нижчих станах, в умовах рівноваги завжди більше, ніж у вищих, у таких умовах завжди переважає поглинання, а не посилення за рахунок вимушеного випромінювання. Надлишок атомів в певному збудженому стані можна створювати і підтримувати, тільки штучно переводячи їх в цей стан, причому швидше, ніж вони повертаються до теплового рівноваги. Система, в якій є надлишок збуджених атомів, прагне до теплового рівноваги, і її необхідно підтримувати в нерівноважному стані, створюючи в ній такі атоми.

2) Резонатор.

Оптичний резонатор являє собою систему спеціально узгоджених двох дзеркал, підібраних таким чином, щоб виникає в резонаторі за рахунок спонтанних переходів слабке вимушене випромінювання багаторазово посилювалося, проходячи через активне середовище, вміщену між дзеркалами. Внаслідок багаторазових відображень випромінювання між дзеркалами відбувається як би подовження активного середовища в напрямку осі резонатора, що визначає високу спрямованість лазерного випромінювання. У більш складних лазерах застосовуються чотири і більше дзеркал, що утворюють резонатор. Якість виготовлення і установки цих дзеркал є для якості отриманої лазерної системи. Також, в лазерній системі можуть монтуватися додаткові пристрої дли отримання різних ефектів, такі як повертаються дзеркала, модулятори, фільтри і поглиначі. Їх застосування дозволяє змінювати параметри випромінювання лазера, наприклад, довжину хвилі, тривалість імпульсів і т. Д.

Резонатор - основний визначальний фактор робочої довжини хвилі, а також інших властивостей лазера. Існують сотні або навіть тисячі різних робочих тіл, на основі яких можна побудувати лазер. Робоче тіло піддається «накачуванні», щоб отримати ефект інверсії електронних населенностей, що викликає вимушене випромінювання фотонів і ефект оптичного посилення. У лазерах використовуються наступні робочі тіла.

Рідина, наприклад в лазерах на барвниках складається з органічного розчинника, наприклад метанолу, етанолу або етиленгліколю, в яких розчинені хімічні барвники, наприклад кумарин або родамін. Конфігурація молекул барвника визначає робочу довжину хвилі.

Гази, наприклад, вуглекислий газ, аргон, криптон або суміші, такі як в гелій-неонових лазерах. Такі лазери найчастіше накачуються електричними розрядами.

Тверді тіла, такі як кристали і скло. Суцільний матеріал зазвичай легується (активується) добавкою невеликої кількості іонів хрому, неодиму, ербію або титану. Типові використовувані кристали: алюмінієвий гранат (YAG), літієво-ітрієві фторид (YLF), сапфір (оксид алюмінію) і силікатне скло. Найпоширеніші варіанти: Nd: YAG, титан-сапфір, хром-сапфір (відомий також як рубін), легований хромом стронцій-літій-алюмінієвий фторид (Cr: LiSAF), Er: YLF і Nd: glass (неодимові скло). Твердотільні лазери зазвичай накачуються імпульсною лампою або іншим лазером.

Напівпровідники. Матеріал, в якому перехід електронів між енергетичними рівнями може супроводжуватися випромінюванням. Напівпровідникові лазери дуже компактні, накачуються електричним струмом, що дозволяє використовувати їх в побутових пристроях, таких як програвачі компакт-дисків.

3) Пристрій накачування.

Джерело накачування подає енергію в систему. Це може бути електричний розрядник, імпульсна лампа, дугова лампа, інший лазер, хімічна реакція або навіть вибухову речовину. Тип використовуваного пристрою накачування безпосередньо залежить від використовуваного робочого тіла, а також визначає спосіб підведення енергії до системи. Наприклад, гелій-неонові лазери використовують електричні розряди в гелій-неонової газової суміші, а лазери на основі алюмо-ітрієві граната з неодимовим легированием (Nd: YAG лазери) - сфокусований світло Ксенону імпульсної лампи, ексимерні лазери - енергію хімічних реакцій.

Лазерна безпека знань

1. Що таке лазер?
Лазерний пристрій, яке випромінює світло (електромагнітне випромінювання) в процесі оптичного посилення на основі вимушеного випромінювання фотонів. Термін "лазер" виник як абревіатура посилення світла вимушеним випромінюванням. Випускається лазерне випромінювання відрізняється високим ступенем просторової і часової когерентності, недосяжною за допомогою інших технологій.

2. Лазерна указка Структурна схема


3. Що таке лазерна додатка?
Лазери отримали широке застосування в повсякденному житті. Лазери є найбільш придатним в презентації для вказуючи об'єкти, погодження на будівництво та проект, медичне лікування для косметичних та хірургічних процедур. Нижня покажчик потужності лазера ідеально підходить для презентацій і астрономії зорепаду. Більш висока потужність лазерного покажчика до 100 mW було б чудово для спалювання експеримент. Високої потужності класу IV лазер використовується для експерименту, наукові дослідження, Військові і т.д. таргетинг

4. Що таке довжина хвилі?
Наші очі чутливі до світла, який знаходиться в дуже маленькій області електромагнітного спектра з написом "видиме світло". Цей видиме світло відповідає діапазон довжин хвиль 400 - 700 нанометрів (nm) та кольорову гаnmу фіолетового до червоного. Людське око не здатне "бачити" випромінювання з довжинами хвиль за межами видимого спектру. Відомого кольору з найкоротших в довжину хвилі довгої є: фіолетовий, синій, зелений, жовтий, помаранчевий і червоний. Ультрафіолетове випромінювання має більш коротку довжину хвилі, ніж видиме світло фіолетовий. Інфрачервоне випромінювання має довжину хвилі, ніж видиме червоне світло. Білий світ являє собою суміш з квітів видимого спектру. Чорний є повна відсутність світла.

Спектральні кольору і довжини хвилі

Цей графік показує кольору видимого спектру світла і пов'язаних з довжинами хвиль в нанометрах. Діапазони традиційно дається як:
ультрафіолетовому світлі, 100 nm, 400 nm;
видиме світло, 400 nm-750nm;
інфрачервоне світло, 750 nm-1 nm.

5. Що таке лазерна поперечної моді?


Поперечна електромагнітна режимі (TEM) структура лазерного променя описує розподіл потужності по перетину пучка. Більшість додатків лазерної потребують фундаментальних режиму променя (TEM00) з гаусовим розподілом потужності по перетину пучка, як показано на малюнку справа. Це фундаментальні результати в режимі найменшого діаметра пучка і розбіжність пучка і може бути зосереджено до найменшого можливого розміру плями.
Інші доходи додатків з підвищеною потужністю доступні в першому режимі порядку (TEM01 *), або навіть мод вищого порядку. Потужність лазера мають режим структури над фундаментальним зазвичай називають multitra nsverse режимі (MTM). Режим структури виробництва лазерних може бути змінений, просто змінивши дзеркала.

6. Різні класифікації лазерів

клас I

За своєю суттю безпечні, немає можливості пошкодження очей. Це може бути або через низьку вихідної потужності (в разі пошкодження очей неможливо навіть після кількох годин впливу), або через шафи запобігання доступу користувачів до лазерним променем при нормальній експлуатації, такі як програвачі компакт-дисків або лазерних принтерів.

клас II

Рефлекс моргання людського ока (відраза відповідь) дозволить запобігти пошкодженню очей, якщо людина навмисно дивиться в пучку протягом тривалого періоду. Вихідна потужність може бути до 1 mW. Цей клас включає в себе тільки лазери, які випромінюють видиме світло. Більшість лазерних покажчиків і коnmерческіе сканери лазерні в цій категорії.

клас IIIa

Лазери цього класу в основному небезпечні в поєднанні з оптичними інструментами, які змінюють діаметр променя або щільності потужності, хоча навіть без оптичного інструменту підвищення прямого контакту з оком протягом двох хвилин може привести до серйозного пошкодження сітківки. Вихідна потужність не перевищує 5 mW. Щільність потужності випромінювання не перевищує 2,5 mW / кв.см, якщо пристрій не маркований з "обережністю" попереджувальний знак, в іншому випадку "небезпеки" попереджувальної етикетці не потрібно. Багато визначних пам'яток лазерні для вогнепальної зброї та лазерних покажчиків в цій категорії.

клас IIIb

Лазери в цьому класі може привести до пошкодження, якщо промінь потрапляє в око безпосередньо. Як правило, це відноситься до лазерів харчується від 5-500 mW. Лазери в цій категорії може привести до незворотного пошкодження очей з експозиції 1/100-й секунду або менше в залежності від сили лазера. Дифузного віддзеркалення, як правило, не є небезпечними, але дзеркальних відображень може бути таким же небезпечним, як прямі впливу. Захисні окуляри рекомендується при прямому перегляді промінь лазера класу IIIb може статися. Лазери на високому кінці потужність цього класу можуть також становити небезпеку виникнення пожежі та може злегка обпекти шкіру.

клас IV

Лазери в цьому класі мають вихідну потужність понад 500 mW в пучку і може викликати важкі, незворотні пошкодження очей або шкіри без збільшені оптики очі або приладів. Дифузного віддзеркалення лазерного променя можуть бути небезпечними для шкіри або очей протягом Номінальний зону небезпеки. Багато промислових, наукові, військові та медичні лазери в цій категорії.

7. Що таке лазерна безпеку знань?
Навіть перший лазер був визнаний як потенційно небезпечні. Теодор Мейман характеризується перший лазер як має владу одного "Gillette", як це могло горіти через одну лезо бритви Gillette. Сьогодні прийнято вважати, що навіть малопотужні лазери за допомогою всього декількох милливатт потужності можуть бути небезпечними для людини зір, коли промінь такого лазера потрапляє на очі безпосередньо або після відбиття від блискучої поверхні. На довжинах хвиль, рогівка і кришталик може зосередитися добре, узгодженості і малої расходимостью лазерного світла означає, що вона може бути спрямована на око в дуже маленька пляма на сітківці ока, що призводить до локалізованих печіння і пошкодження протягом секунд або навіть менше часу. Лазери зазвичай позначений ряд класу безпеки, яка визначає, наскільки небезпечні лазера:

. Клас I / 1 по своїй суті безпечні, як правило, тому що світло, що міститься в корпусі, наприклад, програвачі компакт-дисків.
. Клас II / 2 є безпечною при нормальної експлуатації; рефлекс моргання з очей дозволить запобігти пошкодженню. Зазвичай до 1 mW, для покажчиків наприклад лазера.
. Клас IIIa / 3A лазери, як правило, до 5 mW і залучати невеликий ризик пошкодження очей за час рефлекс моргання. Вдивляючись в такому пучку протягом декількох секунд може привести до пошкодження плями на сітківці.
. Клас IIIb / 3B може привести до негайного причиною погіршення якості зображення при впливі.
. Клас IV / 4 лазери можуть обпекти шкіру, а в деяких випадках навіть розсіяного світла може викликати подразнення очей та / або пошкодження шкіри. Багато промислових і наукові лазерів в цьому класі. Зазначені повноваження для видимого світла, безперервно лазерів. Для імпульсних лазерів і невидимих \u200b\u200bхвиль, інші обмеження потужності застосовуються.

Люди, що працюють з класом 3В і 4 класу лазерів можуть захистити свої очі захисні окуляри, які призначені для поглинають світло певної довжини хвилі.

Деякі інфрачервоний лазери з довжиною хвилі за межами близько 1,4 мікрометрів часто згадується як "безпечний для очей». Це тому, що внутрішня молекулярних коливань молекул води дуже сильно поглинають світло в цій частині спектра, і, таким чином лазерний промінь на цих довжинах хвиль послаблюється настільки, як вона проходить через рогівку ока, що немає світла залишаються має бути зосереджена на об'єктиві на сітківку. Ярлик "безпечний для очей" може ввести в оману, проте, як це відноситься тільки до відносно малої потужності безперервних пучків хвиль, будь-який великий потужності або модуляцією добротності лазера на цих довжинах хвиль може спалити рогівку, викликаючи серйозні ушкодження очей.

8. Небезпеки лазерного випромінювання
Лазерні указки набули широкого застосування від його першої появи. Лазери в основному застосовні в якості інструменту для подання в викладання, астрономії зорепаду, і зустрічей. Проте, ці лазери поступово належать лазерних шанувальників і ентузіастів в тому числі дітей в зв'язку з низькою вартістю і незліченна безліч постачальників, і використовуватися таким чином, не передбачених виробниками. В результаті, це серйозно Важливо розуміти небезпеки лазерних вказівок перед реальною володіння лазерною указкою.

лазерна небезпеки
Лазерне випромінювання переважно викликає пошкодження шляхом термічного впливу. Навіть помірно харчування лазера може призвести до травм очей. Лазерів високої потужності також може обпекти шкіру. Деякі лазери настільки потужним, що навіть дифузного віддзеркалення від поверхні може бути небезпечним для очей.

Хоча існує потенційна небезпека для сітківки, не всі лазери видимого пучка, ймовірно, привести до незворотного пошкодження сітківки. Впливу дивитися на промінь лазерної указки, швидше за все, причиною залишкового зображення, флеш-сліпоти і відблисків. Тимчасова біль в сітківці відновиться через кілька хвилин.

Малим кутом розходження лазерного світла і механізму фокусування на очі означають, що лазерне світло може бути сконцентрований в дуже маленька пляма на сітківці. Якщо лазер досить потужний, постійний збиток може відбуватися протягом частки секунди, буквально швидше, ніж одну мить. Досить потужний у видимій до ближньої ІК лазерним випромінюванням (400-1400nm) буде проникати очного яблука і може привести до нагрівання сітківки, в той час як вплив лазерного випромінювання з довжиною хвилі менше 400 nm і більше, ніж 1400nm в основному поглинаються рогівкою і кришталиком, призводить до розвитку катаракти або опіків.

Інфрачервоні лазери є особливо небезпечними, так як захисні тіла "рефлекс моргання" відповідь спрацьовує тільки видиме світло. Наприклад, деякі люди піддаються впливу високих Nd потужність: YAG лазера з невидимим 1064 випромінюванню, не може відчувати біль або помітите безпосереднього збитку їх зір. Поп-музика або звук клацання, що випливають із очного яблука може бути єдиною ознакою того, що пошкодження сітківки відбулося тобто сітківка нагрівали до 100 ° C в результаті локалізованого вибухового скипання супроводжується негайного створення постійного сліпа пляма.

Відповідальні власники лазерних повинні повністю розуміти небезпеки лазерного випромінювання, і визнати FAA правила, пов'язані з використанням лазерної указки. Захисні окуляри, як правило, потрібно, коли безпосереднє спостереження потужний промінь може статися.

9. Як захистити себе від лазерної небезпеки?
Це дуже важливо для прийняття ефективних методів запобігання шкоди від класу 3В або класу IIIb. Лазерні захисні окуляри є головним аксесуаром для захисту очей на ринку в даний час. Різні вибір лазерних датчиків, окуляри повинні бути обрані для конкретного типу, щоб заблокувати відповідну довжину хвилі. Наприклад, поглинає 532 очок зазвичай має помаранчевий очок.

Безпосередньо дивлячись на лазерні указки строго заборонено в будь-яких умовах. Не забувайте вдягати захисні окуляри перед використанням лазерної указки.

Поради з безпеки лазерною указкою:

● Поставте лазер в недоступному для неповнолітніх. Не допускати неповнолітніх (до 18 років) на придбання і використання лазерною указкою ні за яких нагляду. Тільки дорослі можуть використовувати лазерні указки після того, як вони зрозуміли знань безпеки і ризику лазерних продуктів.

● Будьте особливо обережні, якщо ви використовуєте високої потужності лазерного випромінювання. Ви ніколи не повинні намагатися вказати свій лазерний покажчик на будь-яку людину і тварин, пілот літака і рухомих транспортних засобів, Або ви будете ув'язнені у в'язниці за неправильне використання лазерних пристроїв.

● Тримати подалі від потужних лазерів. Будь ласка, завжди тримати себе далеко від потужних лазера, такі як спалювання лазера. Вони суттєво відрізняються від формальних лазерів для презентації. Ніколи не намагайтеся купити лазер без ніякої виявити класу і потужності.

10. Як потужні лазерні указки буде?

Різні програми повинні лазерів з різною вихідною потужністю. Лазери, які виробляють безперервний пучок або серія коротких імпульсів можна порівняти на основі їх середньої потужності. Лазери, які виробляють імпульси можуть бути охарактеризовані на основі пікова потужність кожного імпульсу. Пікова потужність імпульсного лазера на багато порядків більше, ніж його середня потужність. Середня вихідна потужність завжди менше, ніж споживана потужність.

Безперервним або середньої потужності, необхідної для деяких застосувань:
потужність використання
1-5 mW лазерного покажчика
5 mW компакт-дисків
5-10 mW DVD-плеєр або DVD-дисків
100 mW високошвидкісний CD-RW пальника
250 mW споживчих 16x DVD-R пальника
400 mW горіння через футлярі диска в тому числі протягом 4 секунд
1 W Зелений лазер в поточному Голографічний Універсальний розвитку прототип диска
1-20 W Вихідна більшості коnmерческі доступних твердотільних лазерів, що використовуються для мікро-обробки
30-100 W Типові запечатаних СО2 хірургічних лазерів
100-3000 W Типові запечатаних CO2 лазерів, що використовуються в промислових лазерного різання
5 KW Вихідна потужність досягається за рахунок 1 см бар лазерний діод
100 KW Заявлена \u200b\u200bпотужність СО2-лазера, що розробляється Northrop Grumman для військових (зброя) додатків

11. Що лазерних обслуговування?

Правильне обслуговування вашого лазерного прекрасно продовжити термін його служби. Нам просто потрібно слідувати наступним радам:

Що потрібно:
1. Серветки
Будь ласка, переконайтеся, що тканина з мікроволокна спеціально розроблена для очищення лінз. Ви можете знайти це в вашому місцевому камери або окуляри магазині.
2. Q-наконечником або зуб вибір
Вам потрібно буде скласти тканину над одним з них, щоб бути в змозі досягти лінзи правильно.
3. Об'єктив очищення розчинів (необов'язково)
Використовуйте для очищення лінз рішення, тільки якщо об'єктив не очищається серветка з мікрофібри поодинці. Будь ласка, переконайтеся, що очищуючий розчин розроблений спеціально для очищення об'єктива.
* Увага: не використовуйте воду.

процедура:
1. Мийте руки з милом і водою. Переконайтеся в тому, щоб висушити їх належним чином.
2. Складіть тканину з мікроволокна на зубочистку або ручку частина Q-Tip. Переконайтеся, що ви не чіпайте частина тканини, яка буде очищення лінз. Ви, напевно, не зможе скласти тканину вдвічі, так що ви повинні бути дуже обережні, щоб не натискати занадто сильно на об'єктив.
3. Акуратно перемістіть тканину в отвір, поки вона вступає в контакт з об'єктивом. Натріть його з боку в бік, але не натискайте занадто сильно. Плавно поверніть тканину в обертальнимрухом вперед і назад. Повторіть цю процедуру, поки об'єктив вашої лазерної чистий.
4. Перетворіть ваш лазерний блок, щоб побачити, якщо об'єктив чистий.

Проте брудним? Спробуйте використовувати розчин для очищення об'єктива.
Застосовують по 1 краплі тільки частина тканини, яка буде очищення лінз, слідувати тією ж процедурою, що і вище. Ви хочете, щоб закінчити за допомогою сухої частини тканину для протирання об'єктиву сухий, це повинно зайняти один прохід боку в бік або ніжно обертатися.

Ви все любите лазери. Я то знаю, я від них тащусь більше вашого. А якщо хто не любить - то він просто не бачив танець блискучих пилинок або як ослепі- вальний крихітний вогник прогризає фанеру

А почалося все з статті з Юного техніка за 91-й рік про створення лазера на барвниках - тоді повторити конструкцію для простого школяра було просто нереально ... Зараз на щастя з лазерами ситуація простіше - їх можна діставати з поламаною техніки, їх можна купувати готові, їх можна збирати з деталей ... про найбільш наближених до реальності лазерах і піде сьогодні мова, а також про способи їх застосування. Але в першу чергу про безпеку і небезпеки.

Чому лазери небезпечні

Проблема в тому, що паралельний промінь лазера фокусується оком в точку на сітківці. І якщо для запалювання паперу треба 200 градусів, для пошкодження сітківки досить всього 50, щоб кров згорнулася. Ви можете точкою потрапити в кровоносну судину і закупорити його, можете потрапити в сліпу пляму, де нерви з усього очі йдуть в мозок, можете випалити лінію «пікселів» ... А потім пошкоджена сітківка може почати відшаровуватися, і це вже шлях до повної і незворотної втрати зору. І найнеприємніше -ви не помітите по початку ніяких пошкоджень: больових рецепторів там немає, мозок добудовує предмети в пошкоджених областях (так би мовити ремапінг битих пікселів), і лише коли пошкоджена область стає досить великий ви можете помітити, що предмети пропадають при попаданні в неї . Ніяких чорних областей у поле зору ви не побачите - просто подекуди не буде нічого, але це нічого і не помітно. Побачити пошкодження на перших стадіях може тільки офтальмолог.

Небезпека лазерів вважається виходячи з того, чи може він завдати пошкодження до того як око рефлекторно моргне - і вважається не надто небезпечною потужність в 5Мвт для видимого випромінювання. Тому інфрачервоні лазери вкрай небезпечні (ну і частково фіолетові - їх просто дуже погано видно) - ви можете отримати пошкодження, і так і не побачити, що вам прямо в око світить лазер.

Тому, повторюся, краще уникати лазерів могутніше 5Мвт і будь-яких інфрачервоних лазерів.

Також, ніколи і ні за яких умов не дивіться «в вихід» лазера. Якщо вам здається що «щось не працює» або «якось слабенько» - дивіться через вебкамеру / мильницю (тільки не через зеркалку!). Це також дозволить побачити ІК випромінювання.

Є звичайно захисні окуляри, але тут багато тонкощів. Наприклад на сайті DX є окуляри проти зеленого лазера, але вони пропускають ІК ізлученіе- і навпаки збільшують небезпеку. Так що будьте обережні.

PS. Ну і я звичайно відзначився один раз - ненавмисно собі бороду лазером підпалив ;-)

650нм - червоний

Це мабуть найбільш поширений на просторах інтернету тип лазера, а все тому, що в кожному DVD-RW є такий, потужністю 150-250мВт (чим більше швидкість запису - тим вище). На 650нм чутливість очі не дуже, тому хоч точка і сліпуче яскрава на 100-200мВт, промінь днем \u200b\u200bлише ледь видно (вночі видно звичайно краще). Починаючи з 20-50мВт такий лазер починає «палити» - але тільки в тому випадку, якщо можна міняти його фокус, щоб сфокусувати пляму в крихітну цятку. На 200 мВт жгет дуже жваво, але знову ж таки потрібен фокус. Кульки, картон, сіра папір ...

Купувати їх можна готові (наприклад такий на першому фото червоний). Там же продаються дрібні лазерчікі «оптом» - справжні малятка, хоча у них все по дорослому - система харчування, що настроюється фокус - то що потрібно для роботів, автоматики.

І головне - такі лазери можна акуратно діставати з DVD-RW (але пам'ятайте, що там ще інфрачервоний діод є, з ним потрібно вкрай акуратно, про це нижче). (До речі, в сервіс-центрах буває негарантійні DVD-RW купами лежать - я собі забрав 20 штук, більше не донести було). Лазерні діоди дуже швидко дохнуть від перегріву, від перевищення максимального світлового потоку - миттєво. Перевищення номінального струму вдвічі (за умови неперевищення світлового потоку) скорочує термін служби в 100-1000 разів (так що акуратніше з «розгоном»).

Харчування: є 3 основних схеми: примітивна, з резистором, з стабілізатором струму (на LM317, 1117), і найвищий пілотаж - з використанням зворотного зв'язку через фотодіод.

У нормальних заводських лазерних указка застосовується зазвичай 3-тя схема - вона дає максимальну стабільність вихідної потужності і максимальний термін служби діода.

Друга схема - проста в реалізації, і забезпечує хорошу стабільність, особливо якщо залишати невеликий запас по потужності (~ 10-30%). Саме її я б і рекомендував робити - лінійний стабілізатор - одна з найбільш популярних деталей, і в будь-якому, навіть самому дрібному радіомагазині є аналоги LM317 або 1117.

Найпростіша схема з резистором описана в попередній статті - лише трохи простіше, але з нею вбити діод елементарно. Справа в тому, що в такому випадку струм / потужність через лазерний діод буде сильно залежати від температури. Якщо наприклад при 20C у вас утворювався струм 50мА і діод не згорає та, а потім під час роботи діод нагріється до 80С, ток зросте (такі вони підступні, ці напівпровідники), і досягнувши допустимо 120мА діод починає світити вже тільки чорним світлом. Тобто таку схему все-таки можна використовувати, якщо залишити щонайменше трьох-чотирикратний запас по потужності.

І на останок, налагоджувати схему варто зі звичайним червоним світлодіодом, а припаювати лазерний діод в самому кінці. Охолодження обов'язково! Діод «на проводочков» згорить моментально! Також не тріть і не чіпайте руками оптику лазерів (принаймні\u003e 5Мвт) - будь-яке пошкодження буде «вигоряти», так що продуваємо грушею якщо потрібно і все.

А ось як виглядає лазерний діод поблизу в роботі. За вм'ятин видно, як близький я був до провалу, дістаючи його з пластикового кріплення. Це фото теж не далося мені легко

532нм - зелений

Влаштовані вони складно - це так звані DPSS лазери: Перший лазер, інфрачервоний на 808nm, світить в кристал Nd: YVO4 - виходить лазерне випромінювання на 1064нм. Воно потрапляє на кристал «удвоителя частоти» - т.зв. KTP, і отримуємо 532нм. Кристали всі ці виростити непросто, тому довгий час DPSS лазери були чертовски дороги. Але завдяки ударній праці китайських товаришів, тепер вони стали всполне доступні - від 7 $ штука. У будь-якому випадку, механічно це складні пристрої, бояться падінь, різких перепадів температур. Будьте дбайливими.

Основний плюс зелених лазерів - 532нм дуже близько до максимальної чутливості очі, і як точка, так і сам промінь дуже добре видно. Я б сказав, 5Мвт зелений лазер світить яскравіше, ніж 200мВт червоний (на першій фото якраз 5Мвт зелений, 200мВт червоний і 200мВт фіолетовий). Тому, я б не рекомендував купувати зелений лазер могутніше ніж 5Мвт: перший зелений я купив на 150мВт і це справжня жесть - з ним нічого не можна зробити без окулярів, навіть відбите світло сліпить, і залишає неприємні відчуття.

Також у зелених лазерів є і велика небезпека: 808 і особливо 1064нм інфрачервоне випромінювання виходить з лазера, і в більшості випадків його більше ніж зеленого. У деяких лазерах є інфрачервоний фільтр, але в більшості зелених лазерів до 100 $ його немає. Тобто «Вражаюча» здатність лазера для ока набагато більше, ніж здається - і це ще одна причина не купувати зелений лазер могутніше ніж 5 мВт.

Палити зеленими лазерами звичайно можна, але потрібні потужності знову ж від 50мВт + якщо поблизу побічний інфрачервоний промінь буде «допомагати», то з відстанню він швидко стане «не в фокусі». А з огляду на як він сліпить - нічого веселого вийде.

405нм - фіолетовий

Це вже швидше ближній ультрафіолет. Більшість діодів - випромінюють 405нм безпосередньо. Проблема з ними в тому, що око має чутливість на 405нм близько 0.01%, тобто плямочка 200мВт лазера здається дохлий, а насправді воно біса небезпечне і сліпучо-яскраве - сітківку пошкоджує на все 200мВт. Інша проблема - очей людини звик фокусуватися «під зелене» світло, і 405нм пляма завжди буде не в фокусі - не дуже приємне відчуття. Але є і хороша сторона - багато предметів флуоресцируют, наприклад папір - яскравим блакитним світлом, тільки це і рятує ці лазери від забуття масової публіки. Але знову ж таки, з ними не так весело. Хоч 200мВт джгут будь здоров, через складність фокусування лазера в точку це складніше ніж з червоними. Також, до 405нм чутливі фоторезисти, і хто з ними працює, може придумати навіщо це може знадобитися ;-)

780нм - інфрачервоний

Такі лазери в CD-RW і як другий діод в DVD-RW. Проблема в тому, що око людини промінь не бачить, і тому такі лазери дуже небезпечні. Можна спалити себе сітківку і не помітити цього. Єдиний спосіб працювати з ними - використовувати камеру без інфрачервоного фільтра (в веб камерах її легко дістати наприклад) - тоді і промінь, і пляма буде видно. ІК лазери застосовувати мабуть можна тільки в саморобних лазерних «станочки», балуватися з ними я б вкрай не рекомендував.

Також ІК лазери є в лазерних принтерах разом зі схемою розгортки - 4-х або 6-й Гран обертається дзеркало + оптика.

10мкм - інфрачервоний, CO2

Це найбільш популярний в промисловості тип лазера. Основні його достоїнства - низька ціна (трубки від 100-200 $), висока потужність (100W - рутина), високий ККД. Ними ріжуть метал, фанеру. Гравірують та ін. Якщо самому хочеться зробити лазерний верстат - то в Китаї (alibaba.com) можна купити готові трубки потрібної потужності і зібрати до них тільки систему охолодження і харчування. Втім, особливі умільці роблять і трубки будинку, хоч це дуже складно (проблема в дзеркалах і оптиці - скло 10мкм випромінювання не пропускає - тут підходить тільки оптика з кремнію, германію та деяких солей).

застосування лазерів

В основному - використовують на презентаціях, грають з кішками / собаками (5МВт, зелений / червоний), астрономи вказують на сузір'я (зелений 5Мвт і вище). Саморобні верстати - працюють від 200мВт по тонким чорним поверхням. CO2 лазерами ріжуть майже все, що завгодно. Ось тільки друковану плату різати важко - мідь дуже добре відбиває випромінювання довше 350Нм (тому на виробництві, якщо дуже хочеться - застосовують дорогі 355nm DPSS лазери). Ну і стандартне розвага на YouTube - лопание кульок, нарізка паперу і картону - будь-які лазери від 20-50мВт за умови можливості фокусування в точку.

З більш серйозного - целеуказатели для зброї (зелений), можна вдома робити голограми (напівпровідникових лазерів для цього більш ніж достатньо), можна із пластику, чутливого до УФ друкувати 3Д-об'єкти, можна експонувати фоторезист без шаблону, можна посвітити на кутовий відбивач на місяці , і через 3 секунди побачити відповідь, можна побудувати лазерну лінію зв'язку на 10Мбіт ... Простір для творчості необмежений

Так що, якщо ви ще думаєте, якийсь би купити лазер - беріть 5Мвт зелений :-) (ну і 200мВт червоний, якщо хочеться палити)

Питання / думки / коментарі - в студію!

Теги:

• лазер
• dvd-rw
• dealextreme

Додати мітки