Физические принципы работы лазеров

Лазеры (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) основаны на явлении индуцированного (вынужденного) излучения, предсказанном Эйнштейном в 1917 году. Основной принцип действия лазера — усиление когерентного излучения за счёт стимулированного перехода электронов из возбуждённого состояния в основное.

В отличие от обычных источников света, лазеры излучают монохроматический, когерентный и направленный пучок, что делает их незаменимыми в ряде медицинских приложений.

Инверсная заселённость

Для возникновения лазерного излучения необходимо создать инверсную заселённость энергетических уровней — ситуацию, когда число частиц в возбуждённом состоянии больше, чем в основном. Это достигается при помощи накачки (оптической, электрической, химической и др.).

Инверсная заселённость возможна только в трёх- или четырёхуровневых квантовых системах, поскольку в двухуровневой системе равновесное распределение невозможно сместить в нужную сторону.

Индуцированное излучение

Суть лазерного излучения заключается в индуцированных переходах. При пролёте фотона с энергией, равной разности между двумя энергетическими уровнями атома или иона, электрон может перейти с верхнего уровня на нижний, излучив дополнительный фотон с той же фазой, направлением, поляризацией и энергией, как и первый. Именно эта когерентность определяет уникальные свойства лазерного пучка.

Роль резонатора

Для усиления излучения применяется оптический резонатор, как правило, состоящий из двух зеркал, одно из которых частично прозрачно. Свет многократно отражается между зеркалами, многократно стимулируя излучение, усиливая пучок до нужной интенсивности. Излучение, выходящее через полупрозрачное зеркало, и представляет собой лазерный луч.

Классификация лазеров по активной среде

Газовые лазеры

Применяют смеси инертных и активных газов (например, гелий-неон, CO₂). Характеризуются высокой стабильностью, долговечностью и качественным излучением. Часто используются в хирургии (лазеры на CO₂), поскольку их длина волны (~10.6 мкм) хорошо поглощается водой, что позволяет эффективно резать мягкие ткани с минимальным термическим повреждением.

Твердотельные лазеры

В качестве активной среды используют кристаллы, легированные редкоземельными ионами (например, Nd:YAG — иттрий-алюминиевый гранат с неодимом). Эти лазеры генерируют излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (~1064 нм) и активно применяются в офтальмологии, дерматологии и стоматологии.

Полупроводниковые лазеры

Основаны на переходах в p-n структурах. Компактны, экономичны, легко модулируются и широко применяются в медицинских устройствах, особенно для физиотерапии и диагностики. Диапазон длин волн можно варьировать в широких пределах в зависимости от состава полупроводника.

Жидкостные лазеры (лазеры на красителях)

Используют органические молекулы, растворённые в жидкой среде. Позволяют получать широкий диапазон длин волн. Обладают высокой гибкостью, но сложны в эксплуатации, поэтому используются реже в клинической практике.

Энергетические и временные характеристики

Непрерывные и импульсные режимы

Лазеры могут работать в непрерывном или импульсном режиме. В непрерывном режиме мощность стабильна во времени, в импульсном — создаются высокоэнергетические импульсы с короткой длительностью (от наносекунд до фемтосекунд). Последние особенно важны для микрохирургии и обработки тканей с минимальным термическим повреждением.

Мощность и энергия

  • Мощность (Вт) — характеристика непрерывного лазера.
  • Энергия импульса (Дж) — характеристика импульсного лазера.
  • Плотность энергии (Дж/см²) и плотность мощности (Вт/см²) — важнейшие параметры, определяющие взаимодействие лазера с биотканью.

Взаимодействие лазерного излучения с биотканями

Основные механизмы взаимодействия

  1. Поглощение — превращение энергии фотонов в тепловую, механическую или химическую.
  2. Рассеяние — изменение направления распространения излучения.
  3. Пропускание — прохождение через ткани без значительного взаимодействия.
  4. Отражение — отражение части излучения с поверхности.

Поглощение зависит от длины волны лазера и оптических свойств ткани (вода, гемоглобин, меланин и др.).

Биофизические эффекты

  • Термический — коагуляция, вапоризация, абляция. Используется при резке тканей, удалении опухолей.
  • Механический — за счёт фотонапора или ударной волны (например, при литотрипсии).
  • Фотохимический — запуск химических реакций (включая фотодинамическую терапию).
  • Фотобиомодуляция — низкоинтенсивное лазерное воздействие, стимулирующее регенеративные процессы.

Оптические параметры, влияющие на эффективность

  • Длина волны определяет глубину проникновения и выбор хромофора.
  • Мощность и энергия — ключевые параметры воздействия.
  • Длительность импульса — важна для согласования с временем тепловой релаксации ткани.
  • Площадь пятна — влияет на плотность энергии и характер термического эффекта.

Примеры медицинских применений

Хирургия

CO₂-лазеры применяются для резки и испарения мягких тканей. Nd:YAG-лазеры — для глубокой коагуляции. Импульсные лазеры используются в офтальмохирургии (LASIK, YAG-капсулотомия) и дерматологии.

Дерматология

Косметологическое удаление пигментных пятен, сосудистых поражений, эпиляция, татуировки. Используются лазеры с длинами волн, близкими к максимумам поглощения меланина и гемоглобина.

Офтальмология

Ретинальная фотокоагуляция, коррекция рефракции (эксимерные лазеры), лазерная иридотомия и капсулотомия. Важна высокая прецизионность и ограниченное тепловое воздействие.

Урология

Литотрипсия (разрушение камней) с использованием гольмиевого лазера, обладающего высокой поглощаемостью в воде и способностью передавать энергию через гибкие волокна.

Стоматология

Использование лазеров для обработки твёрдых тканей зуба, дезинфекции корневых каналов, удаления налёта и отбеливания. Применяются эрбиевые и диодные лазеры.

Физиотерапия

Низкоинтенсивные лазеры стимулируют кровообращение, ускоряют заживление, снижают болевые ощущения. Применяются в терапии артритов, травм, воспалений.

Безопасность и контроль параметров

Работа с лазерными установками требует строгого соблюдения мер безопасности:

  • Использование защитных очков, соответствующих длине волны.
  • Чёткое ограничение зоны воздействия.
  • Применение систем вентиляции для удаления продуктов лазерной абляции.
  • Мониторинг энергетических параметров для исключения перегрева тканей.

Контроль параметров излучения осуществляется при помощи калориметров, фотодиодов, пирометров, спектрометров, а также через встроенные интерфейсы управления лазерной аппаратурой.

Будущие направления развития

Современные тенденции включают в себя миниатюризацию источников, интеграцию лазеров с навигационными и визуализирующими системами, создание смарт-лазеров с обратной связью, адаптирующихся к свойствам ткани в реальном времени, а также использование ультракоротких импульсов и лазеров на новых принципах (например, квантовых каскадных или биофотонных).