Лазер. Основные элементы устройства лазера и их назначение. Свойства лазерного излучения с пояснениями. Возможности применения лазеров в медицине.

Лазер – это источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов, принцип действия которого основан на вынужденном излучении атомов и молекул

Лазер состоит из трех основных частей

 1. Рабочая среда (активная среда) – некоторая среда, которая внешним воздействием переводится в активное состояние. В зависимости от агрегатного состояния рабочего тела лазеры делятся на: газовые (специально подобранные смеси), твердотельные (примесный кристалл или аморфное стекло), жидкостные и полупроводниковые (примесные полупроводники с p-n-переходом).

2. Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Состояние с инверсной населенностью можно создать, используя разные методы накачки (непрерывно или импульсно): освещая среду мощным источником света, производя в ней электрический разряд, бомбардируя потоком электронов и т.п.

3. Оптический резонатор – устройство, формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой узкий цилиндр, торцы которого закрыты обращенными друг к другу зеркалами (одно из зеркал полупрозрачно), между которыми помещается рабочее тело.

После того, как в рабочем теле создана инверсная населенность, начинается процесс спонтанного возвращения частиц в основное состояние. При этом частицы испускают фотоны. Те из них, которые испущены под углом к оси резонатора, поглощаются боковыми поверхностями цилиндра. Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, вызывая «лавинообразное» нарастание вынужденно излученных (индуцированных) фотонов, имеющих такое же направление движения. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая направленный пучок. Таким образом, резонатор формирует пучок почти параллельных когерентных лучей.

Свойства

◄ Высококогерентность.

Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного индуцированного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной.

◄ Монохроматичность.

Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, то есть содержит волны практически одинаковой частоты.

◄ Высокая мощность.

С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохромати-ческого излучения – до 105 Вт в непрерывном режиме.

◄ Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать

L = 1014 – 1016 Вт/см2

◄ Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения очень велика.

◄ Давление. Лазерный луч при падении на поверхность оказывает давление.

◄ Коллимированность. Малый угол расходимости в пучке.

Излучение является коллимированным, то есть все лучи в пучке почти параллельны друг другу.

◄ Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

Применение

В хирургии используются высокоинтенсивные лазеры. Лазерный луч используется в качестве универсального светового скальпеля. При воздействии на биоткань лазерного излучения большой интенсивности происходит ее нагрев, коагуляция, испарение или же абляция. Эти явления используются в лазерной хирургии для рассечения тканей, удаления ее патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ: бесконтактность, дающую абсолютную стерильность; селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани; бескровность (за счет коагуляции белков); микрохирургию тканей и клеток, позволяющую, благодаря высокой степени фокусировки луча; незначительное механическое травмирование прилегающих областей; точно определенная глубина проникновения в ткань.

В диагностике применяются следующие методы, основанные воздействии на организм лазерным излучением:

1) Голография. С помощью лазерного излучения получают трехмерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т. д.

2) Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект рассеивание света изменяет пространственное распределение интенсивности. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации. При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

 3) Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, который возникает при отражении даже от медленно движущихся частиц (метод анемометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т. д.

4) Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию клеток крови. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток. В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1 – 10 Вт/см2). Низкоинтенсивные лазеры не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия.

1) Терапия с помощью красного света. Излучение He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

2) Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

3) Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется при удалении опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их последующем облучении видимым светом. При освещении фотосенсибилизаторы продуцируют активные формы кислорода (наиболее эффективно синглетный кислород), способные повреждать биосубстрат вблизи места локализации фотосенсибилизатора без нарушения нормальной ткани.

58. Понятие радиационного фона. Механизм ионизации. Виды и свойства ионизирующих излучений (5 основных видов).

Радиационный фон – уровень квантовых потоков и элементарных частиц в окружающей среде; излучение радиоактивного происхождения, которое присутствует на Земле от техногенных и естественных источников.

Механизм ионизации

1. Протонирование - к молекуле присоединяется протон, сообщая ей заряд 1+ на каждый присоед. Протон

2. Депротонирование - отрицательный заряд 1- получается приотрыве протона от молекулы

3. Катионизация - заряженный комплекс образуется при координационном присоединении положит. заряда иона к нейтральной молекуле

4. Прямой перенос заряженной молекулы в газовую фазу - перенос соед., уже заряженных в р-ре, достигается при использовании десорбции или выбрасывании заряженных частиц из конденсированной фазы в газовую

5. Отрыв электрона - придаёт молекуле 1 + заряд при выбивании электрона, при этом часто образуются катион - радикалы. Обычно приеняется для неполярных соед. с низкой молек. массой

6. Захват электрона - отр. заряд 1- сообщается молекуле при присоед. электрона. Наблюдается для молекул с большим сродством к электрону

Ионизирующее излучение – излучение, которое, проходя через вещество, вызывает ионизацию его атомов и молекул.

Источниками ионизирующего излучения могут быть природные и искусственные радиоактивные вещества, различного рода ядерно-технические установки, медицинские препараты, многочисленные контрольно-измерительные устройства, рентгеновские аппараты, космическиелучи и т.д.

К ионизирующему излучению относят:

электромагнитные волны:

рентгеновское

гамма- излучение

- Возникает в результате распада ядра

- Более коротковолновое, чем рентгеновское (< 0,1 нм)

- Для защиты - толстый слой бетона или металла

- Механизм - излучение или удар

частицы:

 α-излучение,

- Дважды ионизированный атом Не (протон, ядро)

- Попадает в организм через порезы, пищу, воздух

- Защита - кожа, лист бумаги

β-излучение,

-  Поток электронов и позитронов (равны по массе, различны по заряду)

- ~ 300000 км/с

- Менее опасное из всех, для защиты - лист металла

Нейтронное излучение

- Самое опасное

- Более высокая скорость, чем у α-излучения

- Энергия огромна

- Защита - вещества, богатые водородом

Свойства ионизирующего излучения:

1) вызывает ионизацию атомов и молекул вещества;

2) невидимо;

3) обладает химическим действием (засвечивает фотоплёнки);

4) вызывает люминесценцию вещества;

5) обладает проникающей способностью.

Характер взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит как от свойств излучения (вида излучения, заряда частицы, массы,скорости, энергии), так и от свойств вещества (энергии ионизации, плотности и т.п.).

59.Природа α, β и γ-лучей; активность радиоактивного препарата и ее единицы измерения.