. Лазерний промінь в силу своєї прозорості дозволяє хірургові бачити оперований ділянку. Лезо ж звичайного скальпеля, так само як і лезо електроножа, завжди в якійсь мірі загороджує від хірурга робоче поле;
. Лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не надаючи ніякого механічного впливу на тканину;
. Лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність, адже з тканиною взаємодіє тільки випромінювання;
. Промінь лазера діє строго локально, випаровування тканини відбувається тільки в точці фокусу. Прилеглі ділянки тканини пошкоджуються значно менше, ніж при використанні механічного скальпеля;
. Як показала клінічна практика, рана від лазерного скальпеля майже не болить і швидше загоюється.
Практичне застосування лазерів в хірургії почалося в СРСР в 1966 році в інституті імені А. В. Вишневського. Лазерний скальпель був застосований в операціях на внутрішніх органах грудної та черевної порожнин. В даний час лазерним променем роблять шкірно-пластичні операції, операції стравоходу, шлунка, кишечника, нирок, печінки, селезінки та інших органів. Дуже заманливо проведення операцій з використанням лазера на органах, що містять велику кількість кровоносних судин, наприклад, на серці, печінці.
В даний час є величезна різноманітність лазерів, що відрізняються між собою активними середовищами, потужностями, режимами роботи і іншими характеристиками. Немає необхідності всі їх описувати. Тому тут дається короткий опис лазерів, які досить повно представляють характеристики основних типів лазерів (режим роботи, способи накачування і т. д.)
Рубіновий лазер. Першим квантовим генератором світла був рубіновий лазер, створений в 1960 році. Робочим речовиною є рубін, що представляє собою кристал оксиду алюмінію Аl 2 O 3 (корунд), у який при вирощуванні введена у вигляді домішки оксид хрому Сr 2 Оз. Червоний колір рубіна обумовлений позитивним іоном Сr +3. У гратах кристала Аl 2 О 3 іон Сг +3 заміщає іон Аl +3. Внаслідок цього в кристалі виникають дві смуги поглинання: одна-у зеленій, інша-в блакитній частині спектра. Густота червоного кольору рубіна залежить від концентрації іонів Сг +3: чим більше концентрація, тим густіше червоний колір. У темно-червоному рубіні концентрація іонів Сг +3 досягає 1%.
Поряд з блакитною і зеленою смугами поглинання є два вузьких енергетичних рівня Е 1 і Е 1 ' , При переході з яких на основний рівень випромінюється світло з довжинами хвиль 694,3 і 692,8 нм. Ширина ліній становить при кімнатних температурах приблизно 0,4 нм. Імовірність вимушених переходів для лінії 694,3 нм більше, ніж для 692,8 нм. Тому простіше працювати з лінією 694,3 нм. Однак можна здійснити генерацію і лінії 692,8 нм, якщо використовувати спеціальні дзеркала, що мають великий коефіцієнт відбиття для випромінювання l = 692,8 нм і малий - для l = 694,3 нм.
При опроміненні рубіна білим світлом блакитна й зелена частини спектра поглинаються, а червона відбивається. У рубіновому лазері використовується оптична накачка ксеноновим лампою, яка дає спалахи світла великої інтенсивності при проходженні через неї імпульсу струму, що нагріває газ до декількох тисяч Кельвін. Безперервна накачування неможлива, тому що лампа при настільки високій температурі не витримує безперервного режиму роботи. Що виникає випромінювання близько за своїми характеристиками до випромінювання абсолютно чорного тіла. Випромінювання поглинається іонами Cr +, перехідними в результаті цього на енергетичні рівні в області смуг поглинання. Однак з цих рівнів іони Сr +3 дуже швидко в результаті безвипромінювальної переходу переходять на рівні Е 1, Е 1 '. При цьому надлишок енергії передається решітці, тобто перетворюється в енергію коливань решітки або, іншими словами, в енергію фотонів. Рівні Е 1, Е 1 ' метастабільних. Час життя на рівні Е 1 одно 4,3 мс. У процесі імпульсу нагнітання на рівнях Е 1, Е 1 ' накопичуються збуджені атоми, що створюють значну інверсну заселеність щодо рівня Е 0 (це рівень збудженому атомів).
Кристал рубіна вирощується у вигляді круглого циліндра. Для лазера зазвичай використовують кристали розміром: довжина L = 5 см, діаметр d = 1 см. Ксеноновий лампа і кристал рубіна містяться в еліптичну порожнину з добре відбиває внутрішньою поверхнею. Щоб забезпечити попадання на рубін всього випромінювання ксенонової лампи, кристал рубіна і лампа, що має також форму круглого циліндра, поміщаються в фокуси еліптичного перетину порожнини паралельно її створює. Завдяки цьому на рубін направляється випромінювання з густиною, практично рівною щільності випромінювання на джерелі накачування.
Один з кінців рубінового кристала зрізаний так, що від граней зрізу забезпечується повне відображення і повернення променя назад. Такий зріз замінює одне з дзеркал лазера. Другий кінець рубінового кристала зрізаний під кутом Брюстера. Він забезпечує вихід із кристала рубіна без відображення променя з відповідною лінійною поляризацією. Друге дзеркало резонатора ставиться на шляху цього променя. Таким чином, випромінювання рубінового лазера лінійно поляризоване.
Гелій-неоновий лазер. Активною середовищем є газоподібна суміш гелію й неону. Генерація здійснюється за рахунок переходів між енергетичними рівнями неону, а гелій грає роль посередника, через який енергія передається атомам неону для створення інверсної заселеності.
Неон, в принципі, може генерувати лазерне вивчення в результаті більше 130 різних переходів. Однак найбільш інтенсивними є лінії з довжиною хвилі 632,8 нм, 1,15 і 3,39 мкм. Хвиля 632,8 нм знаходиться у видимій частині спектру, а хвилі 1,15 і 3,39 мкм - в інфрачервоній.
При пропущенні струму через гелій-неонове суміш газів електронним ударом атоми гелію збуджуються до станів 2 березня S та 2 2 S, які є метастабільними, оскільки перехід в основний стан з них заборонений квантово-механічними правилами відбору. При проходженні струму атоми накопичуються на цих рівнях. Коли збуджений атом гелію зіштовхується з збудженого атома неону, енергія збудження переходить до останнього. Цей перехід здійснюється дуже ефективно завдяки хорошому збігу енергії відповідних рівнів. Внаслідок цього на рівнях 3S й 2S неону утвориться інверсна заселеність щодо рівнів 2P і 3P, що приводить до можливості генерації лазерного випромінювання. Лазер може оперувати в безперервному режимі. Випромінювання гелій-неонового лазера лінійно поляризоване. Зазвичай тиск гелію в камері становить 332 Па, а неону - 66 Па. Постійна напруга на трубці близько 4 кВ. Одне з дзеркал має коефіцієнт відбиття порядку 0,999, а друге, через яке виходить лазерне випромінювання, - близько 0,990. В якості дзеркал використовують багатошарові діелектрики, оскільки більш низькі коефіцієнти відображення не забезпечують досягнення порогу генерації.
Газові лазери. Вони являють собою, мабуть, найбільш широко використовується в даний час тип лазерів і, можливо, в цьому відношенні вони перевершують навіть рубінові лазери. Газовим лазерам також присвячена більша частина виконаних досліджень. Серед різних типів газових лазерів завжди можна знайти такий, який буде задовольняти майже будь-якому вимогу, висунутій до лазеру, за винятком дуже великої потужності у видимій області спектра в імпульсному режимі. Великі потужності необхідні для багатьох експериментів при вивченні нелінійних оптичних властивостей матеріалів. В даний час великі потужності в газових лазерах не отримані з тієї простої причини, що щільність атомів у них недостатньо велика. Проте майже для всіх інших цілей можна знайти конкретний тип газового лазера, який буде перевершувати як твердотільні лазери з оптичним накачуванням, так і напівпровідникові лазери. Багато зусиль було спрямовано на те, щоб ці лазери могли конкурувати з газовими лазерами, і в ряді випадків був досягнутий певний успіх, проте він завжди опинявся на межі можливостей, у той час як газові лазери не виявляють жодних ознак зменшення популярності.
Особливості газових лазерів часто обумовлені тим, що вони, як правило, є джерелами атомних або молекулярних спектрів. Тому довжини хвиль переходів точно відомі. Вони визначаються атомної структурою і зазвичай не залежать від умов навколишнього середовища. Стабільність довжини хвилі генерації за певних зусиль може бути значно поліпшена в порівнянні зі стабільністю спонтанного випромінювання. В даний час є лазери з монохроматичністю, кращої, ніж у будь-якому іншому приладі. При відповідному виборі активного середовища може бути здійснена генерація в будь-якій частині спектру, від ультрафіолетової (~ 2ООО А) до далекої інфрачервоної області (~ 0,4 мм), частково захоплюючи мікрохвильову область.
Немає також підстав сумніватися, що в майбутньому вдасться створити лазери для вакуумного ультрафіолетової області спектра. Розрідженість робочого газу забезпечує оптичну однорідність середовища з низьким коефіцієнтом заломлення, що дозволяє застосовувати просту математичну теорію для опису структури мод резонатора і дає впевненість у тому, що властивості вихідного сигналу близькі до теоретичних. Хоча ККД перетворення електричної енергії в енергію вимушеного випромінювання в газовому лазері не може бути таким великим, як у напівпровідниковому лазері, проте завдяки простоті управління розрядом газовий лазер виявляється для більшості цілей найбільш зручним у роботі як один з лабораторних приладів. Що стосується великої потужності в безперервному режимі (на противагу імпульсної потужності), то природа газових лазерів дозволяє їм у цьому відношенні перевершити всі інші типи лазерів.[2]
С0 2-лазер із замкнутим об'ємом. Молекули вуглекислого газу, як і інші молекули, мають смугастий спектр, обумовлений наявністю коливальних і обертальних рівнів енергії. Використовуваний у CO 2 - лазері перехід дає випромінювання з довжиною хвилі 10,6 мкм, тобто лежить в інфрачервоній області спектру. Користуючись коливальними рівнями, можна дещо варіювати частоту випромінювання в межах приблизно від 9,2 до 10,8 мкм. Енергія молекул CO 2 передається від молекул азоту N 2, які самі збуджуються електронним ударом при проходженні струму через суміш.
Збуджений стан молекули азоту N 2 є метастабільним і відстоїть від основного рівня на відстані 2318 см -1, що досить близько до енергетичного рівня (001) молекули CO 2. Зважаючи метастабільності збудженого стану N 2 при проходженні струму число збуджених атомів накопичується. При зіткненні N 2 з CO 2 відбувається резонансна передача енергії збудження від N 2 до CO 2. Внаслідок цього виникає інверсія заселення між рівнями (001), (100), (020) молекул CO 2. Зазвичай для зменшення заселеності рівня (100), який має великий час життя, що погіршує генерацію при переході на цей рівень, додають гелій. У типових умовах суміш газів в лазері складається з гелію (1330 Па), азоту (133 Па) і вуглекислого газу (133 Па).
При роботі CO 2 - лазера відбувається розпад молекул CO 2 на СВ і О, завдяки чому активне середовище послаблюється. Далі СО розпадається на С і О, а вуглець осідає на електродах і стінках трубки. Все це погіршує роботу СO 2-лазера. Щоб подолати шкідливу дію цих факторів у закриту систему додають пари води, які стимулюють реакцію СО + О ® CO 2.
Використовуються платинові електроди, матеріал яких є каталізатором для цієї реакції. Для збільшення запасу активного середовища резонатор з'єднується з додатковими ємностями, які містять CO 2, N 2, Не, які в необхідній кількості додаються в об'єм резонатора для підтримки оптимальних умов роботи лазера. Такий закритий CO 2-лазер, в змозі працювати протягом багатьох тисяч годин.
Проточний СО 2-лазер. Важливою модифікацією є проточний СО 2-лазер, в якому суміш газів CO 2, N 2, Не безперервно прокачується через резонатор. Такий лазер може генерувати безперервне когерентне випромінювання потужністю понад 50 Вт на метр довжини своєю активною середовища.
Неодимовий лазер. Назва може ввести в оману. Тілом лазера є не метал неодим, а звичайне скло з домішкою неодиму. Іони атомів неодиму безладно розподілені серед атомів кремнію та кисню. Накачування виробляються лампами-блискавками. Лампи дають випромінювання в межах довжин хвиль від 0,5 до 0,9 мкм. Виникає широка смуга збуджених станів. Атоми здійснюють безвипромінювальної переходи на верхній лазерний рівень. Кожен перехід дає різну енергію, яка перетворюється в коливальну енергію всього "грат" атомів. Лазерне випромінювання, тобто перехід на порожній нижній рівень, має довжину хвилі 1,06 мкм.
Т-лазер. У багатьох практичних додатках важливу роль відіграє СO 2-лазер, в якому робоча суміш знаходиться під атмосферним тиском і збуджується поперечним електричним полем (Т-лазер). Оскільки електроди розташовані паралельно осі резонатора, для отримання більших значень напруженості електричного поля в резонаторі потрібні порівняно невеликі різниці потенціалів між електродами, що дає можливість працювати в імпульсному режимі при атмосферному тиску, коли концентрація CO 2 в резонаторі велика. Отже, вдається отримати велику потужність, що досягає зазвичай 10 МВт і більше в одному імпульсі випромінювання тривалістю менше 1 мкс. Частота повторення імпульсів у таких лазерах становить зазвичай кілька імпульсів в хвилину.
Газодинамічні лазери. Нагріта до високої температури (1000-2000 К) суміш CO 2 і N 2 при закінченні з великою швидкістю через розширюється сопло сильно охолоджується. Верхній і нижній енергетичний рiвнi при цьому термоізолююча з різною швидкістю, в результаті чого утворюється інверсна заселеність. Отже, утворивши на виході з сопла оптичний резонатор, можна за рахунок цієї інверсної заселеності генерувати лазерне випромінювання. Діючі на цьому принципі лазери називаються газодинамічними. Вони дозволяють отримувати дуже великі потужності випромінювання в безперервному режимі.
Лазери на барвниках. Барвники є дуже складними молекулами, у яких сильно виражені коливальні рівні енергії. Енергетичні рівні в смузі спектра розташовуються майже безперервно. Внаслідок внутрішньомолекулярного взаємодії молекула дуже швидко (за часи порядку 10 -11 -10 -12 с) переходить безвипромінювальної на нижній енергетичний рівень кожної смуги. Тому після порушення молекул через дуже короткий проміжок часу на нижньому рівні смуги Е 1 зосередяться всі збуджені молекули. Вони далі мають можливість зробити випромінювальний перехід на будь-який з енергетичних рівнів нижньої смуги. Таким чином, можливо випромінювання практично будь-якої частоти в інтервалі, відповідному ширині нульової смуги. А це означає, що якщо молекули барвника взяти в якості активної речовини для генерації лазерного випромінювання, то в залежності від налаштування резонатора можна отримати практично безперервну перебудову частоти генерованого лазерного випромінювання. Тому на барвниках створюються лазери з перебудовуваною частотою генерації. Накачування лазерів на барвниках проводиться газорозрядними лампами або випромінюванням інших лазерів.
Виділення частот генерації досягається тим, що поріг генерації створюється тільки для вузької області частот. Наприклад, положення призми і дзеркала підбираються так, що в середу після відбиття від дзеркала завдяки дисперсії і різних кутах заломлення повертаються лише промені з певною довжиною хвилі. Тільки для таких довжин хвиль забезпечується лазерна генерація. Обертаючи призму, можна забезпечити безперервну перебудову частоти випромінювання лазера на барвниках. Генерація здійснена з багатьма фарбниками, що дозволило отримати лазерне випромінювання не тільки в усьому оптичному діапазоні, а й на значній частині інфрачервоної та ультрафіолетової частини спектру.
Напівпровідникові лазери. Основним прикладом роботи напівпровідникових лазерів є магнітно-оптичний накопичувач (МО).
Принципи роботи МО накопичувача.
МО накопичувач побудований на поєднанні магнітного і оптичного принципу зберігання інформації. Записування інформації виробляється з допомогою променя лазера і магнітного поля, а зчитування за допомогою одного тільки лазера.
У процесі запису на МО диск лазерний промінь нагріває певні точки на диски, і під впливом температури опірність зміни полярності, для нагрітої точки, різко падає, що дозволяє магнітному полю змінити полярність точки. Після закінчення нагрівання опірність знову збільшується. Полярність нагрітої точки залишається відповідно з магнітним полем, застосованим до неї в момент нагрівання.
У наявних на сьогоднішній день МО накопичувачах для записи інформації застосовуються два цикли: цикл стирання і цикл запису. У процесі стирання магнітне поле має однакову полярність, відповідну двійковим нулях. Лазерний промінь нагріває послідовно весь стирається ділянку і таким чином записує на диск послідовність нулів. У циклі запису полярність магнітного поля змінюється на протилежну, що відповідає двійкової одиниці. У цьому циклі лазерний промінь включається тільки на тих ділянках, які повинні містити виконавчі одиниці, залишаючи ділянки з двійковими нулями без змін.
У процесі читання з МО диска використовується ефект Керра, що полягає у зміні площині поляризації відбитого лазерного променя, в залежності від напрямку магнітного поля відбиває елемента. Відбиваючим елементом у даному випадку є намагнічена під час запису точка на поверхні диска, відповідна одному біту інформації, що зберігається. При зчитуванні використовується лазерний промінь невеличкий інтенсивності, що не приводить до нагрівання зчитуваного ділянки, таким чином при зчитуванні збережена інформація не руйнується.
Такий спосіб на відміну від звичайного застосовуваного в оптичних дисках не деформує поверхню диска і дозволяє повторну запис без додаткового обладнання. Цей спосіб також має перевагу перед традиційною магнітної записом у плані надійності. Так як перемагнічеванііе ділянок диска можливо тільки під дією високої температури, то ймовірність випадкового перемагнічеванія дуже низька, на відміну від традиційної магнітного запису, до втрати якої можуть призвести випадкові магнітні поля.