Що таке довжина хвилі лазера і за що вона відповідає

Лазерне випромінювання є видом фізичної енергії, що не зустрічається у природних джерелах світла. Воно виробляється спеціальними приладами – оптичними квантовими генераторами (ОКГ), які отримали назву – лазер.

Довжина хвилі лазера - це відстань, на яку поширюється хвиля за період, що дорівнює відстані між двома найближчими точками середовища, що коливаються в одній фазі.

Довжина хвилі становить близько кількох тисяч нанометрів, чим ближче до ультрафіолетової області, тим вона коротша. Може досягати сотень нанометрів чи навіть менше. Різні довжини хвиль і частоти застосовуються у різних галузях розвитку, приносячи нові прориви у науково-технічний розвиток.

Довжина хвилі електромагнітного випромінювання оптичного діапазону вимірюється нанометрах (нм) або мікрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).

• Світло з довжиною хвилі 400 нм виглядає фіолетовим;
• світло з довжиною хвилі 450 нм – синім;
• помаранчевий 585-620 нм;
• Довжина хвилі 650-700 нм має червоний колір.

Довжини хвиль світла можуть бути більшими, ніж довжини хвиль видимого спектру. Ці довжини хвиль відомі як інфрачервоні мають розмір від 700 нм до 1 міліметра (мм). Інфрачервоні довжини хвиль, найбільш близькі до видимого світла, відомі як ближнє інфрачервоне світло. Він має довжину хвилі від 800 до 2500 нм.

В даний час одним з найбільш поширених джерел лазерного випромінювання є лазерні діоди, довжина хвилі яких визначається їх конструкцією та матеріалами, які використовуються для їх виготовлення. Лазерні діоди приводяться в дію електричним струмом і перетворюють електричну енергію на світло.Не всі довжини хвиль можуть бути отримані від лазерів з необхідними параметрами, необхідні для конкретного застосування, такими як потужність або енергія. Коли потрібні інші довжини хвиль лазера, зазвичай використовується той чи інший тип перетворення.

Колір або довжина хвилі світла, що випромінюється, залежить від типу використовуваного матеріалу. Наприклад, якщо в якості матеріалу використовується кристал неодим:ітрій-алюмінієвого граната (Nd:YAG), то випромінюватиметься світло з довжиною хвилі 1064 нм. Деякі матеріали та гази здатні випромінювати більше однієї довжини хвилі. Довжина хвилі випромінюваного світла у разі залежить від оптичної конфігурації лазера.

Мал. 1. Діапазон видимого людиною спектра хвиль

Види лазерів та їх довжина хвилі

Робоче тіло

Довжина хвилі

Основні відомості про лазери: принцип роботи та характеристики лазерного випромінювання

Лазери – джерела висококогерентного та інтенсивного монохроматичного випромінювання. Випромінювання генерується за рахунок збудження активного середовища (зазвичай газ або напівпровідниковий елемент), що міститься в резонаторі. Лазерний резонатор являє собою порожнисте тіло циліндричної форми, зсередини покрите шаром, що відбиває. Один з торців резонатора закритий дзеркало, що частково відбиває, протилежний - повністю відображає. При накачуванні світлові хвилі переміщаються всередині резонатора доти, доки стануть достатньо інтенсивними, щоб пройти через частково прозоре дзеркало.

Лазерне випромінювання відноситься до вимушеного, також його називають стимульованим. Сфера застосування лазерів широка і постійно зростає, на сьогоднішній день лазерні джерела застосовуються в медицині, машинному зорі, лазерному зварюванні, маркування виробів і т.д. буд.

Основні параметри та характеристики лазерного випромінювання

Діаметр пучка. За діаметр пучка приймається діаметр перерізу пучка лазерного випромінювання на вихідному торці резонатора. Способів виміру діаметра пучка досить багато, від способу залежать і одиниці виміру. Якщо пучок приймається за Гауссов, діаметр вимірюватиметься за рівнем інтенсивності 1/e 2: це відстань між такими двома точками одномірного розподілу інтенсивності випромінювання, значення інтенсивності яких в 0.135 разів менше піку інтенсивності.

Відхилення пучка. Незважаючи на те, що лазерні пучки приймаються за паралельні, деякий кут розбіжності все ж таки присутній. Ця характеристика показує, яку величину відхиляється пучок від оптичної апертури по ходу поширення і вимірюється в кутових одиницях (радіанах). У лазерних діодах кут розбіжності визначається відразу двома значеннями – проявляється астигматизм. У цьому випадку напрям кута розбіжності слід перевіряти та уточнювати залежно від конкретної схеми. На рис. 1 показана загальна конфігурація лазерного діода та прояв розбіжності лазерного пучка в процесі видалення екрана від джерела випромінювання.

Малюнок 1. Загальна структура напівпровідникового шару діода: профіль пучків, що випромінюються такими діодами, найчастіше еліптичний

Кут віялового пучка. Зазвичай за віяловий кут приймається кут відхилення пучка у певній площині від норми напряму розповсюдження. На рис. 2 показаний вид віялового пучка лазерного діода та наведено його розрахунок.

Малюнок 2. Віяловий кут пучка випромінювання лазерного діода

Вихідна потужність Вихідна потужність визначається як максимальна зареєстрована потужність, яку має лазерний пучок відразу після виходу з резонатора, до проходження через якусь напрямну або оптику, що фільтрує. Похибка становить близько 10%, тож у паспорті приладів зазначаються довірчі інтервали. Профіль розподілу інтенсивності вихідного випромінювання в основному характеризується функцією Гаусса, максимум якої припадає на центр кривої, що збігається з максимумом вихідної потужності.

Клас. Діапазон потужностей лазерних джерел неймовірно широкий. З цієї причини було розроблено класифікацію джерел за силою впливу на людину. У таблиці наведено класифікацію лазерних джерел, запропоновану Центром з контролю приладів та радіаційної безпеки (CDRH).

Опис

Не становлять небезпеки для людини.

Лазери в медицині: типи та застосування

Останнім часом у різних галузях медицини: хірургії, стоматології, дерматології, естетичній медицині та ін. велике значення набувають лазери: з їх допомогою проводять хірургічні втручання, усувають недосконалості та новоутворення шкіри, видаляють татуювання, пігментацію, проводять безліч інших операцій різної складності та тривалості. Використання лазера дозволяє проводити різні операції з мінімальним травматизмом, значно швидшим і комфортнішим, ніж традиційними інструментами, а також значно знижує час реабілітації пацієнта. При цьому якість апарату, його відповідність сучасним критеріям і операції, для якої він використовується, неминуче впливає на результат.Правильно обраний лазер в умілих руках може вирішити навіть дуже серйозні проблеми, тоді як використання невідповідного апарату та низька кваліфікація хірурга, навпаки, нашкодити. Розглянемо які лазери існують і для чого застосовуються в сучасній медицині.

Види та призначення медичних лазерів

Газові лазери

• Газодинамічні – їх активним середовищем зазвичай є N2+CO2+He або N2+CO2+Н2О, а робочою речовиною CO2. Промені, що поглинаються водою, здатні видаляти доброякісні утворення шкіри, такі як ангіоми, бородавки, слизові кісти, ксантелазми, лейкоплакії. Також лазери цього типу використовують для омолодження шкіри. З їхньою допомогою можна робити і хірургічні розрізи;
• Ексимерні – активним середовищем лазерів є димери – двоатомні молекули – шляхетних газів (ксенону, аргону, криптону), і навіть їх сполуки. Енергетичні характеристики їх високі. Довжина хвилі становить від 190 до 350 нм, є можливість її плавної перебудови. Лазерні промені пов'язуються з молекулами води та білка. Основне призначення лазерів – лікування вітіліго та псоріазу.

Твердотільні лазери

Активним середовищем для них виступають діелектричні кристали та скла. Є три режими роботи таких лазерів: імпульсний, безперервний, квазінеперервний.

Виділяють такі типи твердотільних лазерів:

• Рубінові – вони першими стали застосовуватися у медицині. Активним середовищем є іони хрому в оксиді алюмінію. Довжина хвилі складає 694 нм. Мають сильне поглинання променів у меланіні та чорно-синіх чорнильних пігментах, що дозволяє з успіхом застосовувати їх для видалення татуювань, пігментних уражень шкіри.Також їх використовують у лазерній епіляції;
• Nd: YAG (неодимові лазери) – активним середовищем є неодим в ітрій-алюмінієвому гранаті. Довжина хвилі складає 1064 нм. Відрізняються великим поглинанням у меланіні та гемоглобіні. У них широкий спектр застосувань в естетичній медицині: лікування акне, лазерне фотоомолодження, лазерна хірургія шкіри – видалення з неї утворень, таких як родимки та бородавки, – а також епіляція. Крім того, вони застосовуються при лікуванні захворювань вен;
• Q Switched Nd: YAG – тип неодимових лазерів, що відрізняються великим поглинанням у темних чорнильних пігментах та застосовуються в основному для видалення татуювань;
• Er: YAG (ербієві лазери) – для генерації променя використовується ербій в ітрій-алюмінієвому гранаті. Довжина хвилі складає 2940 нм. Випромінювання поглинається водою, що міститься в шкірі, а основне призначення таких апаратів – видалення утворень шкіри, її шліфування та омолодження;
• Калій-титаніл-фосфатний (KTP)-лазер – це неодимовий лазер на другому етапі випромінювання із довжиною хвилі 532 нм. Випромінювання поглинається гемоглобіном та меланіном. Прилад застосовується для усунення судинних та пігментних уражень шкіри;
• Александритові лазери – імпульсні лазери з довжиною хвилі 755 нм, які застосовуються для видалення чорних, синіх, зелених татуювань та пігментації, такої як при меланодермії;
• Ho: YAG (гольмієвий лазер на алюмоітрієвому гранаті) – активне середовище цього лазера – кристал гольмію. Випромінювання добре поглинається тканинами тіла, при цьому ризик теплових травм зведений до мінімуму. Ці пристрої застосовуються як хірургічні лазери в багатьох галузях медицини, у тому числі в гінекології, урології, офтальмології та дерматології.

Напівпровідникові лазери

Ці твердотільні лазери виділяють в окрему групу, оскільки вони мають інший механізм генерації променя. Їхнє основне призначення – лазерна хірургія шкіри та фотодинамічна терапія.

Рідинні лазери

Активним середовищем їм є барвники – органічні сполуки у розчині (у ролі часто виступає родамин). Мають велику енергію лазерного випромінювання. Поглинаються гемоглобіном та меланіном. Основне призначення – лікування судинних захворювань та неаблятивне омолодження шкіри.

Відмінною особливістю та важливою перевагою цих приладів є можливість регулювання довжини хвилі в діапазоні від 400 до 800 нм. Працюють у двох режимах: безперервному та імпульсному. Імпульси дуже короткі, а інтервали між ними довгі.

Діодні лазери

Для генерації лазерного променя використовується арсенід галію. Довжини хвиль можна настроювати від 800 до 980 нм.

Випромінювання поглинається меланіном і гемоглобіном, що містяться у шкірі. А застосовується прилад для лазерної епіляції, фотоомолоджування шкіри та лікування захворювань вен.

Фракційні лазери

Особливістю цих лазерів є чітка спрямованість: вони впливають на мікроскопічні зони і певну глибину. Поглинаються водою, що міститься у шкірі. Довжина хвилі – 1550 нм.

Лазери використовуються для лікування різноманітних проблем шкіри: вугрової висипки, пошкоджень сонцем, меланозу, а також для зменшення глибини зморшок та шліфування шкіри.

Якісний оригінальний лазер не може коштувати дешево, тому що в його розробку та виробництво вкладено великі кошти. "Дешеві" лазери на ринку медичного обладнання - це звичайно неякісні і навіть небезпечні прилади, які не варто або просто не можна використовувати в хірургії та естетичних процедурах.

Автор:
Філіппов Олексій Сергійович лікар онколог, хірург, мамолог, проктолог

Профіль спеціаліста на prodoctorov.ru