Министерство образования РФ Оренбургский государственный университет ГУ МНТК «МГ» им. Академика Св. Федорова Оренбургски...
19 downloads
221 Views
5MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования РФ Оренбургский государственный университет ГУ МНТК «МГ» им. Академика Св. Федорова Оренбургский филиал
В.Н. Канюков Н.Г. Терегулов В.Ф. Винярский В.В. Осипов
РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ Учебное пособие
Рекомендовано Ученым Советом Оренбургского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов специальности 190600 – Инженерное дело в медико-биологической практике
Оренбург 2000
ББК 5:72 Р 17 УДК 61:001
Рецензент: Калакутский Л.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники, руководитель центра медицинского приборостроения
Р 17 Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине (учебное пособие) -- Оренбург, ОГУ, 2000. – 255 с. ISBN 5-7410-0231-5
Книга предназначена для студентов по специальности 190600 – Инженерное дело в медико-биологической практике. Она может быть полезна для аспирантов, инженеров медицинской техники, врачей, руководителей медико-профилактических учреждений.
Р
4101000000 6Л9-00
ISBN 5-7410-0231-5
ББК 5:72
Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В., 2000 ОГУ, 2000
Введение Стремление человечества к познанию закономерностей окружающего нас реального мира приводит к последовательному накоплению объема знаний, которые постоянно уточняются и углубляются. Наряду с дальнейшим развитием наук, возникших в предыдущие периоды нашей жизнедеятельности, продолжается процесс зарождения новых научных дисциплин: субатомная физика, биофизика, бионика, космонавтика, кибернетика и т.д. Одновременно, начиная с 40-х — 50-х годов текущего столетия начинается углубленная ориентация на взаимодействие наук при решении различных научно-технических проблем, возрастает их взаимопроникновение. Новые дисциплины, как правило, в определенном сочетании взаимосвязаны между собой. Например, бионика призванная решать инженерные задачи на основе жизнедеятельности организмов, взаимосвязана с биологией, физикой, химией, кибернетикой, электроникой, связью, навигацией и другими смежными науками, а биофизика-наука, углубленно изучающая сущность биологических явлений с применением методов точных наук, тесно связана с биологией, физикой, химией, математикой и др. Здесь очевиден междисциплинарный подход к решению соответствующих проблем. Такое взаимодействие наук способствует их взаимному обогащению за счет использования приемов, методов и средств одной области знаний в другой и наоборот. Современные проблемы, поставленные нашей жизнедеятельностью, практически не разрешимы усилиями одиночек, силами и средствами отдельно взятых научных дисциплин. Решение крупных проблем нашего времени, поставленных перед наукой, возможно при проведении комплексных исследований, проводимых силами и средствами различных областей знаний. В качестве примера можно привести исследования по экологической проблеме, конечной целью которой является научное регулирование связи «Общество - природа». Мы сегодня являемся свидетелями того, как созданное руками человечества неконтролируемое воздействие технической цивилизации на окружающую нас природу приводит к серьезным негативным последствиям. Здесь, видимо, необходимо понимание того, что мы должны работать не на покорение природы, а на то, чтобы овладеть ее закономерностями и гармонично вписаться в ее законы. Лучшие умы человечества, работающие над созданием орудий и средств самоуничтожения, необходимо направить на познание окружающего нас мира - приспособиться в нем и улучшать условия жизни, живя в согласии с природой.
Эта цель может быть достигнута только совокупными усилиями технических наук, наук о Земле, медицины, математики, экономики и др. Комплексный подход к решению возникших проблем должен привести к более полному познанию законов развития природы, которые нам, видимо, знакомы пока лишь в самом общем виде. Общепризнанным фактом является то, что в последние десятилетия происходит слияние науки, технологии и техническо-производственной деятельности. В этой связи, вторжение научно-технических достижений в область медицины также надо считать закономерным явлением. В предлагаемом обзорном курсе лекций рассматриваются ряд современных научно-технических достижений, трансформированных в область медицины (лазеры и др.). Целью курса лекций является расширение круга знаний студентов за счет их ознакомления с научно-техническими достижениями в смежных областях, влияющих на развитие сферы непосредственной деятельности будущих специалистов по медико-биологической технике. Авторы придерживались следующего построения лекций: - краткие сведения (напоминания) по разбираемой теме, известные студентам из ранее накопленного им объема знаний; - современное состояние обсуждаемой проблемы; - практическое воплощение рассматриваемого вопроса в технике и медицине.
1. Лазеры 1.1. Об истории создания лазера 1916 г. - Эйнштейн предсказывает возможность получения стимулированного излучения. 1940 г. - советский ученый В.А. Фабрикант формулирует условия получения стимулированного излучения. 1952 г. - В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский проводят лабораторный эксперимент с использованием неравновесной среды и получают усиление оптического излучения. 1959-1960 гг. - созданы лазеры на рубине и газовой среде. 1959 г. – академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров удостоены Ленинской премии за создание и разработку нового метода генерации и усиления. 1964 г. - академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров совместно с американским ученым Ч.Таунсом удостоены Нобелевской премии по физике за разработку и внедрение квантовой электроники. 1970-1972 гг. - отечественная промышленность освоила выпуск ряда твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров 1971 г. - член-корреспондент АНСССР Ю.Н. Денисюк удостоен Ленинской премии за развитие голографии с записью в трехмерной среде. 1973-1976 гг. - создан ряд отечественных дальномеров с использованием лазеров в качестве источника излучения 1977-1979 гг. - лазеры внедряются в промышленности, медицине, геодезии, приборостроении, строительстве, химии и др. 1.2 Электромагнитное излучение Лазерное излучение - электромагнитное излучение, имеющие определенные свойства, присущие только ему. Электромагнитные волны распространяются в пространстве (вакууме) со скоростью света „с” во все стороны от источника. Радиоволны, свет, рентгеновские и гамма-излучения имеют одну электромагнитную природу в любой части спектра и отличаются длиной волны. Длина волны λ и частота колебаний ν всех типов электромагнитного излучения связаны соотношением λ=с/ν,
Отсюда следует, что длина волны возрастает с уменьшением частоты.
Рисунок 1.1 - Основные участки электромагнитного спектра На рисунке 1.1 показаны основные участки электромагнитного спектра с указанием длин волн и частот. Резкой границей между различными участками спектра нет. Они определены условно в соответствии с разными способами взаимодействия различных типов излучения с материей. Кроме волновых характеристик электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими частицам. Источник колебаний излучает в пространство электромагнитное поле, несущее в себе энергию. Оказывается, что оно уносит эту энергию от источника колебания порциями. Притом, частота колебаний различных электромагнитных полей или длина их электромагнитных волн отличаются одна от другой величинами излучаемых порций световой энергии. Эти порции называются квантами или фотонами. Каждый фотон несет дискретное количество энергии, которая определяется зависимостью: E=hc/λ=hν, где h- постоянная Планка. Отсюда видно, что энергия фотона увеличивается по мере уменьшения длины волны и увеличения частоты. Таким образом, электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими волнам и частицам: при одних случаях взаимодействия оно ведет себя как волна, а при других как частица. Считается, что в большинстве случаев взаимодействия света с веществом его квантовые свойства проявляются сильнее, чем волновые. Лазерному излучению так же присущи свойства, как волн, так и частиц. В литературе приводятся сведения о том, что в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра лазерное излучение проявляет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей,
являет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей, как поток частиц. В настоящее время пригодные для практических целей лазеры работают в диапазоне длин волн от 0,3 до 10 мкм. На рисунке 1.2 даны длины волн излучения наиболее распространенных лазеров.
Рисунок 1.2 - Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров
1.3 Краткие сведения о лазерах Одним из качественно новых технологических процессов, все шире внедряемых в производство, являются лазерные технологии. В их основе лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими генераторами - лазерами. Возможности сфокусированного пучка лазерного излучения уникальны. Процесс обработки лазерным лучом отличается от традиционных методов обработки отсутствием контактных явлений в зоне обработки, минимальной зоной теплового воздействия, универсальностью сфокусированного пучка-инструмента и возможностью автоматизации процесса. 1.3.1 Основные понятия В атомах электроны вращаются вокруг ядер по орбитам, составляющим дискретные электронные слои. Вращающиеся электроны обладают энергией, зависящей от расстояния данного слоя от ядра. Таким образом, можно рассматривать систему уровней энергии, которые составляют энергетический спектр атома или молекулы.
Наименьшее возможное энергетическое состояние атома является устойчивым (основное состояние). Переход атома или молекулы в более высокое энергетическое состояние связано с его возбуждением. Число частиц в единице объема вещества, имеющих данный уровень энергии, называют населенностью энергетического уровня. В возбужденном состоянии населенность верхних энергетических уровней повышенная. Это явление называется инверсией населенности. Снижение энергии происходит за счет ее выделения в виде квантов. Это, так называемый, излучательный квантовый переход. Энергия может снижаться и за счет безызлучательных переходов (за счет передачи избытка энергии другим частицам или усиления теплового колебания решеток). Излучательные квантовые переходы могут быть самопроизвольными (спонтанными) и вынужденными. Спонтанное излучение происходит случайно, кванты испускаются хаотично в разные моменты времени и в разных направлениях в пространстве. Поэтому такое излучение является некогерентным и широко полосным по спектру. Вынужденное излучение инициируется поглощением попадающих в вещество квантов и созданием инверсии населенности. При вынужденном излучении в процесс вовлекаются как первичные - вынуждающие кванты, так и вторичные, испускаемые возбужденным атомом. Поэтому выделяемая при этом процессе энергия увеличена. В отличие от спонтанного излучения, вынужденное является когерентным, оно соответствует частоте, фазе, поляризации и направлению первичного излучения. 1.3.2 Принцип работы лазеров В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов. Осуществление инверсии населенности в веществе может быть осуществлено за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процессы условно называют «накачкой». Следует заметить, что хотя возбужденные атомы могут иметь большое количество энергетических уровней, переходы возможны только между двумя соседними.
Рисунок 1.3 - Схемы накачки: а - трехуровневая схема; б - четырехуровневая накачка На рисунке 1.3. в качестве примера рассмотрены схемы оптической накачки и получения лазерного излучения при наличии трех и четырех энергетических уровней. Первая схема реализована Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым (1955г.) в активной среде рубина с примесью хрома. В результате оптической накачки повышается энергия на уровне 3 за счет перевода атомов с основного в возбужденное состояние и осуществляется переход 3→2 в ионах хрома безызлучательным путем. Вероятность перехода 3→2 значительно больше, чем 2→1, в силу чего происходит накопление энергии на уровне 2. Поскольку создается инверсия населенностей, возникает вынужденное излучение 2→1. При четырехуровневой схеме (неодимовое стекло и кристалл граната с примесью ионов неодима) за счет накачки повышается энергия четвертого уровня ионов неодима. Здесь вероятности переходов 4→3и 2→1, осуществляемых безызлучательными процессами, больше, чем квантового перехода 3 →2. Поэтому на уровне 3 создаётся инверсия населенности и возникает лазерное излучение 3→2. Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения. С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования. На рисунке 1.4 схематично показан резонатор, основанный на этом принципе.
1 – глухое зеркало; 2 – активная среда; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – излучение; • - невозбужденные атомы (основное состояние); ° - возбужденные атомы Рисунок 1.4 - Схема работы активной среды в резонаторе с плоскопараллельными зеркалами Первоначально рисунок 1.4а все атомы активной среды (вещества) находятся в основном состоянии, кроме трех. Внешнее электромагнитное поле переводит часть атомов в возбужденное состояние - происходит процесс поглощения рисунок 1.4б. При этом спонтанно возникшие фотоны рисунок 1.4в, двигающиеся вдоль оси активной среды, отражаясь от зеркал резонатора рисунок 1.4 г,д, каждый раз будут вызывать вынужденное излучение идентичных фотонов. Спонтанно излученные фотоны рисунок 1.4в, имеющие другие направления, будут выходить из активной среды. Вынужденное излучение возбужденных атомов приведет к лавинному процессу рождения фотонов, подобных первичным рисунок 1.4г,д. Этот процесс будет продолжаться до того времени рисунок 1.4е, пока интенсивность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения 4. В целях получения генерации электромагнитной волны также необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало все возможные потери энергии: за счет выхода излучения из резонатора через зеркало, дифракционных потерь в резонаторе, потерь за счет рассеивания излучения и нагре-
ва стенок резонатора и т.д. Следовательно, генерация начнется только тогда, когда усиление в активной среде превысит некоторое пороговое значение. Таким образом, для создания лазера - (источника когерентного света) необходимы следующие условия: а) Наличие активной среды с инверсной населенностью; б) Активная среда должна быть помещена в резонатор; в) Усиление активной среды должно быть больше некоторого порогового значения. В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры. Лазеры, в которых в качестве активной среды используются твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твердотельным. Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), называют газовыми. Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения. Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непрерывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы называется непрерывным. Принципиальная схема твердотелых лазеров показана на рисунке 1.5. Активный элемент 1, лампа накачки 5 и отражатель 4 составляют узел, называемый квантроном. Он охлаждается дистиллированной водой (внутренний контур охлаждения). Наружный контур охлаждения лазера подключается к водопроводной сети. Квантрон, помещенный в резонатор (заключенный между зеркалами 2,3), превращается в генератор (излучатель) лазерного излучения. Источник 6 питания лазера предназначен для обеспечения работы его излучателя в определенном режиме работы.
1 – активный элемент; 2,3 – резонатор; 4 – отражатель; 5 – лампа накачки; 6 – источник питания. Рисунок 1.5 - Принципиальная схема твердотельного лазера: Из твердотельных лазеров наибольшее распространение в машиностроении для обработки материалов получили лазеры на рубине, стекле с неодимом и на гранатах с неодимом. Лазеры на стекле с неодимом и на алюмоиттриевом гранате (АИГ) с неодимом генерируют излучение на длине волны λ=1,06 мкм. Дальнейшее развитие твердотельных лазеров связано с созданием новых активных элементов, многокаскадных усилителей и многоканальных систем, сокращением длительности импульса. Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемыми оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В этих лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО2 молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО2 и N2 возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N2, сталкиваясь с молекулами СО2, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии. После чего молекулы СО2, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы Не (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.
В процессе работы лазера происходит повышение температуры рабочей смеси газов, приводящее к снижению его выходной мощности. Для устранения этого явления возникает необходимость в охлаждении этой смеси. В СО2 лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси – это лазеры первого поколения. Требования производства привели к созданию более мощных технологических СО2 лазеров. Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь (конвективное охлаждение). Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой прокачкой. По ориентации направлений распространения пучка лазерного излучения, прокачки (потока) газовой смеси и возбуждающего электрического разряда разработаны следующие виды конструкций лазерных СО2 излучателей с быстрой прокачкой (рисунок 1.6): - направления пучка лазерного излучения, прокачки газовой смеси и электрического разряда совпадают рисунок 1.6а - быстро проточные газоразрядные лазеры с продольной прокачкой; - направления пучка лазерного излучения и прокачки взаимно перпендикулярны рисунок 1.6.б, а направление возбуждающего разряда совпадает с направлением потока газовой смеси рисунок 1.6.б.I или же перпендикулярно к ней рисунок 1.6.б.II – быстро проточные газоразрядные лазеры с поперечной прокачкой. Эти лазеры могут работать в различных (например, непрерывном, импульсно-периодическом) режимах излучения. Интересная и перспективная конструкция лазера с поперечной прокачкой описана в докладе P. Hoffman. The start of new generation of CO2 lasers for industry. Создана конструкция промышленного СО2 лазера рисунок 1.6в с компактным излучателем, с поперечной быстрой прокачкой газовой смеси с общим объемом около 0.3 м3 , весом менее 100 кг и мощностью излучения 1 кВт. Излучатель имеет две газоразрядные полости с противоположными направлениями прокачки, которые соединены в замкнутую систему, включающую теплообменники для охлаждения газовой смеси и компрессор. Газоразрядные участки обеих полостей оптически соединены «U» – образным резонатором с отклоняющими зеркалами 10 рисунок 1.6.в.I. Возбуждение газовой смеси осуществляется ВЧ электрическим разрядом. Коэффициент полезного действия современных промышленных СО2 лазеров достаточно высок и колеблется в пределах 20- 30%.
Рис 1.6 - Принципиальные схемы быстропроточных СО2 лазеров: а) с продольной прокачкой; б), в) с поперечной прокачкой; 1 – непрозрачное (глухое) зеркало резонатора; 2 – полупрозрачное зеркало резонатора; 3 – газоразрядная полость излучателя; 4 – теплообменник; 5 – электроды; 6 – направление потока газовой смеси; 7 – лазарное излучение; 8 – высокое напряжение; 9 – компрессор; 10 – отклоняющее зеркало. 1.3.3 Основные свойства лазерного излучения Широкое использование лазеров для различных практических целей обусловлено некоторыми уникальными свойствами их излучения. Когерентность как свойство лазерного излучения представляет собой согласованное протекание во времени ряда волновых процессов. Направленность обусловлена тем, что активная среда помещена между двумя плоскопараллельными зеркалами (открытый резонатор). В резонаторе же могут поддерживаться только те электромагнитные волны, которые распространяются в близком к оси направлении или вдоль его оси. Направленность характеризуется углом расходимости пучка лазерного излучения, который колеблется от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут. Это свойство пучка лазерного излучения имеет большое практическое значение в связи, локации и в других областях техники. Лазерное излучение имеет определенный интервал частоты, обычно очень узкий. Это свойство называют монохроматичностью излучения. Моно-
хроматичность связана с определенностью квантового перехода, генерации и усиления излучения только на определенных частотах резонатора. Яркость. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности пучка лазерного излучения. В импульсных лазерах излучение длится малые доли секунды, поэтому даже при небольшой величине излучаемой энергии лазера его мощность значительна. Обычно импульсные лазеры характеризуются излучаемой энергией в Джоулях, тогда как непрерывные - мощностью в Ваттах. Плотность мощности излучения (Wр) определяется как мощность излучения, падающего на единицу облучаемой поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного пучка. Для лазерных установок импульсного действия пользуются понятием плотности энергии Wе (энергия излучения, падающая на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного луча). Плотность мощности импульсного лазерного излучения определяется выражением: Wp=E/Sτu, где τu – длительность импульсов лазерного излучения, с Wp, We - зависят от энергетических и временных параметров, а также от условий фокусировки излучения. S – площадь облучаемой поверхности, м2 1.3.4 Фокусировка пучка лазерного излучения Пучок лазерного излучения, выходящий из резонатора, сфокусировать в математическую точку нельзя потому, что существует какой-то минимально допустимый размер пятна, определяемый дифракцией. Кроме того, в следствии присущих любой оптической системе аберраций также происходит увеличение размера фокального пятна. По этим причинам фокальное пятно получается не только увеличенным в диаметре, но и вытянутым вдоль оси оптической системы и характеризуется глубиной фокуса l . Таким образом, выбирая оптическую систему для фокусирования пучка лазерного излучения необходимо учитывать зависимость между двумя ее параметрами - размером сфокусированного пятна и глубиной фокуса. При рассмотрении оптических систем, работающих совместно с лазерами, обычно предполагают, что каждая точка сечения пучка лазерного излучения испускает пучок геометрических лучей с углом расходимости θ. Ось такого пучка параллельна оси оптической системы. Следовательно, структура излучения представляется в виде набора пучков параллельных лучей, равномерно заполняющих угол расходимости.
На рисунке 1.7. показана схема расходимости и фокусировки пучка лазерного излучения.
Рис 1.7 - Расходимость и фокусировка пучка лазерного излучения: r1 и r2 - радиусы кривизны зеркал резонатора; d 0 - диаметр перетяжки пучка в резонаторе; θ - угол расходимости пучка; f - фокусное расстояние линзы; l f - расстояние от фокуса пучка до линзы; d f - диаметр пучка в фокусе; D - диаметр пучка в месте его выхода из резонатора; d - диаметр перетяжки пучка лазерного излучения; l - глубина фокуса; l 1 - расстояние от линзы до выходного зеркала резонатора. На каустике (поверхность в продольном сечении сфокусированного пучка лазерного излучения, которая является зоной концентрации световой энергии) имеются две характерные плоскости: фокальная плоскость и плоскость изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы. Расстояние между фокальной плоскостью и плоскостью изображения l зависит от расстояния между оптической системой и излучателем l 1 (см. рисунок 1.7.). Способ обработки, при котором поверхность облучения совмещена с фокальной плоскостью, называют обработкой в дальней зоне. Он является наиболее распространенным при получении круглых отверстий. Способ же обработки, когда поверхность облучения совмещена с плоскостью изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы, называют способом обработки в ближней зоне. Пространственное распределение излучения в дальней зоне характеризуется наложением полей всех участвующих в генерации мод и имеет вид гауссовой кривой; зона обработки при этом не имеет ярко выраженных границ. Пространственное распределение излучения в ближней зоне повторяет в определенном масштабе распределение поля в излучателе, равномерность которого определяется режимом работы лазера. Зона воздействия излучения в этом случае обычно четко ограничена. Положение фокуса сфокусированного пучка лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности определяет параметры обработки (например, диаметр и глубину). Фокусировка луча над поверхностью, на поверхности и под поверхностью обрабатываемого материала дает различные конечные результаты. Например, при прочих равных условиях фокусировка луча под поверхностью обрабатываемого материала позволяет получать более широкий рез.
Сфокусированный пучок лазерного излучения обладает следующими основными преимуществами перед традиционными металлорежущими инструментами: - с одинаковым успехом может быть использован для обработки твердых и мягких материалов, отличных по своим физико-механическим свойствам; - отсутствует механический контакт с обрабатываемой деталью и, следовательно, износ и вибрация от инструмента; - отсутствует стружка; - не применяется СОЖ; - малая тепловая нагрузка на обрабатываемую деталь; - возможна работа совместно с технологическими газами без дополнительных дорогостоящих устройств; - отпадает необходимость в приобретении, хранении и содержании обрабатывающих инструментов. Таким образом, пучок лазерного излучения является одним из наиболее гибких универсальных инструментов. Им можно обрабатывать материалы с различными свойствами: разные металлы и сплавы в состоянии поставки или после соответствующей термообработки, а также неметаллы (пластмассы, резину, стекло, кристаллы, дерево и т.д.). Пучком лазерного излучения можно гравировать, проводить нанесение покрытий для увеличения износостойкости и т.п. Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча зависит от распределения электромагнитного поля, формируемого в резонаторе, и, следовательно, от его типа и конструкции.
Рисунок 1.8 - Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча: а- одномодовое; б- многомодовое Лазерные излучатели, у которых распределение энергии выходного луча во времени и пространстве соответствует вращательно – симметричному гауссовому (нормальному) распределению (рисунок. 1.8 а), называют одномодовыми и обозначают символами ТЕМоо, а лазерные излучатели, у кото-
рых распределение энергии луча, не соответствует этому условию, называют многомодовым (рисунок.1.8.б.) – (ТЕМmn). На схеме (рис 1.9.) показаны устойчивые (с диафрагмой и без нее) – (а,б,в) – и неустойчивый (-г-) резонаторы и соответствующее им распределение энергии по сечению лазерного луча. В устойчивых резонаторах за счет увеличения диаметра диафрагмы можно от нормальной моды излучения (ТЕМоо), имеющего высокую фокусирующую способность, перейти к многомодовому режиму излучения ТЕМmn, обеспечивающему усредненное распределение энергии по лучу. В неустойчивом резонаторе способность к фокусировке излучения зависит от отношения между внешним и внутренним диаметрами выходного луча кольцевой формы (коэффициент М). Путем увеличения значения М можно повысить фокусирующую способность лазерного луча. Промышленные излучатели, в основном, конструктивно выполнены так, что они способны генерировать лазерное излучение только с определенным распределением энергии по сечению луча. Поэтому для каждого вида лазерной обработки материалов (резка, сварка, термоупрочнение и т.д.) выбирают соответствующий излучатель.
Рисунок 1.9 - Распределение интенсивности лазерного луча в зависимости от конструкции резонатора: а, б, в – устойчивые резонаторы; г – неустойчивый резонатор 1 - непрозрачное (глухое) зеркало; 2 – диафрагма; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – отклоняющее зеркало; 5 – выходное зеркало; 6,7 – одиночные моды. Так, для лазерной резки материалов наиболее приемлемыми являются излучатели, работающие на одно (а) – или двух (б) – модовом режимах, ввиду того ,что в этих случаях при фокусировке луча можно получить «острый» луч, имеющий в фокусе (в зависимости от излучаемой моды и качества оптической системы) диаметр от 0,1 до 0,3 мм., у излучателя, работающего на многомодовом режиме, значение этого диаметра доходит до 0,5-0,6 мм. Это приводит к падению плотности мощности, увеличению ширины реза и, следовательно, к снижению технологических возможностей такого лазера. Лазерные сварочные операции обычно выполняются в многомодовом (в) режиме излучения, обеспечивающем равномерное плавление свариваемых участков металла. Когда требуется более глубоко проплавление металла, используют кольцевой (г) режим излучения. Для выполнения операции лазерного поверхностного термоупрочнения, где требуются относительно небольшие плотности мощности, но желательны увеличенные диаметры луча в фокальной плоскости, используют многомодовое излучение. 1.4 Краткое описание некоторых лазерных установок Вспомним принцип работы и некоторые конструктивные особенности лазеров, наиболее широко применяемых на машиностроительных заводах и в медицинских лечебных учреждениях.
На наш взгляд, к таковым относятся аргоновые, гелий - неоновые, СО2,АИГ (ИАГ):Nd-3 лазеры. В газовых лазерах электроны атомов рабочего газа обладают большим количеством возможных энергетических уровней, но из них, в основном, только одна пара служит для генерации излучения, а остальные подавляются за счет принятия специальных мер. 1.4.1 Аргоновый лазер Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине - зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм., а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм. Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ÷ 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на Рисунок 1.10.
Рисунок 1.10 - Схема конструкции аргонового лазера 1 – выходные окна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охлаждения; 4 – газоразрядная трубка (капилляр); 5 – магниты; 6 – анод; 7 – обводная газовая трубка; 8 – глухое зеркало; 9 – полупрозрачное зеркало. Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм – в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для "отжимания" разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки. Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включе-
ния дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7). Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки. Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина. Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии. Считается, что особенно перспективно использование в медицине коротковолнового ультрафиолетового излучения с λ = 0,26 мкм, которое на 90 % поглощается нуклеиновыми кислотами и только на 10 % - белками. 1.4.2 Гелий - неоновый лазер Гелий - неоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров на атомах нейтральных газов. Активная среда этого лазера - смесь нейтральных газов гелия и неона. Современные гелий - неоновые лазеры ЛГ - 55, ЛГ - 72, ЛГ - 78, ОКГ 13 и другие. Их разделяют на: - маломощные (малогабаритные) от 0,1 до 2,0 мВт. Длина излучателя 300 мм. Работают на λ = 0,633 мкм; - средней мощности от 2,5 до 15 мВт; λ= 0,63 и 1,15 мкм.; - мощные лазеры от 20 до 60 мВт, снабженные иногда комплектом дополнительных принадлежностей для выделения одной частоты селекции различных длин волн (0,63; 1,15 и 3,39 мкм), стабилизации мощности и пр.; - лазеры специального назначения самых различных конструкций, с СВЧ накачкой и др. λ= 0,63 мкм - видимая часть спектра (красная линия излучения неона). λ= 1,15 и 3,39 мкм - инфракрасная часть спектра. Долговечность гелий - неоновых лазеров до 10000 ч и более. Экспериментально установлено, что отношение Не к Ne по максимуму мощности излучения должно составлять 5:1 - 10:1 в зависимости от диаметра трубки (для малых диаметров отношение больше). Разрядный ток равняется от 5 до 50 мА, а плотность тока исчисляется в мА/см2. В гелий - неоновом лазере давление газовой смеси в газоразрядной трубке имеет порядок 1мм.рт.ст. При этом пропорциональное давление гелия
примерно в 5 - 10 раз выше давления неона. В гелий - неоновых лазерах генерация происходит на переходах между уровнями нейтральных атомов неона (рабочий газ). Гелий - вспомогательный (буферный) газ. В процессе газового разряда "активная" среда создается за счет столкновения атомов с электронами, что переводит электроны в атомах не только на верхний уровень, но и на остальные уровни, бесполезно растрачивая энергию. Чтобы их перевести исключительно на нужный уровень, к основному газу подмешивают вспомогательный (гелий). Сам он не генерирует света, но зато обладает полезной особенностью: его электроны под действием разряда скапливаются практически только на одном уровне. При этом энергия уровней неона практически совпадает с энергией метастабильных уровней гелия. При столкновении "возбужденного" атома гелия с невозбужденным атомом рабочего газа, атом гелия резонансно передает последнему свою избыточную энергию. Вследствие чего электрон в атоме гелия переходит в свой нижний уровень, а электрон рабочего атома перейдет на более высокий и к тому же вполне определенный уровень, номер которого зависит от величины избыточной энергии электрона в возбужденном атоме гелия. Иначе говоря, при соударении атомы неона возбуждаются до определенных уровней, а атомы гелия переходят в нижнее основное состояние без излучения. Таким образом, энергия электронов вспомогательного газа тратится в основном только на создание "активной среды" (инверсии населенностей). В гелий - неоновом лазере газовая смесь находится в трубке. Мощность генерации в значительной мере зависит от диаметра газоразрядной трубки. Установлено, что диаметр разрядной трубки составляет 1 ÷ 9 мм. При этом меньшие значения относятся к трубкам длиной до 300 мм, большие к трубкам длиной до 2 000 мм. На рисунок 1.11 дано схематическое изображение оптической части гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с жестким креплением зеркал резонатора 2 и 10. Гелий - неоновые лазеры часто конструктивно выполняются с поворотными зеркалами для обеспечения юстировки.
Рисунок 1.11 -Конструктивная схема генератора гелий - неонового лазера ОКГ – 13: 1 – газоразрядная трубка; 2, 10 – зеркала резонатора; 3 – специальные вкладыши; 4 – кольца; 5 – корпус; 6 – винты; 7 – насадки; 8 – выходное окно; 9 – разъем для подключения прибора. Газоразрядная трубка 1 зажимается в специальных вкладышах 3, на которые одеты и закреплены кольца 4 (для того, чтобы не затемнять схему выносными цифрами обозначена только одна из подобных деталей). Крепление трубки 1 в корпусе 5 осуществляется в двух плоскостях посредством четырех винтов 6 в каждой плоскости. Такое крепление трубки позволяет произвести установку газоразрядной трубки вдоль оптической оси резонатора (оси зеркал) - юстировку. Для уменьшения потерь выходные окна 8, представляющие собой плоско - параллельные пластины, расположены под углом Брюстера. При таком расположении окон отражение от его торцовых пластин минимально, так как излучение имеет плоскую поляризацию. Торцовые поверхности корпуса (5) обработаны с такой точностью, чтобы обеспечить совпадение оптических осей зеркал, прижатых к этим поверхностям. Зеркала резонатора (2) и (10) прижимаются к торцовым поверхностям с помощью насадок (7). Для защиты рабочих поверхностей зеркал и выходных окон трубки от действия пыли и влаги в приборе предусмотрена герметизация пассивной части резонатора, осуществляемая резиновыми манжетами (на рисунке не показаны). На Рисунок 1.12 дан общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов.
Рисунок 1.12 Общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов Области применения гелий - неоновых лазеров - измерительная техника, научные исследования, медицина. В медицинской практике гелий - неоновые лазеры используются в офтальмологии и терапии. 1.4.3 СО2 лазер СО2-лазер, работающий на смеси углекислого газа, азота и гелия, является молекулярным газоразрядным лазером. Он достаточно широко распространен в промышленности и применяется в медицине. Принципиальные схемы (см. рисунок 1.6) и краткое описание принципа действия этих лазеров дано на странице 16 В этих лазерах выходная мощность и КПД не зависят от диаметра газоразрядной трубки. Это обстоятельство позволяет применять газоразрядные трубки относительно большого диаметра (до 40 ÷ 70 мм), для которых легче выполнять систему охлаждения. Соотношение газов в смеси (СО2 : N2 : He) составляет соответственно 1:5:10.Но эти значения примерные и могут колебаться в определенных пределах. Обычно СО2 лазеры излучают на длине волны равной 10,6 мкм. В промышленности такие лазеры применяются в основном для резки и термоупрочнения материалов, а в медицине - в качестве скальпеля. Недостатком таких лазеров в настоящее время считается их слабая проводимость излучения по стекловолоконному кабелю.
Рис 1.13 Лазерная технологическая система "Искар 500"
Рис 1.14 Лазерные хирургические установки: а - " Скальпель – 1"; б- "Ромашка"
На рисунке 1.13 показана лазерная технологическая система "Искар 500", применяемая в промышленности для резки различных материалов (сталь конструкционная до 5 мм), мощностью излучения 500Вт. Для сравнения на рисунок 1.14 даны общие виды медицинских СО2 лазеров " Скальпель1" и "Ромашка", применяемые в хирургии взамен скальпеля и имеющие мощность на выходе из световода соответственно не менее 20 Вт и 80 Вт. Генерацию мощности, равную десяткам ватт (от 1 Вт до 100 Вт) можно получить в СО2 лазерах с отпаянной трубкой. Газоразрядная трубка этих лазеров заполняется смесью вышеуказанных газов и отпаивается. В качестве примера отпаянного лазера можно привести лазер марки ИЛГН - 70 с мощностью излучения 60 Вт. Ресурс работы отпаянной газоразрядной трубки подобных лазеров составляет примерно 500 часов и более. Затем трубка должна быть заменена или вновь заполнена свежей газовой смесью. Мы рассмотрели некоторые газоразрядные лазеры. Остается добавить, что практически любой газоразрядный лазер при определенном конструктивном решении способен работать и в импульсном режиме. 1.4.4 Лазер на алюминий- иттровом гранате с неодимом Лазер на алюминий - иттровом гранате - твердотельный. В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу активатор (активный центр). Используются как кристаллические, так и аморфные (стеклянные) матрицы. ИАГ лазеры - одни из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров. Активный элемент этих лазеров - кристаллический, в котором матрицей служит иттрий - алюминиевый гранат (Y3Al5O12), а активатором - ионы Nd3+. Принятое обозначение этих лазеров ИАГ : Nd3+ (АИГ : Nd3+ и Nd - YAG). Длина волны излучения равна 1,06 мкм. Накачка - оптическая. Основные переходы иона неодима совершаются по четырехуровневой схеме (см. рисунок 1.3.). Принципиальная схема работы дана на рисунок 1.5. Эти лазеры имеют сравнительно низкий порог возбуждения. Лазерная генерация может быть реализована как в непрерывном, так и в импульсном режимах. КПД достигает нескольких процентов и считается достаточно высоким для твердотельных лазеров. В промышленности ИАГ лазеры (например: ЛТН - 102А, ЛТН - 103 др.) применяются для резки различных материалов. Существуют специальные лазерно-технологические системы для нанесения различной информаций на поверхностях деталей, узлов и машин методом лазерной гравировки. Для этих целей также применяют ИАГ лазеры.
На рисунке 1.15 показано промышленное оборудование "Опал 50" для гравировки, оснащенный ИАГ лазером с мощностью генерации 80 Вт.
Рис 1.15 Лазерная технологическая система "Опал 50" для гравировки материалов, оснащенная ИАГ лазером
Рис 1.16 Основной модуль лазерной медицинской системы 405 - 4А 6 – микропроцессорное управление; 7 – принтер для документирования операций; 9 – адаптер для включения исполнительных устройств; 11 – педаль для дублированного запуска системы. На рисунке 1.16 дан общий вид основного модуля лазерной медицинской системы 405 - 4А (Болгария), имеющей широкий спектр применения. В состав основного модуля входят: лазерный непрерывный излучатель (АИГ: Nd3+) с выходной максимальной мощностью 60 или 100 Вт., блок питания лазера, встроенное водяное охлаждение, гелий - неоновый лазер (трассирующий луч), встроенный измеритель мощности, информационная панель для слежения за состоянием системы, линия дозировки газовой среды, которые вмонтированы в корпус модуля (на рисунке не видны), а так же микропроцессорное управление (6), принтер для документирования операций (7), адаптер для включения исполнительных устройств (9) и педаль (11) для дублированного запуска системы. Программируемые параметры: выходная мощность - от 3 Вт до 60 Вт или от 5 Вт до 100 Вт через 1 Вт, стабилизируется с постоянно действующей обратной связью; диаметр зоны облучения воспринимаемой процессором - от 1 мм до 500 мм; 2 2 плотность мощности - от 1 до 90.000 Вт/см (через 1 вт/см ), стабилизируется с постоянно действующей обратной связью. время экспозиции - от 1 с до 9999 с (через 1 с.)
Документируемые параметры при операции: код врача, суммарное время облучения, график излученной мощности во время операции. Лазер хорошо совмещается с эндоскопическим оборудованием и снабжается гибкими моноволоконными световодами серии 405 - 4А - 200, к которым, в зависимости от конкретных нужд, могут присоединяться различные наконечники. Лазерная медицинская система 405 - 4А нашла применение в общей хирургии, урологии, гинекологии, нейрохирургии, кожной хирургии и т.д. ИАГ лазеры способны коагулировать большие объемы и применяются там, где имеется густая сосудистая сеть - при аномалиях развития и опухолях. Хорошая проводимость стекловолоконным кабелем обеспечивает универсальность их применения. При гибких и жестких эндоскопах он может использоваться для коагуляции кровотечения, аномальных образований и опухолей, а при более высокой мощности и для раскупоривания опухолевых сужений (стенозов). При использовании ручного фокусирующего устройства и соответствующей плотности мощности возможно осуществление резекций на печени, поджелудочной железе, селезенке и почках с одновременной остановкой кровотечения. Кроме рассмотренных лазеров в медицинской практике применяют и другие лазеры: полупроводниковые, эксимерные и т.д. Поэтому выбор установок должен быть произведен только после тщательного анализа достоинств и недостатков их технических характеристик. Общее представление о многообразии существующих в настоящее время лазеров, используемых в различных областях человеческой деятельности, может дать и приведенная в таблице 1.1 классификация лазеров. Этот небольшой раздел курса завершим рассмотрением двух рисунков 1.17 и 1.18, внимательно рассматривая которые, можно прийти к пониманию возможностей лазерной техники и ее применения при проведении тончайших работ: сверление отверстий в человеческом волосе и разрушение почечного камня.
Рис 1.17 Отверстия в человеческом волосе, проделанные с помощью эксимерного лазера
Рис 1.18 Разрушение почечного камня осуществляется с помощью индуцированных лазером ударных волн
1.5 Применение лазеров в медицинской практике 1.5.1 Лазеры в терапии Терапевты используют гелий-неоновые лазеры небольшой мощности, излучающие в видимой области электромагнитного спектра (λ=0,63 мкм). Одной из физиотерапевтических установок является лазерная установка УФЛ-1, предназначенная для лечения острых и хронических заболеваний челюстно-лицевой области; может использоваться для лечения длительно не заживающих язв и ран, а также в травматологии, гинекологии, хирургии (послеоперационный период). Используется биологическая активность красного луча гелий-неонового лазера (мощность излучения 20 мВт, интенсивность излучения на поверхности объекта 50-150 мВт/см2). Есть сведения о том, что указанными лазерами лечат заболевания вен (трофические язвы). Курс лечения состоит из 20-25 десятиминутных сеансов облучения трофической язвы маломощным гелий-неоновым лазером и заканчивается, как правило, полным ее заживлением. Подобный эффект наблюдается и при лечении лазером не заживающих травматических и послеожоговых ран. Отдаленные последствия лазерной терапии при трофических язвах и долго не заживающих ранах проверялись на большом количестве излеченных больных в сроки от двух до семи лет. В течение этих сроков у 97 % бывших больных язвы и раны больше не открывались и только у 3 % наблюдались рецидивы заболевания. Считается, что эффект лечения в этих случаях достигается за счет стимуляции биологических процессов в человеческом организме. Механизм взаимодействия излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 0,63 мкм с поверхностью тканей пока еще не вполне ясен. В статье «Модельный анализ основных биологических процессов в низкоинтенсивной лазерной терапии», опубликованный в журнале «Laser market» 01.1995 г., авторы Малов А. И. и Костюк М.Г. излагают свое видение по этому вопросу. Они пишут: «Хорошо известно, что широкое применение низко интенсивной лазерной терапии (НЛТ) в медицине в настоящее время не имеет развитой системы представлений о взаимодействии электромагнитного поля с биологической тканью и любой положительный эффект в НЛТ имеет, как правило, характер в той или иной мере удачной эмпирической находки... «Безучастность» биоорганизма к облучению естественным светом связана с селективностью реакции сложной биомолекулы или клетки на воздействие света различных длин волн. Отсутствие биологического эффекта от естественного света связано с тем, что в этом излучении энергия, приходящаяся на частоту, на которую реагирует некоторая выделенная степень свободы молекулы слишком мала, чтобы создать существенную вероятность возбуждения именно той моды, с которой может быть связан запуск того или иного биологиче-
ского механизма, хотя, в целом, пространственная плотность энергии в естественном свете может быть значительной. Лазерное излучение, попадая в живую ткань, проходит через сложную по структуре среду, имеющую квазижидкокристаллическое строение. Предполагаем один из возможных механизмов взаимодействия лазерного излучения с биовеществом. Когерентное излучение попадая в биовещество изменяет свое пространственное распределение интенсивности за счет оптической анизотропии живой ткани. При этом возникает явно выделенные в пространстве областикаустики, спекл - пятна - с высокой плотностью мощности лазерного излучения. Высокая плотность мощности излучения в этих областях, которые к тому же и согласованы по структуре с облучаемой тканью, обеспечивают возможность возникновения набора компонентов излучения с комбиниционными частотами за счет нелинейных эффектов: присущих живому веществу с квазижидкокристаллической структурой. По меньшей мере, одна из комбинационных частот, если их возникает достаточно много, окажется соответствующей какому-либо колебательному состоянию биологической макромолекулы, что может обеспечить инициацию биологических процессов. Поскольку биологический эффект в соответствии с описываемым механизмом обусловлен воздействием излучения с комбинационной частотой. которая, в свою очередь, определяется нелинейными характеристиками биоткани, то при этом нет критической зависимости от частоты падающего излучения. Важно лишь то, что возникающие комбинационные частоты имеют дискретный, а не непрерывный спектр. Кратко можно сказать, что процесс взаимодействия лазерного излучения с живой тканью является самоорганизующимся: сама ткань меняет пространственные и частотные характеристики первоначального излучения, которые, в свою очередь, меняют оптические характеристики ткани за счет возбуждаемых биологических процессов. В заключении следует отметить, что мы не разделяем оптимизма в будущем развитии НЛТ за счет многофункциональных аппаратов (даже в сочетании с компьютерами) при отсутствии общей концепции и моделей взаимодействия лазерного излучения с биовеществом. Имеющееся сейчас на отечественном рынке разнообразие лазерных терапевтических приборов существенно превосходит разумение рядового практического медработника, и предпочтение конкретному типу прибора отдается, как правило, только вследствие настырности продавца.» Это представление о взаимодействии лазерного излучения с биовеществом не отвергает известные мнения в этой области. Представляет немалый интерес воздействие излучения маломощного лазера на биологически активные точки поверхности тела человека - светоукалывание (своеобразное иглоукалывание). Светоукалыванием лечат различные заболевания нервной и
сосудистой системы, снимают боли при радикулите, регулируют кровяное давление и т.п. Лазер осваивает все новые и новые медицинские профессии. Лазер лечит мозг. Этому способствует активность видимого спектра излучения низкоинтенсивных гелий-неоновых лазеров. Лазерный луч, как оказалось, способен обезболивать, успокаивать и расслаблять мышцы, ускорять регенерацию тканей. Множество лекарств, обладающих аналогичными свойствами, назначают обычно больным, перенесшим черепно-мозговую травму, которая дает чрезвычайно пеструю, запутанную симптоматику. А луч лазера сочетает в себе действие всех необходимых препаратов. В этом убедились специалисты из ЦНИИ рефлексотерапии Минздрава СССР и НИИ нейрохирургии им. К Н. Бурденко АМН СССР. Пациентов, перенесших черепно-мозговую травму, перед лечением лазером разделили на три группы. В первую вошли те, у кого неврологические и психопатологические симптомы обусловлены поражением правого полушария. Соответственно, у таких больных возникают нарушения координации движения и чувствительности с левой стороны тела, расторможенность поведения с неадекватным восприятием окружающего. У второй группы больных из-за поражения левого полушария возникают правосторонние нарушения. В психическом статусе преобладают черты тревожности и депрессии. У третьей группы наблюдались смешанные симптомы поражения обоих полушарий. Кроме того, все больные жаловались на головную боль, головокружение, слабость, сонливость, утомляемость, раздражительность. Врачи называют все это симптомами астенического состояния. Луч отечественного гелийнеонового лазера нацеливали на акупунктурные и активные двигательные точки на коже больных. Точки размечали в соответствии с классическим руководством, но учитывали и индивидуальные особенности пациентов. Время облучения каждой точки составляло не более 30 сек., а общая продолжительность воздействия - 4 мин. Курс лечения длился 12-15 дней. Помимо лазерного облучения, пациенты принимали лекарства, назначаемые при черепномозговой травме, а в контрольной группе - те же препараты, но без лазерной терапии. Одновременное воздействие лазера и лекарств оказалось гораздо более эффективным, чем традиционный способ медикаментозной терапии. В первом случае удалось значительно облегчить состояние 81% больных, а в контрольной группе - лишь 19%. Лучше и быстрее всего лазер помогал в лечении астенического состояния: исчезла головная боль, сонливость и т.п., ослаблялись и симптомы поражения левого и правого полушарий, например, «правополушарные» больные стали критичнее относиться к своему состоянию, «левополушарные» - освободились от депрессии и тревоги. Механизмы терапевтического воздействия лазера на мозг еще предстоит исследовать, но уже можно считать доказанным, что появился новый действенный способ лечения одного из самых распространенных и весьма опасных поражений нервной системы - черепно-мозговой травмы.
1.5.2 Лазеры в онкологии Исследования возможностей лечения лазерным лучом доброкачественных и злокачественных опухолей ведутся «Московским НИ онкологическим институтом им. П.А. Герцена», Ленинградским институтом онкологии им. Н. Н. Петрова и другими онкологическими центрами. При этом используются лазеры разных типов: С02 лазер в непрерывном режиме излучения (λ = 10,6 мкм, мощность 100 Вт), гелий-неоновый лазер с непрерывном режимом излучения (λ = 0,63 мкм, мощность 30 мВт), гелий кадмиевый лазер работающий в режиме непрерывного излучения (λ = 0,44 мкм, мощность 40 мВт), импульсный лазер на азоте (λ = 0,34 мкм, мощность импульса 1,5 кВт , средняя мощность излучения 10 мВт). Разработаны и применяются три метода воздействия лазерного излучения на опухоли (доброкачественные и злокачественные): а) Лазерное облучение- облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, к потере способности размножаться. б) Лазерокоагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным лучом. в) Лазерная хирургия - иссечение опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным лазерным лучом. Разработаны лазерные установки: «Яхрома» - мощность до 2,5 Вт на выходе световода при длине волны 6З0 нм, время экспозиции от 50 до 750 сек; импульсный с частотой повторения 104 имп./сек.; на 2-х лазерах - импульсный лазер на красителях и лазер на парах меди «ЛГИ-202». «Спектромед» -мощность 4 Вт при непрерывном режиме генерации, длина волны 620-690 нм, время экспозиции от 1 до 9999 сек при помощи устройства «Экспо»; на двух лазерах - непрерывный лазер на красителях «Аметист» и аргоновый лазер «Инверсия» для фотодинамической терапии злокачественных опухолей (современный метод выборочного воздействия на раковые клетки организма). Метод основан на различии в поглощении излучения лазера клетками, отличающимися по своим параметрам. Врач вспрыскивает фотосенсибилизирующие (приобретение организмом специфической повышенной чувствительности к чужеродным веществам) лекарство в область скопления патологических клеток. Лазерное излучение, попадающее на ткани организма, селективно поглощается раковыми клетками, содержащими лекарство, разрушая их, что позволяет проводить уничтожение раковых клеток без нанесения вреда окружающей ткани. Удается излечить рак кожи, слизистых оболочек, различных внутренних органов. Число больных, излеченных лазерным лучом, по некоторым сведениям исчисляются тысячами. И в этой области применения лазерных установок механизм воздействия на опухоль излучением (особенно излучения малой интенсивности) во многих отношениях еще не ясен. Установлено,
что одна и та же опухоль различно реагирует на излучение разных лазеров (излучение гелий-неонового и азотного лазеров ускоряет, а гелий - кадмиевого тормозит рост опухолей). Пока еще неясностей много. Стандартных методик по существу нет. Каждый больной - это новая загадка. 1.5.3 Лазеры в офтальмологи Глаз больше других органов чувствителен к свету. Поэтому первые примеры использования лазеров в медицине относились именно к лечению глазных болезней, к офтальмологии. Впервые в нашей стране в Одесском институте глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова лазерное излучение было успешно использовано для лечения отслоения сетчатки. Для этих целей была создана лазерная медицинская установка - офтальмокоагулятор ОК (ОК-1и ОК-2) с твердотельным лазером на рубине (λ=0.69 мкм, t=1 мс, энергия в импульсе от 0,1 до 1.0 Дж, диаметр фокального пятна может быть сфокусирован до 100 мкм, частота – 10 имп./мин). Излучение этого лазера хорошо поглощается меланином, что приводит к выделению тепла, достаточного для коагуляции сетчатки глаза. В начале 70-х годов академиком М. М. Красновым и его коллегами из 2-го Московского медицинского института были предприняты усилия для излечения глаукомы (возникает из-за нарушений оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, повышения внутриглазного давления) при помощи лазера. Лечение глаукомы проводилось соответствующими лазерными установками, созданными совместно с физиками. Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган» не имеет зарубежных аналогов. Предназначена для проведения хирургических операций переднего отдела глаза. Позволяет лечить глаукому и катаракту, не нарушая целостности наружных оболочек глаза. В установке используется импульсный лазер на рубине. Энергия излучения, содержащаяся в серии из нескольких световых импульсов, составляет от 0.1 до 0.2 Дж. Длительность отдельного импульса от 5 до 70 нс., интервал между импульсами от 15до 20 мкс. Диаметр лазерного пятна от 0.3 до 0.5 мм. Лазерная установка «Ятаган 4» с длительностью импульса 10-7 с., с длиной волны излучения 1,08 мкм и диаметром пятна 50 мкм. При таком облучении глаза решающее значение приобретает не тепловое, а фотохимическое и даже механическое действие лазерного луча(возникновение ударной волны). Сущность метода заключается в том, что лазерный «выстрел» определенной мощности направляется в угол передней камеры глаза и образует микроскопический «канал» для оттока жидкости и тем самым восстанавливает дренажные свойства радужной оболочки, создав нормальный отток внутриглазной
жидкости. При этом луч лазера свободно проходит сквозь прозрачную роговицу и «взрывается» на поверхности радужной оболочки - там, где необходимо «пробить брешь». При этом происходит не прожигание, которое приводит к воспалительным процессам радужной оболочки и быстрой ликвидации протоки, а пробивание отверстия. Процедура занимает примерно от 10до 15 минут. Обычно пробивают 15-20 отверстий (протоков) для оттока внутриглазной жидкости. Продолжительность действия одной лазер - гониопунктуры от 2 – З-х недель до 8 месяцев. После этого лазер - гониопунктура повторяется. Из первых 50 больных 46 удалось избавить от хирургического вмешательства. Несмотря на такие успехи, академик М. М. Краснов предостерегает, говоря, что из этих новых возможностей лечения глаукомы нельзя делать сенсацию и дезориентировать больных, т.к. есть случаи, когда ничто помочь пациенту не в состоянии. Лазеры также начинают применять и для лечения диабетической ретинопатии -поражения сетчатки (по латыни «ретины») глаза, а также сосудистой оболочки в связи с сосудистыми и обменными нарушениями, возникающими у больных сахарным диабетом. В сетчатке развивается густая сеть кровеносных сосудов. Они образуют буквально клубки, легко рвутся, вызывая гибельные для глаза кровоизлияния. В этом случае, используя, например, аргонный лазер с зеленым лучом, можно «закупорить» сосуды, приостановить их развитие, а следовательно, и предупредить слепоту. На базе Ленинградской клиники глазных болезней Военномедицинской академии группа специалистов во главе с доктором медицинских наук профессором В. В .Волковым использовала свою методику лечения дистрофических заболеваний сетчатки и роговицы с помощью маломощного лазера ЛГ-75, работающего в непрерывном режиме. При этом лечении на сетчатку глаза действует излучение малой мощности, равной 25 мВт. Причем излучение рассеянное. Длительность одного сеанса облучения не превышает 10 мин. За 10-15 сеансов с интервалами между ними от одного до пяти дней врачи успешно излечивают кератит - воспаление роговицы и другие болезни воспалительного характера. Режимы лечения получены опытным путем. В МНТК «Микрохирургия глаза» под руководством академика Академии медицинских наук РФ и его генерального директора Федорова С. Н. ведутся также работы по применению лазеров при лечении глазных болезней. Близорукость довольно распространенная болезнь глаз. Над проблемой коррекции близорукости (миопии) проводились и проводятся множество работ. Так в 1983 г. американский офтальмолог С. Трокел высказал идею о возможности применения ультрафиолетового эксимерного лазера для коррекции близорукости. В нашей стране исследования в этом направлении проводились в Московском НИИ «Микрохирургия глаза» под руководством профессора С.Н. Федорова и А. Семенова,
В основе лазерной коррекции близорукости лежит изменение кривизны роговицы за счет строгого дозированного микронного испарения ее ткани. МНТК «Микрохирургия глаза» - первый в мире офтальмологический центр, где операции по исправлению близорукости с помощью лазера проводятся не в виде сенсации, а в плановом порядке вот уже восемь с лишим лет. С 1988 г. проведено 27 тыс. операций по коррекции близорукости. Оперировались больные с высокой степенью близорукости от минус 7 до 28 диоптрий, не переносивших контактной и полной очковой коррекции. В 89 % случаев удалось достигнуть стабилизации миопической болезни, высокого зрения и социальной реабилитации больных. Небольшая остаточная близорукость имела место у 11 % больных. Процент послеоперационных осложнений составил 1,8 %. Для проведения подобных операций совместными усилиями МНТК «Микрохирургия глаза» и институтом общей физики под руководством академика А. М. Прохорова создана лазерная установка «Профиль 500» с уникальной оптической системой, не имеющих аналогов в мире. При воздействии на роговицу полностью исключается возможность ожога, поскольку нагрев ткани не превышает 4-8ºС. Продолжительность операции 20-70 секунд в зависимости от степени близорукости. Преимуществом является полностью бесконтактный способ коррекции. С помощью установки «Профиль 500» можно проводить операции по удалению поверхностного бельма роговицы. С 1993 г. «Профиль 500» успешно используется в Японии, в Токио и Осаке, в Иркутском межрегиональном лазерном центре. В МНТК «Микрохирургия глаза» превосходно проведена лазерная коррекция 1417 пациентам из 38 стран мира. И еще, в 1995 г. в Институте общей физики РАН по инициативе специалистов МНТК «Микрохирургия глаза» (Москва) был проведен эксперимент по лазерной термокератопластике (термическое воздействие на роговую оболочку глаза при ее помутнении - лейкомах; для восстановления ее прозрачности и проникаемости для световых лучей; лейкома, бельмо, рубцовые изменения роговой оболочки глаза). В опыте использовали лазер с активным элементом, излучающим при криогенной (ниже 120 К) температуре, криогенная система которого состояла из одного модуля ПКА - 60. Длина волны его излучения около 2 мкм при непрерывном режиме излучения. На фирме MentorORC путем использования системы на основе лазерных диодов фирмы Opto Power, обеспечивающих мощность 5 Вт, усовершенствовано производство внутриглазных линз (JOL-intraoc ular lenses) для хирургического лечения катаракты. Каждая линза содержит мононитевидные петли, называемые осязательными, которые помещаются в центре линз после установки последних в глазу. Система используется непосредственно на рабочем месте и служит для присоединения этих петель к внутриглазным линзам. Ранее для таких целей использовалась большая ксеноновая дуговая напольная лампа. Новая система, раз-
мещаемая на стеллаже, имеет существенно меньшие размеры (12х12х5 дюймов) и меньшую цену при большей эффективности. Система потребляет мощность менее 120 Вт, в то время как установка на основе ксенонового лазера потребляет мощность 6 кВт. Система лазеров с генерацией в ближней ИК области на длине волны 830 им передает излучение по оптическому волокну и имеет ширину линии излучения 2.5 им, в то время как высокомощная дуговая лампа отличается меньшей эффективностью. Излучение ее распределяется в интервалах длин волн от 700 им до 1,2 мкм, что приводит к значительным потерям энергии. Система на основе лазерных диодов обеспечивает три режима работы: режим одиночных импульсов, мультиимпульсный режим и режим непрерывной генерации. Оператор может программировать рабочие параметры: мощность (0,1... 5 Вт в режиме непрерывной генерации), длительность импульса (от 200 мкс до режима непрерывной генерации), частоту повторения - до 1 кГц. При помощи дисплея на жидких кристаллах, находящегося на фронтальной панели установки, пользователь может контролировать работу системы. Установка запускается ножной педалью, оставляя свободными руки оператора. Лазерный диод видимого диапазона излучения (670 им), коллинеарный пучку ИК излучения, обеспечивает пятно наведения. Созданная фирмой Mentor ORC система на основе лазерных диодов снабжена коллиматорными линзами и обеспечивает фокусировку пучка до пятна диаметром менее 400мкм. Таким образом достигается концентрация излучаемой энергии на цели, что исключает возможность разрушения линз под действием излучения. Установка включает также видеокамеру с микроскопом, обеспечивающим 100-кратное увеличение области цели. Важными преимуществами новой системы перед системами на основе АИГ:Nd – лазеров являются: меньшие размеры, цена и эксплуатационные затраты. Самые дешевые системы на основе AИГ:Nd – лазеров обычно имеет цену от 40 тыс. до 80 тыс. долларов и могут нуждаться в стационарном источнике питания на 220 В; система на основе лазерных диодов стоит 12 тыс. долларов. Для познания механизма воздействия слабых лазерных излучений на живые клетки организма и познания их природы взаимоотношений проводятся серьезные исследования. Но они пока только приоткрыли окно в неведомый мир лазерной терапии. Загадка таинственных явлений в живой клетки под действием квантов света еще далеко не разгадана. Что за информация закодирована в световом сигнале лазера? Почему клетки изменяют свое поведение, реагируя на слабый лазерный свет? Эти вопросы еще ждут своего ответа.
1.5.4 Лазеры в хирургии Обычный хирургический скальпель - режущий инструмент. Им только разрезают ткань. Лазерный же луч выполняет ту же задачу, но производит бескровный рез и одновременно уничтожает микрофлору в оперированной ране. При этом существенно сокращаются сроки регенерации тканей после операции. Высокая концентрация энергии (около 2,5 кВт/cм2) сфокусированного лазерного луча, взаимодействуя с тканью вызывает мгновенное вскипание и испарение жидкости, содержащейся в клетках и межклеточных пространствах. При этом органическая часть тканей сгорает, неорганическая обугливается. Происходит рассечение ткани. «Лазерный скальпель» нашел применение при заболеваниях органов пищеварения (O.K. Скобелкин), кожно-пластическои хирургии и при заболеваниях желчных путей (А. А. Вишневский), в кардиохирургии (А. Д. Арапов) и многих других областях хирургии. В хирургии применяется СО2 лазеры, излучающие в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра, что накладывает определенные условия при хирургическом вмешательстве, особенно во внутренние органы человека. Из-за невидимости лазерного луча и сложности манипулирования им (рука хирурга не имеет обратной связи - не чувствует момент и глубину рассечения) используются зажимы и указки, обеспечивающие точность разреза.
Рис 1.19 Лазерные хирургические зажимы и принцип их работы а- зажимы; б- принцип работы. 1 – верхняя бранша инструмента; 2 – прорезь в верхней бранше; 3 – паз для манипулятора лазерной установки; 4 – нижняя бранша инструмента. Первые попытки применения лазера в хирургии удачными были не всегда, травмировались близлежащие органы, луч прожигал ткани. Кроме того, при неосторожном обращении лазерный луч мог оказаться опасным и для врача. Но несмотря на перечисленные трудности лазерная хирургия про-
грессировала. Так, в начале 70-х годов под руководством академика Б. Петровского, профессор Скобелкин, доктор Брехов и инженер А. Иванов приступили к созданию лазерного скальпеля - «Скальпель 1». Лазерная хирургическая установка «Скальпель 1» применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно - пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Использован СО2 лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе из световода 20 Вт. диаметр лазерного пятна от 1 до 20 мкм. Лазерные хирургические зажимы, (рисунок 1.19 «а»).
Рис 1.20 Момент рассечения стенки толстой кишки лазером Принцип работы лазерных хирургических инструментов и момент рассечения стенки толстой кишки лазером показаны на рисунок 1.19 «б» и 1.20. Лазерные хирургические инструменты снабжены пазами, по которым хирургом перемещается указка, связанная с манипулятором установки. Манипулятор должен позволять хирургу плавно перемещать луч лазера в нужном направлении в пределах операционного поля (рисунок 1.20) На рисунке 1.21 показан вид толстой кишки после рассечения лазером. Из рисунка видно, что операционное поле совершенно сухое.
Рис 1.21 Вид толстой кишки после рассечения лазером
Рис 1.22 Применение лазерных сшивающих аппаратов а- выполнение резекции желудка с помощью лазера и сшивающего аппарата; б- лазерные хирургические сшивающие аппараты: 1 – прямой универсальный; 2 – модифицированный НЖКА –60 На рисунке 1.22 а показано выполнение резекции желудка с помощью лазера и сшивающего аппарата. Лазерные хирургические сшивающие аппараты показаны на рисунке 1.22 б. Выпускались различные лазерные хирургические установки на углекислом газе: «Скальпель1» и «Ромашка» (см. рисунок 1.14) с выходной мощностью 80Вт. диаметр пятна лазерного излучения от 1 до 20 мм., «Саяны-МТ». Лазерная хирургическая установка «Саяны - МТ» применяется в общей хирургии, онкологии, проктологии. Установка на CO2 лазере непрерывного излучения с выходной мощностью на выходе световода 35 Вт., диаметр лазерного пятна от 0,1до 0,5 мм. Углекислый лазер находит применение и в нейрохирургии (для удаления опухолей головного мозга и реконструкции периферических нервов), пульмонологии (для резекции трахеи, бронхов и части легких), гематологии (для проведения операций у больных, страдающих нарушением свертывающей системы крови), урологии (для удаления мочевого пузыря и проведения операций на почке и предстательной железе), гинекологии (для проведения операций при различных заболеваниях женских половых сфер), в кардиологии и т.д. Появились центры по лазерной хирургии: - Московский областной центр лазерной хирургии (МОЦЛХ). Он расположен в г. Видное, Московской области. Круг задач, решение которых возложено на Центр: - подготовка кадров для региона, т.е. обучение врачей и среднего мед. персонала на постоянно действующих курсах по лазерной медицине; - научная оптимизация существующих и разработка новых методик; - организация сервисного обслуживания лазерной медицинской техники для центра и региона; - организация и оборудование кабинетов лазерных методов лечения разного профиля с обучением персонала на местах; - изготовление учебно-методических видеофильмов и пособий по лазерным технологиям; - амбулаторное и стационарное лечение.
Внимание ученых сейчас все больше привлекают перспективы использования лазерного излучения через эндоскопические приборы. Успешно применяются лазеры для эндоскопического лечения пищевода, гортани, трахеи, бронхов, желудка, прямой кишки. Проводятся работы по лазерной фотокоагуляции при острых желудочно-кишечных кровотечениях. Вот уже несколько десятилетий медики с успехом используют эндоскоп - прибор для освещения и визуального обследования полых внутренних органов, например, желудочно-кишечного тракта. Теперь модернизированный его вариант стали использовать в ином качестве. Современные эндоскопы благодаря применению волоконной оптики стали меньше в диаметре, гибкими, эластичными. Именно через них врачи стали воздействовать на опухоли внутренних органов лазерным излучением. Во Всесоюзном онкологическом центре АМН СССР с помощью лазерных эндоскопов с успехом лечат язвенную болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки. Для полного заживления язвы требуется от 4 до 15 сеансов по 5 мин., в зависимости от индивидуальных особенностей больных. Таким же методом врачи ликвидируют послеоперационные осложнения у пациентов, страдающих заболеваниями желудка или пищевода. Лазерная эндоскопическая медицинская установка благодаря наличию гибкого волокнистого световода и эндоскопа (медицинский прибор для исследования полостных и трубчатых органов, желудка, пищевода и др., и представляет собой трубку, снабженную осветительной аппаратурой и оптической системой) может применяться для внутриполостных операций и осмотров. Снабжена эндоскопами разных типов. В установку входит аргоновый лазер непрерывного действия мощностью 7 Вт. Плотность лазерного излучения на выходе из эндоскопа от 150до 250 Вт/см2. Световод представляет собой гибкий волоконный жгут диаметром 1,5 мм; длина световода 2,25 м., диаметр отдельного волокна от 5 до 10 мкм. С одного конца световод согласован с лазером, другой его конец пропущен через канал эндоскопа. Эндоскоп оптически связан с видеокамерой, которая и совокупности с видеомагнитофоном и телевизионной системой обеспечивает запись и воспроизведение изображения внутренней стенки органа. Видеоэндоскопия в настоящее время пользуется услугами электронного помощника. На смену обычной волокнистой оптике приходит микроскопическая цифровая чип-камера. Чип-камера похожа на фасеточные глаза насекомого, она состоит из многих тысяч светочувствительных элементов, размещенных на микроскопическом кристалле. Они преобразуют световую энергию в электрическую, которая по кабелю передается на наружный процессор, управляющий получением изображения. Подсветка осуществляется обычным способом с помощью стекловолоконного световода. Пока электронные видеоэндоскопы имеют значительно суженный угол обзора по сравнению с волоконно-оптическими системами. Ознакомление со световодами и их применением в медицине мы проведем в следующим разделе.
Завершая нашу беседу о применении лазеров в медицине необходимо отметить, что хотя биофизические и лечебные механизмы воздействия лазерного луча на живые клетки до конца еще не выяснены, но лазеры завоевывают в медицине все новые и новые позиции. Таким образом, за последние годы лазер прочно обосновался в качестве незаменимого медицинского инструмента как в офтальмологии и дерматологии, так и в нейрохирургии, оториноларингологии, пульманологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, урологии, гинекологии и ортопедии. Для каждой из этих областей медицины лазер просто необходим. Более того, решение различных проблем в медицине требует, соответственно, применения различных лазерных систем. Наряду с аргоновым лазером, применяющимся благодаря своей высокой избирательности по отношению к аутогенным хромофорам в офтальмологии и дерматологии, CO2 лазер представляет собой тончайший скальпель благодаря высокой поглощаемости водой его излучения и незначительной глубины проникновения. Поэтому он всегда применяется там, где проводятся микрохирургические операции удаления ткани на площади (двухмерное). Его недостатком в настоящее время является слабая проводимость излучения по стекловолоконному кабелю. Nd - VAG лазер способен коагулировать большие объемы и применяется там, где имеется густая сосудистая сеть - при аномалиях развития и опухолях. Хорошая проводимость стекловолоконным кабелем обеспечивает универсальность его применения. При гибких или жестких эндоскопах он может использоваться для коагуляции кровотечений, аномальных образований и опухолей, а при более высокой мощности также и для раскупоривания опухолевых сужений (стенозов). При использовании ручного фокусирующего устройства и соответствующей высокой мощной плотности возможно осуществление резекции на паренхиматозных органах, таких как печень, селезенка, поджелудочная железа и почки, с одновременной остановкой кровотечения. Эксимерный лазер с излучением в ультрафиолетовом диапазоне благодаря атермичности применяется преимущественно при удалении тканей, открывает новые возможности для хирургических операций на роговой оболочке и стекловидном теле глаза, при открытии закупоренных кровеносных сосудов на периферии и в венечной области, а также в артроскопии и одонтологии. При дальнейшем развитии и совершенствовании лазеров, применяемых в медицине, определяющими, считает Г. И. Мюллер, будут следующие факторы: - дальнейшее углубление понимания механизма воздействия. Даже в области термовоздействия еще до конца не изучены все механизмы реакции тканей на лазерное излучение. До сих пор дозировка определялась чисто случайно или эмпирически. В настоящее же время необходимы систематические исследования по определению оптимальных рабочих параметров излучения лазера для получения желаемой реакции той или иной ткани. В области нели-
нейного, ионизирующего воздействия предстоит провести основательные исследования с целью обеспечения осмысленного применения этих эффектов в медицине; - наличие технически более совершенных лазерных конструкций и соответствующих систем, которые должны привести к снижению их стоимости и, тем самым, расширению их использования; - наличие гибких оптических систем, в особенности оптических волокон для передачи светового излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах; - создание соответствующей оснастки. Значительное увеличение мощности лазера делает возможным расширить круг проведения эндоскопических операций. Дальнейшее развитие и совершенствование гибких эндоскопов приведет к возможности использования лазера в тех случаях, когда раньше требовалось хирургическое вмешательство или когда вообще не могло быть проведено никакое лечение. Конкретно в таких случаях лазер поможет решать следующие проблемы: - в области реканализации сосудов, преимущественно в кардиососудистой области; - приведение сосудов в норму при стенозах и закупорке артериальной сосудистой системы. В дальнейшем станет возможным с помощью лазерного луча разрушение или растворение камней как в области почечной лоханки, желчного пузыря и путей мочевыделения, так и в области желчных путей, комбинированное лечение, в рамках которого использование лазера будет одним из его моментов. Сюда можно отнести After-loading - методом опухолей с обезболиванием, лазерную терапию в ткани под NMP - контролем (nuclear magnetic resonance) и использование светочувствительности для локального изменения поглотительной способности в биологической ткани. Применение фотохимической терапии было расширено в значительной степени благодаря использованию лазеров. Это касается области фотохимических реакций в аутогенных пигментах соответственно хромофорных группах крупных биомолекул. Сюда относится также фотодинамическая терапия чужеродных хромофоров, так как они в настоящее время используются уже с пигментом, дериватом гематопорфирина. При такого рода действии лазер имеет преимущества, так как он благодаря высокой направленности луча может быть относительно свободно подведен по гибким светопроводящим системам через кожу или по кровеносным сосудам и полостям в любую точку организма. В медицине усиливается тенденция к применению твердотельных лазеров и полупроводниковых лазеров, так как данные системы в техническом отношении более просты в эксплуатации.
Список использованных источников 1. Дж. Реди /Промышленные применения лазеров М. «Мир»,1981/,640 с. 2. Справочник по лазерной технике./ Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н.Литвененко. Киев. «Техника»1978г.,288с. 3. К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, А.С. Митрофанов./ Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. /Л. «Машиностроение» 1978г.,336с. 4. /Прибор ОКГ-13: техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт, инструкция по упаковке и распаковке. / 5. Каталог фирмы «Озонтлазер»/ Современное технологическое оборудование. /София, Болгария. 6. Проспект. Лазерная медицинская система 405-4 (Optica-Болгария) 7. Л.В. Тарасов. /Лазеры: действительность и надежды. /М. «Наука», Главная редакция физико-математической литературы 1985г,.176с, 8. Н.Г. Тереулов, Б.К. Соколов, Г. Варбанов, Б.С. Малышев, М.И. Неганов, Е.Ю. Ерофеев. /Лазерные технологии на машиностроительном заводе. /Академия наук РБ, Уфа,1993г.,264с. 9. Д. Бастинг. /Лазерная техника - растущий рынок сбыта. /Советскозападногерманский индексный журнал «Экономика, техника» №3,1990Г.,С48-50. 10. Г.Й. Мюллер. /Световые лучи исцеляют – лазеры в медицине. /Советскозападногерманский индексный журнал « Экономика, техника» №2,1990г., с 50-52. 11. /Электронная эндоскопия – микрочип в организме. /Советскозападногерманский индексный журнал «Экономика, тежника» №2», 1990г., с 63. 12. О.К. Скобелкин, Е.И. Бреов, В.И. Корепанов. /Лазеры в хирургии. /Международный ежегодник «Наука и человечество»,1984г., с 56-65. 13. А.Н. Малов, М.Г. Костюк. /Модельный анализ основных биологических процессов в низкоинтенсивной лазерной терапии./ Ж. «Лазер Маркет» 01.1995гг., с 37-39.
2. Световоды 2.1 Общие сведения Световод – закрытое средство для направленной передачи и распространения оптического излучения. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны. Изучение его распространения и явлений, происходящих при взаимодействии оптического излучения с веществом, ведется разделом физики называемым ОПТИКОЙ. В шкале электромагнитного спектра оптическое излучение характеризуется длинами волн, расположенных в диапазоне 5 ⋅ 10 −9 − 10 −3 м. Иначе говоря, оптический диапазон длин волн ограничен с одной стороны микроволновым диапазоном радиоизлучения, а с другой – рентгеновскими лучами: в его состав входит инфракрасная, видимая и ультрафиолетовая области электромагнитного спектра. Границы спектральной области оптического излучения условны и в основном определяются общностью технических средств и методов исследования явлений в этом диапазоне. Эта область электромагнитных волн наиболее результативно изучается оптическими методами с помощью оптических систем. Традиционно оптика подразделяется на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика не затрагивает вопросы природы оптического излучения. Она основывается на эмпирических законах его распределения, преломления и отражения на границе сред с различными оптическими свойствами, применяя представление о лучах. Физическая оптика рассматривает вопросы, связанные с процессами испускания оптического излучения, их природой и происходящими явлениями. Физиологическая оптика занимается изучением строения и функционирования всего аппарата зрения – от глаза до коры мозга. Результаты физиологической оптики используются как в медицине и физиологии, так и в технике при разработке осветительных приборов, очков, цветного кино и т.д. Наиболее важное достижение современной оптики – создание лазеров. Оптическое излучение называют также световым. В узком смысле под словом “свет” понимают видимое оптическое излучение, которое воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительное ощущение. Диапазон длин волн видимого излучения условно простирается, от 4 ⋅ 10 −7 м до 7,6 ⋅ 10 −7 м (лежит между 380 - 400 нм и 760 - 780 нм). В широком смысле термин “свет” включает, кроме видимого излучения, инфракрасную и ультрафиолетовую области электромагнитного спектра.
Дальше мы будем пользоваться термином “свет” в широком смысле этого слова, так как законы, справедливые для видимого участка спектра, верны и для остальных представителей оптического излучения. Одним из крупных разделов физической оптики является волновая оптика, изучающая совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света. В классической волновой оптике считают, что параметры среды не зависят от интенсивности света. Волновая оптика является основой при изучении передачи света. Как мы уже говорили, световод – устройство для направленной передачи (канализации) световой энергии. Синонимы – светопровод, световой волновод, оптический волновод, волоконный световод. Возникновение этих устройств связано с тем, что передача пучка световой энергии в окружающей нас атмосфере сопряжена со значительными потерями, затрудняющими или вовсе исключающими его передачу на заданные расстояния в пределах прямой видимости. Причинами служат изменчивость состояния атмосферы (дождь, снег и изменение температуры) и наличие в ней случайно распределенных неоднородностей, приводящих к рассеиванию, расхождению и отклонению светового пучка. Потребность транспортировки света для освещения труднодоступных участков различных объектов через каналы со сложной конфигурацией для прямого наблюдения состояния их внутренних полостей также стимулировало создание различного рода приборов на основе волоконных световодов. Световоды нашли значительное применение в различных областях техники и в медицине. Появление лазеров с их уникальными возможностями позволило широко использовать световоды в системах передачи информации и совершенствовать их конструктивные показатели. Перемещение фронта светового пучка в световодах осуществляется за счет отражения световых лучей от зеркальных поверхностей или же от границы двух сред. Вспомним экспериментальные законы отражения и преломления света из геометрической оптики. 2.2 Законы отражения и преломления света 2.2.1 Законы отражения Первый закон отражения гласит: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и луч отраженный лежат в одной плоскости”. Иными словами говоря, смысл этого закона в том, чтобы третья из перечисленных прямых попала в плоскость, положение которой
определяют первые две. “Угол падения равен углу отражения”, - такова формулировка второго закона отражения. Исходя из содержания этого закона можно заключить, что изменяя произвольно угол падения получаем такое же изменение угла отражения. Различают два вида отражения светового пучка от поверхности, на которую он падает – диффузное и зеркальное. Зеркальное отражение происходит тогда, когда неровности поверхности тела и неоднородности его внутреннего строения не превосходят длину световой волны. В ином случае отражение – диффузное. При зеркальном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света, подчиняясь законам отражения, отходит от нее так же параллельным пучком. При диффузном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света рассеивается. Количество световой энергии у отраженного пучка меньше, чем у падающего. Это связано с тем, что не вся световая энергия пучка, падающего на поверхность (границу раздела двух сред), отражается от нее. В процессе отражения часть световой энергии проникает через границу раздела во вторую среду, перемещаясь в ней и частично поглощается. Количественно энергия отраженного пучка зависит от оптических свойств граничащих сред и угла падения пучка. Так, например, при падении света на границу сред “воздух - стекло” с углом равным 0о доля отраженной энергии составляет 4,7 %, а прошедшей энергии 95,3 %, а с углом равным 89о эти доли соответственно равны 91 % и 9 %. 2.2.2 Законы преломления Установлено, что на границе двух сред (например, “воздух - стекло”) кроме отражения света происходит и его преломление. Суть преломления светового луча состоит в том, что он частично переходит из одной среды во вторую изменяя свое первоначальное направление. Вспомним законы преломления. Первый закон: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости”. Этот закон аналогичен первому закону отражения. По этому закону третий (преломленный) луч должен лежать в плоскости падения, положение которой определяется падающим лучом и перпендикуляром к границе двух сред в точке падения. Второй закон преломления: “Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной пары сред”. Показатель преломления – величина постоянная. Он не зависит от угла падения и определяется оптическими свойствами граничащих сред. Иначе говоря, этот показатель не изменяется при произвольном
изменении угла падения и соответственном изменении угла преломления. Если угол падения светового луча на раздел сред 1 и 2 равен θ , а угол преломления во второй среде β (см. рисунок 2.1.а), то показатель преломления второй среды относительно первой математически запишется (закон преломления Снелля): sin θ n2 отн = = n21 , sin β n1
Показатели преломления первой среды относительно второй и второй среды относительно первой – обратные величины. Абсолютный показатель преломления n показывает во сколько раз скорость света в вакууме с больше, чем в рассматриваемой среде v n=
c , v
Показатель преломления воздуха относительно вакуума n= 1,0003. Поэтому на практике часто используют показатель преломления относительно воздуха. Среду с большим показателем преломления называют оптически более плотной, а с меньшим – оптически менее плотной или если угол падения меньше угла преломления, то вторая среда называется оптически менее плотной и наоборот. 2.2.3 Полное внутреннее отражение Вам известно (ранее в некоторой мере мы затронули этот вопрос), что при падении света на границу раздела двух сред часть его энергии отражается, а другая часть проникает через границу раздела во вторую среду. При рассмотрении примера перехода света из оптически менее плотной среды (воздуха) в среду оптически более плотную (стекло) было показано, что доля отраженной энергии зависит от угла падения: доля отраженной энергии сильно возрастает с увеличением угла падения. Оказалось, что даже при углах падения, близких к 900 (например,890), когда световой луч практически скользит по поверхности раздела сред, все же часть световой энергии переходит с менее оптически плотной в более оптически плотную среду. Интересное явление возникает когда луч света переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную. Опыт показывает, что в этом случае угол преломления больше, чем угол падения и преломленный луч с увеличением угла падения больше отклоняется от нормали к границе сред в точке его падения. Рассмотрим случай, когда падающий световой луч переходит из среды оптически более плотной (например, стекло) с показателем преломления n1 в
среду менее плотную (воздух) с n2 (рисунок 2.1). При угле падения θ световой луч I частично отражается от поверхности раздела сред (луч II) и, частично переломившись, (луч III) переходит в менее плотную среду (рисунок 2.1(а)) Последующее увеличение (рисунок 2.1(б)) угла падения θ луча I до некоторого значения θк приводит к тому, что угол преломления β окажется равным
π
2
и луч III будет скользить по границе раздела сред. При дальнейшем
незначительном увеличении угла падения θ луча I (рисунок 2.1(в)) преломленный луч III полностью исчезнет и весь падающий луч I отразится (луч II). Это явление называется полным внутренним отражением. Наименьший угол θ, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется предельным (критическим) углом (θк), которому соответствует угол преломления β=
π
2
.
Рис 2.1 - Схема к объяснению полного внутреннего отражения света и предельного (критического) угла Для рассматриваемого случая угол падения, угол преломления и доля отраженной световой энергии с границы раздела соответственно принимают следующие значения (n1 стекла равна 1,555): 0о, 0о, 4,7 %; 30о, 51о, 6,8 % ; 39о, 79о, 36 % ; 40о, 90о, 100 % ; 60о, - , 100 % ; 80о, - , 100 % Откуда видно, что для стекла(n1=1,555), предельный угол θк ≈ 40о. Исходя из соотношения: Sinθ k n2 = , Sinβ n1
и условия, что предельному углу падения соответствует угол преломления
β=
π 2
можно записать:
Sinθ k n2 n = или Sinθ k = 2 π Sin 2 n1 n1
,
Таким образом, зная значения абсолютных показателей оптически более плотной среды n1 и оптически менее плотной среды n2 для заданного сочетания сред, по этой зависимости можно вычислить предельный угол полного внутреннего отражения θк. В основе транспортировки светового луча по световоду лежит явление его полного внутреннего отражения от границы раздела с более оптически плотной к менее оптически плотной среде. 2.3 Световоды Световоды позволяют производить направленную передачу световой энергии, исходящей от тепловых, люминесцентных и когерентных источников света. Естественные светила, лампы накаливания, ртутные и люминесцентные лампы испускают некогерентные световые потоки. Источниками когерентного света являются лазеры. В основном друг от друга они отличаются шириной спектра: широким непрерывным спектром обладают тепловые, достаточно узким – люминесцентные источники, практически монохроматический свет дают лазеры. Из ряда конструкций рассмотрим трубчатые, щелевые и волоконные световоды. 2.3.1 Трубчатые световоды Множество разнотипных электрических ламп, соединённых между собой разветвлёнными электрическими сетями, освещают промышленные и бытовые помещения. Так, например, в средних машиностроительных заводах для освещения используется до 15 тысяч светильников. Эксплуатация их сопряжена с такими видами работ, как замена отработавших свой срок ламп, их регулярная чистка, уход за сетями. Если учесть, что в промышленных корпусах светильники располагаются на большой высоте над работающим оборудованием, то упомянутые работы осложняются тем, что они должны проводиться в труднодоступных местах. Сказанное затрудняет и удорожает эксплуатацию средств освещения различных помещений. Освещение пожаро- и взрывоопасных помещений обычными лампами накаливания возможно при использовании соответствующей арматуры и узлов управления, что несомненно приводит к удорожанию их производства и увеличению эксплуатационных расходов.
В силу сказанного постановка вопроса об упрощении и удешевлении обслуживания систем освещения производственных помещений, сокращения протяжённости электрических сетей является вполне закономерной. Перспективными считаются устройства, позволяющие транспортировку и пространственное перераспределение света, излучаемого мощными компактными источниками, сосредоточенными в заданных местах, для равномерного и не слепящего глаз освещения определённой площади помещения. Естественно, такое решение вопросов освещения возможно только при создании новых источников света, новых материалов и технологий. В 1874г. русский учёный-электротехник В.Н. Чиколев предложил способ дробления света, испускаемого мощной вольтовой дугой между угольными электродами. Суть его заключается в транспортировке света по зеркальным трубам – световодам. Свет от вольтовой дуги с помощью линзы параллельным пучком вводился из одного торца в трубу с зеркальной внутренней поверхностью и передавался по ней. Выход света из трубы к освещаемым поверхностям осуществлялся через патрубки со светопропускающими рассеивателями на концах. Распределение света, транспортируемого по центральной трубе по патрубкам, осуществлялось через систему наклонных зеркальных диафрагм. Эта идея нашла практическое применение в 1877г. при освещении взрывоопасных цехов Охотинского порохового завода близ Петербурга. Таким образом, на упомянутом пороховом заводе впервые была практически осуществлена канализация света, т.е. его транспортировка по полым зеркальным трубам. Этот способ лежит и в основе волоконной оптики. 2.3.2 Щелевые световоды Щелевые световоды являются разновидностью труб-световодов. В 60-х годах ХХ века идея В.Н. Чиколева была возрождена советским инженером Г.Б. Баухманом. Он решил усовершенствовать полые зеркальные трубы-световоды за счёт формирования продольных щелей в её стенке (см. рисунок 2.2). Такой световод называют щелевым, а щель – оптической.
Рис 2.2 - Щелевой световод 1 – источник света; 2 – канал световода; 3 – отражающий торец; 4 – зеркально отражающий слой; 5 – оптическая щель; 6 – прозрачное иллюминаторное стекло; 7 – зеркальная оптическая система.
Таким образом щелевой световод – труба различной формы сечения и значительной длины с внутренней зеркальной отражающей поверхностью за исключением зоны оптической щели, которая пропускает и рассеивает транспортируемый свет. В щелевом световоде распространение света происходит согласно законов геометрической оптики. Лучи, введённого в трубу света, претерпевают определённое число отражений, распространяются вдоль канала пока не попадут в щель, пройдут через неё и рассеются в освещаемом пространстве. Длина световода ограничивается равномерностью распределения яркости света вдоль оптической щели и зависит от потерь, возникающих за счёт поглощения света при многократных отражениях от зеркальной поверхности канала. Световой поток, истекающий от группы ламп, сосредоточенных в заданной точке, или одной мощной лампы через оптическую систему вводится в торец щелевого световода и, транспортируясь по нему, выходит в окружающее пространство через его оптическую щель. При значительной протяжённости щелевого световода свет может вводиться с обоих его торцов, у которых размещаются источники света. Световоды могут быть изготовлены с жёсткой, полужёсткой и мягкой оболочками. Последние изготавливаются из двух типов тонкой и прочной плёнок толщиной от 30 до 40 мкм с удельным весом 50 г/м2. Конструктивно такая оболочка световода представляет собой цельный мягкий рукав, выполненный из двух типов плёнок: зеркально отражающей и светопропускающей.
Зеркально отражающая часть световода получается путём напыления тонкого слоя алюминия в вакууме на одну из сторон прозрачной плёнки. Светопропускающая часть (оптическая щель) изготавливается из плёнки с определёнными оптическими характеристиками. Затем эти плёнки соединяются между собой на специальной установке с помощью ультразвуковой или термохимической сварки. Полученный таким образом световод без каркаса натягивается на фланцы вводного и торцевого узлов устройства. Такой световод длиной 18 метров и диаметром 0,65 сантиметра весит около 2 кг и сравнительно дёшев. Считается, что полные годовые расходы на комплексные осветительные устройства со щелевыми световодами в 2-2,5 раза ниже, чем для других осветителей, дающих такую же освещённость. 2.3.2.1 Практика применения щелевых световодов На рисунке 2.3 показано освещение зала станции Московского метрополитена “Серпуховская” щелевыми световодами. Из рисунка видно, что чередующие щелевые световоды подвешены к своду зала по его центру и сочленены с узлами кубической формы. Общая длина осветительного устройства 60 м.
Рисунок 2.3 – Освещение зала станции Московского метрополитена «Серпуховская» щелевыми световодами Лампы освещения и пуско-регулирующая аппаратура установлены в четырёх из двенадцати кубов. Из рабочих кубов свет направляется по световодам в противоположные стороны. Световоды снабжены пятью оптическими щелями различной ширины для освещения потолка, стен и пола.
1 – концентратор солнечного света; 2 – вводное устройство; 3 – щелевой световод; 4 – зеркальный перераспределитель света; 5 – источники искусственного света Рисунок 2.4 - Схема использования солнечного света для освещения помещения Такое решение освещения зала метрополитена “Серпуховская” дало возможность снизить число световых точек в 30 раз по сравнению с обычным освещением, в 3 раза сократить протяжённость электрических сетей и значительно упростить обслуживание осветительной установки. Трёхэтажный универмаг “Вишняки” в Москве также целиком освещён щелевыми световодами. Весьма привлекательна идея передачи светового солнечного потока по щелевым световодам по помещениям в светлое время дня. На рисунке 2.4 дана схема использования солнечного света для освещения помещений. Концентратор солнечного света может быть установлен на крышах или стенах зданий. В этом случае освещённость помещений в дневное время будет зависеть от состояния погоды.
В связи с этим довольно заманчива идея создания комбинированного устройства на базе щелевых световодов, которые были бы независимы от погодных условий и могли бы автоматически переключаться от естественного освещения помещений на электрическое и наоборот. Приведённые примеры дают основание полагать, что развитие устройств на базе щелевых световодов находится только на начальной стадии и впереди нас ожидает множество оригинальных решений. Щелевые световоды – это весьма перспективное направление в области освещения разнотипных сооружений. 2.3.3 Волоконные световоды 2.3.3.1 Краткие сведения Идея применения волоконных световодов для передачи света не нова и существует много лет. Создание лазеров инициировало дальнейшее бурное развитие волоконной оптики и вместе с ней волоконных световодов. Попытки передачи оптического излучения в атмосфере, как уже говорилось, оказались затруднёнными из-за её неустойчивости и неоднородного состава. Применение лазерного излучения для передачи информации через атмосферу по тем же причинам оказалось очень неэффективным. Использование лучевых волноводов, использующих различного типа линзы, ограничивалось дороговизной монтажа и прокладки таких типов каналов. Для передачи добротной информации требовалась хорошая передающая среда. Для оптических систем связи наиболее перспективными оказались волоконные световоды, получившие своё название из-за их нитевидности. Волоконные световоды (рисунок 2.5) состоят из световедущей жилы (сердцевины) из чистого прозрачного стекла, имеющей диаметр от нескольких до десятков микрометров, светоотражающей оболочки диаметром порядка 100 микрометров из стекла с меньшим показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердечника и внешней защитной оболочки, обеспечивающей эластичность и прочность.
Рис 2.5 - Строение волоконно-оптического световода В таких структурах благодаря действию полного внутреннего отражения свет может распространяться на большие расстояния при условии малого затухания, зависящего от качества световода. Возможность передачи оптического излучения по волоконному световоду в виде одного или многих типов колебаний определяется диаметром сердцевины, разностью показателей преломления сердечника и оболочки, длиной передаваемой световой волны. Соответственно, световоды разделяются на одномодовые и многомодовые. Выбирая d1 достаточно малым, а ∆n = n1-n2 близким к нулю (n1/n2 достаточно близким к единице), можно добиться работы световода в одномодовом режиме. Однако малый диаметр жилы и малая разность показателей преломления жилы и оболочки затрудняют ввод излучения в световоды и их стыковку, что является недостатком обычных одномодовых световодов. При относительно большой величине d1 и ∆n равном примерно 1 % световоды являются многомодовыми, в которых может распространяться большое количество различных типов колебаний (МОД). Созданы и производятся световоды, у которых профиль распределения показателя преломления постепенно уменьшается от центра к периферии. Их называют градиентными световодами или световодами типа “Селфок”, “Градан”. На рисунке 2.6 показано изменение профиля показателя преломления по сечению круглого градиентного световода. Поперечные сечения некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления даны на рисунке 2.7.
Рисунок 2.6 - Изменение профиля показателя преломления по сечению кругового градиентного световода а- общий вид; б- профиль показателя преломления по сечению Многослойные световоды имеют относительно большое сечение сердцевины, что позволяет облегчить изготовление, стыковку и их возбуждение. Разрабатываются стеклянные световоды на базе бескислородных стекол для инфракрасного диапазона длин волн оптического излучения (2—11 мкм). По предварительным оценкам потери в них должны быть в 10—20 раз ниже, чем в световодах, изготовленных из кварцевых Мы рассмотрели особенности строения единичных круглых волоконных свестёкол. товодов. В реальных же условиях волоконные световоды могут быть использованы в качестве передающей среды только в виде волоконно-оптических кабелей. Несложный волоконно-оптический кабель представляет собой некоторое число световодов, собранных в жгут и покрытых защитной оболочкой. Под словом жгут обычно понимают группу световодов, составляющих основу волоконно-оптического кабеля, работающих в параллель.
Рис 2.7 - Поперечное сечение некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления а- одномодовый; б- многомодовый с оболочкой; в- с параболическим распределением показателя преломления по сечению. Конструкция (см. рисунок 2.8) волоконно-оптического кабеля состоит из защитной оболочки 1, волоконных световодов (жгутов) 2 и упрочняющих элементов 3. Разработаны технологии, позволяющие изготавливать волоконно-оптические кабели с потерями, незначительно превышающими потери в исходных световодах (несколько дБ/км).
Рис 2.8 - Конструкция волоконно-оптического кабеля с центральным (а) и периферийным (б) расположением упрочняющих элементов 1 - защитная оболочка кабеля ; 2 - волоконные световоды ; 3 - упрочняющий элемент. Передача изображений по световодам возможна только при использовании жгутов. В этом случае (см. рисунок 2.9) световые сигналы с одного торца жгута на противоположный передаются как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле. Изо-
бражение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива, а выходной торец рассматривается через окуляр. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10—50 линий на миллиметр. Разработаны устройства, которые позволяют повысить разрешающую способность в два раза. Технология изготовления оптических волоконных световодов не проста и от неё зависит их оптическое качество. На рисунке 2.10 дана схема процесса изготовления заготовки для вытяжки трёхслойного круглого волоконного световода с низкими потерями методом химического осаждения из газовой фазы. Из рисунка видно, что в трубку из кварцевого стекла, которая равномерно нагревается внешним источником тепла, вводятся особо чистые хлориды кремния, бора и некоторых других элементов, а также кислород. При окислении образуется легированная двуокись кремния, которая осаждается на внутренней поверхности трубки и формирует стекловидный материал сердцевины и оболочки. При повышении температуры трубка сжимается (“схлопывается”) в сплошной стержень. Таким методом получается заготовка. Затем заготовка проходит операцию устранения внешних дефектов, которая заключается в высокотемпературной полировке её поверхности.
Рис 2.9 - Поэлементная передача изображения волоконной деталью 1 - изображение, поданное на входной торец; 2 - светопроводящая жила; 3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.
Рис 2.10 - Схематическое изображение процесса изготовления заготовки методом химического осаждения из газовой фазы (а) и профиль показателя преломления по сечению заготовки (б) Следом заготовку устанавливают в специальной установке, на которой производится вытяжка стекловолоконной нити с одновременным покрытием защитной полимерной оболочкой. Затем стекловолоконные нити наматывают на бобины (см. рисунок 2.11 (б)). О высоком оптическом качестве волокна можно судить по его равномерному свечению. На рисунке 2.11 (а) показан волоконный световод, возбуждённый ИАГ лазером. Из рисунка видно, что световод имеет равномерное свечение.
Рис 2.11 - Волоконные световоды а- волоконные световоды, возбужденные ИАГлазером; б- катушки с волоконными световодами. Световоды обладают следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи, малый по сравнению с экранированными кабелями вес, потенциально низкая стоимость, благодаря отсутствию меди и свинца, устойчивость к температурным колебаниям, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий. По оценкам специалистов энергетические затраты на производство световодного кабеля в 90000 раз меньше, чем при производстве медного коаксиального кабеля. Разработана технология изготовления волоконных световодов, выдерживающих растягивающие нагрузки около 1,5 кг на длине в пределах километра. 2.3.3.2 Распространение оптического сигнала по цилиндрическому волоконному световоду Вполне ясно, что по световоду могут распространяться световые волны, введённые в него от какого-либо источника излучения. Такими источни-
ками обычно являются лазер или светоизлучающий диод, который помещается у торца световода. Попавшее в сердцевину (жилу) световода излучение не в полном объёме распространяется по нему. Лучи света, падающие к границе раздела под углами меньшими критического, попадают в оболочку и в дальнейшем поглощаются покрытием (защитной оболочкой). Лучи же света, подходящие к границе раздела под углом выше критического, полностью отражаются обратно в сердцевину световода. Этот процесс полного внутреннего отражения, постоянно повторяясь, обеспечивает распространение излучения вдоль световода. Рассмотрим простой волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления. Этот световод имеет резкую границу между жилой и оболочкой, и показатель преломления на границе раздела “жила – оболочка” меняется скачкообразно. На рисунке 2.12 показана схема двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления. Из рисунка. 2.12 видно, что такой световод состоит из однородной сердцевины диаметром d1 = 2a1 и показателем преломления n1, заключённой в оболочку с показателем преломления n2 диаметром d2 = 2a2. Причём n1 > n2. В рассматриваемом случае могут передаваться два типа лучей: меридиональные, пересекающие ось световода, и косые, которые не пересекают её. В ступенчатом световоде лучи распространяются вдоль жилы, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела сред.
Рисунок 2.12 - Схематическое изображение двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления и ход меридиональных лучей 1 - сердцевина (жила); 2 - оболочка Рассмотрим ход меридиональных лучей. На рисунке 2.12 показано введение светового луча под углом Θ0 из среды с показателем преломления n0 в жилу волоконного световода (n1), где на границе (жила – оболочка) сред с показателями преломления n1 и n2 (n1 > n2) он претерпевает полное внутреннее отражение.
Как было показано, полное внутреннее отражение происходит тогда, когда угол отражения внутри световода больше критического угла sinΘk = n2/n1 Исходя из закона преломления Снелля критический угол может быть связан с углом падения луча в жилу следующей зависимостью: n 0 ⋅ Sin Θ
= n1 ⋅
где ∆ = 1 −
0
= n 1 ⋅ Sin ϕ = n 1 ⋅ Sin ( 90
1 − Sin 2 Θ
Κ
= n1 ⋅
1−
n 22 = n 12
0
− Θ k ) = n 1 ⋅ Cos Θ
n 12 − n 22 ≈ n 1 ⋅
k
=
,
2∆ ,
n1 , n0
Величина n0.sinΘ0 называется числовой апертурой NA, от которой в значительной степени зависит количество введённой в световод энергии. Иначе говоря, максимальный угол отклонения лучей, вводимых в световод, при котором наблюдается их полное внутреннее отражение на границе раздела сред существенно зависит от числовой апертуры световода. Так, для жилы из плавленого кварца (n1 = 1,6) и ∆ =0,01 числовая апертура NA=0,2 , максимальный угол ввода излучения Θ0 составляет 23,10. Небольшое значение угла Θ0 вызывает определённые трудности при вводе излучения в жилу световода. Потери световой энергии в световодах происходят по совокупности причин. Вводимое в волоконный световод оптическое излучение теряет часть своей энергии как при вводе, так и при распространении по нему. Общая картина потерь показана на рисунке 2.13. При вводе света в волоконный световод часть света попадает в покрытие и поглощается им, другая часть теряется на входе за счёт отражения от его торца. Введённый в световод свет, распространяясь по нему, также теряет часть своей энергии, что обусловлено различными причинами.
Рис 2.13 - Общая картина потерь в волоконном световоде В совокупности потери могут быть столь значительными, что окажутся в состоянии привести к полному затуханию вводимого света. Основными причинами потерь света при распространении по световоду считают его поглощение в материале жилы в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитного излучения и рассеяние на различного рода её неоднородностях. На рисунке 2.14 (а) показаны оптические потери (собственное затухание) в световоде.
Рис 2.14 - Оптические потери от собственного затухания в световоде (пояснение в тексте) Известно, что в твёрдых материалах (в т. ч. стекле) атомы соединены между собой электронами, образующими химические связи, и короткие волны соответствуют их энергиям. В силу чего в этом случае коротковолновое излучение будет поглощаться более интенсивно, чем длинноволновое, и теряться в виде тепла. Поэтому, в коротковолновой области оптического излучения (ультрафиолетовая область) затухание волн будет определяться электронным поглощением. В более длинноволновой области оптического спектра (инфракрасной) колебательное поглощение является основным фактором ослабления введённого в световод излучения некоторой длины волны. Оно зависит от масс, размеров и зарядов атомов данного твёрдого тела. Массы атомов и силы связи
между ними определяют длины волн, на которых поглощение наиболее сильное. На рисунке 2.14 (б) показано, что увеличение масс атомов стеклообразных материалов и ослабление силы связи между ними приводит к поглощению более длинных волн. Установлено, что ZrF4 и AsSe3 сильно ослабляют световое излучение в длинноволновой инфракрасной области, а SiO2 наиболее сильно поглощает световое излучение в средней инфракрасной области. Потери светового излучения в стёклах и волоконных световодах происходят также из-за рассеяния на различного рода неоднородностях в составе и плотности материала. Основным механизмом потерь в твёрдых телах, включая стёкла, является рэлеевское рассеяние света – рассеяние на неоднородностях, меньших длины волны света. Электронное и колебательное поглощения и рэлеевское рассеяние относят к собственным оптическим потерям, присущим самому материалу. Кроме того происходят и несобственные оптические потери, возникающие из-за присутствия нежелательных примесей в материале и несовершенства технологии получения стекловолокна. К этим потерям относят поглощение световой энергии посторонними примесями, присутствующими в материале волокна, её рассеяние на больших включениях и пустотах, а также потери за счёт неравномерности диаметра волокна по его длине и отклонений от требуемых величин показателя преломления по сечению световода. Общие потери в световоде характеризуются коэффициентом затухания, который выражается в децибелах на километр (дБ/км). Из рисунка 2.14 (а) видно, что минимумы потерь в стекловолокне находятся в инфракрасной области оптического излучения и совпадают с длинами волн, генерируемых современными лазерами: полупроводникового лазера λ = 0,75—0,91 мкм, твердотельного лазера на стекле с неодимом и ИАГ лазера с неодимом λ = 1,06 мкм. Для кварцевых световодов минимум коэффициента ослабления находится в более далёкой инфракрасной области (λ = 1,3 мкм). В первых стекловолокнах оптические потери составляли около 1000 дБ/км, т.е. свет ослаблялся вдвое на расстоянии 1 метр. Совершенствуя технологию изготовления стекловолокон, потери в них удалось снизить до 20 дБ/км. Позднее были созданы стекловолокна с потерями менее 1 дБ/км, т.е. свет ослабевал на 20 % на длине 1 км. Есть сведения о том, что в настоящее время созданы кварцевые световоды, у которых оптические потери равны 0,2 дБ/км, на длине волны 1,5 мкм.
2.3.3.3 Дисперсионные явления в световодах
Есть и другое явление, возникающее при передаче по световоду определённой последовательности оптических импульсов, которое ограничивает информационную ёмкость канала связи. Известно, что любой световой импульс неоднороден. Он состоит из набора волн (волнового пакета). Даже лазерное излучение имеет определённую спектральную ширину с набором достаточно близких волн, которые всё же немного отличаются между собой по частоте. Входящие в состав пакета волны, оказываются разного цвета: высокочастотные – “синие” и низкочастотные – “красные”. В световодах эти компоненты передаваемого импульса распространяются с различными скоростями, что является причиной их временного удлинения. Такое временное удлинение светового импульса при передаче по световодам называют дисперсией (см. рисунок 2.15). Для объяснения этого явления различные авторы приводят следующий простой пример.
Рис 2.15 - Временное удлинение светового импульса при передаче по световоду Положим, две группы бегунов приготовились к последовательному старту на длинную дистанцию. Первая группа (первый “пакет”) бегунов стартует в заданное время. Естественно, группа растянется из-за разности скорости бегунов. Через определённый промежуток времени за первой группой стартует вторая группа (второй “пакет”) бегунов. Может случиться так, что наиболее быстрые бегуны второй группы догонят отстающих первой группы и они финишируют вместе. Аналогичным образом при передаче последовательных световых импульсов возможно их перекрытие на выходе из световода, что приводит к появлению помех и потере информации. Показано, что в многомодовом световоде с радиусом сердечника 15 мкм и ∆n = 1 % интервал между самой быстрой и самой медленной МОДами составляет 60 нс после прохождения расстояния в 1 км. При передаче импульсных световых сигналов через одномодовые световоды, которые пропускают только один тип колебаний, явление дисперсии минимально. Оказалось, что уменьшение расширения светового импульса можно получить и в многомодовых световодах, где разные типы колебаний распрос-
транялись бы с одинаковой скоростью. К таким световодам относятся волоконные световоды с плавно меняющейся плотностью и, соответственно, показателем преломления по сечению. Установлено, что при изменении показателя преломления сердцевины волоконного световода по параболистическому закону скорости распространения всех МОД примерно одинаковы. Иначе говоря, в таком световоде происходит выравнивание групповых скоростей распространения различных типов колебаний, что уменьшает расширение светового импульса. Созданы световоды с величиной расширения светового импульса в пределах 1,5 нс/км. 2.4 Волоконные световоды в технике Первые идеи по применению волоконных световодов для практических целей были связаны с системами передачи информации. Основные сферы их применения в рассматриваемое время – это телефонная связь и кабельное телевидение. Принцип действия оптических систем связи и передачи информации укладывается в схему: источник оптических сигналов – передающий световод – быстродействующий фотоприёмник. На рисунке 2.16 показано преимущество передачи информации по указанной схеме через волоконные световоды. В воздухе лазерный луч расширяется. Его диаметр у фотоприемника (ФП) больше, чем на выходе из лазера. При распространении луча по световоду диаметр сохраняется (рисунок. 2.16.I). Избежать рассеяния луча можно, установив на его пути фокусирующие системы (рисунок 2.16.II). Световод позволяет обойтись без дополнительных линз. Кроме того, путь луча может быть не прямолинейным, а иметь достаточно сложную форму (рисунок. 2.16.III).
Рис 2.16 - Схемы передачи лазерного излучения по воздуху и световоду
Применение оптических систем связи и передачи информации обусловлено возможностью эффективного превращения электрических сигналов в оптическое излучение и оптических сигналов в электрические токи. В этом случае источниками света служат полупроводниковые инжекционные лазеры (см. рисунок 2.17) или светоизлучающие диоды.
Рис 2.17 - Инжекционные лазеры а- различные типы инжекционных лазеров; б- одночастотный инжекционный лазер с перестраиваемой длиной волны генерации Фотоприёмник – фотоэлектрический приёмник оптического излучения предназначен для непосредственного преобразования световых сигналов в электрические. К ним относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и т.п. В оптических системах информационные сигналы, заключённые в последовательность электрических сигналов, моделируют лазерное излучение: полупроводниковый лазер электрические сигналы превращает в световые. Световое излучение вводится в световод и распространяется по нему на необходимые расстояния. В конечной точке помещается фотоприёмник, преобразующий световые сигналы в электрические. В итоге мы и воспринимаем их в виде звуковых сигналов при телефонном разговоре или на экране телевизора в виде изображения и речевой информации. Оптическая система для передачи различных информаций обладает следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи (практическое отсутствие излучения при неповреждённых световодах), малый (по сравнению с экранированными кабелями) вес, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий, меньшее количество (по сравнению с традиционными системами) усилительных устройств (5—12 км для кабелей на оптических волокнах и 2—4 км для систем связи с экранированными кабелями), широкая
информационная полоса пропускания (в настоящее время созданы широкополосные многомодовые световоды с полосой пропускания, определяемой разностью между минимальной и максимальной частотами, порядка 1 ГГц/км). В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) различают три основных вида систем: магистральные сверхширокополосные линии связи длиной десятки и сотни километров, линии средней длины до 2-х километров (внутригородские) и короткие, используемые внутри отдельных объектов (зданий, самолётов, ЭВМ и т.п.). Рассмотрим лишь один пример – использование ВОЛС в авиации. По мнению зарубежных специалистов целесообразными направлениями использования волоконной техники в авиации являются: в системе передачи изображений по волоконным жгутам; • в самолётных бортовых системах с низкими информационными потоками; • в самолётных каналах информационного обмена большой ёмкости; • в наземной технике связи; • в системе передачи команд в авиационных ракетах. Жгуты можно использовать для передачи визуальной информации лётчику от различных датчиков изображений (телевизионных и других датчиков). При наземном обслуживании самолётов они используются для контроля за элементами конструкции самолёта в труднодоступных местах. Наметившаяся тенденция ухода от управления самолётом посредством системы тяг в пользу проводной линии приведёт к снижению его общей массы и позволит более гибко формировать сигналы управления в зависимости от условий его полёта. В этом случае волоконные кабели с низкими информационными потоками вполне могут заменить электрические. В такой системе низкая потребная информационная ёмкость каналов связи определяется относительно медленным изменением параметров полёта самолёта. Устойчивость к внешним помехам и малая масса ВОЛС говорят о предпочтительности применения этой системы. При построении единой мультиплексной (сложной и многократной) бортовой системы информационного обмена большой ёмкости наибольший выигрыш можно получить от применения волоконно-оптических линий (магистралей). В этом случае на борту самолёта находятся несколько управляющих вычислительных машин (ЭВМ). Каждая из этих машин способна решать все задачи и передавать часть своих задач на другие ЭВМ в случае отказа. •
Перспективность использования ВОЛС для связи между блоками ЭВМ в наземных пунктах управления определяется, в частности, такими преимуществами, как гальваническая развязка и отсутствие электрических наводок на кабель. ВОЛС в системе передачи команд в авиационной ракете применяются в основном благодаря их высокой помехоустойчивости по отношению к электрическим наводкам. Считается, что с оптическими линиями связи возможно снижение веса самолёта (при других равных условиях) в пределах четырёх тонн, а стоимости до 10 миллионов долларов. Область использования волоконных световодов не ограничивается системами связи и передачи информации. Примером применения инфракрасных световодов является волоконно-оптический фторидный лазер (см. рисунок 2.18) фирмы General Telephone and Electronics, Inc. Здесь активным элементом лазера служит световод из фторидного стекла с добавкой неодима. Такой световод помещён между зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Устройство преобразует сине-зелёное лазерное излучение в инфракрасное за счёт того, что сине-зелёный свет возбуждает ионы неодима, вкраплённые в фторидное стекло световода, которое затем испускает инфракрасное излучение.
Рис 2.18 - Фторидный волоконно-оптический лазер 2.5 Световоды в медицине 2.5.1 Щелевые световоды В медицине щелевые световоды применяются для освещения взрывоопасных барокамер, где лечение или хирургическая операция больных происходит в атмосфере чистого кислорода при повышенном давлении. В этих
случаях традиционное электрическое освещение барокамер возможно только при принятии соответствующих мер повышенной предосторожности. При применении щелевых световодов лампы находятся вне барокамеры, внутренний объём которой освещается световодами, расположенными внутри помещения. 2.5.2 Волоконные световоды Как мы уже знаем, в медицине используются различные лазеры, которые генерируют излучение от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Мы также рассмотрели их лечебные возможности. При этом основной задачей становится метод подвода лазерного луча к любому больному участку тела и внутреннему органу пациента. В этом случае, видимо, волоконные световоды и жгуты с небольшими поперечными сечениями и сопоставимыми потерями могут быть наиболее подходящими для указанных целей. Недаром в последние годы наиболее широкое применение в медицине волоконные световоды нашли в области передачи энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей. Применение оптических волоконных световодов в медицине также связано и с использованием их в диагностической практике в качестве систем передачи изображений, которые называются фиброскопами. На рисунке 2.19 (а) показан общий вид фиброскопа и фотография полипов, полученная с его помощью в клинике Мэйо (рисунок 2.19 (б)).
Рис 2.19 - Фиброскоп
а- общий вид и строение; б- фотография полипов, полученная с помощью фиброскопа. Из рисунка 2.19 (а) видно, что фиброскоп состоит из внешнего и внутреннего жгутов волоконных световодов, плотно уложенных между собой. Внешний жгут – осветительный, а внутренний – информационный (передача изображения к наблюдателю). Свет из мощного источника (например, ксеноновая лампа) направляется на приёмник. Линза приёмника фокусирует свет от лампы на торец жгута. Свет, проходя по световодам жгута, освещает полип (например, в желудке). Отражённый от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на торец внутреннего жгута. Изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеоплёнку и т.д. Новейшие фиброскопы содержат до 10000 световодов в жгуте диаметром около 1 мм. Разрешающая способность такого фиброскопа высока. Он позволяет рассматривать предметы, имеющие размер 70 мкм в поперечнике. Фиброскопы часто включаются в состав более сложных приборов, называемых эндоскопами. Эндоскопы также имеют дополнительные каналы, позволяющие расширить функции этого прибора. Например, через один канал можно ввести воду для очистки раны от инородных веществ, через другой – миниатюрные скальпели для разрезания биоткани, через третий – иглы для впрыскивания лекарств. Современные эндоскопы имеют длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм. На рисунке 2.19 (б) показана концевая часть эндоскопа, в дополнительный канал которого введены миниатюрные ножницы для отделения полипа. На рисунке 2.20 показана возможная конструкция эндоскопа для введения через плечевую артерию для наблюдения фрагментов сердца и разрушения бляшек и других наростов в сосудах. Через него можно наблюдать за клапанами сердца и закупорками в венечных артериях, разрушать бляшки и т.п. На вставке рисунка 2.20 показана концевая часть эндоскопа, состоящего из фиброскопа, надувной манжеты, силового световода для подвода лазерного излучения и вспомогательного канала. Фиброскоп позволит визуально обнаружить бляшки и другие закупорки сосудов. Затем, для временной остановки кровотока манжета надувается. По силовому световоду подаётся лазерное излучение для разрушения, например, бляшки. После проведённой операции из манжеты выпускается воздух и поток крови восстанавливается. Первоначально для удаления бляшек применяли аргоновый лазер, излучающий зелёный свет, из-за его надёжности и эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Оказалось, что зелёный свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей. При этом происходит недостаточно эффектив-
ное удаление бляшки. Для этих целей более эффективными оказались импульсное ультрафиолетовое или инфракрасное лазерное излучение. Для таких операций очень важным является защита кровеносных сосудов от прожигания лазерным лучом. Считается, что волоконные световоды способны передавать инфракрасное излучение СО2 лазера, позволяя создавать безопасные, надёжные и долговечные хирургические системы.
Рис 2.20 - Возможная конструкция эндоскопа На рисунке 2.21(а) показана полностью закупоренная бедренная артерия. После воздействия лазерного луча, подведённого через световод от исходной закупорки остаётся примерно 30 % (рисунок 2.21 (б)). Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком (рисунок 2.21(в)). После проведенных манипуляций кровоток восстанавливается.
Рис 2.21 - Рентгеновские снимки бедренных артерий а- Артерия полностью заблокирована; б- Артерия после воздействия лазерного излучения (от исходной закупорки осталось только 30 %); вДля расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком, после чего нормальный кровоток восстанавливается. Волоконные световоды также применяются для обнаружения и лечения небольших опухолей. На рисунке 2.22 (а) показана опухоль, закупорившая трахею. Больному вводят краситель, который опухолью поглощается быстрее, чем здоровой тканью. Через введённый в опухоль волоконный световод подводят лазерное излучение, воздействующее на краситель (рисунок 2.22 (б)). Через два дня (рисунок 2.22 (в)) опухоль после облучения омертвилась и теперь её можно удалить.
Рис 2.22 - Фотодинамическая терапия а- опухоль, закупорившая трахею; б- введённый в опухоль волоконный световод подводит лазерное излучение, воздействующее на краситель; вопухоль после облучения омертвилась Описанный метод – метод фотодинамической терапии. Для осуществления этого метода применялся криптоновый лазер, генерирующий ультрафиолетовое излучение. Облучение опухоли проводилось через кварцевый световод. Краситель – производная гематопарфирина. Этот краситель сильно поглощает красный свет. Для выделения красного света на выходе жгута наблюдения помещается фильтр, пропускающий красный свет и отсекающий отражённое ультрафиолетовое излучение. Если же поражённую ткань со введённым в неё красителем облучить лазерным излучением красного света большой интенсивности, то энергия поглощения вызывает серию фотохимических реакций, которые убивают злокачественные опухоли. Лазер на парах золота может излучать высокоинтенсивный красный свет. Присоединяя миниатюрные датчики к концам световодов, можно производить измерения физиологических параметров. Например, созданы датчики для измерения давления в артериях, мочевом пузыре, мочеиспускательном канале и в прямой кишке. Датчик представляет собой прикреплённую к концу световода трубку, дальний конец которой герметизирован тонкой отражающей мембраной (рисунок 2.23). Работа датчика происходит следующим образом. Когда давление вне трубки больше, чем внутри (рисунок 2.23(а)), мембрана прогибается во внутрь, образуя выпуклое зеркало, отражающее в световод только часть света. Это означает, что давление высокое. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри, то мембрана, изгибаясь наружу, образует вогнутое зеркало, которое в световод направляет больше света. В этом случае давление низкое.
Рис 2.23 - Волоконно-оптический датчик При помощи волоконно-оптических средств возможны: измерение скорости кровотока, определение содержания кислорода в крови, проведение прямого и быстрого биохимического и клинического анализов крови, а также решение других проблем физиологии человека. Лазерная медицинская система 405-4А (Болгария) укомплектована световодами с соответствующими наконечниками (см. рисунок 2.24 (а)).
Рис 2.24 - Гибкие моноволоконные световоды к лазерной медицинской системе 405-4А а- световоды со специальными наконечниками; б- подвод световода к оперативному полю Световоды с фиксированным фокальным пятном серии 405-4А-100 дают возможность доводить лазерное излучение до оперативного поля и используются как лазерный скальпель (см. рисунок 2.24 (б)). Благодаря использованию моноволоконного световода лазерный скальпель (модуль) имеет малые габариты и отвечает требованиям хирургии по эргономичности. В модуль встроена линия для обдувания зоны операции буферным газом. Он ком-
плектуется двумя типами объективов: длиннофокусными – для внешней обработки доброкачественных и злокачественных новообразований, короткофокусными – для точных разрезов с малой мощностью при обработке тонких стенок. Технические характеристики световодов серии 405-4А-100 Коэффициент пропускания: для рабочего луча (λ=1,06 >95 % мкм) для трассирующего луча >97 % (λ=0,63 мкм) Фокусное расстояние: короткофокусный объектив 12,5 мм длиннофокусный объектив 18,8 мм Диаметр фокального пятна: короткофокусный объектив 0,3 мм длиннофокусный объектив ≈ 1 мм Минимальный радиус сгиба 60 мм Рабочая длина (по заявке кли- От 2000 до ента) 4000 мм Гибкие моноволоконные световоды серии 405-4А-200 применяются в основном как коагулятор, совместимый с эндоскопическим оборудованием. Разработаны различные модификации для применения в урологии, гинекологии, нейрохирургии, для коагуляции в общей хирургии и др. Основные технические характеристики световодов серии 405-4А-200 Диаметр кварцевого волокна 0,6 мм Коэффициент пропускания: >95 % Расходимость излучения по-