Применение лазеров в медицине

Лазерная технология

   Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются  в  промышленности  для  различных  видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.                                    

   Лазерные  технологические  процессы   можно  условно разделить на два вида. Первый  из них  использует возможность  чрезвычайно  тонкой   фокусировки  лазерного луча и точного дозирования  энергии как  в импульсном, так и  в непрерывном  режиме. В  таких технологических процессах  применяют  лазеры   сравнительно  невысокой средней  мощности: это  газовые  лазеры  импульсно--периодического действия, лазеры на  кристаллах иттрий-алюминиевого  граната  с  примесью неодима.  С помощью последних были  разработаны технология  сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100  мкм) в  рубиновых и  алмазных камнях  для часовой промышленности  и  технология   изготовления  фильеров для протяжки тонкой  проволоки. Основная  область применения  маломощных   импульсных  лазеров   связана  с резкой  и  сваркой  миниатюрных деталей  в микроэлектронике  и  электровакуумной  промышленности,  с маркировкой  миниатюрных  деталей,  автоматическим  выжиганием  цифр, букв, изображений для  нужд полиграфической промышленности.                                  

   В  последние  годы  в  одной  из  важнейших областей микроэлектроники -        фотолитографии,  без  применения которой  практически  невозможно  изготовление  сверхминиатюрных  печатных плат,  интегральных схем  и других   элементов   микроэлектронной   техники, обычные источники  света  заменяются  на  лазерные.  С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается  получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.     

   Дальнейший   прогресс   в   субмикронной  литографии связан  с применением  в   качестве  экспонирующего источника  света  мягкого рентгеновского  излучения из плазмы,  создаваемой  лазерным  лучом.  В  этом случае предел  разрешения,  определяемый  длиной  волны рентгеновского  излучения  (1= 0,01 - О,001  мкм), оказывается просто фантастическим.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше.  Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка  и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

   Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14  мКм достигает 100м\ч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.                        

Рубиновый лазер

Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на примере конструкции лазера, построенного с использованием искусственно выращенного кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером.

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис. 1).

Рис 1. Схема рубинового лазера.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома Cr3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого — отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10—25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.

Газовые лазеры                   

   Газовые лазеры  представляют собой,  пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры.  Газовым лазерам  также, по-видимому, посвящена большая часть  выполненных исследований. Среди  различных  типов  газовых  лазеров  всегда можно  найти  такой,  который  будет  удовлетворять  почти любому   требованию,  предъявляемому   к  лазеру, за  исключением очень большой  мощности  в   видимой  области спектра  в  импульсном   режиме.  Большие   мощности  необходимы   для  многих   экспериментов  при   изучении  нелинейных   оптических   свойств  материалов. В  настоящее время  большие  мощности  в  газовых  лазерах  не  получены по той  простой причине,  что плотность  атомов в  них недостаточно  велика.  Однако  почти  для  всех  других целей можно  найти  конкретный  тип  газового   лазера,  который будет  превосходить  как  твердотельные  лазеры  с  оптической  накачкой,  так   и  полупроводниковые   лазеры. Много усилий  было  направлено  на  то,  чтобы  эти  лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут  определенный успех,  однако он  всегда оказывался  на  грани  возможностей, в  то время  как газовые лазеры  не   обнаруживают  никаких   признаков уменьшения популярности.                                        

   Особенности   газовых   лазеров   большей   часто  обусловлены  тем,  что  они,  как  правило,  являются  источниками атомных   или   молекулярных   спектров.    Поэтому   длины волн   переходов    точно   известны    они   определяются атомной  структурой  и  обычно   не  зависят   от условий окружающей  среды.  Стабильность  длины   волны  генерации  при  определенных  усилиях может  быть значительно улучшена  по  сравнению  со   стабильностью  спонтанного    излучения.  В  настоящее  время  имеются лазеры  с монохроматичностыо,  лучшей,  чем  в  любом  другом приборе. При   соответствующем   выборе  активной   среды  может быть осуществлена  генерация в  любой части  спектра, от ультрафиолетовой  (~2ООО  А)  до  далекой  инфракрасной области  (~ 0,4 мм),  частично  захватывая  микроволновую  область.  Нет также  оснований сомневаться,  что в  будущем  удастся  создать  лазеры для  вакуумной ультрафиолетовой  области  спектра.  Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую  однородность среды  с низким  коэффициентом  преломления,  что  позволяет  применять   простую   математическую  теорию   для  описания        структуры мод резонатора и дает уверенность в  том, что  свойства  выходного  сигнала  близки  к  теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в  газовом лазере  не может быть  таким  большим,  как в  полупроводниковом лазере, однако  благодаря  простоте  управления  разрядом газовый лазер оказывается  для большинства  целей наиболее  удобным  в  работе как  один из  лабораторных приборов.        Что  касается  большой   мощности  в   непрерывном  ре жиме  (в  противоположность  импульсной  мощности),  то  природа  газовых  лазеров позволяет  им в  этом отношении превзойти все другие типы лазеров.                        

Области применения лазеров

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

Применение лазеров в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две тонкие проволочки.

Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра.

Другой важной областью применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах. Луч лазера представляет собой электромагнитную волну со строго определённой длинной.

Использование лазеров в информационных технологиях.

Поскольку лазерное излучение является электромагнитной волной, логично было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит от атмосферных помех: тумана, наличия пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков.

Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон.

С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

Применение лазеров в медицине.

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.

Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.