4 курс / Дерматовенерология / Лазерная_терапия_в_косметологии_и_дерматологии_Гейниц

Тесла [Тл]. Биологические объекты практически прозрачны для магнитных полей.

Магнитная восприимчивость (χ) – величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе. Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной обладают диамагнетики: они намагничиваются против поля; положительной – парамагнетики и ферромагнетики: они намагничиваются по полю. Магнитная восприимчивость диамагнетиков и парамагнетиков мала (~ 10–4–10–6). Безразмерная величина.

Магнитная проницаемость (μ) – величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды при воздействии магнитного поля. Безразмерная величина. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость связаны соотношением μ = 1 + χ.

Основы физики лазеров

Создание лазеров – один из наиболее значимых результатов практической реализации теоретической квантовой механики, которой предшествовало возникновение квантовой теории света.

Дляобъясненияосновныхквантово-оптическихпроцессоввоспользуемся планетарной моделью Э. Резерфорда, которая представляет атомы как кван- тово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определенное, дискретное энергетическое положение. Переход из одного энергетического состояния в другое осуществляетсяскачком, приэтоммогутпроисходитьследующиепроцессы(рис. 32).

Рис. 32. Процессы взаимодействия света с веществом (пояснения в тексте)

Первый из них – поглощение света. Атом находится в основном, энергетически наиболее выгодном, а поэтому стабильном состоянии. В этом случае электронырасполагаютсянаближайшихкядруорбитах. Приналичиисвето-

вого потока один из электронов с энергией E1 может поглотить пролетающий фотон (hν) и перейти на более удаленную от ядра энергетическую орбиту E2 за счет дополнительно приобретенной энергии. Это произойдет только в том случае, если:

hν = E2 – E1.

Это и есть акт поглощения света веществом (рис. 32, а). Атом перейдет в электронно-возбужденное состояние с энергией E2. В квантовой электронике число атомов, обладающих данной энергией, называется населенностью уровня.

Атомнеможетпостояннонаходитьсяввозбужденномсостоянии, онстремится перейти в основное, отдавая в окружающую среду полученную ранее энергию в виде излучения фотона. Произойдет акт спонтанного испускания (рис. 32, б), а электрон перейдет на ближнюю к ядру орбиту E1.

При третьем типе взаимодействия (рис. 32, в) атом исходно находится в электронно-возбужденном состоянии после поглощения фотона. Попадая под действие световой волны, фотоны которой обладают энергией, равной разнице энергий данного атома в возбужденном и невозбужденном состоянии(hν= E – E1), атомможетперейтивосновноесостояние, испустивфотон, которыйпо2всемпараметрам(частота, импульс, направлениедвиженияидр.) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Этот процесс называется вынужденным испусканием, а поток фотонов при этом усиливается. Следовательно, произойдет усиление световой волны в результате вынужденного излучения. Так, собственно, и работает лазер.

Однако вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на нижнем уровне, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся в возбужденном состоянии. Для усиления света необходимо, чтобы в среде (веществе) было превышение населенности верхнего энергетического уровня (E2) над нижним (E1), говоря терминологией физиков, следует создать инверсную заселенность. Процесс ее создания называется накачкой, а среда, в которой создана инверсная заселенность, называется активной. На самом деле в рассматриваемой двухуровневой энергетической схеме невозможно реализовать вынужденное усиление света, для этого используются трехуровневые схемы, когда электрон попадает на нижний уровень только после того, как побывал на промежуточном метастабильном уровне (рис. 32, г).

В квантовом генераторе (лазере) инверсная заселенность создается с помощью различных источников (способов) накачки: оптический – мощная лампа-вспышка или другой лазер; газовый разряд; инжекция носителей тока в р-n-переходах полупроводников; электронное возбуждение – облучение в вакууме полупроводника пучком электронов; тепловой – нагревание газа с последующим резким охлаждением его; химический – энергия химических реакций и некоторые другие.

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

ситуация, когда все возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию, а на выходе резонатора образовался мощный поток индуцированного излучения.

Все лазеры, независимо от их типа, состоят из следующих основных элементов: рабочего вещества (1); источника накачки (2), создающего инверсную заселенность в рабочем веществе, и оптического резонатора (3), состоящего из зеркал (рис. 34).

Рис. 34. Принципиальная схема устройства лазера (пояснения в тексте)

Лазерные аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров, содержаттакже: устройстводлямодуляциимощностиизлучениянепрерывных лазеров или генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы; измеритель мощности излучения (фотометр); инструменты для подведения излучения к объекту (световоды) и др.

Наиболее перспективными именно в лазерной терапии являются полупроводниковые инжекционные (диодные) лазеры. Малые габариты, низкие питающие напряжения, широкий диапазон длин волн излучения и мощностей, возможность работы в импульсном режиме, возможность прямой модуляции излучения, относительнонизкаястоимость– всеэтопозволяетговоритьотом, что полупроводниковые лазеры вне конкуренции в этой области медицины. Поэтому подробнее остановимся на принципе работы именно этих лазеров.

В лазерной терапии используют инжекционные полупроводниковые лазеры, укоторыхнакачкаосуществляетсяпропусканиемпрямоготокачерезp-n- переход лазерного диода. Инжекционные лазеры отличаются исключительной миниатюрностью. Активный полупроводниковый элемент (кристалл) размером около 1 мм помещают на специальные контактные пластины или непосредственно на медный (для лучшего теплоотвода) корпус размером в несколько миллиметров. В корпусе непрерывных лазеров также обязательно естьфотодиодобратнойсвязидляобеспечениястабильностивыходноймощности излучения. Устройство лазера диода представлено на рис. 35.

Чтобы понять, как работает лазерный диод, необходимо в общих чертах изложить физику полупроводников. Энергия электрона в одиночном атоме принимает строго определенные дискретные значения. В кристалле полу-

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Рис. 35. Устройство полупроводникового инжекционного лазера (лазерного диода)

Рис. 36. Энергетическая схема полупроводника (пояснения в тексте)

проводника энергетические уровни образуют энергетические зоны (рис. 36). В чистом, не содержащем каких-либо примесей полупроводнике выделяют две зоны: так называемую валентную и расположенную над ней (по шкале энергий) зону проводимости. Электроны с энергией, соответствующей валентной зоне, принадлежат только атому кристалла, но, получив энергию, соответствующую зоне проводимости, становятся свободными и вызывают проводимость. Это может произойти при нагреве или за счет энергии фотонов (в этом случае возникает внутренний фотоэффект). Между валентной зоной и зоной проводимости имеется промежуток запрещенных значений энергии, который называют запрещенной зоной, поэтому электрон не может плавно увеличивать свою энергию, а только скачком, размер которого больше энергии запрещенной зоны. При температуре полупроводника, равной абсолютному нулю, валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости оставаться пустой. В реальных условиях температура всегда выше абсолютного нуля, что приводит к тепловому возбуждению электронов, при этом часть их перескакивает из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов, а валентной зоне до ее полного заполнения не будет хватать соответствующего числа электронов. Эту вакансию в валентной зоне представляют положительно заряженной частице и называют «дыркой». Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх рассматривается как процесс генерации электронно-дырочной пары, при этом электроны сосредоточиваются у нижнегокраязоныпроводимости, адырки– уверхнегокраявалентнойзоны. Переходы через запрещенную зону возможны не только снизу вверх, но и сверху вниз. Такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки.

Приоблученииполупроводникасветом, энергияфотоновкоторогонесколько превышает ширину запрещенной зоны, в кристалле полупроводника могут совершаться три типа взаимодействия излучения с веществом: поглощение, спонтанноеиспусканиеивынужденноеиспусканиесвета. Первыйтипвзаимодействия возможен при поглощении фотона электроном, находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. При этом электрон совершит квантовый переход в зону проводимости. Спонтанное испускание света возможно при самопроизвольном возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону. Внешнееизлучениеможетинициироватьпереходввалентнуюзонуэлектрона, находящегося вблизи нижнего края зоны проводимости. Результатом этого – третьего – типа взаимодействия света с веществом полупроводника будет рождение вторичного фотона, идентичного по своим параметрам и направлению движения фотону, инициировавшему переход.

Для генерации лазерного излучения необходимо создать в полупроводнике инверсную заселенность «рабочих уровней» – достаточно высокую концентрацию электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокую концентрацию дырок у края валентной зоны. С этой целью можно

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Рис. 37. Принцип работы полупроводникового инжекционного лазера

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Класс 3А. Лазерные изделия, безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, исключая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше, чем для класса 1.

Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса 3А с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным.

Класс 3В. Непосредственное наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.

Примечание. Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для лазерных изделий класса 3В в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения между глазом и экраном – 13 см, максимальное время наблюдения – 10 с.

Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.

Терапевтическиелазерыотносятсячащевсегокклассу2, 3А, режек3В. Хирургические медицинские лазерные установки – всегда 4-го класса опасности.

7. Для осуществления лечебного процесса часто важной является такая характеристика лазера, как угловая расходимость луча.

Измеряетсявградусах, угловыхминутах(1/60 градуса), угловыхсекундах (1/60 минуты) или радианах (1° = /180 0,0175 рад). Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры – около 30 угловых секунд ( 0,15 мрад). Расходимость луча твердотельных лазеров – около 30 угловых минут ( 10 мрад). У полупроводниковых лазеров: в плоскости, параллельной p-n-переходу, – от 10 до 20 градусов (в зависимости от типа лазера); в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, – около 40 градусов (рис. 38). Современные коллиматоры (устройства для формирования параллельных лучей) позволяют снизить расходимость до 1 мрад.

Рис. 38. Схематичное представление дальнего поля излучения диодного Ga1–xAlxAs-лазера: ориентация излучения относительно кристалла (а); диаграмма расходимости параллельно (б) и перпендикулярно (в) p-n-переходу

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/