Radiația laser și efectul acesteia asupra oamenilor. Efectele pozitive și negative ale radiației laser asupra corpului uman Cum afectează un fascicul laser aura umană

Laserul este considerată una dintre cele mai ideale viziuni ale lui Albert Einstein. El a insistat activ că atomii pot emite lumină. Această teorie a fost confirmată o jumătate de secol mai târziu, când Prokhorov și Basov au inventat un generator cuantic. Laserul este capabil să producă radiații speciale. ÎN lumea modernă sunt utilizate pe scară largă în medicină, în diverse domenii ale tehnologiei, în spectacole și spectacole de scenă. În ciuda popularității sale nebunești, este important să înțelegem ce efect are asupra corpului uman.

Specificitatea radiațiilor

Radiația laser este creată în atomi, la fel ca lumina simplă. Cu toate acestea, acest lucru necesită procese fizice speciale, datorită cărora are loc influența necesară a unui câmp extern – electromagnetic. De aceea radiațiile sunt considerate a fi stimulate, forțate. Pentru a-și măsura puterea, se folosește un dispozitiv special - un contor este folosit pentru aceasta.

Cu cuvinte simple, radiația laser este unde electromagnetice care se propagă paralel unele cu altele. De aceea, fasciculul laser are o focalizare ascuțită, un unghi de împrăștiere foarte mic și, de asemenea, o intensitate crescută de influență asupra suprafeței care este expusă la iradiere.

Cum diferă radiația laser de cea obținută de la o lampă? Trebuie remarcat faptul că laba de acumulare este considerată o sursă de lumină artificială care produce unde electromagnetice, care este diferită de lumina laser. Unghiul de propagare în domeniul spectral este de trei sute șaizeci de grade.

Efectul laserului asupra corpului uman

Din cauza diverse utilizări generator cuantic, mulți oameni de știință și medici au decis să studieze radiația laser, precum și efectul acesteia asupra corpului uman. Datorită numeroaselor experiențe, munca stiintifica, a devenit cunoscut faptul că radiația laser are următoarele proprietăți:

• în procesul de interacțiune cu o sursă de astfel de radiații, instalația și razele reflectate pot acționa ca un factor dăunător;
• severitatea leziunii este direct legată de parametrii de localizare a radiațiilor și a undelor electromagnetice;
• energia care este absorbită de astfel de țesuturi provoacă o listă de efecte negative, nocive, și anume lumina, căldura și altele.

În momentul acțiunii biologice a unei astfel de radiații, daunele au loc într-o anumită secvență:

• Temperatura corpului crește brusc, ceea ce este însoțit de arsuri.
• Apoi lichidul interstițial, celular fierbe.
• Aburul care se formează în urma unui astfel de proces exercită o presiune incredibilă, așa că totul se termină cu o explozie, un fel de undă de șoc care distruge țesutul.

Radiațiile de intensitate scăzută și medie au un efect dăunător asupra pielii. Dacă apar radiații mai grave, deteriorarea se manifestă prin umflarea pielii, necroza unor părți ale corpului și hemoragie. În ceea ce privește țesuturile interne, acestea sunt foarte transformate. Pericolul principal provine din radiația directă reflectată specular. Acest proces provoacă schimbări serioase în munca tuturor sisteme interne, organe.

Organele de vedere care suferă cel mai mult sunt ochii, motiv pentru care atunci când lucrați cu un laser este necesar să purtați ochelari speciali de protecție.

Laserul generează impulsuri scurte de radiații care provoacă leziuni severe corneei și retinei, cristalinului și irisului.

Există trei motive principale pentru astfel de fenomene:

• În scurta perioadă de timp în care radiația laser este declanșată, reflexul clipit nu are timp să se declanșeze la timp.
• Corneea și membrana sunt considerate cele mai vulnerabile.
• Efectele nocive sunt cauzate de sistemul optic al ochiului, care concentrează radiația pe fundul ochiului. Punctul laser lovește vasele retiniene, înfundându-l. Având în vedere că acolo nu există receptori responsabili de durere, afectarea retinei este aproape invizibilă. Dacă partea arsă a ochiului devine mare, imaginile obiectelor care cad pe ea pur și simplu se evaporă.

Semne caracteristice de afectare a organelor de vedere:

• există hemoragie în țesut;
• umflarea pleoapelor;
• senzații dureroase în ochi;
• tulburare, imagine neclară;
• spasme ale pleoapelor.

Ca urmare a unor astfel de daune, este imposibil să restabiliți celulele retiniene! Puterea radiațiilor care provoacă leziuni oculare este mai mare decât nivel scăzut, ceva iradiat care afectează pielea. Principalul pericol este reprezentat de toate laserele cu infraroșu. În plus, toate dispozitivele care produc radiații cu spectru vizibil cu un nivel de putere mai mare de 5 mW sunt extrem de periculoase pentru oameni!

Metode de bază de protecție la locul de muncă

Majoritatea oamenilor se vor gândi imediat că vor avea nevoie doar de ochelari de protecție cu laser, dar nu vor fi suficienți. Având în vedere că mulți oameni lucrează în întreprinderi cu generatoare cuantice, este important să cunoaștem principalele reglementări și standarde privind protecția împotriva unei astfel de expuneri. Acestea constau în protecție individuală, generală, deoarece totul depinde de gradul de pericol pe care îl prezintă instalația laser.

Există patru grupuri de pericol despre care producătorul trebuie să le avertizeze. Acele lasere care sunt incluse în al doilea, al treilea și al patrulea grup sunt periculoase pentru corpul uman. Mijloacele colective de protecție includ carcase, ecrane de protecție și ghidaje de lumină, blocare și alarme, metode de urmărire telemetrică, îngrădirea zonei cu radiații care depășesc norma admisă.

În ceea ce privește protecția personală a lucrătorilor, aceștia trebuie să fie prevăzute cu îmbrăcăminte specială. În ceea ce privește ochii, veți avea nevoie de ochelari de protecție cu un strat special. Punctele vă vor ajuta să reduceți nivelul impact negativ, păstrează vederea și sănătatea ochilor. Prevenirea ideală a unei astfel de expuneri este o vizită modernă la medic, respectarea tuturor regulilor de siguranță.

Este important să purtați întotdeauna ochelari de protecție și îmbrăcăminte de protecție, astfel vă puteți proteja pe voi și sănătatea de probleme.

Măsuri de protecție împotriva gadgeturilor laser

Cazurile au devenit mai frecvente atunci când oamenii folosesc lămpi, lasere de casă, lanterne cu laser și indicatori de lumină în viața de zi cu zi fără un control special, fără a înțelege pericolul pe care îl reprezintă. Chiar și atunci când le folosiți, trebuie să purtați ochelari de protecție. Pentru a preveni consecințele triste, este important să vă amintiți întotdeauna:

• purtați ochelari de protecție;
• Deosebit de periculoase sunt acele raze care sunt reflectate de catarame, sticlă și obiecte;
• ochelarii de protecție trebuie să fie potriviți pentru lungimea de undă a tuturor radiațiilor de la laser;
• Te poți „juca” cu un laser acolo unde nu sunt oameni;
• dacă un fascicul de intensitate scăzută lovește ochii unui atlet, pilot sau șofer, poate apărea o tragedie;
• depozitarea unor astfel de gadgeturi la îndemâna copiilor și adolescenților;
• Nu priviți în lentilă, care este o sursă de radiații.

Merită să ne amintim că gadgeturile laser și generatoarele cuantice pot reprezenta o amenințare imensă pentru alții, precum și pentru proprietarii lor. Respectarea atentă a regulilor de siguranță vă va menține în siguranță. Ochelarii de protecție nu sunt un accesoriu, ci o protecție fiabilă și eficientă.

Beneficiile radiațiilor de joasă intensitate

În dermatologia și cosmetologia modernă, radiațiile laser de intensitate scăzută sunt deosebit de populare. În procesul de expunere la astfel de radiații asupra corpului uman, pot fi observate transformări pozitive:

• toate procesele inflamatorii care apar în organism sunt eliminate;
• îmbătrânirea celulelor și a țesuturilor încetinește;
• imunitatea generală și locală este întărită;
• apare efect antibacterian;
• elasticitatea pielii crește;
• stratul epidermic se îngroașă;
• dermul este reconstruit;
• numărul de glande sebacee și sudoripare crește datorită normalizării activității lor complete;
• se înregistrează acumularea de grăsime, crește masa musculară, datorită proceselor metabolice îmbunătățite;
• din cauza alimentatie bunațesuturi și celule, circulație sanguină crescută, se observă creșterea activă a părului.

Un astfel de efect pozitiv este posibil datorită tratamentului pe termen lung și sistematic. Primul rezultat se observă după trei ședințe, dar în general sunt necesare cel puțin 10-30 de terapii. Pentru a consolida rezultatele, prevenirea se efectuează de trei ori pe an timp de 10 ședințe.

Măsurarea puterii radiațiilor

În ceea ce privește energia și puterea radiațiilor, acestea sunt complet diferite, dar cantități interconectate se numesc parametri energetici. Se efectuează măsurarea energiei, puterii căi diferite, precum și cele utilizate în gama de microunde. Veți avea nevoie de un contor special.

Contorul de putere este după cum urmează:

• Contor de putere cu laser fotoelectric. Aproape fiecare fotodetector care are un semnal de ieșire proporțional cu fluxul incident va permite măsurarea puterii din radiația continuă. În acest scop, veți avea nevoie de un fotodetector cu semiconductor.
• Contor de putere mare de radiație. În acest scop vor fi necesare efecte în cristale. De exemplu, un contor de energie feroelectric. Când razele cad pe ea, o tensiune poate fi văzută pe un cristal sau rezistor special, care poate fi măsurată. Titanatul de bariu sau plumb poate acționa ca un feroelectric. Acest contor este foarte eficient.
• Contor de putere cu efect electro-optic invers. Când radiația monocromatică atinge un cristal, are loc polarizarea. Când un astfel de cristal este plasat într-un condensator special, este posibil să se măsoare puterea care este asociată cu o tensiune specială.

Contorul va ajuta la determinarea puterii radiației laser. Este important să rețineți că atunci când lucrați cu lasere, în special în producția mare, trebuie respectate toate măsurile de siguranță posibile. Nu uitați să purtați ochelari și îmbrăcăminte speciale.

Proprietățile radiației laser îi permit să fie utilizat în diferite domenii ale vieții umane. În medicină și cosmetologie, laserele sunt folosite pentru a trata un număr mare de boli și defecte estetice.

Folosind un bisturiu de tip laser, medicul creează incizii fără sânge, care sunt asigurate de lipirea instantanee a capilarelor și a vaselor de sânge. În plus, folosind astfel de instrumente, un specialist are posibilitatea de a vedea întreaga zonă de lucru. Raza laser taie pielea de la distanta, fara contact direct cu vasele de sange si organele.

În acest caz, se obține sterilitatea. Concentrația mare a laserului face posibilă efectuarea intervențiilor chirurgicale cu traumatisme minime. Pacienții își revin mult mai repede după astfel de operații, adică capacitatea de muncă revine mult mai repede. În plus, manipulările cu bisturiul laser nu provoacă niciun disconfort după operație.

Dezvoltarea tehnologică activă a extins semnificativ posibilitățile de utilizare a radiațiilor laser. Oamenii de știință au descoperit un efect pozitiv asupra stării pielii. Din acest motiv, laserele sunt adesea folosite astăzi în dermatologie și cosmetologie.

Reacția și gradul de absorbție a razelor de către piele depind de tipul acesteia. Dispozitivele laser vă permit să reglați lungimea părului pentru fiecare situație individuală. Aplicație:

Una dintre primele industrii în care laserele au început să fie utilizate în mod activ a fost oftalmologia. Microchirurgia oculară distinge următoarele zone în care este utilizat acest tip de iradiere:

Printre altele, laserul este folosit și pentru patologiile oncologice ale pielii. Demonstrează rezultate foarte bune în eliminarea melanoblastomului. În unele cazuri, tehnologia laser este utilizată pentru a trata cancerul gastrointestinal în stadiu incipient. Cu toate acestea, laserul nu este eficient în prezența metastazelor și a localizării profunde a tumorii maligne.

Pericol pentru organism

Impactul negativ al radiațiilor laser asupra corpului uman a fost dovedit de mult. Iradierea poate fi reflectată, difuză și directă. Efectul dăunător se datorează proprietăților termice și luminoase ale laserului. Intensitatea leziunii este determinată de nivelul de absorbție tisulară, lungimea de undă și zona vizată.

Globii oculari pot suferi mai mult decât alte părți ale corpului din cauza laserului. Corneea este extrem de sensibilă, așa că se arde cu ușurință. Consecințele includ o scădere bruscă a funcției vizuale sau orbire absolută. Sursele de radiații sunt de obicei emițători laser cu infraroșu. Dacă cristalinul, corneea, retina sau irisul sunt deteriorate de un fascicul laser, pot fi observate următoarele simptome:

• spasme și durere în globul ocular;
• opacizarea cristalinului ochiului;
• hemoragii și umflarea pleoapelor.

Pielea umană este, de asemenea, vulnerabilă. În punctul de contact cu fasciculul laser, temperatura crește. Fluidele interstițiale și intracelulare încep să fiarbă rapid și să se evapore. Pe piele apare roșeață. După ceva timp, pe zona arsă pot apărea zone moarte. Cu o expunere puternică, pielea se carbonizează aproape instantaneu. Cel mai caracteristica principală arsură cu laser - contururi stricte ale leziunii, iar bulele nu se formează sub epidermă, ci în ea.

Un laser cu infraroșu poate afecta nu numai pielea, ci și organele interne, deoarece pătrunde în țesuturi. O arsură profundă se caracterizează printr-o secvență de țesut deteriorat și sănătos. La început, după efectele nocive, o persoană nu are niciun disconfort sau durere. Ficatul este considerat cel mai vulnerabil organ intern.

În plus, efectul laserului asupra corpului uman provoacă tulburări ale sistemului cardiovascular și ale sistemului nervos central (cardiovascular și central). sistem nervos respectiv). Victima poate prezenta transpirație abundentă, lentă ritm cardiac, creșterea presiunii și o senzație de iritabilitate.

Măsuri de protecție și precauție

Grupul de risc include persoane a căror activitate implică utilizarea generatoarelor cuantice. Standardele sanitare împart pericolul radiației laser în patru clase. Toate clasele, cu excepția primei, pot reprezenta un pericol pentru corpul uman. Opțiunile tehnice de protecție includ:

• amenajarea competentă a spațiilor industriale și alegerea corectă a placajului intern (laserul nu trebuie reflectat de suprafețe);
• instalarea rațională a dispozitivelor emițătoare;
• îngrădirea zonei care este expusă la iradiere;
• respectarea cerințelor de operare și întreținere a sistemelor laser.

Alte măsuri de protecție sunt individuale. Implică utilizarea ochelarilor de protecție, a îmbrăcămintei de protecție, a ecranelor, a carcasei, a prismelor și a lentilelor.

Utilizarea laserelor în uz casnic poate reprezenta, de asemenea, un pericol pentru corpul uman. Nerespectarea instrucțiunilor poate duce la consecințe foarte triste. Protecția în acest caz implică următoarele recomandări:

Un laser poate avea un efect mecanic, fotochimic, energetic sau termic. Aceasta depinde de tipul de emițător utilizat. Radiația laser directă este considerată cea mai periculoasă, deoarece are intensitate maximă. Când vă gândiți dacă un laser este dăunător sănătății, ar trebui să vă amintiți că utilizarea irațională a dispozitivelor laser de casă, a lanternelor sau a semnalelor luminoase poate provoca daune nu numai proprietarului, ci și altora.

Laserele și radiațiile de la acestea au fost folosite de omenire de ceva timp. Pe lângă mediul de operare medical, astfel de dispozitive sunt utilizate pe scară largă în industriile tehnice. Au fost adoptate de specialiști din domeniul decorațiunii și creației de efecte speciale. Acum nici un spectacol la scară largă nu este complet fără o scenă cu fascicule laser.

Puțin mai târziu, astfel de radiații au încetat să ia doar forme industriale și au început să fie găsite în viața de zi cu zi. Dar nu toată lumea știe cum se reflectă efectul radiațiilor laser asupra corpului uman în timpul iradierii regulate și periodice.

Ce este radiația laser?

Radiația laser este generată conform principiului creării luminii. În ambele cazuri, se folosesc atomi. Dar în situația cu lasere sunt prezente și alte procese fizice, iar influența energiei electrice poate fi urmărită. camp magnetic tip extern. Din această cauză, oamenii de știință numesc radiațiile de la lasere stimulate sau stimulate.

În terminologia fizicii, radiația laser se referă la undele electromagnetice care se propagă aproape paralel unele cu altele. Din acest motiv, fasciculul laser are o focalizare ascuțită. În plus, un astfel de fascicul are un unghi mic de împrăștiere împreună cu o intensitate uriașă de influență asupra suprafeței care este iradiată.

Principala diferență dintre un laser și o lampă cu incandescență standard este domeniul spectral. O lampă este considerată o sursă de lumină artificială care emite unde electromagnetice. Spectrul de iluminare al unei lămpi clasice este de aproape 360 ​​de grade.

Impactul iradierii laser asupra tuturor viețuitoarelor

Contrar stereotipurilor, efectul radiațiilor laser asupra corpului uman nu înseamnă întotdeauna ceva negativ. Datorită utilizării pe scară largă a generatoarelor cuantice în diferite sfere ale vieții, oamenii de știință au decis să folosească capacitățile unui fascicul îngust în medicină.

În cursul numeroaselor studii, a devenit clar că iradierea cu laser are mai multe proprietăți caracteristice:

• Deteriorarea unui laser poate apărea nu numai în procesul de expunere directă a corpului de la dispozitiv. Chiar și radiațiile împrăștiate sau razele reflectate pot provoca daune.
• Există o legătură directă între gradul de deteriorare și principalii parametri ai undei electromagnetice. Localizarea țesutului iradiat influențează și severitatea leziunii.
• Efectul negativ atunci când energia este absorbită de țesuturi poate fi exprimat în efecte termice sau luminoase.

Dar secvența pentru deteriorarea laserului prevede întotdeauna un principiu biologic identic:

• febră, care este însoțită de o arsură;
• fierberea fluidelor interstițiale și celulare;
• formarea de abur creând o presiune semnificativă;
• explozie și undă de șoc, distrugând tot țesutul din vecinătate.

Adesea, un emițător laser utilizat incorect reprezintă, în primul rând, o amenințare pentru piele. Dacă influența a fost deosebit de puternică, pielea va părea umflată, cu urme de numeroase hemoragii. De asemenea, vor exista zone mari de celule moarte pe corp.

O astfel de radiație afectează și țesuturile interne. Dar, cu leziuni interne la scară largă, impactul împrăștiat al razelor nu este la fel de puternic ca reflectat direct sau specular. O astfel de deteriorare va garanta modificări patologice în funcționarea diferitelor sisteme ale corpului.

Pielea, care suferă cel mai mult, este protecția organelor interne ale fiecărei persoane. Din această cauză, el preia cea mai mare parte a impactului negativ asupra sa. În funcție de diferitele grade de deteriorare, pe piele va apărea roșeață sau necroză.

Cercetătorii au ajuns la concluzia că persoanele cu piele întunecată sunt mai puțin susceptibile la leziuni adânci din cauza iradierii cu laser.

Schematic, toate arsurile pot fi împărțite în patru grade, indiferent de pigmentare:

• am grad. Presupune arsuri epidermice standard.
• gradul II. Include arsuri ale dermei, care se exprimă prin formarea de vezicule caracteristice stratului de suprafață al pielii.
• gradul III. Pe baza arsurilor profunde ale dermei.
• gradul IV. Cel mai periculos grad, care se caracterizează prin distrugerea întregii grosimi a pielii. Leziunea acoperă țesutul subcutanat, precum și straturile adiacente acestuia.

Leziuni oculare cu laser

Pe locul doi în clasamentul neoficial al posibilelor efecte negative ale laserelor asupra corpului uman sunt afectarea organelor vizuale. Impulsurile laser scurte pot deteriora următoarele într-o perioadă scurtă de timp:

• retină,
• cornee,
• iris,
• obiectiv

Există mai multe motive pentru acest impact. Principalele sunt:

• Incapacitatea de a reactiona la timp. Datorită faptului că durata pulsului nu este mai mare de 0,1 secunde, o persoană nu are timp să clipească. Din această cauză, ochiul rămâne neprotejat.
• Ușoară vulnerabilitate. Datorită caracteristicilor lor, cristalinul și corneea sunt considerate organe vulnerabile în sine.
• Sistem optic de ochi. Datorită focalizării radiației laser asupra fundului de ochi, punctul de iradiere, atunci când lovește un vas retinian, îl poate înfunda. Deoarece nu există receptori de durere acolo, daunele nu pot fi detectate instantaneu. Abia după ce zona arsă devine mai mare, o persoană observă absența unei părți a imaginii.

Pentru a naviga rapid într-o potențială rănire, experții recomandă să ascultați următoarele simptome:

• spasme ale pleoapelor,
• umflarea pleoapelor,
• senzații dureroase,
• hemoragie la nivelul retinei,
• tulbureala.

La pericol se adaugă și faptul că celulele retiniene deteriorate de laser își pierd capacitatea de recuperare. Deoarece intensitatea radiațiilor care afectează organele vizuale este mai mică decât pragul identic pentru piele, medicii îndeamnă la prudență.

Ar trebui să aveți grijă de laserele cu infraroșu de diferite tipuri, precum și de dispozitivele care generează radiații cu o putere mai mare de 5 mW. Regula se aplică echipamentelor care produc raze din spectrul vizibil.

Relația dintre unda laser și domeniul său de aplicare

Fiecare dintre domeniile de aplicare a radiației laser este orientată către o lungime de undă strict definită.

Acest indicator depinde direct de natură. Sau mai bine zis, din structura electronica fluid de lucru. Aceasta înseamnă că mediul în care este generată radiația sa este responsabil pentru lungimea de undă.

Sunt tipuri diferite lasere cu stare solidă și cu gaz. Grinzile implicate trebuie să fie unul dintre cele mai comune trei tipuri:

• vizibil,
• UV,
• infraroşu.

În acest caz, intervalul de iradiere de lucru poate varia de la 180 nm la 30 mnm.

Particularitățile influenței unui laser asupra corpului uman se bazează pe lungimea de undă. De exemplu, o persoană reacționează mai repede la un laser verde decât la unul roșu. Acesta din urmă nu este sigur pentru toate ființele vii. Motivul constă în faptul că vederea noastră percepe culoarea verde de aproape 30 de ori mai mult decât roșu.

Cum să te protejezi de lasere?

În cele mai multe cazuri, protecția împotriva radiațiilor laser este necesară de către acele persoane a căror activitate este strâns legată de utilizarea constantă a acestuia. Dacă o întreprindere are în bilanţ orice tip de generator cuantic, atunci managerii ei trebuie să-şi instruiască angajaţii.

Experții au dezvoltat un set separat de reguli de conduită și siguranță care vor proteja angajații de posibilele consecințe ale radiațiilor. Regula principală este disponibilitatea echipamentului individual de protecție. Mai mult, astfel de mijloace pot varia dramatic în funcție de gradul de pericol prezis.

În total, clasificarea internațională prevede o împărțire în patru clase de pericol. Producătorul trebuie să indice marcajul corespunzător. Doar prima clasă este considerată relativ sigură chiar și pentru organele vizuale.

A doua clasă include radiațiile de tip direct care afectează organele oculare. Reflectarea oglinzii este de asemenea inclusă în această categorie.

Radiațiile de clasa III sunt mult mai periculoase. Expunerea sa directă amenință ochii. Radiația de tip difuz reflectată la o distanță de 10 cm de suprafață nu este mai puțin periculoasă. Leziunile cutanate vor apărea nu numai cu expunerea directă, ci și cu reflexia în oglindă.

În clasa a patra, atât pielea, cât și ochii suferă de diferite formate de expunere.

Măsurile de protecție colectivă la locul de muncă includ:

• carcase speciale,
• ecrane de protecție,
• ghiduri de lumină,
• metode inovatoare de urmărire,
• alarme,
• blocare.

Metodele relativ primitive, dar eficiente includ împrejmuirea zonei în care se efectuează iradierea. Acest lucru va proteja lucrătorii de expunerea accidentală din cauza neglijenței.

De asemenea, în întreprinderile deosebit de periculoase, este obligatorie utilizarea echipamentului individual de protecție pentru angajați. Ele înseamnă un set special de îmbrăcăminte de lucru. În timpul lucrului, nu puteți face fără a purta ochelari care asigură un strat protector.

Gadget-uri cu laser și radiațiile lor

Mulți oameni nu știu cât de grave pot fi consecințele funcționării necontrolate a dispozitivelor cu laser de casă. Acest lucru se aplică structurilor de casă, cum ar fi cele cu laser:

• lămpi,
• indicatoare,
• lanterne.

Acest lucru este valabil mai ales pentru elevii de liceu care se străduiesc să efectueze o serie de experimente fără a avea o idee despre regulile de siguranță atunci când le construiesc.

Este inacceptabil să folosiți lasere de casă în camerele în care sunt prezenți oameni. De asemenea, nu îndreptați razele spre sticlă, catarame metalice sau alte obiecte care pot produce reflexii.

Chiar dacă fasciculul este de intensitate scăzută, poate duce la tragedie. Dacă îndreptați laserul spre ochii șoferului în timp ce conduceți activ, acesta poate orbește și nu poate controla vehiculul.

În niciun caz nu trebuie să priviți în lentila unei surse laser. De asemenea, merită luat în considerare faptul că ochelarii pentru lucrul cu lasere trebuie să fie proiectați pentru lungimea de undă pe care o vor genera dispozitivele selectate.

Pentru a preveni o tragedie gravă, medicii sunt rugați să asculte aceste recomandări și să le respecte mereu.

Radiația laser este un tip special de radiație electromagnetică generată în intervalul de lungimi de undă 0,1...1000 microni. Laserele sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale activității umane datorită acestora proprietăți unice, cum ar fi un grad ridicat de coerență și monocromaticitate a radiației, divergența fasciculului scăzut, focalizarea ascuțită a radiației și posibilitatea de a obține o densitate mare de putere a radiației.

Pe lângă utilizarea largă științifică, tehnică și industrială, sistemele laser au o varietate de aplicații în medicină, biologie, biotehnologie, inginerie genetică etc.

După tip, radiația laser este împărțită în directe; împrăștiate; reflectată în oglindă; difuz.

Proprietățile radiației laser. Intensitatea radiației. Spre deosebire de toate sursele optice cunoscute, radiația laser are o intensitate extrem de mare. Puterea unui generator cuantic optic în stare solidă (OQG) poate ajunge la 10 12 W. Prin focalizare, această radiație poate fi concentrată într-un loc mic. Densitatea de putere a radiației laser poate atinge valori ridicate - de ordinul a 10 17 W cm -2 sau mai mult. Când este expus la astfel de radiații, materia se dezvoltă temperaturi mari aproximativ 10 6 K. şi mai mare. Desigur, niciun material refractar nu poate rezista la o astfel de densitate de radiație. Timpul de expunere la astfel de densități în cazul acțiunii pulsate este mult mai mic decât timpul de stabilire a unui proces staționar în acest caz, radiația intensă interacționează cu materia într-un volum local, adică; în zona iradiată fără a afecta zonele învecinate.

Lățimea liniei de emisie și coerență. O undă monocromatică are o frecvență de oscilație strict definită:

E = E 0 cos[(ωt - kh) + φ], (5.29)

unde E 0 este amplitudinea vectorului intensității câmpului electric; k - numărul de undă; x este coordonata axei de propagare a undei; φ - faza (E 0 , ω, k, φ - nu depind de t).

Când două unde de aceeași frecvență se propagă în spațiu, dar cu faze diferite (φ 1, φ 2), în orice moment de timp diferența de fază Δφ = (φ 1 -φ 2) va rămâne constantă. Două unde sunt coerente dacă amplitudinea, frecvența, faza, polarizarea și direcția de propagare a acestor unde rămân constante sau se modifică conform unei anumite legi. Oscilațiile monocromatice ideale nu există în natură, deoarece fiecare nivel de energie are o lățime finită asociată cu durata de viață a nivelului. Din relația de incertitudine (relația Heisenberg) rezultă că incertitudinea în valoarea nivelului superior Δε în timpul radiației este legată de incertitudinea din durata de viață a acestui nivel Δt prin relația

Durata procesului de emisie τ și lățimea naturală a liniei de emisie Δω = 2πΔν sunt legate prin expresia

(5.31)

Având în vedere că laserul dispune de un rezonator optic în care există frecvențe naturale (moduri de oscilație de lățime Δν ρ), prin alegerea adecvată a dimensiunilor rezonatorului și a condițiilor de funcționare ale laserului se poate obține un grad ridicat de monocromaticitate. La laserele cu gaz se obține relativ ușor Δν ρ /ν 0 = 10 -10 (unde v 0 este frecvența de tranziție rezonantă) și chiar mai puțin. Acest lucru se face dacă în intervalul Δν l la frecvența de rezonanță ν 0 există un mod Δν m de oscilație a rezonatorului (mod single-mode). Laserele cu stare solidă au o monocromaticitate mai slabă decât cea a laserelor cu gaz. Gradul ridicat de monocromaticitate al surselor laser facilitează obținerea unui punct r s mai mic la focalizare. În acest caz, aberația cromatică a lentilelor optice nu joacă practic niciun rol. Această proprietate a surselor laser contribuie la obținerea unor intensități semnificative.

Radiația laser are un grad ridicat de coerență temporală și spațială. Această proprietate a radiației laser contribuie la obținerea unor valori mari ale W s, deoarece divergența scăzută a fluxului laser contribuie la obținerea unor valori mai mici ale rs. Conceptul de coerență este de mare importanță atunci când se utilizează radiația laser în măsurarea optică.

Tensiune câmp electric. Radiația laser, având o intensitate extrem de mare, face posibilă obținerea unor valori mari ale intensității electrice în flux. Aceste valori sunt comparabile cu câmpurile intra-atomice. Valoarea maximă a cuplării electromagnetice a unui electron cu un proton de hidrogen H este determinată de expresie

unde e este sarcina electronului; r 0 - raza orbitei electronilor.

La th = 10 -8 cm, valoarea lui E n = 10 9 V/cm. Pentru alte substanțe această valoare este 107...108 V/cm.

După cum se știe, intensitatea câmpului (densitatea de putere) este legată de intensitatea câmpului electric E prin relație

unde ε 0 este constanta dielectrică a vidului; c este viteza luminii.

La intensități, de exemplu, 10 14 W cm -2, valoarea lui E este de aproximativ 10 8 V cm -1.

Radiația laser face posibilă variarea relativ simplă a puterii fluxului fasciculului, schimbarea direcției de propagare a acestuia folosind lentile de focalizare, colimatoare externe, oglinzi reflectorizante sau dispozitive speciale.

Luminozitate. Proprietățile laserelor fac posibilă obținerea unei valori neobișnuit de mare a luminozității radiației. În tabel Figura 5.10 prezintă valori comparative ale luminozității unor surse optice, din care se poate observa că luminozitatea sursei laser este cu multe ordine de mărime mai mare decât luminozitatea Soarelui și puterea surselor artificiale de radiație optică spontană. .

Tabelul 5.10. Valorile de luminozitate ale unor surse

Unghiul de divergență al fasciculului. Unul dintre caracteristici importante radiația laser este direcționalitatea (colimația) radiației. Importanța colimării constă în faptul că energia transferată de raza laser poate fi colectată (focalizată) într-o zonă mică.

Limitarea unghiului de divergență al fasciculului laser este impusă de difracție:

unde θ este unghiul de divergență; K este un coeficient numeric de ordinul unității (pentru o grindă omogenă K = 1,22); λ - lungimea de undă; d este diametrul deschiderii de ieșire.

Clasificarea laserelor. Sursa principală de radiație laser este un generator cuantic optic (laser). Laserele sunt generatoare de unde electromagnetice în domeniul optic, care utilizează radiația electromagnetică stimulată a moleculelor substanta activa, adus într-o stare excitată de o sursă de pompă. Tipurile de lasere diferă în ceea ce privește tipul de substanță activă și metoda de pompare.

Laserele cu stare solidă folosesc ca material activ cristale de rubin, granat de ytriu-aluminiu (YAG) sau sticlă dopată cu neodim (Nd) sau erbiu. Lămpile cu xenon pulsate sunt folosite pentru a excita substanța activă. În modul de rulare liberă, laserele cu stare solidă generează impulsuri cu o durată de 0,1-1 ms, cu o energie de zeci de jouli și o putere de impuls de zeci sau sute de kilowați (10 9 ... 10 10 W). Unghiul de divergență al fasciculului în laserele cu stare solidă este de 20...30°.

În laserele cu gaz, substanța activă este un gaz sau un amestec de gaze care este excitat de o descărcare de gaz. Laserele cu gaz se caracterizează printr-un unghi mic de divergență a fasciculului - doar 1...3°. Cele mai utilizate sunt laserele care utilizează un amestec de heliu (He) și neon (Ne) cu o lungime de undă de generare de 0,63 microni și laserele cu dioxid de carbon (CO 2) cu o lungime de undă de 10,6 microni. Puterea laserelor cu heliu-neon este scăzută și se ridică la zeci sau sute de miliwați. Laserele cu dioxid de carbon se caracterizează prin putere mare - sute de wați în modul continuu și eficiență ridicată - 20...30%.

În laserele cu semiconductori, substanța activă este un cristal semiconductor. Laserul este excitat soc electric trecând prin cristal. Puterea maximă este de aproximativ 100 W în modul pulsat și de câțiva wați în modul continuu. Are un unghi de divergență a fasciculului de câteva grade.

În laserele lichide, coloranții organici sunt de obicei utilizați ca substanță activă. Substanța activă este excitată fie de radiația coerentă de la un alt laser, fie de radiația incoerentă de la lămpile cu blitz. În laserele lichide, cu o alegere adecvată a substanței active, este posibil să se obțină radiații coerente cu lungimi de undă de la 0,34 la 11,75 μm. Energia radiației per impuls este de până la 10 J.

Impactul radiațiilor laser asupra unei persoane, a unui organism viu, a unei celule vii este cu mai multe fațete și contradictoriu.

În prezent, radiația laser este folosită atât ca cuțit chirurgical pentru îndepărtarea tumorilor maligne și a altor formațiuni, cât și ca instrument subțire în microchirurgia oculară, precum și ca fascicul de vindecare pentru tratamentul unei largi varietăți de boli ale inimii, ficatului, vegetative- sistemul vascular, tubul digestiv etc.

Pe de altă parte, radiația laser prezintă un anumit pericol dacă este folosită neglijent și inept. Chiar și lucrul cu un laser de putere redusă reprezintă un pericol, în primul rând pentru ochi.

Efectul biologic al radiației laser depinde de lungimea de undă și intensitatea radiației, prin urmare întreaga gamă de lungimi de undă este împărțită în zone: ultraviolete (0,2...0,4 microni); vizibil (0,4...0,5 µm); infraroșu - aproape (0,75...1) și departe (peste 1,0).

În funcție de gradul de pericol al radiației laser pentru corpul uman, toate sistemele laser sunt împărțite în patru clase. Clasa I include laserele a căror radiație nu prezintă un pericol pentru pielea și ochii oamenilor, clasa II - a căror radiație prezintă un pericol pentru ochi sau piele atunci când sunt iradiate cu radiații directe sau reflectate specular.

Radiația laser de clasa III prezintă un pericol pentru ochi și piele atunci când este iradiată cu radiație directă sau reflectată specular și un pericol pentru ochi atunci când este iradiată cu radiație reflectată difuz la o distanță de 10 cm de suprafața reflectantă.

Clasa IV include laserele a căror radiație prezintă un pericol pentru piele și ochi atunci când sunt iradiate cu radiație reflectată difuz la o distanță de 10 cm de suprafața reflectorizante.

Împărțirea laserelor în clase vă permite să determinați măsuri de siguranță atunci când lucrați cu lasere de diferite tipuri.

1. Trecerea luminii monocromatice printr-un mediu transparent.

2. Crearea inversării populației. Metode de pompare.

3. Principiul funcționării laserului. Tipuri de lasere.

4. Caracteristici ale radiației laser.

5. Caracteristicile radiațiilor laser utilizate în medicină.

6. Modificări ale proprietăților țesutului și ale temperaturii acestuia sub influența radiației laser continue și puternice.

7. Utilizarea radiațiilor laser în medicină.

8. Concepte și formule de bază.

9. Sarcini.

Știm că lumina este emisă în unități separate - fotoni, fiecare dintre care apare ca urmare a tranziției radiative a unui atom, moleculă sau ion. Lumina naturală este o colecție de un număr mare de astfel de fotoni, care variază în frecvență și fază, emiși în momente aleatorii în direcții aleatorii. Obținerea unor fascicule puternice de lumină monocromatică folosind surse naturale este o sarcină aproape imposibilă. În același timp, nevoia unor astfel de grinzi a fost simțită atât de fizicieni, cât și de specialiștii din multe științe aplicate. Crearea unui laser a făcut posibilă rezolvarea acestei probleme.

Laser- un dispozitiv care generează unde electromagnetice coerente datorită emisiei stimulate de microparticule ale mediului în care se creează un grad ridicat de excitare a unuia dintre nivelurile de energie.

Laser (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - amplificarea luminii folosind radiația stimulată.

Intensitatea radiației laser (LR) este de multe ori mai mare decât intensitatea surselor de lumină naturală, iar divergența fasciculului laser este mai mică de un minut de arc (10 -4 rad).

31.1. Trecerea luminii monocromatice printr-un mediu transparent

În cursul 27, am aflat că trecerea luminii prin materie este însoțită de: excitarea fotonilor particulele și acțiunile sale emisie stimulata. Să luăm în considerare dinamica acestor procese. Lasă-l să se răspândească în mediu monocromatic lumină, a cărei frecvență (ν) corespunde tranziției particulelor acestui mediu de la nivelul solului (E 1) la nivelul excitat (E 2):

Fotonii care lovesc particulele în starea fundamentală vor fi absorbit iar particulele înseși vor intra în starea excitată E 2 (vezi Fig. 27.4). Fotonii care lovesc particulele excitate inițiază emisia stimulată (vezi Fig. 27.5). În acest caz, fotonii sunt dublați.

Într-o stare de echilibru termic, raportul dintre numărul de particule excitate (N 2) și neexcitate (N 1) respectă distribuția Boltzmann:

unde k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolută.

În acest caz, N 1 > N 2 și absorbția domină peste dublare. În consecință, intensitatea luminii emergente I va fi mai mică decât intensitatea luminii incidente I 0 (Fig. 31.1).

Orez. 31.1. Atenuarea luminii care trece printr-un mediu în care gradul de excitație este mai mic de 50% (N 1 > N 2)

Pe măsură ce lumina este absorbită, gradul de excitație va crește. Când ajunge la 50% (N 1 = N 2), între absorbţieȘi dublare echilibrul va fi stabilit, deoarece probabilitățile ca fotonii să lovească particulele excitate și cele neexcitate vor deveni aceleași. Dacă iluminarea mediului se oprește, atunci după un timp mediul va reveni la starea inițială corespunzătoare distribuției Boltzmann (N 1 > N 2). Să facem o concluzie preliminară:

La iluminarea mediului cu lumină monocromatică (31.1) imposibil de realizat o astfel de stare a mediului în care gradul de excitație depășește 50%. Totuși, să luăm în considerare problema trecerii luminii printr-un mediu în care starea N 2 > N 1 a fost atinsă într-un fel. Această stare se numește o stare cu populație inversă(din lat. inversio- întoarcere).

Inversarea populației- o stare a mediului în care numărul de particule la unul dintre nivelurile superioare este mai mare decât la nivelul inferior.

Într-un mediu cu o populație inversată, probabilitatea ca un foton să lovească o particulă excitată este mai mare decât cea a uneia neexcitate. Prin urmare, procesul de dublare domină asupra procesului de absorbție și există câştig lumina (Fig. 31.2).

Pe măsură ce lumina trece printr-un mediu de populație inversat, gradul de excitație va scădea. Când ajunge la 50%

Orez. 31.2. Amplificarea luminii care trece printr-un mediu cu populație inversată (N 2 > N 1)

(N1 = N2), între absorbţieȘi dublare se va stabili echilibrul şi efectul de amplificare a luminii va dispărea. Dacă iluminarea mediului se oprește, atunci după un timp mediul va reveni la o stare corespunzătoare distribuției Boltzmann (N 1 > N 2).

Dacă toată această energie este eliberată în tranzițiile radiative, atunci vom primi un impuls luminos de o putere enormă. Adevărat, nu va avea încă coerența și direcționalitatea necesare, dar va fi foarte monocromatic (hv = E 2 - E 1). Acesta nu este încă un laser, dar este deja ceva apropiat.

31.2. Crearea inversării populației. Metode de pompare

Deci este posibil să se realizeze inversarea populației? Se pare că poți dacă folosești Trei niveluri de energie cu următoarea configurație (Fig. 31.3).

Lăsați mediul să fie iluminat cu un fulger puternic de lumină. O parte din spectrul de emisie va fi absorbită în tranziția de la nivelul principal E 1 la nivelul larg E 3 . Să ne amintim asta larg este un nivel de energie cu un timp scurt de relaxare. Prin urmare, majoritatea particulelor care intră în nivelul de excitație E3 se transferă neradiativ la nivelul metastabil îngust E2, unde se acumulează. Datorită îngustimei acestui nivel, doar o mică fracțiune de fotoni flash

Orez. 31.3. Crearea inversării populației la nivel metastabil

capabilă să provoace o tranziţie forţată E 2 → E 1 . Aceasta oferă condițiile pentru crearea unei populații inverse.

Procesul de creare a unei inversiuni de populație se numește pompat in sus. Utilizarea laserelor moderne tipuri diferite pompare.

Pomparea optică a mediilor active transparente utilizează impulsuri de lumină de la o sursă externă.

Pomparea cu descărcare electrică a mediilor active gazoase utilizează o descărcare electrică.

Pomparea prin injecție a mediilor active semiconductoare utilizează curent electric.

Pomparea chimică a unui mediu activ dintr-un amestec de gaze utilizează energia unei reacții chimice între componentele amestecului.

31.3. Principiul funcționării laserului. Tipuri de lasere

Schema funcțională a laserului este prezentată în Fig. 31.4. Fluidul de lucru (mediul activ) este un cilindru lung și îngust, ale cărui capete sunt acoperite de două oglinzi. Una dintre oglinzi (1) este translucidă. Un astfel de sistem se numește rezonator optic.

Sistemul de pompare transferă particulele de la nivelul solului E1 la nivelul de absorbție E3, de unde se transferă neradiativ la nivelul metastabil E2, creând inversarea populației. După aceasta, tranzițiile radiative spontane E 2 → E 1 încep cu emisia de fotoni monocromatici:

Orez. 31.4. Dispozitiv laser schematic

Fotonii cu emisie spontană, emiși în unghi față de axa cavității, ies prin suprafața laterală și nu participă la procesul de generare. Fluxul lor se usucă rapid.

Fotonii, care, după emiterea spontană, se deplasează de-a lungul axei rezonatorului, trec în mod repetat prin fluidul de lucru, fiind reflectați de oglinzi. În același timp, ele interacționează cu particulele excitate, inițiind emisia stimulată. Din această cauză, are loc o creștere „asemănătoare unei avalanșe” a fotonilor induși care se mișcă în aceeași direcție. Un flux multiplicat de fotoni iese printr-o oglindă translucidă, creând un fascicul puternic de raze coerente aproape paralele. De fapt, se generează radiații laser primul un foton spontan care se deplasează de-a lungul axei rezonatorului. Acest lucru asigură coerența radiațiilor.

Astfel, laserul convertește energia sursei pompei în energia luminii coerente monocromatice. Eficiența unei astfel de transformări, i.e. Eficiența depinde de tipul de laser și variază de la o fracțiune de procent la câteva zeci de procente. Majoritatea laserelor au o eficiență de 0,1-1%.

Tipuri de lasere

Primul laser creat (1960) a folosit rubinul ca fluid de lucru și un sistem optic de pompare. Rubinul este un oxid de aluminiu cristalin A1 2 O 3 care conține aproximativ 0,05% atomi de crom (cromul este cel care dă rubin). culoarea roz). Atomii de crom încorporați în rețeaua cristalină sunt mediul activ

cu configurația nivelurilor de energie prezentată în Fig. 31.3. Lungimea de undă a radiației laser rubin este λ = 694,3 nm. Apoi au apărut laserele care foloseau alte medii active.

În funcție de tipul de fluid de lucru, laserele sunt împărțite în gaz, în stare solidă, lichid și semiconductor. La laserele cu stare solidă, elementul activ este de obicei realizat sub forma unui cilindru, a cărui lungime este mult mai mare decât diametrul său. Mediile active gazoase și lichide sunt plasate într-o cuvă cilindrică.

În funcție de metoda de pompare, se poate obține generarea continuă și în impulsuri de radiație laser. Cu un sistem de pompare continuă, inversarea populației este menținută perioadă lungă de timp datorită unei surse externe de energie. De exemplu, excitarea continuă printr-o descărcare electrică într-un mediu gazos. Cu un sistem de pompare în impulsuri, inversarea populației este creată într-un mod pulsat. Frecvența de repetare a pulsului de la 10 -3

Hz până la 10 3 Hz.

31.4. Caracteristicile radiației laser

Radiația laser în proprietățile sale diferă semnificativ de radiația surselor de lumină convenționale. Să notăm trăsăturile sale caracteristice.

1. Coerenţă. Radiația este foarte coerent, care se datorează proprietăților de emisie stimulată. În acest caz are loc nu numai coerența temporală, ci și spațială: diferența de fază în două puncte ale planului perpendicular pe direcția de propagare rămâne constantă (Fig. 31.5, a).

2. Colimare. Radiația laser este colimat, acestea. toate razele din fascicul sunt aproape paralele între ele (Fig. 31.5, b). La distanțe mai mari, raza laser crește doar ușor în diametru. Deoarece unghiul de divergenţă φ este mic, atunci intensitatea fasciculului laser scade ușor cu distanța. Acest lucru permite transmiterea semnalelor pe distanțe mari cu o atenuare mică a intensității lor.

3. Monocromatic. Radiația laser este foarte monocromatic, acestea. conține unde de aproape aceeași frecvență (lățimea liniei spectrale este Δλ ≈0,01 nm). Pe

Figura 31.5c prezintă o comparație schematică a lățimii de linie a unui fascicul laser și a unui fascicul de lumină obișnuită.

Orez. 31.5. Coerența (a), colimația (b), monocromaticitatea (c) a radiației laser

Înainte de apariția laserelor, radiațiile cu un anumit grad de monocromaticitate puteau fi obținute folosind dispozitive - monocromatoare, care disting intervalele spectrale înguste (benzi înguste de lungime de undă) de un spectru continuu, dar puterea luminii în astfel de benzi este scăzută.

4. De mare putere. Folosind un laser, este posibil să se furnizeze o putere de radiație monocromatică foarte mare - până la 10 5 W în modul continuu. Puterea laserelor cu impulsuri este cu câteva ordine de mărime mai mare. Astfel, un laser cu neodim generează un impuls cu energie E = 75 J, a cărui durată este t = 3x10 -12 s. Puterea în impuls este egală cu P = E/t = 2,5x10 13 W (pentru comparație: puterea unei centrale hidroelectrice este P ~ 10 9 W).

5. Intensitate mare. La laserele pulsate, intensitatea radiației laser este foarte mare și poate ajunge la I = 10 14 -10 16 W/cm 2 (cf. intensitatea luminii solare în apropierea suprafeței terestre I = 0,1 W/cm 2).

6. Luminozitate ridicată. Pentru laserele care funcționează în domeniul vizibil, luminozitatea radiația laser (intensitatea luminii pe unitatea de suprafață) este foarte mare. Chiar și cele mai slabe lasere au o luminozitate de 10 15 cd/m 2 (pentru comparație: luminozitatea Soarelui este L ~ 10 9 cd/m 2).

7. Presiune. Când un fascicul laser cade pe suprafața unui corp, acesta creează presiune(D). Cu absorbția completă a radiației laser incidente perpendicular pe suprafață, se creează presiunea D = I/c, unde I este intensitatea radiației, c este viteza luminii în vid. Cu reflexie totală, presiunea este de două ori mai mare. Pentru intensitatea I = 10 14 W/cm 2 = 10 18 W/m 2 ; D = 3,3x10 9 Pa = 33.000 atm.

8. Polarizare. Radiația laser este complet polarizat.

31.5. Caracteristicile radiațiilor laser utilizate în medicină

Lungimea de undă a radiației

Lungimile de undă ale radiației (λ) ale laserelor medicale se află în intervalul 0,2 -10 µm, adică de la ultraviolete la infraroșu îndepărtat.

Puterea de radiație

Puterea de radiație (P) a laserelor medicale variază în limite largi, determinate de scopurile aplicării. Pentru laserele cu pompare continuă, P = 0,01-100 W. Laserele pulsate sunt caracterizate prin puterea pulsului P și durata pulsului τ și

Pentru laserele chirurgicale P și = 10 3 -10 8 W, iar durata pulsului t și = 10 -9 -10 -3 s.

Energia într-un impuls de radiație

Energia unui impuls de radiație laser (E și) este determinată de relația E și = P și -t și, unde t și este durata impulsului de radiație (de obicei t și = 10 -9 -10 -3 s) . Pentru laserele chirurgicale E și = 0,1-10 J.

Frecvența de repetiție a pulsului

Această caracteristică (f) a laserelor pulsate arată numărul de impulsuri de radiație generate de laser în 1 s. Pentru laserele terapeutice f = 10-3.000 Hz, pentru laserele chirurgicale f = 1-100 Hz.

Puterea medie de radiație

Această caracteristică (P av) a laserelor cu impulsuri periodice arată câtă energie emite laserul în 1 s și este determinată de următoarea relație:

Intensitate (densitate de putere)

Această caracteristică (I) este definită ca raportul dintre puterea radiației laser și aria secțiunii transversale a fasciculului. Pentru laserele continue I = P/S. În cazul laserelor pulsate există intensitatea pulsului I și = P și /S și intensitatea medie I av = P av /S.

Intensitatea laserelor chirurgicale și presiunea creată de radiația lor au următoarele valori:

pentru lasere continue I ~ 10 3 W/cm 2, D = 0,033 Pa;

pentru laserele pulsate I și ~ 10 5 -10 11 W/cm 2, D = 3,3 - 3,3x10 6 Pa.

Densitatea energiei pulsului

Această valoare (W) caracterizează energia pe unitate de suprafață a suprafeței iradiate pe impuls și este determinată de relația W = E și /S, unde S (cm 2) este aria punctului luminos (adică, secțiunea transversală a fasciculului laser) pe țesuturile biologice de suprafață. Pentru laserele utilizate în chirurgie, W ≈ 100 J/cm2.

Parametrul W poate fi considerat ca doza de radiație D la 1 impuls.

31.6. Modificări ale proprietăților țesutului și ale temperaturii acestuia sub influența radiației laser continue și puternice

Modificări ale temperaturii și proprietăților țesăturii

sub influența radiației laser continue

Absorbția radiațiilor laser de mare putere de către țesutul biologic este însoțită de eliberarea de căldură. Pentru a calcula căldura degajată, se utilizează o valoare specială - densitatea termică volumetrică(q).

Eliberarea de căldură este însoțită de o creștere a temperaturii și în țesuturi au loc următoarele procese:

la 40-60°C se produce activarea enzimatică, formarea edemului, modificări și, în funcție de timpul de acțiune, moartea celulelor, denaturarea proteinelor, debutul coagulării și necrozei;

la 60-80°C - denaturarea colagenului, defecte membranare; la 100°C - deshidratare, evaporare a apei tisulare; peste 150°C - carbonizare;

peste 300°C - evaporarea țesăturii, formarea de gaze. Dinamica acestor procese este prezentată în Fig. 31.6.

Orez. 31.6. Dinamica modificărilor temperaturii țesuturilor sub influența radiației laser continue

1 fază.În primul rând, temperatura țesutului crește de la 37 la 100 °C. În acest interval de temperatură, proprietățile termodinamice ale țesăturii rămân practic neschimbate, iar temperatura crește liniar cu timpul (α = const și I = const).

2 fază. La o temperatură de 100 °C, începe evaporarea apei tisulare, iar până la sfârșitul acestui proces temperatura rămâne constantă.

3 fază. După ce apa se evaporă, temperatura începe să crească din nou, dar mai lent decât în ​​secțiunea 1, deoarece țesutul deshidratat absoarbe energie mai puțin decât în ​​mod normal.

4 fază. La atingerea unei temperaturi T ≈ 150 °C, începe procesul de carbonizare și, în consecință, „înnegrirea” țesutului biologic. În acest caz, coeficientul de absorbție α crește. Prin urmare, se observă o creștere neliniară a temperaturii, care se accelerează în timp.

5 fază. Când se atinge temperatura T ≈ 300 °C, începe procesul de evaporare a țesutului biologic carbonizat deshidratat și creșterea temperaturii se oprește din nou. În acest moment, fasciculul laser taie (înlătură) țesutul, adică. devine un bisturiu.

Gradul de creștere a temperaturii depinde de adâncimea țesutului (Fig. 31.7).

Orez. 31.7. Procese care apar în țesuturile iradiate la diferite adâncimi: A- în stratul de suprafață țesătura se încălzește până la câteva sute de grade și se evaporă; b- puterea de radiație slăbită de stratul superior este insuficientă pentru a evapora țesutul. Apare coagularea țesuturilor (uneori împreună cu carbonizarea - o linie neagră groasă); V- încălzirea țesuturilor are loc datorită transferului de căldură din zonă (b)

Extinderea zonelor individuale este determinată atât de caracteristicile radiației laser, cât și de proprietățile țesutului în sine (în primul rând coeficienții de absorbție și conductivitate termică).

Expunerea la un fascicul puternic focalizat de radiații laser este însoțită de apariția undelor de șoc, care pot provoca daune mecanice țesuturilor adiacente.

Ablația țesutului sub influența radiației laser puternic pulsate

Când țesutul este expus la impulsuri scurte de radiații laser cu o densitate mare de energie, se realizează un alt mecanism de disecție și îndepărtare a țesutului biologic. În acest caz, încălzirea foarte rapidă a fluidului tisular are loc la o temperatură T > T de fierbere. În acest caz, lichidul tisular se află într-o stare de supraîncălzire metastabilă. Apoi are loc o fierbere „explozivă” a fluidului tisular, care este însoțită de îndepărtarea țesutului fără carbonizare. Acest fenomen se numește ablatie. Ablația este însoțită de generarea de unde de șoc mecanic care pot provoca leziuni mecanice țesutului din vecinătatea zonei de iradiere cu laser. Acest fapt trebuie luat în considerare atunci când alegeți parametrii radiației laser pulsate, de exemplu, la șlefuirea pielii, la găurirea dinților sau la corectarea cu laser a acuității vizuale.

31.7. Utilizarea radiațiilor laser în medicină

Procesele care caracterizează interacțiunea radiației laser (LR) cu obiectele biologice pot fi împărțite în 3 grupe:

influență nederanjantă(neavând un efect vizibil asupra obiectului biologic);

acțiune fotochimică(o particulă excitată de un laser fie participă ea însăși la reacțiile chimice corespunzătoare, fie își transferă excitația către o altă particulă care participă la o reacție chimică);

fotodistrugere(datorită eliberării de căldură sau unde de șoc).

Diagnosticare cu laser

Diagnosticarea cu laser este un efect neperturbator asupra utilizării unui obiect biologic coerenţă radiatii laser. Să enumerăm principalele metode de diagnosticare.

Interferometrie. Când radiația laser este reflectată de pe o suprafață rugoasă, apar unde secundare care interferează unele cu altele. Ca urmare, se formează o imagine a petelor întunecate și luminoase (petele), a cărei locație oferă informații despre suprafața obiectului biologic (metoda interferometrie cu speckle).

Holografie. Folosind radiația laser, se obține o imagine tridimensională a unui obiect. În medicină, această metodă permite obținerea de imagini tridimensionale ale cavităților interne ale stomacului, ochilor etc.

Răspândirea luminii. Când un fascicul laser înalt direcționat trece printr-un obiect transparent, lumina este împrăștiată. Înregistrarea dependenței unghiulare a intensității luminii împrăștiate (metoda nefelometriei) permite determinarea dimensiunii particulelor mediului (de la 0,02 la 300 μm) și a gradului de deformare a acestora.

Când este împrăștiată, polarizarea luminii se poate modifica, ceea ce este utilizat și în diagnosticare (metoda nefelometriei polarizării).

Efectul Doppler. Această metodă se bazează pe măsurarea deplasării de frecvență Doppler a LR, care apare atunci când lumina este reflectată chiar și de la particulele care se mișcă încet (metoda anenometriei). În acest fel, se măsoară viteza fluxului sanguin în vase, mobilitatea bacteriilor etc.

împrăștiere cvasi-elastică. Cu o astfel de împrăștiere, are loc o ușoară modificare a lungimii de undă a sondei LR. Motivul pentru aceasta este o modificare a proprietăților de împrăștiere (configurația, conformarea particulelor) în timpul procesului de măsurare. Modificările temporare ale parametrilor suprafeței de împrăștiere se manifestă printr-o modificare a spectrului de împrăștiere în comparație cu spectrul radiației de alimentare (spectrul de împrăștiere fie se lărgește, fie apar maxime suplimentare în el). Această metodă vă permite să obțineți informații despre caracteristicile schimbătoare ale dispersoarelor: coeficientul de difuzie, viteza de transport direcționat, dimensiunea. Așa sunt diagnosticate macromoleculele proteice.

Spectroscopie de masă cu laser. Această metodă este folosită pentru a studia compoziția chimică a unui obiect. Raze puternice de radiații laser evaporă materia de pe suprafața unui obiect biologic. Vaporii sunt supuși analizei spectrale de masă, ale cărei rezultate determină compoziția substanței.

Test de sânge cu laser. Un fascicul laser trecut printr-un capilar îngust de cuarț prin care este pompat sânge tratat special, provoacă fluorescerea celulelor acestuia. Lumina fluorescentă este apoi detectată de un senzor sensibil. Această strălucire este specifică fiecărui tip de celulă care trece individual prin secțiunea transversală a fasciculului laser. Se calculează numărul total de celule dintr-un anumit volum de sânge. Se determină indicatori cantitativi precisi pentru fiecare tip de celulă.

Metoda de fotodistrucție. Este folosit pentru a studia suprafața compoziţie obiect.

Fasciculele LR puternice fac posibilă prelevarea de microprobe de pe suprafața obiectelor biologice prin evaporarea substanței și analiza ulterioară a spectrului de masă a acestor vapori.

Utilizarea radiațiilor laser în terapie

În terapie se folosesc lasere de intensitate scăzută (intensitate 0,1-10 W/cm2). Radiațiile de intensitate scăzută nu provoacă un efect distructiv vizibil asupra țesutului direct în timpul iradierii. În regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului, efectele iradierii sunt cauzate de reacții fotochimice și nu diferă de efectele cauzate de lumina monocromatică primită din surse convenționale incoerente. În aceste cazuri, laserele sunt pur și simplu surse convenabile de lumină monocromatică care oferă Orez. 31.8.

Schema de utilizare a unei surse laser pentru iradierea intravasculară a sângelui

oferind localizare și dozare precisă a expunerii. Ca exemplu în Fig. Figura 31.8 prezintă o diagramă a utilizării unei surse de radiații laser pentru iradierea intravasculară a sângelui la pacienții cu insuficiență cardiacă.

Cele mai comune metode de terapie cu laser sunt enumerate mai jos. Terapia cu lumină roșie.

Radiația laser He-Ne cu o lungime de undă de 632,8 nm este utilizată în scopuri antiinflamatorii pentru a trata rănile, ulcerele și bolile coronariene. Efectul terapeutic este asociat cu influența luminii acestei lungimi de undă asupra activității proliferative a celulei. Lumina acționează ca un regulator al metabolismului celular. Terapia cu lumină albastră.

Radiația laser cu o lungime de undă în regiunea albastră a luminii vizibile este utilizată, de exemplu, pentru a trata icterul la nou-născuți. Această boală este o consecință a creșterii puternice a concentrației de bilirubină în organism, care are o absorbție maximă în regiunea albastră. Dacă copiii sunt iradiați cu radiații laser din acest interval, bilirubina se descompune, formând produse solubile în apă. utilizarea radiațiilor laser în combinație cu diverse metode de electrofizioterapie. Unele lasere au atașamente magnetice pentru acțiunea combinată a radiației laser și a unui câmp magnetic - terapie cu laser magnetic. Acestea includ dispozitivul terapeutic cu laser magnetic-infraroșu Milta.

Eficacitatea terapiei cu laser crește atunci când este combinată cu substanțe medicinale aplicate anterior pe zona iradiată (foreza laser).

Terapia fotodinamică a tumorilor. Terapia fotodinamică (PDT) este utilizată pentru a îndepărta tumorile care sunt accesibile luminii. PDT se bazează pe utilizarea fotosensibilizatorilor localizați în tumori, care cresc sensibilitatea țesuturilor în timpul lor.

iradierea ulterioară cu lumină vizibilă. Distrugerea tumorilor în timpul PDT se bazează pe trei efecte: 1) distrugerea fotochimică directă a celulelor tumorale; 2) deteriorarea vaselor de sânge ale tumorii, ducând la ischemie și moartea tumorii; 3) apariția unei reacții inflamatorii care mobilizează apărarea imună antitumorală a țesuturilor corpului.

Pentru a iradia tumorile care conțin fotosensibilizatori, se utilizează radiații laser cu o lungime de undă de 600-850 nm. În această regiune a spectrului, adâncimea de penetrare a luminii în țesuturile biologice este maximă.

Terapia fotodinamică este utilizată în tratamentul tumorilor pielii și ale organelor interne: plămâni, esofag (radiația laser este livrată către organele interne folosind ghiduri de lumină).

Utilizarea radiațiilor laser în chirurgie

În chirurgie, laserele de mare intensitate sunt folosite pentru tăierea țesuturilor, îndepărtarea zonelor patologice, oprirea sângerării și sudarea țesuturilor biologice. Prin alegerea corectă a lungimii de undă a radiației, a intensității și a duratei de expunere a acesteia, se pot obține diverse efecte chirurgicale. Astfel, pentru tăierea țesuturilor biologice se folosește un fascicul focalizat al unui laser continuu cu CO 2 , având o lungime de undă λ = 10,6 μm și o putere de 2x10 3 W/cm 2.

Utilizarea unui fascicul laser în chirurgie asigură o expunere selectivă și controlată. Chirurgia cu laser are o serie de avantaje:

Fara contact, asigurand sterilitate absoluta;

Selectivitatea, care permite alegerea lungimii de undă a radiației pentru a distruge țesuturile patologice în doze fără a afecta țesuturile sănătoase din jur;

lipsă de sânge (datorită coagulării proteinelor);

Posibilitate de interventii microchirurgicale datorita gradului ridicat de focalizare a fasciculului.

Să indicăm câteva domenii de aplicare chirurgicală a laserelor.

Sudarea cu laser a țesăturilor. Conectarea țesuturilor disecate este un pas necesar în multe operații. Figura 31.9 arată cum se realizează sudarea unuia dintre trunchiurile unui nerv mare în modul de contact folosind lipire, care

Orez. 31.9. Sudarea nervilor folosind un fascicul laser

picăturile dintr-o pipetă sunt aplicate pe locul de aplicare a laserului.

Distrugerea zonelor pigmentate. Laserele pulsate sunt folosite pentru a distruge zonele pigmentate. Aceasta metoda (fototermoliza) folosit pentru tratarea angioamelor, tatuajelor, plăcilor sclerotice din vasele de sânge etc.

Endoscopie cu laser. Introducerea endoscopiei a revoluționat medicina chirurgicală. Pentru a evita operațiunile mari deschise, radiația laser este livrată la locul tratamentului folosind ghiduri de lumină cu fibră optică, care permit radiației laser să fie livrate către țesuturile biologice ale organelor goale interne. Acest lucru reduce semnificativ riscul de infecție și complicații postoperatorii.

Defectarea laserului. Laserele cu puls scurt în combinație cu ghidajele de lumină sunt folosite pentru a îndepărta placa din vasele de sânge, calculii biliari și pietrele la rinichi.

Lasere în oftalmologie. Utilizarea laserelor în oftalmologie face posibilă efectuarea de intervenții chirurgicale fără sânge, fără a compromite integritatea globului ocular. Acestea sunt operații pe corpul vitros; sudarea retinei detașate; tratamentul glaucomului prin „piercing” găuri (50÷100 µm în diametru) cu un fascicul laser pentru scurgerea lichidului intraocular. Ablația strat cu strat a țesutului corneean este utilizată pentru corectarea vederii.

31.8. Concepte și formule de bază

Sfârșitul mesei

31.9. Sarcini

1. Într-o moleculă de fenilalanină, diferența de energie în stările de bază și excitate este ΔE = 0,1 eV. Găsiți relația dintre populațiile acestor niveluri la T = 300 K.

Răspuns: n = 3,5*10 18.