Лазеры, применяемые в медицинской технике

4.1 CO ₂ -лазеры

CO ₂ -лазер, т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO₂, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности – в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO₂-лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO₂-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO₂-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO₂-лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.

На рисунке 1 показаны нижние колебательные уровни основного электронного состояния вместе с условным представлением формы колебаний молекулы CO₂.

Рисунок 1 – Нижние уровни молекулы CO₂

Цикл лазерной накачки CO₂-лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO₂, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO₂-лазер – это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO₂ обеспечивает излучение, N₂ – накачку верхнего уровня, а He – опустошение нижнего уровня.

CO₂-лазеры средней мощности (десятки – сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 – разрядная трубка, 2 – кольцевые электроды, 3 – медленное обновление среды, 4 – разрядная плазма, 5 – внешняя трубка, 6 – охлаждающая проточная вода, 7,8 – резонатор.

Рисунок 2 – Схема CO₂-лазера с диффузионным охлаждением

Продольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки. Существенной является теплопроводность материала стенки. С этой точки зрения целесообразно применение труб из корундовой (Al₂O₃) или бериллиевой (BeO) керамик.

Электроды делают кольцевыми, не загораживающими путь к излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, т.е. используется диффузионное охлаждение. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное – из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.

Альтернативой диффузионному служит конвекционное охлаждение. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится разрядом. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема.

CO₂-лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 30­40 мкм. На расстоянии 300­600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,5­1 мм спонтанно закрываются.

Хирургические устройства на основе CO₂-лазера в настоящее время предлагаются в достаточно широком ассортименте. Наведение лазерного луча в большинстве случаев осуществляется с помощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора), оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой, которым хирург манипулирует в оперируемой области.

Гелий-неоновые лазеры

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа – гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

Рисунок 3 – Схема уровней He-Ne лазера

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию

, (1)

можно добиться заселения одного или обоих уровней 3s и 2s неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей.

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см². Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа  на внутренний диаметр трубки . При малых  электронная температура велика, при больших – низка. Постоянство величины  определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизированной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.

Для гелий-неонового лазера оптимальные значения , равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.

В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии  – линии  (0,63282 мкм) соответствует оптимальное  Тор·мм.

Рисунок 4 – Конструктивная диаграмма He-Ne лазера

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений He и Ne.

Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ – упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.

Рисунок 5 – Резонатор He-Ne лазера

Переключение между полосами генерации (рисунок 6) в перестраиваемом гелий-неоновом лазере обычно обеспечивается за счет введения призмы, а для тонкой перестройкой линии генерации обычно используется дифракционная решетка.

Рисунок 6 – Использование призмы Литроу

ИАГ-лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd³⁺ из основного состояния ⁴I_9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень ⁴F_3/2 (рисунок 7).

Рисунок 7 – Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов

Чем ближе к уровню ⁴F_3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.

Технология роста кристаллов основана на методе Чохральского, когда ИАГ и присадка плавятся в иридиевом тигле при температуре около 2000 °С с последующим выделением части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (аргон или азот) при нормальном давлении с малой добавкой кислорода (1-2%). Как только кристалл достигает нужной длины его медленно остужают для предотвращения разрушения из-за термических напряжений. Процесс роста занимает от 4 до 6 недель и проходит под компьютерным управлением.

Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей фемтосекунд. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.

При создании неодимовых, как, впрочем, и рубиновых, лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1…10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности составляет около 10 пс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1…10 пс), так и для синхронизации мод (1…10 пс).

При воздействии интенсивного излучения Nd-ИАГ-лазера на биологическую ткань образуются достаточно глубокие некрозы (коагуляционный очаг). Эффект удаления ткани и тем самым режущее действие, незначительны по сравнению с действием CO₂-лазера. Поэтому Nd-ИАГ-лазер применяется преимущественно для коагуляции кровотечения и для некротизирования патологически измененных областей ткани почти во всех областях хирургии. Поскольку к тому же передача излучения возможна через гибкие оптические кабели, то открываются перспективы применения Nd-ИАГ-лазера в полостях тела.