Главная
Лето
Мощность лазерной указки формула. Лазерная указка

Мощность лазерной указки формула. Лазерная указка

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

  • Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
  • Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
  • Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
  • Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
  • Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

  • длина волны или область спектра излучения;
  • оптическая плотность при определенной длине волны;
  • максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
  • тип лазерной системы;
  • режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
  • возможности отражения - зеркального и диффузного;
  • поле зрения;
  • наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
  • комфорт;
  • наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
  • влияние на цветовое зрение;
  • ударопрочность;
  • возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .

  • Безопасность
  • Примечания
  • Литература
  • Ссылки

    • Типы лазерных указок

    Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень громоздкими и дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зелёная указка с λ=532 нм - хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в несколько раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время появились в продаже жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

    Красные лазерные указки

    Самый распространённый тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелока питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на апрель 2012 года стоят порядка 1-5 долларов США. Мощные красные указки (длина волны 650-660 нм) мощностью от нескольких сотен милливатт до ватта, способные зажигать хорошо поглощающие излучение материалы, стоят порядка 50-500$.

    Более редкие красные лазерные указки используют твердотельный лазер с диодной накачкой ( англ. Diode-pumped solid-state laser , DPSS) и работают на длине волны 671 нм. Отличаются от указок на лазерном диоде круглым сечением луча (у обычной лазерной указки луч уплощён вследствие астигматизма резонатора лазерного диода).

    Зелёные лазерные указки (510-530нм)

    Сначала мощным (обычно 200-1000мВт ) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия, легированный неодимом (Nd:YVO 4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO 4 , сокращённо KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Генерация и вывод зелёного излучения обеспечиваются зеркалами, одно из которых полностью отражает излучение с длиной волны 1064 и 532 нм и полностью пропускает излучение накачки 808 нм, а другое полностью отражает излучение 1064 нм, но полностью пропускает 532 нм. Частично отражается и излучение накачки.

    В большинстве современных зелёных лазерных указок кристаллы ванадата иттрия и KTP вместе с зеркалами резонатора объединены в так называемый «микрочип» - склейку из двух кристаллов с напылёнными на грани зеркалами. Для генерации лазерного излучения достаточно сфокусировать внутри кристалла Nd:YVO 4 излучение лазерного диода накачки.

    КПД схемы сильно зависит от мощности накачки и может достигать не более 20 %. Кроме зелёного света такой лазер излучает значительную мощность в ИК на длинах волн 808 и 1064 нм, поэтому в таких указках обязательно нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр ), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. В недорогих вариантах зелёных указок такой фильтр могут не устанавливать, в таком случае даже указка с мощностью 1-5 мВт представляет серьёзную опасность для зрения, так как мощность ИК-излучения может достигать десятков милливатт. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же хорошо, как и зелёное и представляет опасность при попадании в глаз даже на большой дистанции, тогда как излучение накачки 808 нм сильно расфокусировано и не сконцентрировано вдоль луча, представляя опасность на расстоянии до нескольких метров.

    Стоит отметить высокое энергопотребление зелёных лазеров - потребляемый ток достигает сотен миллиампер. Так как эффективность генерации и удвоения с ростом мощности накачки быстро возрастает, увеличение выходной мощности с 5 до 100 мВт требует повышения потребляемого тока лишь примерно в два раза.

    Малые размеры зелёной лазерной указки не позволяют установить в них систему стабилизации температуры лазерного диода и активных сред. Особенно сильное влияние температура оказывает на длину волны, излучаемую лазерным диодом, что приводит к уходу её с максимума линии поглощения неодима и падению выходной мощности. Это приводит к тому, что такие указки нестабильно работают при изменении температуры. Частично этот недостаток устраняется путём стабилизации мощности излучения на выходе лазера. Для этого на выходе устанавливают светоделитель (роль которого исполняет ИК-фильтр, от которого отражается часть излучения) и фотодиод, и вводят отрицательную обратную связь. Недостатком такого решения является возможность выхода из строя лазерного диода при значительном отклонении температуры, при котором система стабилизации, компенсируя падение выходной мощности, вынуждена значительно поднять ток через него.

    Голубые лазерные указки (473 нм)

    Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путём удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима ( Nd:YAG).

    Синие лазерные указки (445 нм)

    В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом в 1-5 Вт. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи как непосредственно, так и в виде рассеянного поверхностью излучения.

    Активное распространение синие указки получили в связи с серийным выпуском мощных лазерных диодов, в основном для компактных LED-проекторов, например Casio Slim .

    Фиолетовые лазерные указки (405нм)

    Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Эти лазеры используются в проигрывателях для записи Blu-ray Disc . Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого

    Лазерная безопасность знаний

    1. Что такое лазер?
    Лазерное устройство, которое излучает свет (электромагнитное излучение) в процессе оптического усиления на основе вынужденного излучения фотонов. Термин "лазер" возник как аббревиатура усиление света вынужденным излучением. Испускается лазерное излучение отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, недостижимой с помощью других технологий.

    2. Лазерная указка Структурная схема


    3. Что такое лазерная приложения?
    Лазеры получили широкое применение в повседневной жизни. Лазеры является наиболее применимым в презентации для указывая объекты, согласования на строительство и проект, медицинское лечение для косметических и хирургических процедур. Нижняя указатель мощности лазера идеально подходит для презентаций и астрономии звездопада. Более высокая мощность лазерного указателя до 100 mW было бы прекрасно для сжигания эксперимент. Высокой мощности класса IV лазер используется для эксперимента, научные исследования, военные и т.д. таргетинг

    4. Что такое длина волны?
    Наши глаза чувствительны к свету, который находится в очень маленькой области электромагнитного спектра с надписью "видимый свет". Этот видимый свет соответствует диапазон длин волн 400 - 700 нанометров (nm) и цветовую гаnmу фиолетового до красного. Человеческий глаз не способен "видеть" излучение с длинами волн за пределами видимого спектра. Видимого цвета из кратчайших в длину волны длинной являются: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны, чем видимый свет фиолетовый. Инфракрасное излучение имеет длину волны, чем видимый красный свет. Белый свет представляет собой смесь из цветов видимого спектра. Черный является полное отсутствие света.

    Спектральные цвета и длины волны

    Этот график показывает цвета видимого спектра света и связанных с длинами волн в нанометрах. Диапазоны традиционно дается как:
    ультрафиолетовом свете, 100 nm, 400 nm;
    видимый свет, 400 nm-750nm;
    инфракрасный свет, 750 nm-1 nm.

    5. Что такое лазерная поперечной моде?


    Поперечная электромагнитная режиме (TEM) структура лазерного луча описывает распределение мощности по сечению пучка. Большинство приложений лазерной потребует фундаментальных режима луча (TEM00) с гауссовым распределением мощности по сечению пучка, как показано на рисунке справа. Это фундаментальные результаты в режиме наименьшего диаметра пучка и расходимость пучка и может быть сосредоточено до наименьшего возможного размера пятна.
    Прочие доходы приложений с повышенной мощностью доступны в первом режиме порядке (TEM01 *), или даже мод высшего порядка. Мощность лазера имеющих режим структуры над фундаментальным обычно называют multitra nsverse режиме (MTM). Режим структуры производства лазерных может быть изменен, просто изменив зеркала.

    6. Различные классификации лазеров

    Класс I

    По своей сути безопасны, нет возможности повреждения глаз. Это может быть либо из-за низкой выходной мощности (в случае повреждения глаз невозможно даже после нескольких часов воздействия), или из-за шкафа предотвращения доступа пользователей к лазерным лучом при нормальной эксплуатации, такие как проигрыватели компакт-дисков или лазерных принтеров.

    Класс II

    Рефлекс моргания человеческого глаза (отвращение ответ) позволит предотвратить повреждение глаз, если человек намеренно смотрит в пучке в течение длительного периода. Выходная мощность может быть до 1 mW. Этот класс включает в себя только лазеры, которые излучают видимый свет. Большинство лазерных указателей и коnmерческие сканеры лазерные в этой категории.

    Класс IIIa

    Лазеры этого класса в основном опасные в сочетании с оптическими инструментами, которые изменяют диаметр луча или плотности мощности, хотя даже без оптического инструмента повышения прямого контакта с глазом в течение двух минут может привести к серьезному повреждению сетчатки. Выходная мощность не превышает 5 mW. Плотность мощности излучения не превышает 2,5 mW / кв.см, если устройство не маркирован с "осторожностью" предупредительный знак, в противном случае "опасности" предупредительной этикетке не требуется. Многие достопримечательности лазерные для огнестрельного оружия и лазерных указателей в этой категории.

    Класс IIIb

    Лазеры в этом классе может привести к повреждению, если луч попадает в глаз напрямую. Как правило, это относится к лазерам питается от 5-500 mW. Лазеры в этой категории может привести к необратимому повреждению глаз с экспозиции 1/100-й секунду или меньше в зависимости от силы лазера. Диффузного отражения, как правило, не опасны, но зеркальных отражений может быть таким же опасным, как прямые воздействия. Защитные очки рекомендуется при прямом просмотре луч лазера класса IIIb может произойти. Лазеры на высоком конце мощность этого класса могут также представлять опасность возникновения пожара и может слегка обжечь кожу.

    Класс IV

    Лазеры в этом классе имеют выходную мощность более 500 mW в пучке и может вызвать тяжелые, необратимые повреждения глаз или кожи без увеличены оптики глаза или приборов. Диффузного отражения лазерного луча могут быть опасными для кожи или глаз в течение Номинальный зону опасности. Многие промышленные, научные, военные и медицинские лазеры в этой категории.

    7. Что такое лазерная безопасность знаний?
    Даже первый лазер был признан как потенциально опасные. Теодор Мейман характеризуется первый лазер как имеющий власть одного "Gillette", как это могло гореть через одну лезвие бритвы Gillette. Сегодня принято считать, что даже маломощные лазеры с помощью всего нескольких милливатт мощности могут быть опасными для человека зрение, когда луч такого лазера попадает на глаза непосредственно или после отражения от блестящей поверхности. На длинах волн, роговица и хрусталик может сосредоточиться хорошо, согласованности и малой расходимостью лазерного света означает, что она может быть направлена на глаз в очень маленькое пятно на сетчатке глаза, что приводит к локализованным жжения и повреждению в течение секунд или даже меньше времени. Лазеры обычно обозначен ряд класса безопасности, которая определяет, насколько опасны лазера:

    . Класс I/1 по своей сути безопасны, как правило, потому что свет, содержащийся в корпусе, например, проигрыватели компакт-дисков.
    . Класс II/2 является безопасной при нормальной эксплуатации; рефлекс моргания из глаз позволит предотвратить повреждение. Обычно до 1 mW, для указателей например лазера.
    . Класс IIIa/3A лазеры, как правило, до 5 mW и привлекать небольшой риск повреждения глаз за время рефлекс моргания. Вглядываясь в таком пучке в течение нескольких секунд может привести к повреждению пятна на сетчатке.
    . Класс IIIb/3B может привести к немедленному повреждению глаз при воздействии.
    . Класс IV/4 лазеры могут обжечь кожу, а в некоторых случаях даже рассеянного света может вызвать раздражение глаз и / или повреждения кожи. Многие промышленные и научные лазеров в этом классе. Указанные полномочия для видимого света, непрерывно лазеров. Для импульсных лазеров и невидимых волн, другие ограничения мощности применяются.

    Люди, работающие с классом 3В и 4 класса лазеров могут защитить свои глаза защитные очки, которые предназначены для поглощают свет определенной длины волны.

    Некоторые инфракрасный лазеры с длиной волны за пределами около 1,4 микрометров часто упоминается как "безопасный для глаз». Это потому, что внутренняя молекулярных колебаний молекул воды очень сильно поглощают свет в этой части спектра, и, таким образом лазерный луч на этих длинах волн ослабляется настолько, как она проходит через роговицу глаза, что нет света остаются должно быть сосредоточено на объективе на сетчатку. Ярлык "безопасный для глаз" может ввести в заблуждение, однако, как это относится только к относительно малой мощности непрерывных пучков волн, любой большой мощности или модуляцией добротности лазера на этих длинах волн может сжечь роговицу, вызывая серьезные повреждения глаз.

    8. Опасности лазерного излучения
    Лазерные указки получили широкое применение от его первого появления. Лазеры в основном применимы в качестве инструмента для представления в преподавание, астрономии звездопада, и встреч. Тем не менее, эти лазеры постепенно принадлежащих лазерных поклонников и энтузиастов в том числе детей в связи с низкой стоимостью и бесчисленное множество поставщиков, и использоваться таким образом, не предусмотренных производителями. В результате, это серьезно Важно понимать опасности лазерных указок перед реальной обладание лазерной указкой.

    Лазерная опасности
    Лазерное излучение преимущественно вызывает повреждение путем термического воздействия. Даже умеренно питания лазера может привести к травмам глаз. Лазеров высокой мощности также может обжечь кожу. Некоторые лазеры настолько мощным, что даже диффузного отражения от поверхности может быть опасным для глаз.

    Хотя существует потенциальная опасность для сетчатки, не все лазеры видимого пучка, вероятно, привести к необратимому повреждению сетчатки. Воздействия смотреть на луч лазерной указки, скорее всего, причиной остаточного изображения, флэш-слепоты и бликов. Временная боль в сетчатке восстановится через несколько минут.

    Малым углом расходимости лазерного света и механизма фокусировки на глаза означают, что лазерный свет может быть сконцентрирован в очень маленькое пятно на сетчатке. Если лазер достаточно мощный, постоянный ущерб может происходить в течение доли секунды, буквально быстрее, чем мгновение ока. Достаточно мощный в видимой до ближней ИК лазерным излучением (400-1400nm) будет проникать глазного яблока и может привести к нагреву сетчатки, в то время как воздействие лазерного излучения с длиной волны менее 400 nm и больше, чем 1400nm в основном поглощаются роговицей и хрусталиком, приводит к развитию катаракты или ожогов.

    Инфракрасные лазеры являются особенно опасными, так как защитные тела "рефлекс моргания" ответ срабатывает только видимый свет. Например, некоторые люди подвергаются воздействию высоких Nd мощность: YAG лазера с невидимым 1064 излучению, не может чувствовать боль или заметите непосредственного ущерба их зрение. Поп-музыка или звук щелчка, вытекающих из глазного яблока может быть единственным признаком того, что повреждение сетчатки произошло то есть сетчатка нагревали до 100 ° C в результате локализованного взрывного вскипания сопровождается немедленного создания постоянного слепое пятно.

    Ответственные владельцы лазерных должны полностью понимать опасности лазерного излучения, и признать FAA правила, связанные с использованием лазерной указки. Защитные очки, как правило, требуется, когда непосредственное наблюдение мощный луч может произойти.

    9. Как защитить себя от лазерной опасности?
    Это весьма важно для принятия эффективных методов предотвращения ущерба от класса 3В или класса IIIb. Лазерные защитные очки являются главным аксессуаром для защиты глаз на рынке в настоящее время. Различные выбор лазерных датчиков, очки должны быть выбраны для конкретного типа, чтобы заблокировать соответствующую длину волны. Например, поглощающий 532 очков обычно имеет оранжевый очков.

    Непосредственно глядя на лазерные указки строго запрещено в любых условиях. Не забывайте надевать защитные очки перед использованием лазерной указки.

    Советы по безопасности лазерной указкой:

    ● Поставьте лазер в недоступном для несовершеннолетних. Не допускать несовершеннолетних (до 18 лет) на приобретение и использование лазерной указкой ни при каких надзора. Только взрослые могут использовать лазерные указки после того, как они поняли знаний безопасности и риска лазерных продуктов.

    ● Будьте особенно осторожны, если вы используете высокой мощности лазерного излучения. Вы никогда не должны пытаться указать свой лазерный указатель на любого человека и животных, пилот самолета и движущихся транспортных средств, или вы будете заключены в тюрьму в тюрьме за неправильное использование лазерных устройств.

    ● Хранить вдали от мощных лазеров. Пожалуйста, всегда держать себя вдали от мощных лазера, такие как сжигание лазера. Они существенно отличаются от формальных лазеров для презентации. Никогда не пытайтесь купить лазер без никакой выявить класса и мощности.

    10. Как мощные лазерные указки будет?

    Различные приложения должны лазеров с различной выходной мощностью. Лазеры, которые производят непрерывный пучок или серия коротких импульсов можно сравнить на основе их средней мощности. Лазеры, которые производят импульсы могут быть охарактеризованы на основе пиковая мощность каждого импульса. Пиковая мощность импульсного лазера на много порядков больше, чем его средняя мощность. Средняя выходная мощность всегда меньше, чем потребляемая мощность.

    Непрерывным или средней мощности, необходимой для некоторых применений:
    Мощность использование
    1-5 mW лазерного указателя
    5 mW компакт-дисков
    5-10 mW DVD-плеер или DVD-дисков
    100 mW высокоскоростной CD-RW горелки
    250 mW потребительских 16x DVD-R горелки
    400 mW горения через футляре диска в том числе в течение 4 секунд
    1 W Зеленый лазер в текущем Голографический Универсальный развития прототип диска
    1-20 W Выходная большинства коnmерчески доступных твердотельных лазеров, используемых для микро-обработки
    30-100 W Типичные запечатанных СО2 хирургических лазеров
    100-3000 W Типичные запечатанных CO2 лазеров, используемых в промышленных лазерной резки
    5 KW Выходная мощность достигается за счет 1 см бар лазерный диод
    100 KW Заявленная мощность СО2-лазера, разрабатываемый Northrop Grumman для военных (оружие) приложений

    11. Что лазерных обслуживания?

    Правильное обслуживание вашего лазерного прекрасно продлить срок его службы. Нам просто нужно следовать следующим советам:

    Что нужно:
    1. Салфетка из микрофибры
    Пожалуйста, убедитесь, что ткань из микроволокна специально разработана для очистки линз. Вы можете найти это в вашем местном камеры или очки магазине.
    2. Q-наконечником или зуб выбор
    Вам нужно будет сложить ткань над одним из них, чтобы быть в состоянии достичь линзы правильно.
    3. Объектив очистки растворов (необязательно)
    Используйте для очистки линз решение, только если объектив не очищается салфетка из микрофибры в одиночку. Пожалуйста, убедитесь, что чистящий раствор разработан специально для очистки объектива.
    * Внимание: не используйте воду.

    Процедура:
    1. Мойте руки с мылом и водой. Убедитесь в том, чтобы высушить их должным образом.
    2. Сложите ткань из микроволокна на зубочистку или ручку часть Q-Tip. Убедитесь, что вы не трогайте часть ткани, которая будет очистка линз. Вы, наверное, не сможет сложить ткань вдвое, так что вы должны быть очень осторожны, чтобы не нажимать слишком сильно на объектив.
    3. Аккуратно переместите ткань в отверстие, пока она вступает в контакт с объективом. Натрите его из стороны в сторону, но не нажимайте слишком сильно. Плавно поворачивайте ткань в вращательным движением вперед и назад. Повторите эту процедуру, пока объектив вашей лазерной чист.
    4. Превратите ваш лазерный блок, чтобы увидеть, если объектив чист.

    Тем не менее грязным? Попробуйте использовать раствор для очистки объектива.
    Применяют по 1 капле только часть ткани, которая будет очистка линз, следовать той же процедуре, что и выше. Вы хотите, чтобы закончить с помощью сухой части ткань для протирки объектива сухой, это должно занять один проход стороны в сторону или нежно вращаться.

    В узконаправленный луч, как правило используется двояковыпуклая линза -коллиматор . Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (например, для изучения интерференции). Мощность наиболее распространенных лазерных указок 0,1-50 мВт , в продаже имеются и более мощные до 2000 мВт . В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно. Со временем открытый лазерный диод «выгорает», из-за чего его мощность падает. Со временем подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки . Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры.

    Лазерная указка

    Типы лазерных указок

    Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зеленая указка с λ=532 нм - хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в 6 раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время набирают популярность жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

    Красные лазерные указки

    Самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелока питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на сегодняшний день (апрель 2012 г.) стоят порядка 1$. Мощные красные указки - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Так, фокусируемая лазерная указка мощностью 200мВт, способная зажигать хорошо поглощающие излучение материалы (спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.), стоит порядка 20-30$. Длина волны - примерно 650 нм.

    Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (diode-pumped solid-state , DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

    Зеленые лазерные указки

    Устройство зеленой лазерной указки типа DPSS, длина волны 532nm.

    Луч лазерной указки 100мВт, направленный в ночное небо.

    Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется другая схема. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают довольно громоздким способом.

    Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Nd:YVO 4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO 4 , сокр. KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы около 20 %, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК . На мощных указках >50 мВт нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр ), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. Также стоит отметить высокую энергозатратность зелёных лазеров - в большинстве используются две AA/AAA/CR123 батареи.

    473 нм (бирюзовый цвет)

    Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путем удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG).

    445 нм (синий цвет)

    В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи. Своё активное распространение начали в связи с выпуском компанией Casio проекторов , использующих вместо привычных ламп мощные лазерные диоды.

    Фиолетовые лазерные указки

    Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого человеческим зрением и поэтому лазерное излучение таких указок кажется тусклым. Однако, свет указки вызывает флюоресценцию некоторых предметов, на которые он направлен, яркость которой для глаза выше, чем яркость самого лазера.

    Фиолетовые лазерные указки появились сразу после появления Blu-ray -приводов, в связи с началом массового производства лазерных диодов на 405 нм.

    Жёлтые лазерные указки

    В жёлтых лазерных указках используется DPSS лазер, излучающий одновременно две линии: 1064 нм и 1342 нм. Это излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны этих двух линий и излучает фотоны 593,5 нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких жёлтых лазеров составляет около 1 %.

    Использование лазерных указок

    Безопасность

    Лазерное излучение опасно при попадании в глаза.

    Обычные лазерные указки имеют мощность 1-5 мВт и относятся к классу опасности 2 - 3А и могут представлять опасность, если направлять луч в человеческий глаз достаточно продолжительное время или через оптические приборы. Лазерные указки мощностью 50-300 мВт относятся к классу 3B и способны причинить сильные повреждения сетчатке глаза даже при кратковременном попадании прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого.

    В лучшем случае лазерные указки оказывают только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь их или даже ослепить. Если это приведёт к аварии, то повлечёт за собой уголовную ответственность.

    Всё более многочисленные «лазерные инциденты» вызывают в России, Канаде, США и Великобритании требования ограничить или запретить лазерные указки. Уже сейчас в Новом Южном Уэльсе предусмотрен штраф за обладание лазерной указкой, а за «лазерное нападение» - срок лишения свободы до 14 лет.

    Также важно учесть, что у большинства дешёвых китайских лазеров, работающие по принципу накачки (то есть зелёные, жёлтые и оранжевые) отсутствует ИК-фильтр ради соображения экономии, и такие лазеры фактически представляют большую опасность для органов зрения, чем заявлено производителями.

    Примечания

    Ссылки

    • Laser Pointer Safety website Включает данные о безопасности
    Разделы