6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Основы_лазерной_терапии_Москвин_С_В_

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Рис. 1.32. Изменение коэффициента поляризации в зависимости от длины световода (3 образца)

большей длине волокна и анализ наличия дефектов показали, что от качества световода падение Kп зависит значительно больше, чем от его длины.

Полученные нами данные совпадают с предварительной оценкой М.И. Джибладзе с соавт. (1974). Ими же с помощью интерференционного методаЮнгабылиполученызависимостиизменениямодулякомплекснойстепени когерентности лазерного излучения, прошедшего по волокну, от длины световода при различных его диаметрах(рис. 1.33). Путём фотометрирования интерферограммбылиизмереныинтенсивностисветавсоседнихмаксимумах

Рис. 1.33. Изменение модуля комплексной степени когерентности лазерного излучения, прошедшего по волокну, от длины световода при его диаметрах 0,97 мм (•), 0,48 мм (o), 0,23 мм (х) (Джибладзе М.И. и др., 1974)

51

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

(Imax) и минимумах (Imin) интерференционных картин, а также интенсивности I1 и I2 каждого из двух интерферирующих пучков в отдельности. Модуль комплексной степени когерентности (|γ|) связан с этими параметрами формулой:

где V = (Imax – Imin)/(Imax + Imin) – видность интерференционных полос. ЗаконпоглощенияБугера– соотношение, определяющееослаблениеинтен-

сивностипараллельногомонохроматическоголучасветаприраспространении его в поглощающем веществе:

I = I0 · e–αl,

где I0 и I – начальная и конечная интенсивность света; е – основание натуральных логарифмов; α – показатель (коэффициент) поглощения; l – толщина слоя вещества. Физический смысл α – расстояние, на котором интенсивность излучения ослабевает в е (2,71) раз. Коэффициент поглощения зависит от поглощающего вещества и длины волны падающего излучения (λ), поэтому более правильно обозначать его как αλ.

Электрон-вольт (эВ) – внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, 1 эВ (1,62 · 10–19 Дж) равен энергии, которую приобретает частица, обладающая зарядом, равным заряду электрона, при прохождении в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. Обычно к этой единице измерения прибегают при описании процессов ионизации (отрыва электрона от атома).

Эйнштейн (Э) – единица энергии потока электромагнитного излучения, применяемая иногда в фотохимии. Один моль вещества содержит 6,02 · 1023 частиц – число Авогадро (NA), а 1 Э – энергия квантов монохроматического излучения, число которых равно NA. Размер зависит от длины волны излучения.

Синглетное состояние – электронно-возбуждённое состояние атома или молекулы с антипараллельным расположением спинов электронов. Длительность нахождения в этом состоянии равна 10–9–10–8 с.

Триплетное состояние – электронно-возбуждённое состояние атома или молекулы с параллельным расположением спинов электронов. Длительность нахождения в этом состоянии от 10–4 до нескольких секунд. Описание этих состояний используется в так называемой «синглетно-кислородной» модели биологического действия НИЛИ, не нашедшей своего подтверждения.

Экситон – электрически нейтральная квазичастица (квант возбуждения, распространяющийся в системе), которая может быть представлена в виде связанного состояния электрона и дырки.

Квазичастицы– отдельные(квантованные) элементарныевозбуждения, на которыеможноразложитьслабовозбуждённоесостояниесистемы, состоящей из многих частиц. Концепция квазичастиц используется исключительно для удобства описания процессов в различных средах.

52

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Солитон– нелинейнаяуединённаяволнаввидеимпульса, способногораспространятьсябезизмененияформыибезпотерь(илиприобретения) энергии, былаоткрытаДж. РасселомвсерединеXIX векаиприобрелановуюжизньпод именемсолитонавсередине1960-хгг., когдавыяснилось, чтотакиеволны(по крайней мере, некоторые из них) способны сохранять свою структуру после нелинейного взаимодействия с себе подобными, т. е. в определённом смысле вести себя, как частицы [Лонгрен К., Скотт Э., 1981]. К лазерной терапии никакого отношения не имеет, термин используется только разного рода шарлатанами с целью «наукообразия» своей деятельности [Москвин С.В., 2014].

Фракталы (фрактальные структуры) – сомоподобные структуры, ис-

следуемые теорией динамических систем и организующиеся таким образом, что результат их упорядочивания влияет на начальные условия развития нелинейным образом – «осознанный хаос» [Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х., 1993]. Понятие часто используется в современной теории развития и организации биологических систем и некоторыми исследователями, которые изучают механизмы биологического действия НИЛИ.

Жидкие кристаллы – устойчивое состояниенекоторых веществ, в которых обнаруживаютсяструктурныесвойства, промежуточныемеждутвёрдымкристаллом и жидкостью. Образуются в органических веществах с продолговатой формой молекул в определённом интервале температур. В биообъекте жидкокристаллическими структурами являются клеточные мембраны, молекулы фосфолипидов, холестерина, биологические жидкости, в т. ч. внутриклеточная. Данное понятие используется в одной из моделей первичного взаимодействия НИЛИ с различными биологическими структурами.

Эффект Фредерикса – изменение направления оптической оси в жидкокристаллических системах под действием внешнего электромагнитного поля. К лазерной терапии отношения не имеет.

Магнитноеполе– этооднаизформэлектромагнитногополя, особаяформа взаимодействиямеждудвижущимисязаряженнымичастицамивпроводниках или нескомпенсированными молекулярными токами в постоянных магнитах. Графически изображают силовыми линиями, которые образуют в пространстве замкнутые линии. Биологические объекты практически прозрачны для магнитных полей [Соловьёва Г.Р., 1991]. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Единица измерения в СИ [ГОСТ 8.417-2002] – тесла [Тл]. В физиотерапии используются как самостоятельно, причём переменные и постоянные магнитные поля, так и в сочетанной методике магнитолазерной терапии, но в данном случае только постоянное магнитное поле.

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

53

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

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. μ = 1 + χ.

Основы физики лазеров

Создание лазеров – один из наиболее значимых результатов практической реализациитеоретическойквантовоймеханики, которойпредшествоваловозникновение квантовой теории света.

Для объяснения основных квантово-оптических процессов воспользуемся планетарной моделью Э. Резерфорда, которая представляет атомы как кван- тово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определённое, дискретное энергетическое положение. Другимисловами, электронынемогутиметьлюбое, произвольное значение энергии, а только из того набора разрешённых состояний, который определяется конкретной системой, что следует из уравнений Шрёдингера и Дирака, а также подтверждено прямыми экспериментами. При этом все электроныимеютразличныезначенияквантовыхчисел: n, l, m, s (правило запрета Паули), т. е. нет двух абсолютно одинаковых электронов в одном атоме.

Переход из одного энергетического состояния в другое осуществляется скачком, приэтоммогутпроисходитьследующиепроцессы(рис. 1.34). Первый из них – поглощение света. Атом находится в основном, энергетически наиболее выгодном, а поэтому стабильном состоянии. В этом случае электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах. При наличии светового потока один из электронов с энергией E1 может поглотить пролетающий фотон (hν) и перейти на более удалённую от ядра энергетическую орбиту E2 за счёт дополнительно приобретённой энергии. Это произойдёт только в том случае, если:

Рис. 1.34. Процессы взаимодействия света с веществом

54

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

hν = E2 – E1.

Это и есть акт поглощения света веществом (рис. 1.34, а). Атом перейдёт в электронно-возбуждённое состояние с энергией E2. В квантовой электронике число атомов, обладающих данной энергией, называется населённостью уровня.

Атом не может постоянно находиться в возбуждённом состоянии, он стремится перейти в основное, отдавая в окружающую среду полученную ранее энергию в виде излучения фотона. Произойдёт акт спонтанного испускания (рис. 1.34, б), а электрон перейдёт на ближнюю к ядру орбиту E1.

При третьем типе взаимодействия (рис. 1.34, в) атом исходно находится в электронно-возбуждённомсостоянии после поглощения фотона. Попадая под действиесветовойволны, фотоныкоторойобладаютэнергией, равнойразнице энергий данного атома в возбуждённом и невозбуждённом состоянии (hν = E2 – E1), атом может перейти в основное состояние, испустив фотон, который по всем параметрам (частота, импульс, направление движения и др.) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Данный процесс называется вынужденным испусканием, а поток фотонов при этом усиливается. Следовательно, произойдёт 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 возбуждённом состоянии. Для усиления света необходимо, чтобы в среде (веществе) было превышение населённости верхнего энергетического уровня (E2) над нижним (E1), говоря терминологией физиков, следует создать инверсную заселённость. Процесс её создания называется накачкой, а среда, в которой создана инверсная заселённость, называется активной. На самом деле в рассматриваемой двухуровневой энергетической схеме невозможно реализовать вынужденное усиление света, для этогоиспользуютсятрёхуровневыесхемы, когдаэлектронпопадаетнанижний уровеньтолькопослетого, какпобывалнапромежуточном– метастабильном

(рис. 1.34, г).

Вквантовомгенераторе(лазере) инверснаязаселённостьсоздаётсяспомощью различных источников (способов) накачки: оптический – мощная лам- па-вспышка или другой лазер; газовый разряд; инжекция носителей тока в р-n-переходахполупроводников(диодныелазеры); электронноевозбуждение– бомбардировка в вакууме полупроводника пучком электронов; тепловой – нагрев газа с его последующим резким охлаждением; химический – энергия химических реакций и некоторые другие.

Для того чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести положительную обратную связь, т. е. часть излученной энергии направить обратно в оптическую среду для осуществления вынужденного излучения (генерации). Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в простейшем ва-

55

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

2

1

3

Рис. 1.36. Принципиальная схема устройства лазера

Лазерные аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров, содержат также: устройство для модуляции мощности излучения непрерывных лазеров или генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы (экспозицию); измеритель или индикатор 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 питающиенапряжения, широкийдиапазондлинволнизлученияимощностей, возможность работы в импульсном режиме, возможность прямой модуляции излучения, относительно низкая стоимость – всё это позволяет говорить о том, чтодиодныелазерывнеконкуренциивэтойобластимедицины. Поэтому подробнее остановимся на основных принципах их работы.

Чтобы понять, как функционирует лазерный диод, необходимо в общих чертах изложить физику полупроводников. Энергия электронов в одиночном атоме принимает строго определённые дискретные значения. В кристалле полупроводника энергетические уровни образуют энергетические зоны (рис. 1.37). В чистом, не содержащем каких-либо примесей полупроводнике выделяютдвезоны: такназываемуювалентнуюирасположеннуюнадней(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 счёт энергии фотонов (в этом случае возникает внутренний фотоэффект). Между валентной зоной и зоной проводимости имеется промежуток запрещённых значений энергии, который называют запрещённой зоной, поэтому электрон не может плавно увеличивать свою энергию, а только скачком, размер которого больше энергии запрещённой зоны [Шуппе Г.Н., 1982]. При температуре полупроводника, равной абсолютному нулю, валентная зона должна быть полностью заполненаэлектронами, азонапроводимости– оставатьсяпустой. Вреальных условиях температура всегда выше абсолютного нуля, что приводит к тепловомувозбуждениюэлектронов, приэтомчастьихперескакиваетизвалентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса в зоне проводимости

57

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.37. Энергетическая схема полупроводника

появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов, а валентной зоне до её полного заполнения не будет хватать соответствующего числа электронов. Эту вакансию в валентной зоне представляют положительно заряженной частице и называют «дыркой». Квантовый переход электрона через запрещённую зону «снизу» «вверх» рассматривается как процесс генерации электронно-дырочной пары, при этом электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны проводимости, а дырки – у верхнего края валентной зоны. Переходы через запрещённую зону возможны не только «снизу» «вверх», но и с верхнего энергетического уровня на нижний. Такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки [Грибковский В.П., 1988].

При освечивании полупроводника лазерным светом, энергия фотонов которого несколько превышает ширину запрещённой зоны, в кристалле полупроводника могут совершаться три типа взаимодействия излучения с веществом: поглощение, спонтанное испускание и вынужденное испускание света. Первый тип взаимодействия возможен при поглощении фотона электроном, находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. При этом электрон со-

58

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

вершит квантовый переход в зону проводимости. Спонтанное испускание света возможно при самопроизвольном возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону. Внешний свет может инициировать переход в валентнуюзонуэлектрона, находящегосявблизинижнегокраязоныпроводимости. Результатомэтого – третьего– типавзаимодействиясветасвеществом полупроводника будет рождение вторичного фотона, идентичного по своим параметрам и направлению движения фотону, инициировавшему переход.

Длягенерациилазерногоизлучениянеобходимосоздатьвполупроводнике инверсную заселённость «рабочих уровней» – достаточно высокую концентрацию электронов у нижнего края зоны проводимости, и соответственно, высокую концентрацию дырок у края валентной зоны. С этой целью можно использовать оптическую накачку, однако в полупроводниковых лазерах из чистого материала чаще применяется накачка электронным пучком.

Как уже отмечалось, в лазерной терапии используют инжекционные полупроводниковые (диодные) лазеры, у которых накачка осуществляется пропусканием прямого тока через p–n-переход лазерного диода, т. е. прямой инжекцией носителей.

Свойства полупроводников с примесями существенно отличаются от свойств чистых, беспримесных полупроводников. Это обусловлено следующим. Атомыоднихпримесейлегкоотдаютвзонупроводимостипоодномуиз своих электронов, такие примеси называют донорными, а полупроводники с такимипримесями– n-полупроводниками. Атомыдругихпримесей, напротив, захватываютпоодномуэлектронуизвалентнойзоны, такиепримесиявляются акцепторными, исоответствуютимp-полупроводники. Есливчастькристалла чистого полупроводника введены акцепторы, а в другую – доноры, то получится диод (устройство, проводящее электрический ток в одном направлении приложенияэлектрическогополяинепроводящеееговдругомнаправлении). Границу между p- и n-областями называют p–n-переходом.

Энергетический уровень (уровень Ферми, или «центр тяжести» энергетического распределения электронов) примесных атомов располагается внутри запрещённой зоны: у n-полупроводников – недалеко от нижнего края зоны проводимости, у p-полупроводников – вблизи верхнего края валентной зоны. Если приложить внешнее электрическое поле так, чтобы со стороны р-полу- проводника был «+», а со стороны n-полупроводника «–» (так называемое прямое смещение), то под действием электрического поля электроны из n-по- лупроводника, адыркиизp-полупроводникабудутперемещаться(инжектиро- ваться) в область p–n-перехода. При рекомбинации электронов и дырок будут генерироваться фотоны, а при наличии оптического резонатора возможна генерация лазерного излучения (рис. 1.37 и 1.38, б, в, г).

Зеркалами оптического резонатора таких лазеров являются сами грани кристалла, специально ориентированные перпендикулярно плоскости p–n- перехода. Эти грани идеально параллельны, так как получаются скалыванием кристалла вдоль кристаллической решетки в заданном направлении,

59

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.38. Принцип работы лазерного диода

60