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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Поглощение зависит от длины волны лазера и оптических свойств ткани (вода, гемоглобин, меланин и др.).
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.
Косметологическое удаление пигментных пятен, сосудистых поражений, эпиляция, татуировки. Используются лазеры с длинами волн, близкими к максимумам поглощения меланина и гемоглобина.
Ретинальная фотокоагуляция, коррекция рефракции (эксимерные лазеры), лазерная иридотомия и капсулотомия. Важна высокая прецизионность и ограниченное тепловое воздействие.
Литотрипсия (разрушение камней) с использованием гольмиевого лазера, обладающего высокой поглощаемостью в воде и способностью передавать энергию через гибкие волокна.
Использование лазеров для обработки твёрдых тканей зуба, дезинфекции корневых каналов, удаления налёта и отбеливания. Применяются эрбиевые и диодные лазеры.
Низкоинтенсивные лазеры стимулируют кровообращение, ускоряют заживление, снижают болевые ощущения. Применяются в терапии артритов, травм, воспалений.
Работа с лазерными установками требует строгого соблюдения мер безопасности:
Контроль параметров излучения осуществляется при помощи калориметров, фотодиодов, пирометров, спектрометров, а также через встроенные интерфейсы управления лазерной аппаратурой.
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).