Bayborodin Yu.

Svetloba se že stoletja uporablja za zdravljenje različnih bolezni. Stari Grki in Rimljani so pogosto »jemali sonce« kot zdravilo. In seznam bolezni, ki naj bi jih zdravili s svetlobo, je bil precej velik.
Prava zora fototerapije je nastopila v 19. stoletju – z izumom električnih žarnic so se pojavile nove možnosti. IN konec XIX stoletja so z rdečo svetlobo zdravili črne koze in ošpice, tako da so bolnika dali v posebno komoro z rdečimi sevalci. Tudi različne "barvne kopeli" (tj. svetlobne različne barve) se uspešno uporabljajo za zdravljenje duševnih bolezni. Poleg tega je vodilni položaj na področju fototerapije do začetka dvajsetega stoletja zasedel Ruski imperij.
V zgodnjih šestdesetih letih so se pojavile prve laserske medicinske naprave. Danes se laserske tehnologije uporabljajo za skoraj vsako bolezen.
1. Fizična osnova uporabe lasersko tehnologijo v medicini

1.1 Načelo delovanja laserja

Laserji temeljijo na pojavu stimulirane emisije, katerega obstoj je domneval A. Einstein leta 1916. V kvantnih sistemih z diskretnimi energijskimi nivoji obstajajo tri vrste prehodov med energijskimi stanji: inducirani prehodi, spontani prehodi in nesevalni prehodi. sprostitveni prehodi. Lastnosti stimulirane emisije določajo koherenco sevanja in dobiček v kvantni elektroniki. Spontana emisija povzroča prisotnost hrupa, služi kot začetni impulz v procesu ojačanja in vzbujanja nihanj ter igra vlogo skupaj z nesevalnimi relaksacijskimi prehodi. pomembno vlogo pri pridobivanju in vzdrževanju termodinamično neravnovesnega sevalnega stanja.
Med induciranimi prehodi se lahko kvantni sistem prenese iz enega energijskega stanja v drugo, tako z absorpcijo energije elektromagnetnega polja (prehod z nižjega energijskega nivoja na višji) kot z oddajanjem elektromagnetne energije (prehod z zgornjega nivoja na nižjega).
Svetloba se širi v obliki elektromagnetnega valovanja, medtem ko je energija med emisijo in absorpcijo koncentrirana v svetlobnih kvantih, medtem ko se med interakcijo elektromagnetnega sevanja s snovjo, kot je leta 1917 pokazal Einstein, poleg absorpcije in spontane emisije prisili ( inducirano) sevanje, ki je osnova za razvoj laserjev.
Dobiček elektromagnetni valovi zaradi stimuliranega oddajanja ali iniciacije samovzbujenih nihanj elektromagnetnega sevanja v območju centimetrskih valov in s tem ustvariti napravo, imenovano maser(mikrovalovna ojačitev s stimulirano emisijo sevanja) je bila izvedena leta 1954. Po predlogu (1958) se je ta princip ojačitve razširil na veliko krajše svetlobni valovi leta 1960 je bil razvit prvi laser(ojačitev svetlobe s stimulirano emisijo sevanja).
Laser je vir svetlobe, s katerim je koherenten elektromagnetno sevanje, ki nam je poznan iz radiotehnike in mikrovalovne tehnike ter v kratkovalovnem, predvsem infrardečem in vidnem področju spektra.
1.2 Vrste laserjev

Obstoječe vrste laserjev lahko razvrstimo po več kriterijih. Najprej po agregatno stanje aktivni medij: plin, tekočina, trdna snov. Vsak od teh velikih razredov je razdeljen na manjše: glede na značilnosti aktivnega medija, vrsto črpanja, način ustvarjanja inverzije itd. Na primer, med polprevodniškimi laserji je precej jasno razločen širok razred polprevodniških laserjev, v katerih se najpogosteje uporablja injekcijsko črpanje. Plinski laserji vključujejo atomske, ionske in molekularne laserje. Posebno mesto med vsemi ostalimi laserji zavzema laser prostih elektronov, katerega delovanje temelji na klasičnem učinku generiranja svetlobe z relativističnimi nabitimi delci v vakuumu.
1.3 Značilnosti laserskega sevanja

Lasersko sevanje se od sevanja konvencionalnih svetlobnih virov razlikuje po naslednjih značilnostih:
- visoko spektralna gostota energija;
- enobarvni;
- visoka časovna in prostorska koherentnost;
- visoka stabilnost intenzivnosti laserskega sevanja v stacionarnem načinu;
- sposobnost ustvarjanja zelo kratkih svetlobnih impulzov.
Te posebne lastnosti laserskega sevanja zagotavljajo široko paleto aplikacij. Določa jih predvsem proces generiranja sevanja zaradi stimulirane emisije, ki se bistveno razlikuje od običajnih virov svetlobe.
Glavne značilnosti laserja so: valovna dolžina, moč in način delovanja, ki je lahko neprekinjen ali impulzen.
Laserska najdba široka uporaba v medicinski praksi in predvsem v kirurgiji, onkologiji, oftalmologiji, dermatologiji, zobozdravstvu in drugih področjih. Mehanizem interakcije laserskega sevanja z biološkim objektom še ni v celoti raziskan, vendar je mogoče opaziti, da pride do toplotnih učinkov ali resonančnih interakcij s tkivnimi celicami.
Lasersko zdravljenje je varno in zelo pomembno za ljudi z alergijami na zdravila.
2. Mehanizem interakcije laserskega sevanja z biološkimi tkivi

2.1 Vrste interakcij

Pomembna lastnost laserskega sevanja za kirurgijo je sposobnost koagulacije s krvjo nasičenega (vaskulariziranega) biološkega tkiva.
večinoma, koagulacija nastane zaradi absorpcije laserskega sevanja s krvjo, njenega močnega segrevanja do vrelišča in nastanka krvnih strdkov. Tako je lahko absorbcijska tarča med koagulacijo hemoglobin ali vodna komponenta krvi. To pomeni, da bo sevanje laserjev v oranžno-zelenem spektru (KTP laser, bakrove pare) in infrardečih laserjev (neodim, holmij, erbijev v steklu, CO 2 laser) dobro koaguliralo biološko tkivo.
Vendar pa se pri zelo visoki absorpciji v biološkem tkivu, kot je na primer laser z erbijevim granatom z valovno dolžino 2,94 mikrona, lasersko sevanje absorbira v globini 5 - 10 mikronov in morda sploh ne doseže cilja - kapilare.
Kirurške laserje delimo na dva dela velike skupine: ablativno(iz latinščine ablatio - "odvzem"; v medicini - kirurška odstranitev, amputacija) in neablativno laserji. Ablativni laserji so bližje skalpelu. Neablativni laserji delujejo po drugačnem principu: po obdelavi predmeta, na primer bradavice, papiloma ali hemangioma, s takšnim laserjem ta ostane na mestu, čez nekaj časa pa sledi serija biološki učinki in on umre. V praksi je videti takole: neoplazma se mumificira, posuši in odpade.
Kontinuirani CO 2 laserji se uporabljajo v kirurgiji. Načelo temelji na toplotnih učinkih. Prednosti laserske operacije so, da je brezkontaktna, praktično brezkrvna, sterilna, lokalna, omogoča nemoteno celjenje razrezanega tkiva in s tem dobre kozmetične rezultate.
V onkologiji so opazili, da laserski žarek uničuje tumorske celice. Mehanizem uničenja temelji na toplotnem učinku, zaradi katerega nastane temperaturna razlika med površino in notranji deli objekt, kar vodi do močnih dinamičnih učinkov in uničenja tumorskih celic.
Danes je zelo obetavna tudi takšna smer, kot je fotodinamična terapija. Številni članki o kliničnih aplikacijah ta metoda. Njegovo bistvo je, da se v bolnikovo telo vnese posebna snov - fotosenzibilizator. To snov selektivno kopiči rakavi tumor. Po obsevanju tumorja s posebnim laserjem pride do serije fotokemičnih reakcij, pri čemer se sprosti kisik, ki ubije rakave celice.
Eden od načinov vpliva na telo z laserskim sevanjem je intravensko lasersko obsevanje krvi(ILBI), ki se trenutno uspešno uporablja v kardiologiji, pulmologiji, endokrinologiji, gastroenterologiji, ginekologiji, urologiji, anesteziologiji, dermatologiji in drugih področjih medicine. Poglobljena znanstvena študija problematike in predvidljivost rezultatov prispevata k uporabi ILBI tako samostojno kot v kombinaciji z drugimi metodami zdravljenja.
Za ILBI se običajno uporablja lasersko sevanje v rdečem območju spektra
(0,63 mikrona) z močjo 1,5-2 mW. Zdravljenje se izvaja vsak dan ali vsak drugi dan; na tečaj od 3 do 10 sej. Čas izpostavljenosti pri večini bolezni je 15-20 minut na sejo za odrasle in 5-7 minut za otroke. Intravensko lasersko terapijo lahko izvajamo v skoraj vsaki bolnišnici ali kliniki. Prednost ambulantne laserske terapije je, da zmanjša možnost razvoja bolnišnične okužbe, ustvari dobro psiho-čustveno ozadje, ki omogoča bolniku, da ostane funkcionalen dolgo časa med posegi in polnim zdravljenjem.
V oftalmologiji se laserji uporabljajo tako za zdravljenje kot za diagnosticiranje. Z laserjem se zvari mrežnica očesa in zvarijo žile očesne žilnice. Argonski laserji, ki sevajo v modro-zelenem območju spektra, se uporabljajo v mikrokirurgiji za zdravljenje glavkoma. Excimer laserji se že dolgo uspešno uporabljajo za korekcijo vida.
V dermatologiji z laserskim obsevanjem zdravijo številne hude in kronične kožne bolezni, odstranjujejo pa tudi tetovaže. Pri obsevanju z laserjem se aktivira regenerativni proces in aktivira se izmenjava celičnih elementov.
Osnovno načelo uporabe laserja v kozmetologiji je, da svetloba vpliva samo na predmet ali snov, ki jo absorbira. V koži svetlobo absorbirajo posebne snovi – kromoforji. Vsak kromofor absorbira v določenem območju valovnih dolžin, na primer za oranžni in zeleni spekter je to hemoglobin v krvi, za rdeči spekter melanin v laseh, za infrardeči spekter pa je to celična voda.
Ko se sevanje absorbira, se energija laserskega žarka pretvori v toploto na predelu kože, ki vsebuje kromofor. Pri zadostni moči laserskega žarka to povzroči termično uničenje tarče. Tako je mogoče s pomočjo laserja selektivno ciljati na primer na lasne korenine, pigmentne madeže in druge kožne nepravilnosti.
Vendar pa se zaradi prenosa toplote segrejejo tudi sosednja področja, četudi vsebujejo malo kromoforjev, ki absorbirajo svetlobo. Procesi absorpcije in prenosa toplote so odvisni od fizikalne lastnosti cilj, globino in velikost. Zato je v laserski kozmetologiji pomembno skrbno izbrati ne le valovno dolžino, temveč tudi energijo in trajanje laserskih impulzov.
V zobozdravstvu je lasersko obsevanje najučinkovitejše fizioterapevtsko zdravljenje parodontalne bolezni in bolezni ustne sluznice.
Namesto akupunkture se uporablja laserski žarek. Prednost uporabe laserskega žarka je, da ni stika z biološkim objektom, zato je postopek sterilen in neboleč z veliko učinkovitostjo.
Svetlovodni instrumenti in katetri za lasersko kirurgijo so zasnovani za dovajanje močnega laserskega sevanja na mesto operacije med odprtimi, endoskopskimi in laparoskopskimi operacijami v urologiji, ginekologiji, gastroenterologiji, splošni kirurgiji, artroskopiji, dermatologiji. Omogoča rezanje, ekscizijo, ablacijo, vaporizacijo in koagulacijo tkiv med kirurškimi posegi v stiku z biološkim tkivom ali pri brezkontaktnem načinu uporabe (ko je konec vlakna odstranjen iz biološkega tkiva). Sevanje lahko izhaja iz konca vlakna ali skozi okno na stranski površini vlakna. Lahko se uporablja v zračnem (plin) in vodnem (tekočina) okolju. Po posebnem naročilu so katetri za lažjo uporabo opremljeni z enostavno snemljivim ročajem - držalom za svetlobni vodnik.
V diagnostiki se z laserji odkrivajo različne nehomogenosti (tumorji, hematomi) in merijo parametri živega organizma. Osnove diagnostičnih operacij se zmanjšajo na prehod laserskega žarka skozi pacientovo telo (ali enega od njegovih organov) in na podlagi spektra ali amplitude oddanega ali odbitega sevanja se postavi diagnoza. Znane so metode za odkrivanje rakavih tumorjev v onkologiji, hematomov v travmatologiji, pa tudi za merjenje parametrov krvi (skoraj vseh, od krvnega tlaka do vsebnosti sladkorja in kisika).
2.2 Značilnosti laserske interakcije pri različnih parametrih sevanja

Za kirurške namene mora biti laserski žarek dovolj močan, da segreje biološko tkivo nad 50 - 70 °C, kar vodi do njegove koagulacije, rezanja ali izhlapevanja. Zato v laserski kirurgiji, ko govorijo o moči laserskega sevanja določene naprave, uporabljajo številke, ki označujejo enote, desetice in stotine vatov.
Kirurški laserji so zvezni ali pulzni, odvisno od vrste aktivnega medija. Konvencionalno jih lahko razdelimo v tri skupine glede na stopnjo moči.
1. Koagulacija: 1 - 5 W.
2. Izhlapevanje in plitvo rezanje: 5 - 20 W.
3. Globoko rezanje: 20 - 100 W.
Za vsako vrsto laserja je značilna predvsem valovna dolžina sevanja. Valovna dolžina določa stopnjo absorpcije laserskega sevanja v biološkem tkivu in s tem globino prodiranja in stopnjo segretja tako kirurškega področja kot okoliškega tkiva.
Glede na to, da je voda prisotna v skoraj vseh vrstah bioloških tkiv, lahko rečemo, da je za operacijo bolje uporabiti vrsto laserja, katerega sevanje ima absorpcijski koeficient v vodi več kot 10 cm -1 ali, kar je enako, globina penetracije ne presega 1 mm.
Druge pomembne značilnosti kirurških laserjev,
določanje njihove uporabe v medicini:
· moč sevanja;
· neprekinjen ali impulzen način delovanja;
· sposobnost koagulacije s krvjo nasičenega biološkega tkiva;
· možnost prenosa sevanja po optičnih vlaknih.
Ko je biološko tkivo izpostavljeno laserskemu sevanju, se najprej segreje in nato izhlapi. Za učinkovito rezanje biološkega tkiva potrebujete hitro izhlapevanje na mestu reza na eni strani in minimalno sočasno segrevanje okoliških tkiv na drugi strani.
Pri enaki povprečni moči sevanja kratek impulz segreje tkivo hitreje kot neprekinjeno sevanje, širjenje toplote na okoliško tkivo pa je minimalno. Toda, če imajo impulzi nizko stopnjo ponavljanja (manj kot 5 Hz), potem je težko narediti neprekinjen rez; to je bolj podobno perforaciji. Zato mora imeti laser po možnosti impulzni način delovanja s hitrostjo ponavljanja impulza nad 10 Hz, trajanje impulza pa mora biti čim krajše, da se doseže visoka konična moč.
V praksi je optimalna izhodna moč za operacijo od 15 do 60 W, odvisno od valovne dolžine laserja in uporabe.
3. Perspektivne laserske metode v medicini in biologiji

Razvoj laserske medicine poteka po treh glavnih vejah: laserska kirurgija, laserska terapija in laserska diagnostika. Edinstvene lastnosti laserski žarki omogočajo izvajanje doslej nemogočih operacij z novimi učinkovitimi in minimalno invazivnimi metodami.
Vse več je zanimanja za zdravljenje brez zdravil, vključno s fizikalno terapijo. Pogosto pride do situacij, ko ni treba opraviti enega fizikalnega posega, ampak več, potem pa se mora bolnik premikati iz ene kabine v drugo, se večkrat oblačiti in slačiti, kar povzroča dodatne težave in izgubo časa.
Raznolikost terapevtskih metod zahteva uporabo laserjev z različnimi parametri sevanja. V te namene se uporabljajo različne oddajne glave, ki vsebujejo enega ali več laserjev in elektronska naprava povezovanje krmilnih signalov iz osnovne enote z laserjem.
Sevalne glave delimo na univerzalni, kar jim omogoča zunanjo uporabo (z zrcalnimi in magnetnimi nastavki) in intrakavitetno z uporabo posebnih optičnih nastavkov; matrica imeti velika površina obsevanju ter nanese površinsko, kakor tudi specializirano. Različni optični nastavki omogočajo dovod sevanja na želeno območje izpostavljenosti.
Bločni princip omogoča uporabo širokega nabora laserskih in LED glav z različnimi spektralnimi, prostorsko-časovnimi in energijskimi lastnostmi, kar posledično s kombinirano izvedbo dvigne učinkovitost zdravljenja na kakovostno novo raven. različne tehnike lasersko terapijo. Učinkovitost zdravljenja je določena predvsem učinkovite metode in opremo, ki zagotavlja njihovo izvedbo. Sodobne tehnike zahtevajo možnost izbire različnih parametrov izpostavljenosti (način sevanja, valovna dolžina, moč) v širokem razponu. Naprava za lasersko terapijo (ALT) mora zagotavljati te parametre, njihovo zanesljivo kontrolo in prikaz, hkrati pa mora biti enostavna in priročna za upravljanje.
4. Laserji, ki se uporabljajo v medicinski tehnologiji

4.1 CO 2 -laserji

CO 2 -laser, tj. Posebno mesto v raznovrstnosti obstoječih laserjev zavzema laser, katerega sevalna komponenta aktivnega medija je ogljikov dioksid CO 2 . Ta edinstveni laser se odlikuje predvsem po tem, da ga odlikujeta visoka energetska učinkovitost in visoka učinkovitost. V neprekinjenem načinu so bile pridobljene ogromne moči - več deset kilovatov; impulzna moč je dosegla raven nekaj gigavatov, impulzna energija se meri v kilodžulih. Učinkovitost CO 2 laserja (približno 30%) presega učinkovitost vseh laserjev. Hitrost ponavljanja v impulzno-periodičnem načinu je lahko nekaj kilohercev. Valovne dolžine CO 2 laserskega sevanja so v območju 9-10 mikronov (IR območje) in spadajo v okno prosojnosti atmosfere. Zato je CO 2 lasersko sevanje primerno za intenzivno izpostavljanje snovem. Poleg tega resonančne absorpcijske frekvence številnih molekul spadajo v emisijsko območje laserja CO 2 .
Slika 1 prikazuje nižje nivoje nihanja osnovnega elektronskega stanja skupaj s simbolično predstavitvijo načina nihanja molekule CO 2 .
Slika 1 - Nižje ravni molekule CO2
Cikel laserskega črpanja CO 2 laserja v stacionarnih pogojih je naslednji. Elektroni plazme z žarečo razelektritvijo vzbujajo molekule dušika, ki prenašajo energijo vzbujanja na asimetrično raztezno nihanje molekul CO 2 , ki ima dolgo življenjsko dobo in je zgornji laserski nivo. Nižja laserska raven je običajno prva vzbujena raven simetrične raztezne vibracije, ki je močno povezana s Fermijevo resonanco na upogibno vibracijo in se zato hitro sprosti skupaj s to vibracijo pri trkih s helijem. Očitno je, da je isti relaksacijski kanal učinkovit v primeru, ko je spodnji laserski nivo drugi vzbujeni nivo deformacijskega načina. Tako je CO 2 laser laser, ki uporablja mešanico ogljikovega dioksida, dušika in helija, kjer CO 2 zagotavlja sevanje, N 2 črpa zgornji nivo, He pa osiromaši spodnji nivo.
CO 2 laserji srednje moči (desetine - stotine vatov) so zasnovani ločeno v obliki relativno dolgih cevi z vzdolžnim izpustom in vzdolžnim črpanjem plina. Tipična zasnova takega laserja je prikazana na sliki 2. Tukaj 1 - razelektritvena cev, 2 - obročaste elektrode, 3 - počasno obnavljanje medija, 4 - razelektritvena plazma, 5 - zunanja cev, 6 - hladilna tekoča voda, 7, 8 - resonator.
Slika 2 - Diagram CO2 laserja z difuzijskim hlajenjem

Vzdolžno črpanje služi za odstranjevanje produktov disociacije mešanice plinov v izpustu. Hlajenje delovnega plina v takih sistemih nastane zaradi difuzije na zunanje hlajeno steno izpustne cevi. Bistvena je toplotna prevodnost materiala stene. S tega vidika je priporočljiva uporaba cevi iz korundne (Al 2 O 3) ali berilijeve (BeO) keramike.
Elektrode so izdelane v obliki obroča, da ne blokirajo poti do sevanja. Joulova toplota se s toplotno prevodnostjo odvaja na stene cevi, tj. Uporablja se difuzijsko hlajenje. Trdno zrcalo je iz kovine, prosojno pa iz NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.
Alternativa difuzijskemu hlajenju je konvekcijsko hlajenje. Delovni plin z visoka hitrost piha skozi območje razelektritve, Joulova toplota pa se odstrani z razelektritvijo. Uporaba hitrega črpanja omogoča povečanje gostote sproščanja in odvzema energije.
CO 2 laser se v medicini uporablja skoraj izključno kot »optični skalpel« za rezanje in vaporizacijo pri vseh kirurških posegih. Rezalni učinek fokusiranega laserskega žarka temelji na eksplozivnem izparevanju intra- in zunajcelične vode v območju fokusiranja, zaradi česar se poruši struktura materiala. Uničenje tkiva vodi do značilna oblika robovi rane. V ozkem omejeno območje medsebojno delovanje je temperatura 100 °C presežena šele, ko je dosežena dehidracija (hlajenje z izhlapevanjem). Nadaljnje povišanje temperature povzroči, da se material odstrani z zoglenenjem ali izhlapevanjem tkiva. Neposredno v obrobnih območjih zaradi splošne slabe toplotne prevodnosti nastane tanka nekrotična zadebelitev debeline 30-40 mikronov. Na razdalji 300-600 mikronov poškodbe tkiva ne nastanejo več. V območju koagulacije se krvne žile s premerom do 0,5-1 mm spontano zaprejo.
Kirurške naprave, ki temeljijo na CO 2 laserjih, so trenutno na voljo v precej široki paleti. Vodenje laserskega žarka v večini primerov poteka s pomočjo sistema zgibnih zrcal (manipulatorja), ki se zaključi z instrumentom z vgrajeno fokusno optiko, s katerim kirurg manipulira v operiranem predelu.
4.2 Helij-neonski laserji

IN helij-neonski laser Delovna snov so nevtralni atomi neona. Vzbujanje se izvaja z električnim praznjenjem. V čistem neonu je težko ustvariti inverzijo v neprekinjenem načinu. To težavo, ki je v mnogih primerih precej splošna, odpravimo z vnosom dodatnega plina v razelektritev - helija, ki deluje kot donator vzbujalne energije. Energiji prvih dveh vzbujenih metastabilnih ravni helija (slika 3) precej natančno sovpadata z energijami ravni 3 s in 2 s neon. Zato so pogoji za resonančni prenos vzbujanja po shemi dobro realizirani
Slika 3 - He-Ne laserski nivojski diagram

Pri pravilno izbranih tlakih neona in helija, ki izpolnjujejo pogoj
, (1)
možno je doseči zasedenost enega ali obeh nivojev 3 s in 2 s neon, ki znatno presega tisto v primeru čistega neona, in dobi populacijsko inverzijo.
Izčrpavanje nižjih laserskih nivojev se pojavi v kolizijskih procesih, vključno s trki s stenami cevi za izpust plina.
Vzbujanje atomov helija (in neona) se pojavi pri nizkotokovni žareči razelektritvi (slika 4). V neprekinjenih laserjih na nevtralnih atomih ali molekulah se za ustvarjanje aktivnega medija najpogosteje uporablja šibko ionizirana plazma pozitivnega stolpca žareče razelektritve. Gostota toka žarilne razelektritve je 100-200 mA/cm 2 . Vzdolžna napetost električno polje je takšno, da število elektronov in ionov, ki se pojavijo v posameznem segmentu razelektritvene reže, kompenzira izgube nabitih delcev med njihovo difuzijo na stene cevi za razelektritev plina. Takrat je pozitivni stolpec izpusta stacionaren in homogen. Temperatura elektronov je določena s produktom tlaka plina in notranjim premerom cevi. Pri nizkih temperaturah je elektronska temperatura visoka, pri visokih pa nizka. Konstantnost vrednosti določa pogoje za podobnost izpustov. Pri konstantni gostoti števila elektronov bodo pogoji in parametri razelektritev ostali nespremenjeni, če je produkt konstanten. Gostota števila elektronov v šibko ionizirani plazmi pozitivnega stolpca je sorazmerna z gostoto toka.
Za helij-neonski laser so optimalne vrednosti, kot tudi delna sestava plinske mešanice, nekoliko drugačne za različna spektralna območja laserja.
V območju 0,63 µm najbolj intenzivna črta v seriji, črta (0,63282 µm), ustreza optimalnemu Tor mm.
Slika 4 - Diagram zasnove He-Ne laserja

Značilne vrednosti sevalne moči helij-neonskih laserjev je treba obravnavati kot desetine milivatov v območju 0,63 in 1,15 mikrona in na stotine v območju 3,39 mikrona. Življenjska doba laserjev je omejena s procesi v razelektritvi in ​​se meri v letih. Sčasoma se sestava plina v izpustu spreminja. Zaradi sorpcije atomov v stenah in elektrodah pride do procesa "utrjevanja", tlak pade in spremeni se razmerje parcialnih tlakov He in Ne.
Največjo kratkotrajno stabilnost, enostavnost in zanesljivost zasnove helij-neonskega laserja dosežemo z vgradnjo zrcal z votlino znotraj izpustne cevi. Vendar pa pri tej postavitvi ogledala relativno hitro odpovejo zaradi bombardiranja z nabitimi delci razelektritvene plazme. Zato je najpogosteje uporabljena izvedba, pri kateri je plinsko razelektritvena cev nameščena znotraj resonatorja (slika 5), ​​njeni konci pa so opremljeni z okni, ki se nahajajo pod Brewsterjevim kotom glede na optično os, s čimer je zagotovljena linearna polarizacija sevanja. Ta ureditev ima cela serija prednosti - nastavitev resonatorskih zrcal je poenostavljena, podaljšana življenjska doba plinske cevi in ​​zrcal, olajšana je njihova zamenjava, možno je krmiljenje resonatorja in uporaba disperzivnega resonatorja, ločevanje modov itd.
Slika 5 - He-Ne laserska votlina

Preklapljanje med pasovi laserja (slika 6) v nastavljivem helij-neonskem laserju se običajno doseže z uvedbo prizme, za natančno nastavitev linije laserja pa se običajno uporablja uklonska mreža.
Slika 6 - Uporaba Leathrowove prizme
4.3 INAG laserji

Trivalentni neodimov ion zlahka aktivira številne matrice. Med temi so bili najbolj obetavni kristali itrijev aluminijev granat Y 3 Al 5 O 12 (YAG) in steklo. Črpanje prenese ione Nd 3+ iz osnovnega stanja 4 jaz 9/2 v več razmeroma ozkih črtah, ki igrajo vlogo zgornje ravni. Ti pasovi so sestavljeni iz niza prekrivajočih se vzbujenih stanj, njihovi položaji in širine pa se od matrice do matrice nekoliko razlikujejo. Iz črpalnih pasov hiter prenos vzbujalne energije na metastabilno raven 4 F 3/2 (slika 7).
Slika 7 - Raven energije trivalentni ioni redkih zemelj
Bližje ravni 4 FČe so absorpcijski pasovi 3/2, večja je učinkovitost generiranja. Prednost kristalov YAG je prisotnost intenzivno rdeče absorpcijske linije.
Tehnologija rasti kristalov temelji na metodi Czochralskega, ko YAG in aditiv talimo v iridijevem lončku pri temperaturi okoli 2000 °C, čemur sledi ločitev dela taline iz lončka s pomočjo zaroda. Temperatura semena je nekoliko nižja od temperature taline in ob izvleku talina postopoma kristalizira na površini semena. Kristalografska orientacija kristalizirane taline ponazarja orientacijo semena. Kristal gojimo v inertnem okolju (argon ali dušik) pri normalnem tlaku z majhnim dodatkom kisika (1-2%). Ko kristal doseže želeno dolžino, ga počasi ohladimo, da preprečimo uničenje zaradi toplotne obremenitve. Proces rasti traja od 4 do 6 tednov in je računalniško voden.
Neodimski laserji delujejo v širokem razponu laserskih načinov, od zveznih do v bistvu pulznih s trajanjem, ki doseže femtosekunde. Slednje dosežemo z zaklepanjem načina v široki ojačevalni črti, značilni za laserska očala.
Pri ustvarjanju neodimovih in rubinastih laserjev so bile uporabljene vse značilne metode za nadzor parametrov laserskega sevanja, ki jih je razvila kvantna elektronika. Poleg tako imenovane proste generacije, ki se nadaljuje skozi skoraj celotno življenjsko dobo impulza črpalke, so se razširili načini preklopnega (preklopnega) faktorja Q in sinhronizacije (samosinhronizacije) načinov.
V načinu prostega generiranja je trajanje impulzov sevanja 0,1 ... 10 ms, energija sevanja v vezjih za ojačenje moči je približno 10 ps, ​​če se uporablja za Q-preklop elektrooptičnih naprav. Nadaljnje skrajšanje laserskih impulzov je doseženo z uporabo filtrov, ki jih je mogoče beliti, tako za preklop Q (0,1...10 ps) kot za zaklepanje načina (1...10 ps).
Ko je biološko tkivo izpostavljeno intenzivnemu sevanju Nd-YAG laserja, nastane dovolj globoka nekroza (koagulacijsko žarišče). Učinek odstranjevanja tkiva in s tem učinek rezanja je v primerjavi z učinkom CO 2 laserja zanemarljiv. Zato se Nd-YAG laser uporablja predvsem za koagulacijo krvavitev in za nekrotizacijo patološko spremenjenih predelov tkiva na skoraj vseh področjih kirurgije. Ker je prenos sevanja mogoč tudi po fleksibilnih optičnih kablih, se odpirajo možnosti za uporabo Nd-YAG laserjev v telesnih votlinah.
4.4 Polprevodniški laserji

Polprevodniški laserji oddajajo koherentno sevanje v UV, vidnem ali IR območju (0,32...32 µm); Kot aktivni medij se uporabljajo polprevodniški kristali.
Trenutno je znanih več kot 40 različnih polprevodniških materialov, primernih za laserje. Aktivni medij lahko črpamo z elektronskimi žarki ali optičnim sevanjem (0,32...16 µm), v str-n-prehod polprevodniškega materiala električni udar od uporabljene zunanje napetosti (injekcija nosilcev naboja, 0,57...32 µm).
Injekcijski laserji se od vseh drugih vrst laserjev razlikujejo po naslednjih lastnostih:
- visoka energetska učinkovitost (nad 10%);
- enostavnost vzbujanja (neposredna pretvorba električna energija v koherentno sevanje - tako v neprekinjenem kot v impulznem načinu delovanja);
- možnost neposredne modulacije z električnim tokom do 10 10 Hz;
- izjemno majhne dimenzije (dolžina manj kot 0,5 mm; širina ne več kot 0,4 mm; višina ne več kot 0,1 mm);
- nizka napetost črpalke;
- mehanska zanesljivost;
- dolga življenjska doba (do 10 7 ur).
4.5 Excimer laserji

Excimer laserji, ki predstavljajo nov razred laserskih sistemov, odpirajo UV območje za kvantno elektroniko. Načelo delovanja excimer laserjev je priročno razložiti na primeru ksenonskega (nm) laserja. Osnovno stanje molekule Xe 2 je nestabilno. Nevzbujen plin je sestavljen predvsem iz atomov. Populacija zgornjega laserskega stanja, tj. ustvarjanje vzbujene stabilnosti molekule se pojavi pod delovanjem žarka hitrih elektronov v kompleksnem zaporedju trkovnih procesov. Med temi procesi imata pomembno vlogo ionizacija in vzbujanje ksenona z elektroni.
Ekscimerji halogenidov žlahtnih plinov (monohalidi žlahtnih plinov) so zelo zanimivi, predvsem zato, ker v nasprotju z dimerji žlahtnih plinov ustrezni laserji ne delujejo samo z elektronskim žarkom, temveč tudi z vzbujanjem s praznjenjem v plinu. Mehanizem nastanka zgornjih členov laserskih prehodov v teh eksimerjih je večinoma nejasen. Kvalitativni vidiki kažejo na večjo enostavnost njihovega nastajanja v primerjavi s primerom dimerjev žlahtnih plinov. Obstaja globoka analogija med vzbujenimi molekulami, sestavljenimi iz atomov alkalijskega materiala in halogena. Atom inertnega plina v vzbujenem elektronsko stanje izgleda kot atom alkalijska kovina in halogen. Atom inertnega plina v vzbujenem elektronskem stanju je podoben atomu alkalijske kovine, ki mu sledi v periodnem sistemu. Ta atom se zlahka ionizira, ker je vezavna energija vzbujenega elektrona nizka. Zaradi visoke afinitete halogenskega elektrona se ta zlahka odcepi in ob trčenju ustreznih atomov voljno skoči na novo orbito, ki združi atome, s čimer izvede tako imenovano harpunsko reakcijo.
Najpogostejši tipi excimer laserjev so: Ar 2 (126,5 nm), Kr 2 (145,4 nm), Xe 2 (172,5 nm), ArF (192 nm), KrCl (222,0 nm), KrF ( 249,0 nm), XeCl ( 308,0 nm), XeF (352,0 nm).
4.6 Barvni laserji

Posebnost barvni laserji je zmožnost delovanja v širokem razponu valovnih dolžin od blizu IR do skoraj UV, gladko uravnavanje valovne dolžine laserja v območju nekaj deset nanometrov širokega z monokromatičnostjo, ki doseže 1-1,5 MHz. Barvni laserji delujejo v neprekinjenem, impulznem in impulzno-periodičnem načinu. Energija sevalnih impulzov doseže stotine joulov, neprekinjena moč generiranja doseže desetine vatov, hitrost ponavljanja je stotine hertzov, izkoristek pa desetine odstotkov (z laserskim črpanjem). V impulznem načinu je trajanje generiranja določeno s trajanjem impulzov črpalke. V načinu zaklepanja načina so dosežena pikosekundna in podpikosekundna obdobja trajanja.
Lastnosti barvnih laserjev določajo lastnosti njihove delovne snovi, organskih barvil. Barvila običajno imenujemo kompleks organske spojine z razvejanim sistemom kompleksnih kemičnih vezi, ki ima intenzivne absorpcijske pasove v vidnem in bližnjem UV območju spektra. Obarvane organske spojine vsebujejo nasičene kromoforne skupine tip ŠT