Microsoft Word doc

Применение
 
лазеров
 
в
 
медицине
 
Лазеры
успешно
используются
в
медицине
– 
как
в
диагно
-
стике
, 
так
и
для
терапевтических
целей
. 
Тепловое
действие
лазерного
излучения
на
живую
ткань
сводится
к
повышению
ее
температуры
. 
При
температуре
при
-
мерно
60 °
С
происходит
свертывание
белка
, 
при
100 °
С
из
ткани
испаряется
вода
, 
а
при
дальнейшем
повышении
температуры
ткань
обугливается
. 
Эти
этапы
воздействия
на
биологический
материал
используются
в
хирургии
. 
Обладая
высокой
точностью
, 
лазерная
хирургия
дает
преимущество
бесконтактного
асептиче
-
ского
вмешательства
и
возможность
– 
в
случае
сильно
кровото
-
чащих
тканей
– 
почти
бескровного
разрезания
благодаря
заку
-
порке
сосудов
на
основе
коагуляции
. 
Наряду
с
тепловым
воздействием
лазерного
излучения
на
ткани
существуют
(
с
учетом
длительности
облучения
и
спек
-
тральной
плотности
мощности
) 
и
другие
механизмы
, 
широко
применяемые
в
медицине
. 
Например
, 
для
фотоабляции
(
отслой
-
ки
ткани
) 
требуются
короткие
импульсы
высокой
мощности
. 
Эффект
наступает
, 
когда
глубина
проникновения
луча
в
ткань

---

262 
находится
в
пределах
микрометров
, 
а
длительность
импульсов
столь
коротка
, 
что
никакой
значимой
теплопроводности
в
этот
момент
не
отмечается
. 
В
результате
пораженная
ткань
отслаива
-
ется
под
действием
коротких
импульсов
без
термического
по
-
вреждения
окружающей
здоровой
ткани
. 
Фотоабляция
широко
применяется
в
фоторефрактивной
хирургии
роговицы
глаза
. 
С
помощью
лазера
на
эксимере
удается
путем
соответствующе
-
го
съема
так
изменить
кривизну
роговицы
, 
что
пациент
сможет
обходиться
без
очков
. 
При
дальнейшем
повышении
мощности
и
укорочении
длительности
импульсов
в
ткани
происходит
опти
-
ческая
перфорация
. 
В
офтальмологии
такой
эффект
применяют
для
разрушения
мутной
пленки
вторичной
катаракты
. 
С
помощью
ла
-
зерного
луча
хирург
проникает
во
внутриглазную
область
через
хрусталик
глаза
, 
не
повреждая
его
, 
и
производит
необходимую
операцию
. 
Восстановление
сетчатки
глаза
с
помощью
этой
тех
-
ники
стало
обычным
делом
и
применяется
во
многих
клиниках
. 
На
рис
. 10.21 
показано
удаление
отложений
в
кровеносных
сосудах
, 
так
называемое
обызвествление
артерий
(
ангиопласти
-
ка
). 
При
этом
лазерный
луч
с
помощью
катетера
и
стекловолокна
вводится
в
артерию
и
производит
съем
отложений
. 
Рис
. 10.21. 
Удаление
отложений
в
артериях
с
помощью
лазерного
луча

---

263 
Дальнейший
прогресс
применения
лазеров
в
медицине
свя
-
зывают
с
развитием
полупроводниковых
технологий
, 
снижающих
себестоимость
лазерной
техники
. 
Термоядерная
 
реакция
 
с
 
применением
 
лазеров
 
С
50-
х
годов
в
лабораториях
разных
стран
предпринима
-
ются
попытки
использовать
управляемые
процессы
ядерного
синтеза
на
Земле
в
целях
получения
энергии
. 
Чтобы
начать
про
-
цессы
синтеза
, 
необходимо
в
достаточной
степени
нагреть
газо
-
образный
водород
, 
который
переходит
в
плазменное
состояние
. 
Для
этого
требуются
температуры
в
сотни
миллионов
градусов
Кельвина
на
период
всего
нескольких
секунд
. 
Ядра
атомов
во
-
дорода
должны
обладать
достаточно
мощной
энергией
, 
чтобы
произошло
их
слияние
. 
При
столь
высоких
температурах
требу
-
ется
специальное
оборудование
, 
чтобы
удержать
плазму
: 
в
про
-
водимых
до
сих
пор
экспериментах
для
этой
цели
использова
-
лись
магнитные
поля
, 
в
которых
устойчивого
удержания
плазмы
осуществить
не
удалось
. 
Альтернативный
путь
к
решению
этой
проблемы
связан
с
применением
лазера
. 
Основная
идея
при
этом
заключается
в
том
, 
чтобы
из
изотопов
водорода
, 
дейтерия
и
трития
изготовить
ма
-
ленький
твердый
шарик
и
нагреть
его
путем
кратковременного
об
-
лучения
светом
лазера
. 
Энергия
лазера
должна
быть
достаточно
большой
, 
чтобы
достичь
требуемых
температур
ядерного
синтеза
. 
При
этом
используется
короткий
импульс
возбуждения
, 
исклю
-
чающий
разброс
плазмы
при
начавшейся
ядерной
реакции
. 
Таким
образом
, 
плазма
при
таком
процессе
удерживается
не
под
действи
-
ем
внешнего
поля
, 
а
в
результате
своей
собственной
инерционно
-
сти
. 
Прежде
чем
частицы
плазмы
разлетятся
во
все
стороны
, 
уже
должны
произойти
ядерные
реакции
. 
Это
так
называемое
инерци
-
альное
удержание
плазмы
требует
наличия
экстремальных
лазеров
. 
Здесь
нужна
энергия
лазерного
излучения
выше
106 
Дж
, 
причем
такая
энергия
должна
за
сверхкороткое
время
, 
около
10–9 
с
, 
войти
в
водородную
мишень
с
диаметром
не
более
1 
мм
. 

---

264 
Схема
новой
лазерной
установки
для
термоядерных
экс
-
периментов
показана
на
рис
. 10.22, 
данные
лазера
представлены
в
табл
. 10.1. 
Этот
лазер
размещен
в
многоэтажном
здании
дли
-
ной
200 
м
. 
Там
же
находятся
192 
цепи
лазерных
систем
, 
вклю
-
ченных
параллельно
и
приводимых
в
действие
единственным
лазерным
генератором
, 
обеспечивающим
синхронизацию
раз
-
ных
лазерных
усилителей
. 
Рис
. 10.22.
Конструкция
лазера
для
получения
ядерного
синтеза
в
лаборатории
Lawrence-Livermore
, 
США
, 
выходная
энергия
1,8 
МДж
.
Эта
лазерная
система
содержит
в
общей
сложности
192 
параллельных
усилительных
цепи
Т а б л и ц а
1 0 . 1
Рабочие
характеристики
лазера
для
термоядерного
синтеза
Выходная
энергия
в
импульсе
1,8 
МДж
= 1,8 · 10
6 
Дж
=
= 450 
г
взрывчатого
вещества
в
троти
-
ловом
эквиваленте
Длительность
импульсов
3 
нс
= 0,000 000 003 
с
Пиковая
мощность
500 
ТВт
= 5 · 10
14
Вт
= 500 000 
элек
-
тростанций
Длины
волн
350 
нм
(
УФ
-
область
спектра
, 
утроение
частоты
1060 
нм
)
Материал
Стекло
с
неодимом
Затраты
Несколько
миллиардов
$ 
США
, 
по
-
стройка
1998–2004 
гг
. 

---

265 
При
успешном
проведении
экспериментов
разработчики
планируют
к
2030 
году
запуск
первой
опытной
электростанции
на
термоядерном
синтезе
. 
Лазерные
 
принтеры
 
Параллельно
с
успехами
в
электронной
обработке
инфор
-
мации
в
последние
десятилетия
достигнут
значительный
про
-
гресс
в
технике
вывода
ее
на
печать
. 
Классические
печатающие
машинки
с
литерными
рычагами
уступили
место
матричным
, 
термографическим
, 
струйным
и
электрофотографическим
печа
-
тающим
устройствам
. 
Эти
устройства
первоначально
печатали
буквы
последовательно
друг
за
другом
, 
затем
построчно
и
, 
на
-
конец
, 
постранично
, 
что
позволило
резко
ускорить
процесс
пе
-
чати
и
повысить
его
качество
. 
Среди
постранично
печатающих
устройств
огромную
роль
играет
электрофотографическая
система
, 
которую
не
совсем
пра
-
вильно
называют
лазерным
принтером
. 
Дело
в
том
, 
что
наряду
с
лазерами
в
качестве
источников
света
здесь
используются
еще
светоизлучающие
диоды
и
галогенные
лампы
, 
управляемые
жид
-
кокристаллической
шиной
. 
Функция
лазерного
принтера
наглядно
представлена
на
рис
. 20.23. 
Печать
осуществляется
путем
передачи
оттиска
на
обладающий
фотопроводимостью
барабан
, 
сохраняющий
в
тем
-
ноте
отрицательные
электрические
заряды
на
своей
поверхно
-
сти
. 
При
вводе
света
поверхностный
заряд
исчезает
. 
Собственно
процесс
печати
осуществляется
в
несколько
этапов
. 
На
первом
этапе
отрицательные
заряды
из
электрического
разряда
попадают
на
поверхность
барабана
(
рис
. 10.23, 
а
). 
Затем
барабан
в
результате
засветки
лазерным
лучом
или
экспонирования
посредством
другого
источника
света
разряжа
-
ется
с
образованием
скрытого
, 
невидимого
изображения
подле
-
жащей
выводу
на
печать
страницы
(
рис
. 10.23, 
б
). 
Для
этого
ла
-
зерный
луч
перемещается
параллельно
оси
барабана
. 

---

266 
Рис
. 10.23. 
Функциональная
схема
лазерного
принтера
: 
а
– 
зарядка
печатного
барабана
; 
б
– 
экспонирование
лазерным
лучом
, 
формирование
потенциального
рельефа
; 
в
– 
проявление
, 
формирование
изображения
частицами
порошка
; 
г
– 
процесс
печати
на
бумаге
На
следующем
этапе
в
результате
вращения
барабана
про
-
исходит
запись
по
всей
его
поверхности
, 
разряженные
зоны
на
барабане
движутся
мимо
проявочного
блока
, 
забирая
от
него
от
-
рицательно
заряженные
частицы
порошка
для
электростатиче
-
ской
печати
(
рис
. 10.23, 
в
). 
И
, 
наконец
, 
бумага
вступает
в
контакт
с
вращающимся
ба
-
рабаном
и
запечатывается
(
рис
. 10.23, 
г
). 
Частицы
упомянутого
выше
специального
порошка
в
результате
нагревания
и
давления
прочно
соединяются
с
бумагой
, 
барабан
очищается
от
избытка
порошка
. 
Под
действием
лазерного
излучения
он
равномерно
разряжается
, 
и
после
полного
оборота
барабана
процесс
печати
вновь
начинается
с
первого
шага
. 

---

267 
Для
лазерного
принтера
требуется
электронное
управление
, 
обеспечивающее
в
растровой
сетке
разрешение
для
запечатывае
-
мой
страницы
на
уровне
300 dpi (
точек
на
дюйм
). 
Таким
образом
, 
одна
сторона
изображения
будет
представлена
в
8 
миллионах
то
-
чек
. 
В
полиграфической
промышленности
при
фотографическом
изготовлении
печатных
матриц
достигается
разрешение
выше
1200 dpi. 
Скорость
лазерного
принтера
определяется
, 
прежде
всего
, 
предварительной
электронной
обработкой
. 
Само
печатающее
устройство
действует
чрезвычайно
быстро
. 
Индивидуальные
или
офисные
принтеры
могут
работать
со
скоростью
10–20 
страниц
в
минуту
, 
а
в
полиграфической
промышленности
минутная
ско
-
рость
печати
достигает
200 
страниц
. 
Лазерные
принтеры
позво
-
ляют
также
изготавливать
цветные
копии
, 
для
чего
последова
-
тельно
друг
за
другом
включаются
сразу
три
барабана
с
порош
-
ком
красного
, 
зеленого
и
синего
цветов
. 
Немногочисленные
примеры
показывают
, 
что
лазеры
ус
-
пешно
используются
в
разных
сферах
– 
научной
, 
технической
, 
медицинской
. 
Эта
область
современной
фотоники
успешно
раз
-
вивается
. 
В
перспективе
можно
ожидать
более
широкого
и
разно
-
образного
применения
лазерных
устройств
. 
Полупроводниковые
лазеры
, 
как
и
светоизлучающие
дио
-
ды
(
СИД
), 
представляют
собой
оптоэлектронные
приборы
, 
в
кото
-
рых
осуществляется
преобразование
электрической
энергии
в
оптическую
(
световую
). 
В
основе
этого
процесса
лежит
излу
-
чение
света
, 
обусловленное
электронным
переходом
из
зоны
про
-
водимости
полупроводника
в
валентную
зону
. 
Для
возбуждения
электронов
в
зону
проводимости
, 
или
, 
как
говорят
, 
для
накачки
, 
используется
инжекция
носителей
. 
С
этой
целью
обычно
форми
-
руют
р
–n-
переход
, 
для
чего
в
n-
область
вводят
больше
донорной
примеси
, 
а
в
р
-
область
больше
акцепторной
. 
С
помощью
инжек
-
ции
обеспечивается
создание
неравновесных
носителей
заряда
, 
что
обеспечивает
генерацию
оптического
излучения
в
р
–n-
пере
-
ходе
полупроводника
. 
Получение
оптической
энергии
на
выходе

---

268 
оптоэлектронных
устройств
оказывается
очень
простым
: 
для
этого
достаточно
подать
напряжение
на
вход
прибора
и
обеспе
-
чить
протекание
по
нему
тока
. 
Путем
изменения
тока
инжекции
можно
менять
оптическую
энергию
на
выходе
прибора
, 
т
.
е
. 
про
-
стыми
средствами
осуществлять
оптическую
модуляцию
. 
Этот
способ
называется
прямой
(
непосредственной
) 
модуляцией
. 
Простота
осуществления
оптической
модуляции
является
одной
из
причин
использования
полупроводниковых
лазеров
и
СИД
в
системах
оптической
связи
. 
Типичные
примеры
зависимости
между
током
и
мощно
-
стью
оптического
излучения
на
выходе
оптоэлектронного
при
-
бора
приведены
на
рис
. 10.24. 
Как
видно
из
рис
. 10.24, 
а
, 
полу
-
проводниковый
лазер
является
«
пороговым
прибором
»: 
если
увеличивать
ток
инжекции
, 
то
при
превышении
некоторого
по
-
рогового
значения
I
п
возникает
резко
линейное
увеличение
оп
-
тического
выхода
лазера
. 
В
окрестности
порогового
значения
тока
наблюдается
качественное
изменение
процесса
: 
медленный
рост
вынужденного
излучения
переходит
в
режим
генерации
излучения
. 
При
I < I
п
излучение
лазера
подобно
свету
обычной
электрической
лампы
и
представляет
собой
сумму
случайных
световых
потоков
или
некогерентный
свет
. 
СИД
конструируют
Рис
. 10.24. 
Зависимость
мощности
оптического
излучения
L
на
выходе
полупроводникового
лазера
(
а
)
 
и
СИД
(
б
) 
от
тока

---

269 
таким
образом
, 
чтобы
в
них
не
возникал
режим
генерации
. 
По
-
этому
в
них
, 
как
показано
на
рис
. 10.24, 
б
, 
по
мере
увеличения
тока
инжекции
происходит
монотонное
нарастание
оптического
выхода
. 
При
этом
насыщение
оптического
выхода
СИД
связано
с
выделением
тепла
, 
т
.
е
. 
по
мере
увеличения
концентрации
носи
-
телей
в
области
светового
излучения
падает
светоотдача
диода
.