Вопрос 4. 5 минут. Рубиновый лазер.

Первый квантовый генератор света был создан в 1961 г. Мейманом (США) на рубине. Рубин - кристалл, основой которого является корунд, т.е. кристалл окиси алюминия - Аl₂O₃. В нем небольшая часть атомов алюминия (0,05%) замещена ионами хрома. Эти ионы и играют основную роль в работе квантового генератора. Упрощенная система энергетических уровней иона хрома показана на рис.7. В этой системе рабочим переходом, приводящим к излучению, является переход 2  1.

E₃

3

E₂

2

Рис. 7.

E₁

1

Надо отметить, что для получения инверсии недостаточно использовать только 2 уровня энергии атомной системы, излучательные переходы между которыми определяют генерацию. Для создания инверсной заселенности этих уровней необходимо воспользоваться и другими, вспомогательными. При этом различают трех- и четырех- уровневые системы. Рубиновый ОКГ относится к 3-х уровневым системам. Рассмотрим принцип создания инверсии в этом случае. За счет внешнего источника излучения подходящей частоты (импульсной газоразрядной лампы) ионы хрома переводятся в энергетическое состояние E₃. Их время жизни в этом состоянии много меньше времени жизни на уровне E₂, и они относительно быстро, безизлучательным путем, отдав излишек энергии кристаллической решетке, переходят в состояние E₂, накапливаясь там. Так создается инверсия населённости, приводящая к выполнению основного условия, необходимого для возникновения усиления (n₂n₁). Затравочный квант спонтанного излучения вызывает последующую генерацию. Коэффициент полезного действия (КПД) рубинового лазера не высок и составляет проценты.

Вопрос 5. 5 минут. Молекулярный лазер на двуокиси углерода (co2-лазер).

СО₂-лазер принадлежит к числу ОКГ на разрядных газовых активных средах, возбуждаемых электрическим разрядом (за счет энергии электронов). СО₂-лазер позволяет получить высокую мощность генерации и непрерывном режиме (до 10 кВт) и характеризуется относительно высоким КПД (до 40%). Активная среда СО₂-лазера - газовая смесь, состоящая, главным образом, из двуокиси углерода и азота. Источник излучения - молекулы СО₂, излучающие на переходах между колебательными уровнями основного электронного состояния. Азот играет роль буферного газа, молекулы которого, легко возбуждаясь, резонансно передают энергию возбуждения молекулам СО₂.

Вопрос 6. 9 минут.

Биофизические основы действия лазерного излучения на организм. Использование низкоинтенсивных лазеров в медицине.

При взаимодействии лазерного излучения с биотканью происходят процессы отражения, поглощения и рассеяния света. Поверхность биологической ткани отражает от 20 до 50 % лазерного излучения. Энергия поглощенного лазерного излучения трансформируется в биологической ткани в другие виды энергии: тепловую, энергию излучения (люминесценции), электрическую (электрический ток) и т. д. Характер взаимодействия света с тканью зависит от свойств света (его спектрального состава, поляризации, интенсивности, степени когерентности и направления распространения), от свойств биологической ткани (ее внутренней структуры). Значительное влияние на процесс поглощения света в ткани способны оказывать внешние условия: температура, механическое давление, электрическое и магнитное поля.

Лазерное излучение способно разрушать слабые ионные и ион-дипольные связи в молекулах и комплексах и создавать свободные ионы.

В процессе поглощения лазерного излучения в биоткани возникает внутренний фотоэффект, увеличивается концентрация свободных носителей заряда, возрастает величина электропроводности. Если в приповерхностных слоях биообъектов поглощается больше фотонов, чем во внутренних, то при определенных условиях возникает фотоэлектродвижущая сила, направленная к поверхности. От поверхности вглубь ткани начинает протекать фототок, величина которого зависит от мощности излучения. Возрастание концентрации свободных носителей - электронов- косвенным образом влияет на величины диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости биоткани.

При совместном воздействии на биоткань лазерного излучения и магнитного поля наблюдается эффект Кикоина-Носкова. На возникающий в ткани фототок, направленный перпендикулярно приложенному магнитному полю, действует магнитное поле, что приводит к образованию фотоэлектродвижущей силы в несколько десятков вольт. Возникающие при этом ионы разносятся магнитным полем, не рекомбинируя, и выстраиваются в виде диполей вдоль силовых линий магнитного поля. В случае направления силовых линий магнитного поля вглубь биоткани, большая часть ионов и поляризованных молекул выстраиваются вглубь ткани, что существенно увеличивает глубину воздействия светового потока. Т. о. при совместном воздействии лазерного излучения и магнитного поля на ткань единицей объема ткани усваивается большее количество энергии. Эти данные лежат в основе методов магнитолазерной терапии.

В основе молекулярного механизма биологической активности низкоинтенсивного лазерного излучения лежат фотохимические эффекты взаимодействие излучения с биомолекулами и более сложными структурными компонентами клетки и явления, приводящие к изменению пространственной структуры макромолекул, мембран. Фотофизическая природа изменений пространственной структуры компонентов клетки заключается в переориентации отдельных упорядоченных анизотропных участков молекул и мембран (доменов). Предполагают, что данный эффект обусловлен не поглощением света, а вследствие действия вектора Е световой волны на индуцированный этой же световой волной интегральный диполь домена.

Существуют и иные точки зрения на механизм действия низкоинтенсивного лазерного излучения. Так, в красной области спектра, в области излучения полупроводниковых и газовых лазеров, лежит полоса поглощения фермента каталазы. Повышение активности каталазы в результате облучения лазером положительно влияет на антиоксидантную систему организма с последующими физиологическими эффектами.

Механизм действия ИК-лазеров связан не столько с фотохимическими превращениями молекул, сколько с повышением амплитуды тепловых колебаний молекул биотканей. Так, ИК-излучение вызывает тепловое расширение цитоплазматической мембраны.

Согласно имеющимся данным, низкоинтенсивному лазерному излучению, присущи следующие терапевтические эффекты: трофикорегенераторный, противовоспалительный, противоотечный, анальгетический, иммунномодулирующий, десенсибилизирующий и бактерицидный. Лазеры используются при лечении деструктивных форм острого холецистита, хронических неспецифических заболеваний легких (бронхиты, пневмония, бронхиальная астма), остеоартроза, постравматической артропатии, трофической язвы, атеросклероза, язвенной болезни желудка, хронических гепатитов, а также в целях воздействия на метаболические и репаративные процессы для профилактики послеоперационных осложнений.

Наиболее распространенными способами облучения лазером являются чрескожное облучение участка тела (рана, рефлесогенная зона, биологически активная точка, полость рта и задней части глотки, область проекции внутреннего ограна) и внутривенное облучение крови пациента. Количество процедур варьируется от 2-5 до 10-15. Практикуется магнитолазерное облучение через 2-3 слоя марли или даже одежду пациента.