Основные сведения о газовых лазерах, характеристиках и метрологии их излучения
В создании лазеров определяющую роль сыграли работы советских ученых под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и американских – под руководством Ч. Таунса. Признанием этого факта является присуждение Нобелевской премии по физике за 1964 г. По Г. Басову и А. М. Прохорову совместно с Ч. Таунсом за основополагающие работы в области квантовой радиофизики, которые привели к созданию генераторов и усилителей в радио и оптическом диапазоне волн.
История лазеров начинается с 1917 г., когда А. Эйнштейн впервые предсказал существование индуцированного (вынужденного) излучения и указал на его когерентность вынуждающему излучению. В 1939 г. советским физиком В. А. Фабрикантом указано на возможность использования индуцированного излучения для усиления электромагнитных волн при их прохождении через вещество. В начале 50-х годов независимо в СССР и США была высказана идея практического использования индуцированного излучения, идея нового способа усиления и генерации электромагнитных «волн путем когерентного индуцированного излучения квантовых систем. Первым прибором явился молекулярный генератор сантиметровых радиоволн. Распространение этого способа генерации электромагнитных волн на оптический диапазон привело к созданию оптических квантовых генераторов или лазеров. Первый лазер, рабочим веществом которого служил кристалл искусственного рубина, был создан в 1960 г. Р. Мейманом.
В том же году Д. Джаван с сотрудниками сконструировал первый газовый лазер на основе гелия и неона. Через два года были созданы первые полупроводниковые лазеры. Начались интенсивные исследования по поиску новых активных веществ для лазеров и изучению процессов генерации в них.
Разнообразие активных сред и методов преобразования энергии в лазерное излучение в настоящее время привело к появлению многочисленных типов лазеров. Диапазон длин волн, в котором излучают лазеры, простирается от десятков нанометров до сотен микрометров. Проводятся исследования по созданию лазеров рентгеновского и гамма-диапазонов.
Лазерное излучение обладает рядом свойств, отличающих его от любых других (естественных или искусственных) источников света. Оно характеризуется высокой монохроматичностью, когерентностью, малой расходимостью, высокой энергией и плотностью мощности, в большинстве случаев является поляризованным. Коротко остановимся на каждом из перечисленных свойств.
Монохроматичность определяет диапазон частот, в пределах которого осуществляется лазерное излучение.
Когерентность излучения определяет согласованность между фазами электромагнитной волны, составляющей излучение. Эта согласованная регулярность вызваны тем обстоятельством, что вынужденное возникающее в процессе генерации, оказывается в фазе с вынуждающим излучением. Лазерное излучение обладает временной и пространственной когерентностью. Существует прямая связь между монохроматичностью излучения и степенью его временной когерентности. Так, длина когерентной волны L связана с шириной линии излучения.
Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью. Для количественной оценки направленности используют угловую расходимость, под которой понимают телесный угол, в пределах которого распространяется излучение. Угловая расходимость лазерного излучения ограничивается дифракцией когерентных волн на зеркале резонатора. Теоретический угол расходимости излучения определяется известной формулой. Так, для газовых лазеров расходимость составляет единицы угловых минут.
Поляризация излучения большинства лазеров определяет закономерность изменения электрического вектора излучения в данной точке пространства с течением времени. Большинство газовых лазеров имеют активные элементы с выходными окнами, ориентированными под углом Брюстера В этом случае излучение поляризовано линейно, а степень поляризаций близка к 100%.
Наиболее распространенными типами лазеров являются газовые, твердотельные, полупроводниковые и лазеры на красителях. Любой лазер включает в себя активное вещество, обладающее способностью находиться состоянии инверсной населенности, оптический резонатор, обеспечивающий обратную связь, и источник энергии возбуждения. Физические принципы работы лазеров всех типов в целом остаются одними и теми же. Однако в зависимости от активного вещества, способа возбуждения, особенностей оптического резонатора лазеры обладают определенными свойствами.
Рассмотрим принципиальные особенности механизма генерации конструкции гелий-неонового лазера – первого представителя газовых лазеров, нашедшего наибольшее применение в клинической медицине в терапевтических целях (рис. 2).
Рис. 2. Схема гелий-неонового лазера с внешними зеркалами: 1 – анод; 2 – катод; 3 - зеркала-резонаторы; 4 – выходные окна; 5 – газоразрядная трубка; 6 – источник питания
Основными элементами лазера являются газоразрядная трубка, содержащая активное вещество, оптический резонатор 3 и источник излучения.
Газоразрядная трубка содержит анод 1 и катод 2 и наполнена смесью гелия и неона примерно в отношении от 9:1 до 7:1. Разрядная трубка ограничена с торцов плоскими окнами, ориентированными под углом Брюстера к ее оси, и помещена между зеркалами, образующими внешний резонатор. Зеркала резонаторов представляют собой плоскую и сферическую пластины, изготовленные из оптического стекла, с нанесенным на них отражающим покрытием. Для стабилизации расположения трубки и зеркал используется жесткая арматура резонаторов. Для возбуждения активной среды лазера, как правило, используется тлеющий разряд, осуществляемый в трубке постоянным током.
В электрическом разряде протекают физические процессы, обеспечивающие инверсию населенностей между рядом энергетических уровней атомов неона (рис. 3), который является рабочим веществом гелий-неонового лазера.
Рис. 3. Схематическое изображение энергетических уровней гелия и неона
Так, часть атомов неона переходит с основного уровня Ei на долгоживущие возбужденные уровни Es и Е4. С другой стороны, атомы гелия возбуждаются и переходят из основного состояния Ei в метастабильные состояния Е2 и Ез, энергетически близких соответственно к уровням Е4 и Е5 с атомами неона. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с частицами неона в основном состоянии последние переходят в возбужденные состояния Е4 и Е5. Таким образом, происходит дополнительное заселение верхних лазерных уровней атома неона. При переходе с этих уровней на уровень Ез происходит излучение в красной (632,8 нм) и инфракрасной (1153,0 нм) областях спектра. Стационарная инверсия населенностей, возникающая между уровнями неона, обеспечивает условия для непрерывной генерации когерентного излучения.
Так как при однократном прохождении излучения в активной среде оно усиливается значительно, используют оптический резонатор, создающий условия для самовозбуждения и поддержания генерации. Зеркала резонатора обеспечивают высокое отражение в определенном участке оптического диапазона тем самым определяют генерацию света в том или ином участке. В гелий-неоновом лазере существует значительно больше лазерных периодов, чем это изображено на рис. 3. Всего в неоне стимулированное излучение наблюдалось более чем на 130 линиях. Наибольшее распространение получили гелий-неоновые лазеры с длиной волны генерации 632,8 нм. Гелий-неоновые лазеры относятся к лазерам малой мощности. Максимальная мощность излучения обычно не превышает 50 мВт, основная часть этих лазеров имеет мощность 0,5-5 мВт. Увеличение мощности в некоторых конструкциях достигается параллельным включением газоразрядных трубок. На практике одновременно используют несколько лазеров.
Промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры разных модификаций (табл. 1).
Газовые лазеры шире, чем другие, используются в биологических и медицинских исследованиях в терапевтических целях. Обусловлено это тем, они работают в широком диапазоне длин волн как в импульсном, так и непрерывном режимах. Кроме того, для газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность, направленность и когерентность излучения в видимой ультрафиолетовой областях спектра. Важную роль в дальнейшем целенаправленном внедрении лазеров в терапевтических целях играет исследование биологической активности лазерного излучения различного спектрального диапазона. Особое внимание при этом, вероятно, должно быть уделено лазерному УФ-излучению видимого и ближнего инфракрасного участков спектра, так как спектры поглощения большинства биологически активных соединениях приходятся на эту область.
Между тем в настоящее время созданы газовые лазеры с достаточными энергетическими характеристиками, излучение которых практически перекрывает указанный диапазон длин волн (А. М. Прохоров, 1978). К лазерам, работающим с высокой частотой следования импульсов генерации, относятся в УФ-области спектра лазер на парах золота (312,3 нм), на парах азота (337,1 нм), гелий-кальциевый (370,6 нм) и гелий-кадмиевый лазеры (325,0 нм). Последний работает в непрерывном режиме.
На фиолетовую область спектра приходится излучение гелий-стронциевого мазера (416,2 и 430,5 нм) (В. В. Жуков и др., 1977), работающего в импульсном режиме с высокой частотой следования импульсов.
В синей области спектра работают гелий-кадмиевый (441,6 нм), гелий- селеновый (460,0 нм), ксеноновый (460,3 нм) и аргоновый лазеры (488,0 нм).
На зеленую область спектра приходится излучение лазера на парах меди (510,5 нм) (Г. Г. Петраш, 1971; Г. Я. Власов и др., 1982), аргонового (514,5 нм) и ксенонового (535,3 нм) лазеров (С. Г. Рябов и др., 1976).
В желтой области спектра излучает лазер на парах меди (578,2 нм), в оранжевой – лазер на парах ртути (615,0 нм).
В красной области спектра работают лазер на парах золота (627,8 нм) (Г. Г. Петраш, 1971), гелий-неоновый (632,8 нм) и криптоновый (647,1 нм) лазеры, в ближней инфракрасной области – лазер на парах свинца (722,9 нм) (Г. Я. Власов и др., 1982).
Перечисленные лазеры являются газоразрядными по способу возбуждения активной среды и обладают мощностью, достаточной для терапевтических применений.
Все лазеры отличаются друг от друга энергетическими характеристиками. Биологическая эффективность излучения конкретного лазера детерминирована режимом работы (непрерывный или импульсный) и мощностью или энергией излучения. Работа лазера в непрерывном режиме определяется мощностью излучения, т. е. энергией излучения W в единицу времени, а лазера, работающего в импульсном режиме, – энергией и мощностью в импульсе. Для лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов.
Важными параметрами в терапевтическом применении лазеров являются время и доза облучения. Так, для рассматриваемого гелий-неонового лазера при мощности 50 мВт и экспозиции в 1 мин энергия на одно поле составляет 3 Дж. Очевидно, что для сопоставления результатов исследований большую информацию давали бы сведения о поглощенной объектом энергии излучения. Однако даже качественные оценки этой величины на практике провести затруднительно из-за специфики облучаемых объектов и условий исследований. Использование световодов и оптических систем для подведения лазерного излучения к объекту приводит к потере мощности. В силу этого оценку энергетических параметров излучения следует производить на выходе световодов и узлов оптической системы.
Большое значение в развитии терапевтического применения лазеров в медицине играет измерение энергетических параметров лазерного излучения. Регистрацию мощности низкоэнергетических лазеров осуществляют с помощью тепловых и фотоэлектрических измерителей мощности. Представителем тепловых измерителей, используемых на практике, является измеритель мощности типа ИМО-2. По сравнению с тепловыми фотоэлектрические приборы требуют значительно меньше времени для проведения измерения. В качестве примера следует отметить индикатор мощности и плотности мощности излучения ИПМ-1, которым комплектуется лазерная терапевтическая установка УЛФ-01 «Ягода».
Светочувствительным элементом индикатора служит фотодиод. Достоинством этого измерителя является возможность производить непосредственную оценку плотности мощности излучения для диаметра лазерного пучка.
Физиологическим эффектам излучения ГНЛ посвящено большое количество публикаций как клинического, так и экспериментального профиля. Результаты исследований позволяют сделать ряд предположений о механизмах стимулирующего действия излучения гелий-неонового лазера на процессы жизнедеятельности биологических объектов.
