Новейшие достижения квантовой электроники привнесли в ряд технологических процессов новый мощный вид излучения- лазерное излучение, вызываемое оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) -лазерами (название это составлено из начальных букв английского полного наименования: Light amplification by stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света путем стимулированного излучения»). Приборы эти трансформируют один из видов энергии - электрическую, световую, тепловую, химическую - в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное) высокой частоты.

Источники лазерного излучения нашли применение при обработке высокопрочных жаростойких материалов, сплавов, для сверления, резки, сварки при сверхвысоком давлении, для калибровки в радиотехнической промышленности, для изготовления матриц с микроотверстиями в текстильной промышленности, в системе связи, в приборостроении, при исследованиях в биологии, медицине и других областях науки.

Основной частью лазера, его излучателем является активная среда - твердая (кристаллы и стекла с добавками ионов хрома, неодима, эрбия и др.), жидкая, газообразная или плазменная, в которой генерируется и накапливается электромагнитная энергия. Помещается эта среда в систему из двух параллельных зеркал - резонатор.

Существуют квантовые генераторы: газовые или ионовые (для возбуждения применяется электрический заряд); лазеры с оптической накачкой на кристаллы, стекло, жидкость и пластмассы; лазеры полупроводниковые; лазеры на органических красителях.

Принцип действия ОКГ основан на использовании вынужденного (стимулированного) электромагнитного излучения некоего рабочего вещества (твердое тело, жидкость, газ), т. е. излучения, возникшего в результате действия на него внешнего источника энергии - энергии «накачки». Таким источником могут быть яркие лампы-вспышки для твердого рабочего вещества и постоянное или переменное электрическое поле для газообразного рабочего вещества.

В зависимости от длины волны излучения различают лазеры в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом диапазоне спектра. В зависимости от энергетических параметров системы накачки действие генератора может быть импульсным или непрерывным. Важной особенностью импульсного режима излучения является большая мощность кратковременных импульсов, достигающая нескольких мегаватт при продолжительности импульса от долей секунды до нескольких миллисекунд; при непрерывном режиме мощность не превышает нескольких милливатт.

При воздействии на организм лазерного излучения большой интенсивности наиболее типичным является термический эффект. При этом в облученных тканях происходит быстрый нагрев структур, адсорбировавших энергию; жидкость, окружающая эти структуры, абсорбирует энергию и мгновенно вскипает. Вследствие этого резко повышается давление, возникает ударная волна, усиливающая термический эффект лазерного излучения, происходит механическая травма ткани (разрыв ее).

Таким образом, лазерное излучение приводит к сочетанному термическому и механическому действию. Наряду с этим специфическое влияние лазерного излучения сказывается в изменении генетических, ферментативных и других свойств ткани, некоторых составных частей крови (гамма-глобулины и др.). В основе механизма действия лежат процессы, связанные с избирательным поглощением тканями электромагнитной энергии, а также электрическим и фотометрическим эффектом. Лазерное излучение видимыми, инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами воздействует на специальные образования организма - фото- и терморецепторы.

Местный эффект лазерного излучения проявляется главным образом в повреждающем действии тканей глаза. Характер изменений зависит от величины энергии и длины волны лазерного излучения, диаметра луча, расстояния глаза от источника излучения, диаметра зрачка и др. У лиц, длительно работающих в условиях лазерного излучения, наблюдается точечное помутнение хрусталика, изменение глазного дна, снижение темновой адаптации.

Общие изменения в организме под влиянием лазерного излучения многообразны. Изменения зависят от термического (фокусированный пучок выделяет значительное количество тепла за короткий отрезок времени в малом объеме), электрического (высокий градиент электрического поля), фотохимического, механического и фотогидравлического действия (при фокусировке на поверхности или вблизи тела в жидкости - вскипание ее и взрыв).

Небольшой интенсивности излучение вызывает функциональные изменения центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез и др. Как правило, эти изменения носят обратимый характер и чаще наблюдаются при облучении монохроматическими когерентными лучами видимой части спектра. После многократного лазерного облучения надолго удерживаются изменения сердечно-сосудистой системы.

Условия труда на лазерных установках . Основной неблагоприятный с гигиенической точки зрения фактор - это отраженное монохроматическое излучение лазера. Возможно как прямое зеркальное отражение (с выхода прибора), так и рассеянное излучение различными промежуточными элементами и мишенями (при пробивке отверстий и других операциях, связанных с лазерным излучением). Чрезмерным раздражителем органа зрения оказывается и свет ламп «накачки».

Серьезную опасность для органа зрения представляет инфракрасное излучение лазера при значительной плотности энергии (0,07 Дж/см 2). При этом происходит разрушение или снижение активности некоторых энзимов и вследствие этого - помутнение хрусталика.

Неблагоприятное действие может оказать шум при настройке генератора ОКГ, достигающий 95-100 дБ и имеющий частоту 1000-1250 Гц, звуковые импульсы- хлопки, число которых достигает нескольких сотен при громкости 100-120 дБ. При разрядах импульсных ламп накачки образуется озон, при обработке металла лучами лазера, когда происходит переход из твердого состояния в парообразное с выбиванием струи пара со сверхзвуковой скоростью, выделяется мелкодисперсный аэрозоль.

При выборе помещения для лазерных установок (ОКГ) обязательно участие промышленно-санитарного надзора. Для предотвращения возможного поражения прямым или отраженным потоком лазерного излучения в помещении не следует размещать какие-либо другие зеркальные поверхности. Особое внимание следует обратить на защиту глаз соответствующими очками-светофильтрами.

Чтобы было понятно, что там внутри и зачем оно вообще там нужно, хотелось бы начать с краткого описания того как лазеры работают вообще. Итак:

Теория (скучная)

Лазер это гениально простое для понимания принципа его функционирования устройство. В то же время, для того, чтобы лазер заработал, нужно учесть кучу нюансов, что открывает огромный простор для творчества инженеров. Это как с атомной бомбой: вот есть два куска урана по половине критической массы, складываем их – ан нет, не взрывается что-то, только на сапоги стекает.

Все мы знаем, что если атому или молекуле вещества сообщить некоторую энергию, то через какое-то время этот атом/молекула от нее избавится – возможно даже, испустив квант излучения (если не столкнется с каким-нибудь другим атомом раньше). Это спонтанное излучение, и так работает лампочка: спираль нагревается электрическим током, тепловая энергия атомов (и вольфрама и всех примесей) переходит в энергию излучения. При этом спектр такого излучения примерно соответствует спектру абсолютно черного тела и представляет собой кучу разных длин волн с характерным пиком интенсивности для данной температуры.

В то же время, если по возбужденному атому ударить фотоном определенной частоты, не дожидаясь, пока атом скатится на нижний энергетический уровень сам, то в результате поглощения такого фотона атом снизит свою энергию на энергию фотона и выпустит два совершенно одинаковых фотона, идентичных тому, что прилетел. Идентичных абсолютно: по направлению, по фазе, по поляризации, и, конечно по энергии, т.е. длине волны. Это вынужденное излучение.

Если у нас много одинаковых возбужденных атомов, то велика вероятность, что «раздвоившийся» фотон ударит по такому атому, раздвоится снова и т.д., пока не кончатся возбужденные атомы в направлении распространения волны. Таким образом, всего один влетевший в пространство с нашими возбужденными атомами фотон правильной длины волны размножается многократно – усиливается, а атомы теряют энергию. Отсюда понятно, что для того, чтобы лазер работал непрерывно, излучившим атомам непрерывно же нужно сообщать энергию, переводящую их обратно на верхний энергетический уровень – «накачивать». Причем, для успешного усиления атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем, это состояние вещества называется «инверсная населенность». Одного прохода усиленного пучка квантов через рабочее тело обычно недостаточно, поэтому его помещают в резонатор – два зеркала, одно из которых отражает излучение полностью, а второе – частично выпускает наружу усиленный пучок.

Атомы, о которых пойдет речь в контексте данного лазера – это ионы неодима, которые находятся в узлах решетки кристалла ванадата иттрия. Если бы они просто болтались в вакууме и находились в форме газа, то лазер был бы газовый, а поскольку они «закреплены» в кристалле, то лазер получается твердотельный. Кристалл подбирается такой, чтобы он был прозрачным для нужных нам длин волн, крепким механически, и подходил по ряду других параметров, которые для понимания работы не критичны. Собственно, кристалл ванадата иттрия YVO 4 с примесью (иначе говоря – легированием) неодимом Nd и называется рабочим телом лазера, а полностью формула записывается как Nd:YVO 4 . Тут важно понимать, что главное у нас здесь – именно неодим, а кристаллов с подходящими параметрами для легирования существует множество: Nd:Y 3 Al 5 O 12 (или короче Nd:YAG), Nd:YAlO 3 и др. У всех есть нюансы, но суть одна.

В примере вынужденного излучения у нашего атома было всего два энергетических уровня – верхний и нижний, но реальность выглядит более сурово:

Здесь мы видим «интересные» с точки зрения излучения и поглощения энергетические уровни иона неодима в кристалле аллюмо-иттриевого граната. Следует понимать, что ион неодима (как и любой квантовый объект) может поглотить только кванты определенных длин волн – энергия которых соответствует разности энергий его уровней. Это синие стрелки.

Хотя энергетически гораздо более выгодно накачивать кристалл длиной волны 869nm, мощных и дешевых источников такой длины волны нет. Поэтому используются лазерные диоды, излучающие 808nm (зато интенсивно), которые загоняют ионы на уровень выше, чем нужно. Через небольшое время происходит безызлучательный переход на уровень 4 F 3/2 . Это т.н. метастабильный энергетический уровень. «Метастабильный» означает, что на этом уровне ион остается относительно долгое время, не сбрасывая энергию, но в то же время, этот уровень и не основной (не с минимальной энергией). Это важно, поскольку в этом состоянии ион неодима должен «дождаться» своего кванта, который и будет усилен с переходом на более низкий уровень.

Возбужденный ион неодима может излучить квант с одой из четырех длин волн, пригодных к дальнейшему усилению (красные стрелки). Причем, хотя наибольшая вероятность излучения – на длине волны 1064nm, остальные переходы также возможны. С ними борются, применяя дихроичные зеркала резонатора, которые отражают только волны длиной 1064nm, а остальные – выпускают наружу, не давая усилиться в резонаторе. Таким образом можно выбрать одну или несколько из возможных частот излучения лазера просто заменяя зеркала.

Итак, накачивая лазерным диодом наш кристалл, помещенный в резонатор, мы получаем лазерное излучение с длиной волны 1064nm. Стоит отметить, что накачивать неодим можно не только лазерным диодом, но и лампами-вспышками и другими источниками излучения, у которых в спектре есть нужные длины волн, т.е. именно лазер как источник накачки тут не обязателен. Просто лазерный диод очень эффективен в плане преобразования электрической энергии в излучение одной нужной нам частоты (КПД достигает более 50%), а то, что его излучение имеет поляризацию и когерентность – это положительные, но не обязательные качества.

ИК-излучение 1064nm превращается в зеленое 532nm в процессе, называемом «генерация второй гармоники» (SHG). Боюсь, у меня не получится доступно объяснить суть этого процесса не увеличивая объем статьи вдвое, поэтому примем просто, что нелинейный кристалл, в котором это происходит, является черным ящиком, который получает на вход два кванта, а на выходе выдает один, но удвоенной частоты. Причем эффективность этого процесса зависит от амплитуды соответствующей кванту волны (в этом и есть его нелинейность), поэтому смотря через кристалл на окружающий мир, мы не увидим никаких сдвигов цвета – интенсивность света слишком мала. А вот при лазерных плотностях энергии эти эффекты проявляются во всей красе.

Так же как и с рабочим телом, существует множество нелинейных кристаллов: KTP (титанил-фосфат калия, KTiOPO 4), LBO (триборат лития, LiB 3 O 5) и множество других – все со своими плюсами и минусами. В непрерывных (CW) лазерах нелинейный кристалл помещают внутрь резонатора, чтобы добиться большей поляризации диэлектрика за счет многократного прохождения ИК-пучка через кристалл и тем самым повышая эффективность генерации второй гармоники. Лазеры такой конструкции называются лазерами с внутрирезонаторным удвоением частоты (intracavity second harmonic generation). В импульсных лазерах этим не заморачиваются – плотности энергии в импульсе и так достаточно чтобы еще усложнять резонатор.

Все DPSS лазеры средней мощности строятся по приблизительно одной оптической схеме:

LD – диод накачки, F – фокусирующая линза, HR – входное зеркало (пропускает 808nm и отражает 1064nm), Nd:Cr – кристалл, легированный неодимом (на его правую по схеме поверхность напылено отражающее покрытие для 532nm), KTP – нелинейный кристалл, OC – выходное зеркало (отражает 1064nm и пропускает все остальное).

Зеркала HR и OC образуют полусферический резонатор Фабри-Перо. Зеркало HR обычно напылено на кристалл рабочего тела, его стараются сделать с максимальной отражающей способностью для длины волны, генерируемой лазером. Отражающую способность зеркала OC выбирают так, чтобы максимизировать КПД лазера: чем выше коэффициент усиления среды (т.е. чем меньше проходов по кристаллу с неодимом нужно сделать пучку чтобы достаточно усилиться), тем больше коэффициент пропускания.

Как видно из схемы, единственным элементом, который задерживает излучение 808nm от лазерного диода, является кристалл рабочего тела. Все, что он не смог поглотить, проходит через зеркала в выходную апертуру. Поэтому после зеркала OC обычно ставят дихроичный фильтр, отражающий непоглощенное излучение накачки.

Теперь, зная основные теоретические принципы работы лазера и основы его конструкции, можно переходить к следующей части.

Практика

Откручиваем нижнюю панель и получаем доступ к четырем винтам, крепящим верхнюю крышку:

Аккуратно снимаем крышку, смещая ее вперед, чтобы не задеть линзу объектива:

Сам лазер занимает относительно небольшой объем излучателя. Видно два юстируемых держателя оптики – это хороший признак: значит, во-первых есть что юстировать, и во-вторых, значит, что лазер сделан не на «склейке» рабочего тела и нелинейного кристалла. Склейка непригодна для извлечения больших мощностей и не поддается юстировке.

Все щели тщательно замазаны силиконовым гелем, который исключает доступ пыли и влаги в резонатор. По паре юстировочных винтов расположено по центру на верхней части и сбоку от каждого из держателей. Основание лазера крепится к радиатору всего двумя винтами, которые прижимают его к термоэлементу. Таким образом, передний край платформы просто висит над радиатором, что внушает сомнения в общей жесткости конструкции.

Свободного места между оптическими элементами нет: моя идея поставить в резонатор модовую диафрагму и ИК-фильтр перед объективом оказалась обречена на провал. Об эталонах частоты и других оптических элементах, конечно, и речи быть не может; конструкция лазера не подразумевает модификации.

Снимаем вентилятор, чтобы получить доступ к лазерному диоду

Снимаем объектив и оба держателя:

Открывается вид на кристалл ванадата иттрия размером 5x5x3 мм, который может выдержать до 15 Вт накачки и выдать до порядка 6 Вт излучения на длине волны 1064nm. Доля примеси неодима составляет скорее всего около 1 атомного процента. На эту сторону нанесено просветляющее покрытие для 1064nm и отражающее для 532nm.

Теперь посмотрим на элементы в юстируемых держателях

Держатели выполнены из дюраля, позволяют производить юстировку в горизонтальной плоскости боковыми винтами и в вертикальной – верхними. Юстировку предполагается выполнять так: отпустить оба винта для одной оси, потом найти нужное положение держателя одним из винтов и зафиксировать его вторым винтом. Винты – самые обычные китайские M3, не микрометрические или точные.

Кристалл KTP имеет размеры 3x3x7 мм, и теоретически может «обслужить» гораздо большую мощность – до порядка 20 Вт @ 532nm. На его торцы нанесено просветляющее покрытие для волн длиной 532 и 1064nm, коэффициент отражения которого составляет менее 0.5%. Для юстировки кристалла неплохо было бы иметь и третью степень свободы – вращение вдоль оси резонатора, но тут изготовители положились на точность огранки и вклеивания.

В выходной держатель вклеено дихроичное вогнутое зеркало (на глаз вогнутости не видно): оно пропускает свет на длине волны 532nm и отражает 1064nm. При этом значительная часть излучения 808nm тоже проходит его насквозь.

Снимаем лазерный диод

Диод в корпусе F-mount закреплен на массивном латунном основании с нанесенной на него термопастой. В этом типе корпусов предусмотрено отверстие для установки терморезистора, контролирующего температуру диода; терморезистор присутствует на штатном месте. Произведён диод компанией Focuslight; т.к. кроме серийного номера, другой маркировки на нем нет, его мощность, скорее всего, составляет 5 Вт – это самая низкая мощность для диодов в таком корпусе, и логично предположить, что ничего мощнее и дороже китайцы туда ставить не станут. Исходя из даташита на этот тип диода, максимальный ток составляет 5.5A, т.е. без превышения допустимых величин установленный на заводе ток можно увеличить на 200 мА, что должно добавить еще порядка 50 мВт выходной мощности. Диод легко можно заменить на 10-ваттный, благо остальные компоненты позволяют, и получить на выходе более 3 Вт зеленого пучка (о его качестве, стабильности и модовом составе судить не берусь).

Крепление диода позволяет вращать его вдоль оси резонатора, чтобы подобрать оптимальную поляризацию накачивающего излучения.

Вид на рабочее тело с дугой стороны

На эту сторону кристалла нанесено просветляющее покрытие для 808nm и отражающее более 99.5% для 1064nm, которое образует плоское зеркало резонатора.

Как видим, никакой фокусирующей оптики между диодом и кристаллом нет: это снижает эффективность накачки.

Откручиваем основание лазера от радиатора

Под основанием находится распространенный элемент Пельтье марки TEC1-12706. Его характеристики: питание до 15В, ток до 6А, отводимая мощность до 50Вт при температуре горячей поверхности 60°C; размеры 40x40x4 мм. Под выходным держателем оптики проделано отверстие – вероятно, для нагревающего элемента при другой компоновке: в этом держателе крепился бы нелинейный кристалл, в предыдущем – фокусирующая оптика, а выходное зеркало крепилось бы отдельно (заодно это бы частично решило бы проблему с температурным расширением основания). Но это только мое предположение.

Собираем все обратно

Стоит ли говорить, что после сборки лазер не заработал? Однако я довольно-таки быстро поймал генерацию, играя юстировками выходного зеркала. Дальнейшая настройка зеркала не составила труда. С юстировкой же кристалла KTP все оказалось гораздо сложнее: честно говоря, я не представляю, как это делали китайцы, крутя отверткой филипсовские винты. Поэтому все юстировочные винты я заменил на болты под шестигранник, что дало возможность производить более точную юстировку ключом, при этом не давя на крепления.

И даже несмотря на это, точный критический угол KTP мне зафиксировать не удалось: все равно мощность пучка заметно скачет даже при простом надавливании пальцем и даже сама по себе. Тут нужно отметить, что генерация была в очень широких пределах юстировки кристалла, но в некоторых положениях мощность скачкообразно росла и так же скачкообразно падала при малейших внешних возмущениях. В итоге, вспоминая байку про лаборанта, колотившего пассатижами по корпусу лазера, чтобы вернуть на место люфтящее зеркало, мне удалось достичь стабильной мощности порядка 1650 мВт, то есть потеря составила порядка 200 мВт.

Теперь становится понятно, почему у этих лазеров такой большой разброс по мощности: возможно, что 1.8 Вт сделались возможными только благодаря счастливому удару при транспортировке, а с завода лазер выходил совсем с другой мощностью. К сожалению, никакого бланка об испытаниях к лазеру приложено не было.

Заключение

На кристаллах в лазере не сэкономили: они допускают гораздо большие мощности накачки. Предполагаю, что это сделано для унификации, и трехваттый лазер отличается от одноваттного только мощностью лазерного диода, блоком питания и в три раза большей ценой. Жесткость и точность механики оставляют желать лучшего – видно желание сделать недорого, но хотя бы конструкция ремонтопригодна. Заявленная долговечность конструкции, похоже, определяется в основном долговечностью лазерного диода (а найти ее в документации не удалось) и чистотой сборочного помещения – при разборке лазера никаких загрязнений на оптике я не увидел.

И подводя итог, хочу ответить на основной вопрос к первой части статьи, который возник у многих – «Зачем этот лазер вообще такой нужен?» Исходя из его мощности, недостаточной для эффективной накачки титан-сапфира и красителей, модового состава и стабильности, которые тоже так себе, основная сфера его применения – OEM компонент для лазерных проекторов. Его также можно использовать в целях подсветки: для регистрации люминесценции, в конфокальной микроскопии и т.п. областях где требуется высокая мощность подсветки при относительно стабильной частоте.

Слова "лазер" - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulatcd emission of radiation - усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Итак, лазер или оптический квантовый генератор - это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании принудительного (стимулированного) излучения.

Лазер как техническое устройство состоит из трех основных элементов:

активной среды;

системы накачки;

соответствующего резонатора.

Основными техническими характеристиками лазеров являются: длина волны (X). мкм;

ширина линии излучения (SX) и

интенсивность излучения лазеров определяется по величине энергии (WJ или мощности (рj, Дж или Вт

длительность импульса (х), с;

частота импульсов (F), Гц.

Как классифицируются лазеры?

В соответствии с "Санитарными нормами и правилами устройства классификации лазеров" положена степень их опасного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры делятся на 4 класса:

класс I (безопасные) - излучение безопасно для глаз

класс II (малоопасные) - опасно для глаз прямое, зеркальное отражение излучения;

класс ПИ (середньонебезпечни) - опасное для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое и зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные) - опасное для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Классификация определяет специфику влияния излучения на орган зрения и кожу. Ведущим критерием для оценки степени опасности лазерного излучения принята величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиции облучения.

Существует классификация лазеров по физико-техническим параметрам, при этом учитывается агрегатное состояние активной рабочего вещества (твердое, жидкое, газообразное), характер генерации (импульсный, непрерывный) способ накачки активного вещества (оптический, электрический, химический и т. Д.).

По характеру генерации излучения, лазеры подразделяются на импульсные (продолжительностью излучения 0,25 с) и непрерывного действия (продолжительность излучения более 0,25 с).

Какова действие лазерного излучения на организм человека?

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности) и энергии излучения на единицу поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты импульсов, времени облучения, плоскости поверхности облучается), локализации воздействия и анатомо-физиологических особенностей облучаемого.

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения.

Мощный поток лазерной энергии, попадающей на биологические ткани, может вызвать серьезные поражения. Лазерное излучение влияет на живой организм путем тепловой механической и электрической действия. Облучения лазерными лучами может вызвать функциональные нарушения в деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез. Облучение может привести к сворачиванию или распада крови, повреждения глаз, кожи, вызвать генетические изменения, головная боль, расстройства сна, слабость и т. Д.

Биологическое действие лазерного излучения возникает вследствие поглощения организмом его энергии, что вызывает тепловой эффект. Термический эффект лазерного излучения зависит от физической характеристики лучей спектральной характеристики открытых участков кожи, состояния кровообращения и т. Д.

Способность организма поглощать энергию зависит от характера тканей. Жировая ткань организма вообще не поглощает энергию. Теплоотдача внутренних частей тела очень незначительна, что вызывает локальный нагрев а также концентрацию поглощенной энергии в небольшом объеме. Этим объясняется поражение головного мозга, внутренних органов и т. Д.

Под действием лазерного облучения жидкость, окружающая биологические структуры, мгновенно испаряется, вызывая резкого повышения давления, возникновения, вследствие этого, ударной волны и механической травмы. Происходит не только ожог, но и разрыв тканей, представляет большую опасность для зрительного анализатора.

Наибольшую часть лазерного излучения воспринимает кожный покров, что представляет собой природный экран для защиты внутренних органов. В результате облучения возникают ожоги и отеки кожи различной степени - от покраснения до некроза (омертвение кожи). Глубина проникновения лучей зависит от пигментации кожи. Чем кожа темнее тем меньше глубина проникновения лучей. Порог повреждения темно-пигментной кожи значительно меньше, чем светло-пигментной.

Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:

I степень - ожоги эпидермиса;

II степень - ожоги дермы (пузыри поверхностных слоев дермы)

III степень - ожоги дермы до глубоких слоев;

IV степень - деструкция всей толщины кожи, подкожной клетчатки и прилегающих слоев.

Особенно опасным является действие лазерного излучения на глаза, через которые оно проходит без потерь, достигая сетчатки. Плотность энергии на сетчатке глаза возрастает при увеличении диаметра зрачка, поэтому повреждение глаза, адаптированного к темноте значительно больше, чем при ярком освещении. Чем темнее сетчатка, тем меньше порог повреждающего плотности энергии. Удаление источника лазерного излучения не гарантирует безопасность глаз.

Биологический эффект действия лазерного излучения усиливается вследствие его многократного воздействия, а также через комбинацию с другими факторами производственной среды.

Лазерное излучение представляет собой электромагнитные колебания (электромагнитные волны) оптического диапазона, источником которых являются оптические квантовые генераторы (ОКГ) - лазеры.

В них используются способы усиления и генерирования электромагнитных колебаний, основанные на принципе индуцирования излучения в атомах и молекулах активной среды (например, смеси газов гелия и неона, помещенной в специальное устройство -зеркальный резонатор).

С принципами генерации лазерного излучения связаны его основные свойства: монохроматичность (излучение лазером электромагнитных колебаний практически одной длины волны); когерентность (упорядоченность распределения фазы лазерного излучения как во времени, так и в пространстве); поляризация (упорядоченность в ориентации векторов напряженности электрических и магнитных полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу); направленность (малая расходимость лазерного излучения).

Совокупность этих свойств обусловливает технические преимущества лазерного излучения: возможность локального равномерного облучения в широком диапазоне интенсивности светового потока; более высокая точность дозирования (по сравнению с традиционно применяемыми в физиотерапии источниками света); использование волоконной оптики и специализированного световодного инструмента для подведения энергии лазерного излучения к патологическим очагам при их внутриполостной локализации.

Лазерное излучение проникает в ткани организма на глубину от 1-20 мкм (УФ-диапазон) до 2-3 мм (красный диапазон) и до 50-70 мм (ближний ИК-диапазон спектра длин волн). При поглощении энергии лазерного излучения, наряду с местной реакцией облученных поверхностных тканей (расширение сосудов микроциркуляторного русла, фазовые изменения локального кровотока и др.), формируются рефлекторные реакции (внутренних органов и окружающих зону воздействия тканей), а также генерализованные реакции целостного организма (активация желез внутренней секреции, гуморального иммунитета, репаративных процессов в нервной, мышечной и костной тканях и др.).

Аппараты. Для физиотерапевтических целей используют различные лазерные аппараты на основе газовых (гелий-неоновых) лазеров типа «ЛГН-207», «ЛГН-208», «ЛГ-75» или полупроводниковых (арсенид-галлиевых) лазеров типа «ЛПИ-101(102)», «ИЛПН-108» и др.

Эти аппараты обеспечивают генерацию лазерного излучения красного (0,63 мкм) и ближнего ИК-диапазона (0,8-1,3 мкм) спектра длин волн в непрерывном (прерывистом) и в импульсном режимах. Отечественная промышленность выпускает более 50 наименований лазерных физиотерапевтических аппаратов и установок, типичными представителями каждой разновидности которых являются следующие.

Аппарат «Мустанг»

Аппарат «Мустанг» (модели 016, 017, 022) представляет собой (рис. 344) портативное устройство, состоящее из базового блока (питания и управления) и сменных выносных излучателей, генерирующих лазерное излучение в импульсном и непрерывном режимах.

Импульсная мощность излучения 0,89 мкм-5-80 Вт; максимальная мощность непрерывного излучения 0,83 мкм - 30 мВт; непрерывного излучения 0,63-0,67 мкм - 4-12 мВт. На передней панели аппарата базового блока расположены органы управления: кнопка «Сеть», кнопки «Частота», «Время», ручка «Мощность», окно фотоприемника и индикатор излучения.

Рис. 344. Схема панели управления аппарата «Мустанг»: 1 - выключатель питания, 2 - кнопки задания частоты повторения импульсов, 3 - кнопки задания времени экспозиции, 4 - ручка регулировки мощности, 5 - кнопка «Пуск», 6 - окно фотоприемника, 7 - индикатор мощности, 8 - кнопка включения биорежима, 9 - светодиод «Пульс» 10 - светодиод «Дыхание»

Включение аппарата. 1. Подключить одну или две излучающие головки (выносные излучатели) к разъему на задней панели базового блока. 2. Включить сетевую вилку в сетевую розетку. 3. Включить на панели аппарата кнопку «Сеть», при этом загораются светодиоды «Частота», «Время».

4. Убедиться в исправности аппарата, для чего поднести излучатель к окну фотоприемника, перевести ручку «Мощность» в крайнее левое положение и нажать кнопку «Пуск», при этом загорается светодиод «Раб.» и линейка светодиодов индикатора (в некоторых моделях - цифровое значение импульсной мощности).

5. Вращая ручку «Мощность» вправо, убедиться в возможности настройки аппарата на необходимую импульсную мощность излучения, после чего выключить излучение повторным нажатием кнопки «Пуск». 6. При подготовке лечебной процедуры по пп. 4 и 5 с помощью ручки «Мощность» (по индикатору мощности) установить нужную импульсную мощность излучения, затем при выключенном излучении нажатием кнопок «Частота» и «Время» задать необходимую частоту следования импульсов и время процедуры. 7. Для осуществления лазерного воздействия нажать кнопку «Пуск».

Выключение аппарата. 1 . Лазерное излучение прекращается автоматически по прошествии заданного времени процедуры. При работе аппарата без таймера (т. с. при нажатой кнопке «Н») излучение выключают повторным нажатием кнопки «Пуск». 2. Для выключения аппарата нажать кнопку «Сеть» и вынуть вилку сетевого шнура из сетевой розетки.

Магнито-инфракрасно-лазерный терапевтический аппарат

Магнито-инфракрасно-лазерный терапевтический аппарат (сокр. «МИЛТА-Ф-01») предназначен для лечения заболеваний широкого профиля путем сочетанного или раздельного воздействия на пораженные области постоянным магнитным полем, импульсным лазерным и непрерывным светодиодным излучением ифракрасного диапазона, а также для диагностики патологического процесса сравнением уровней сигналов, отраженных от контрлатеральных областей больного.

Одним из существенных преимуществ аппарата по сравнению с аналогами является то, что он имеет фоторегистратор. Последний даст возможность уточнить дозу облучения больного в зависимости от тяжести заболевания и скоррегировать ее в ходе лечения.

Магнитная индукция на оси магнита колеблется от 20 до 80 мТл. Максимальная суммарная мощность излучения светодиодов на выходе терминала равна не мене 120 мВт, максимальная плотность мощности - не менее 22 мВт/см2. Средняя мощность излучения лазера на выходе терминала составляет не менее 2 мВт при частоте повторения 5 кГц, максимальное значение средней плотности мощности - не менее 0,4 мВт/см2.

Аппарат обеспечивает световую индикацию включения, контроль частоты повторения лазерных импульсов при внутреннем запуске лазера, цикла работы лазера, светоцифровую индикацию отраженного излучения светодиодов.

На корпусе аппарата размещены кнопки: «Сеть», «Частота», «Таймер», «Пуск» и «Стоп». Сам аппарат выполнен в виде настольной конструкции, включающей пульт питания (1), терминал (2), неразъемный электрошнур (3), сетевой кабель с вилкой (4). Общий вид аппарата представлен на рис. 345. На лицевой стороне аппарата расположены: кнопка включения (5), индикаторный диод включения (6), кнопка переключения режимов работы (7), индикаторные диоды режимов работы (8), индикаторные диоды частоты лазерного излучения (9), цифровое табло (10), кнопки установки параметров (11), корпус терминала (12), гайка терминала (13), кнопка «Пуск» («Ray») (14), дно ложа терминала (15).

Рис. 345. Схематическое изображение магнито-инфракрасно-лазерного аппарата «Милта-Ф-01» (объяснение в тексте)
Рис. 346. Схема терминала аппарата «МИЛТА-Ф-01» (объяснение в тексте)

Терминал представляет выносную часть аппарата, посредством которой осуществляется запуск лазера и светодиодов. Им обеспечивается непосредственное воздействие на больного. Терминал (рис. 346) включает корпус (1), неразъемный электрошнур (2), постоянный кольцевой магнит (3), гайку терминала (4), кнопку «Пуск» (5), индикаторный диод включения лазера (6).

Дно ложа терминала является диффузным отражателем для ИК-излучения. Встроенный фоторегистратор обеспечивает светоцифровую индикацию облучения больного непрерывным излучением свстодиодов и выдаст цифровые данные о мощности излучения.

В аппарате предусмотрена звуковая, световая и светоцифровая индикация. Индикаторный светодиод указывает на работу лазера; цифры на табло (10) говорят о работе четырех светодиодов в непрерывном режиме излучения. Восемь зеленых индикаторных диодов указывают на выбранную частоту повторения импульсов излучения.

Звуковой сигнал возникает при нажатии кнопки (5) и длится ис менее 0,5 с. При этом зажигаются все индикаторные светодиоды. Прекращение звука говорит о готовности аппарата к работе. Длительность экспозиции устанавливается кнопками (11) в режиме «Время» по показаниям цифрового табло.

Принцип лечебной работы аппарата основан на сочетанном и раздельном воздействии на больного постоянным магнитным полем, импульсным лазерным и непрерывным светодиодным излучениями ближнего ИК-диапазона оптического центра. При этом фоторегистратор позволяет фиксировать наличие и уровень отраженного излучения от тела больного или от дна ложа терминала.

Для лечения определенных заболевании к аппарату придаются различные насадки. Для лечения болезней шейки матки «МИЛТЛ-Ф» имеет насадку № 1, влагалища - № 2, заболевания влагалища и прямой кишки - № 3, ЛОР-болезней - № 4, стоматологических заболеваний - № 5, для рефлексотерапии аппарат имеет насадку № 6.

Перед началом работы аппарат следует проверить на: 1. исправность сетевого шнура и кабеля терминала, 2. целостность терминала, 3. наличие звуковой сигнализации при включении в есть и по окончании работы лазера, 4. свечение индикатора, 5. наличие свечения цифровых индикаторов и светоиндикаторов на блоке питания. При работе с лазером следует руководствоваться приказом Минздрава РФ от 14.03.96 г. № 90 и ГОСТ 12.4.026-76.

Аппарат «Мулат»

Аппарат «Мулат» предназначен для нсинвазивного и внутрисосудистого облучения крови лазерным излучением красного диапазона длин волн (рис. 347).

Рис. 347. Общий вид аппарата «Мулат»: 1 - базовый блок, 2 - оптический выход лазерного излучателя, 3 - кнопка выбора внутреннего (внешнего) фотоприемника, 4 - окно внешнего фотоприемника, 5 - кнопка «Вкл./Выкл.», 6 - индикатор мощности излучения, 8 - кнопка «Пуск», 9 - ручка регулировки мощности излучения, 10 - магистральный световод

Источником излучения 0,63 мкм является полупроводниковый лазер с мощностью излучения на оптическом выходе лазера не менее 4 мВт. На передней панели базового блока расположены органы управления: кнопка «Вкл./ Выкл.», индикатор мощности излучения, кнопки задания времени процедуры «Время», кнопка «Пуск», ручка регулировки мощности излучения «Мощность», кнопка выбора внутреннего (внешнего) фотоприемника «Фотопр.», окно внешнего фотоприемника. Для осуществления наружных и внутрисосудистых облучений к оптическому выходу лазерного излучателя подключается магистральный световод.

Включение аппарата. 1. Включить вилку сетевого шнура в сетевую розетку, затем перевести кнопку сетевого выключателя в положение «Вкл.», при этом загораются светодиоды «Внутр.» 5 мин; на индикаторе мощности излучения высвечивается 0,0 мВт. 2. Перевести ручку «Мощность» в крайнее левое положение и нажать кнопку «Пуск», при этом раздастся звуковой сигнал и загорается светодиод «Раб.».

3. Вращать ручку «Мощность» вправо, при этом индикатор мощности излучения показывает соответствующее значение этого параметра на оптическом выходе лазера. 4. Перевести ручку «Мощность» в крайнее левое положение и нажать кнопку «Фотопр.», при этом загорается евстодиод «Внешн.».

5. Поднести выход магистрального евстодиода вплотную к окну внешнего фото-приемника, затем вращать ручку «Мощность» вправо, при этом индикатор мощности показывает соответствующее значение этого параметра на выходе магистрального световода - аппарат исправен. 6. Выключить излучение повторным нажатием кнопки «Пуск», при этом раздастся звуковой сигнал.

7. При подготовке лечебной процедуры по пп. 2-5 с помощью ручки «Мощность» (по индикатору мощности) установить нужную выходную мощность лазерного излучения. 8. Нажатием кнопки «Время» задать необходимую продолжительность процедуры. 9. Для осуществления лазерного воздействия нажать кнопку «Пуск».

Выключение аппарата. 1. Лазерное излучение прекращается автоматически по истечении заданного времени процедуры. При необходимости излучение можно выключить в процессе процедуры повторным нажатием кнопки «Пуск». При этом раздастся звуковой сигнал. 2. Перевести кнопку сетевого выключателя в положение «Выкл.» и вынуть вилку сетевого шнура из сетевой розетки.

Боголюбов В.М., Васильева М.Ф., Воробьев М.Г.

Лазерное излучение является электромагнитным излучением, генерируемым в диапазоне длин волн l = 180…105 нм. Лазерные установки получили широкое распространение.

Лазерное излучение характеризуется монохроматичностью (излучения практически одной частоты), высокой когерентностью (сохранением фазы колебаний), чрезвычайно малой энергетической расходимостью луча и высокой концентрацией энергии излучения в луче.

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на организм определяются механизмами взаимодействия излучения с тканями и зависят от длины волны излучения, длительности импульса (воздействия), частоты следования импульсов, площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов. Различают тепловые, энергетические, фотохимические и механические (ударно-акустические) эффекты воздействия, а также прямое и отражённое (зеркальное и диффузное) излучения. Для глаз, кожи и внутренних тканей организма наибольшую опасность представляет энергонасыщенное прямое и зеркально отражённое излучения. Кроме того, наблюдаются негативные функциональные сдвиги в работе нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, изменяется артериальное давление, увеличивается утомляемость.

Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм наиболее опасно для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм - для передних сред глаза. Повреждение кожи может быть вызвано излучением любой длины волны рассматриваемого диапазона (180…105 нм).

Ткани живого организма при малых и средних интенсивностях облучения почти непроницаемы для лазерного излучения. Поэтому поверхностные (кожные) покровы оказываются наиболее подверженными его воздействию. Степень этого воздействия определяется длиной волны и интенсивностью излучения.

При больших интенсивностях лазерного облучения возможны повреждения не только кожи, но и внутренних тканей и органов. Эти повреждения имеют характер отёков, кровоизлияний, омертвения тканей, а также свёртывания или распада крови. В таких случаях повреждения кожи оказываются относительно менее выраженными, чем изменения во внутренних тканях, а в жировых тканях вообще не отмечено каких-либо патологических изменений.

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм, условно подразделяют на группы:

а) первичные эффекты - органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых живых тканях (прямое облучение);

б) вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме в ответ на облучение (длительное облучение диффузно отражённым излучением).

При эксплуатации лазерных установок на человека могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы, обусловленные как самим лазерным излучением, так и спецификой его формирования:

• лазерное излучение (прямое, отражённое, рассеянное);
• сопутствующее работе установки ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения структурных компонентов;
• высокое напряжение в цепях управления и электропитания;
• ЭМП промышленной частоты и радиочастотного диапазона;
• рентгеновское излучение от газоразрядных трубок и элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;
• шум и вибрация;
• токсичные газы и пары, образующиеся в элементах лазеров и при взаимодействии луча со средой;
• продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;
• повышенная температура поверхностей лазерного изделия и в зоне облучения;
• опасность взрыва в системах накачки лазеров;
• возможность взрыва и пожара при взаимодействии луча с горючим материалом.

По степени опасности излучения для биологических структур человека лазеры подразделяются на четыре класса.

К лазерам 1 класса относят полностью безопасные лазеры. Их излучение не представляет опасности для глаз и кожи.

Лазеры 2 класса - это лазеры, луч которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека. Однако диффузно отражённое излучение безопасно как для кожи, так и для глаз.

Лазеры 3 класса представляют опасность при облучении глаз и кожи прямым, зеркально отражённым излучением. Диффузно отражённое излучение опасно для глаз на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности, но безопасно для кожи.

У лазеров 4 класса диффузно отражённое излучение на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности представляет опасность для глаз и кожи.

Лазеры классифицирует изготовитель по выходным характеристикам излучения.

При эксплуатации установок 2-4 классов следует предусматривать мероприятия по лазерной безопасности, дозиметрический контроль лазерного излучения, санитарно-гигиенические мероприятия и медицинский контроль.

Лазерная безопасность - это совокупность технических, санитарно-гигиенических, лечебно-профилактических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасные и безвредные условия труда при эксплуатации лазерных установок.

Нормирование лазерного излучения осуществляется по предельно допустимым уровням облучения (ПДУ) согласно «Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатации лазеров» № 5804-91 . ПДУ излучения при однократном воздействии могут привести к незначительной вероятности возникновения обратимых отклонений в организме работающего. ПДУ излучения при хроническом воздействии не приводят к отклонению в состоянии здоровья человека как в процессе работы, так и в отдалённые сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Нормируемыми параметрами являются облучённость Е, энергетическая экспозиция Н, энергия W и мощность Р излучения.

Облучённость - это отношение потока излучения, падающего на малый участок поверхности, к площади этого участка, Вт/м2.

Энергетическая экспозиция определяется интегралом облучённости по времени, Дж/м2.

ПДУ лазерного излучения устанавливаются для трёх диапазонов длин волн (180…380, 381…1400, 1401…105 нм) и случаев облучения: однократного (с временем воздействия до одной смены), сериями импульсов и хронического (систематически повторяющегося). Кроме того, при нормировании учитывают объект облучения (глаза, кожа, глаза и кожа одновременно).

При использовании лазеров в театрально-зрелищных мероприятиях, для демонстрации в учебных заведениях, для подсветки и других целей в медицинских приборах, не связанных непосредственно с лечебным действием излучения, ПДУ для всех облучаемых устанавливаются в соответствии с нормами для хронического облучения.

К лазерным изделиям с учётом их классов опасности предъявляются различные требования. Например, лазеры 3 и 4 класса должны содержать дозиметрическую аппаратуру, а их конструкция должна

обеспечивать возможность дистанционного управления. Лазерные изделия медицинского назначения должны быть оборудованы средствами для измерения уровня излучения, воздействующего на пациента и персонал. Лазеры 3 и 4 классов запрещено использовать в театрально-зрелищных мероприятиях, в учебных заведениях и на открытых пространствах. Класс лазерного изделия учитывается в требованиях по его эксплуатации.

Лазерные изделия и зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться знаками лазерной опасности с пояснительными надписями, зависящими от класса лазера.

Безопасность при работе с открытыми лазерными изделиями обеспечивается путём применения СИЗ. Безопасность при использовании лазеров в демонстрационных целях, в театрально-зрелищных мероприятиях и на открытом пространстве обеспечивается организационно-техническими мероприятиями (разработка схемы размещения лазеров, учёт траектории лазерных лучей, строгий контроль за соблюдением правил и др.).

При использовании очков для защиты от лазерного излучения уровни освещённости рабочих мест должны быть повышены на одну ступень согласно СНиП 23-05-95.

Средства защиты (коллективные и индивидуальные) применяются для снижения уровней лазерного излучения, действующего на человека, до значений ниже ПДУ. Выбор средств защиты осуществляется с учётом параметров лазерного излучения и особенностей эксплуатации. СИЗ от лазерного излучения включают в себя средства защиты глаз и лица (защитные очки, выбираемые с учётом длины волны излучения, щитки, насадки), средства защиты рук, специальную одежду.

Персонал, работающий с лазерными изделиями, должен проходить предварительные и периодические (раз в год) медицинские осмотры. К работе с лазерами допускаются лица, достигшие 18 лет и не имеющие медицинских противопоказаний.