1 . Lazerlar va ularni tibbiyotda qo'llash
Yorug'lik va radio to'lqinlarining umumiy tabiatiga qaramay, ko'p yillar davomida
optika va elektronika bir-biridan mustaqil ravishda mustaqil ravishda rivojlandi.
Ko'rinishicha, yorug'lik manbalari - hayajonlangan zarralar va radioto'lqin
generatorlari - umuman o'xshashlik yo'q. Faqat 20-asrning o'rtalarida fizikaning
yangi mustaqil sohasi - kvant elektronikasiga asos solgan molekulyar
kuchaytirgichlar va radioto'lqinlar generatorlarini yaratish bo'yicha ishlar amalga
oshirildi.
Kvant elektronikasi kvant tizimlaridan stimulyatsiya qilingan emissiya yordamida
elektromagnit to'lqinlarni kuchaytirish va hosil qilish usullarini o'rganmoqda.
Ushbu bilim sohasidagi yutuqlar fan va texnikada tobora ko'proq
foydalanilmoqda. Keling, kvant elektronikasi va optik kvant generatorlari -
lazerlarning ishlashi asosidagi ba'zi hodisalar bilan tanishib chiqamiz.
Lazerlar - bir xil chastotaga ega radiatsiya fotonlarining ta'siri ostida fotonlarning
qo'zg'atilgan atomlar yoki molekulalar tomonidan qo'zg'atilgan (qo'zg'atilgan,
induktsiya qilingan) emissiya jarayoni asosida ishlaydigan yorug'lik manbalari.
Ushbu jarayonning o'ziga xos xususiyati shundaki, stimulyatsiya qilingan
emissiya natijasida paydo bo'ladigan foton tashqi fot bilan bir xil bo'lib, uning
chastotada, fazada, yo'nalish va qutbda paydo bo'lishiga sabab bo'ldi. Bu kvant
generatorlarining o'ziga xos xususiyatlarini aniqlaydi: bo'shliq va vaqtdagi yuqori
radiatsion uyg'unlik, yuqori monoxromatiklik, nurlanish nurining tor yo'nalishi,
quvvat oqimining juda katta kontsentratsiyasi va juda kichik hajmlarda diqqatni
jamlash qobiliyati. Lazerlar turli xil faol muhitlar asosida yaratilgan: gazsimon,
suyuq yoki qattiq. Ular nurlanishni to'lqin uzunliklarining juda keng diapazonida -
100 nm (ultrabinafsha nur) dan 1,2 mikrongacha (infraqizil nurlanish) berishi
mumkin va ham doimiy, ham pulsli rejimlarda ishlashi mumkin.
Lazer uchta printsipial muhim tugunlardan iborat: emitter, nasos tizimi va quvvat
manbai, ularning ishlashi maxsus yordamchi qurilmalar yordamida ta'minlanadi.
Emitter nasos energiyasini (geliy-neon aralashmasini 3-ni faol holatga aylantirish)
lazer nurlanishiga aylantirish uchun mo'ljallangan va optik rezonatorni o'z ichiga
oladi, umuman olganda, ichki makonda muayyan turdagi elektromagnit turi
bo'lgan ehtiyotkorlik bilan aks etuvchi, refrakter va fokusli elementlar tizimi. optik
diapazondagi tebranishlar. Optik rezonator spektrning ishchi qismida minimal
yo'qotishlarga ega bo'lishi kerak, tugunlarni ishlab chiqarishning yuqori aniqligi
va ularning o'zaro o'rnatilishi.
Lazerlarni yaratish uchta asosiy fizik g'oyani amalga oshirish natijasida
rag'batlantirilgan emissiya, atomlarning energiya sathining termodinamik
muvozanatsiz teskari populyatsiyasini yaratish va ijobiy fikrlardan foydalanish
natijasida mumkin bo'ldi.
Hayajonlangan molekulalar (atomlar) luminesans fotonlarini chiqarishga qodir.
Bunday nurlanish o'z-o'zidan ketadigan jarayondir. Vaqt, chastota (turli darajalar
o'rtasida o'tish bo'lishi mumkin), tarqalish va qutblanish yo'nalishi bo'yicha
tasodifiy va tartibsizdir. Boshqa radiatsiya, qo'zg'atilgan yoki induktsiya qilingan,
agar fotoning energiyasi tegishli energiya sathining farqiga teng bo'lsa,
qo'zg'atilgan molekula bilan o'zaro ta'sirlashganda sodir bo'ladi. Rag'batlantirilgan
(induktsiyalangan) nurlanishda sekundiga o'tkaziladigan o'tish soni bir vaqtning
o'zida moddaga kirgan fotonlar soniga, ya'ni yorug'lik intensivligiga, shuningdek
qo'zg'atilgan molekulalar soniga bog'liq. Boshqacha qilib aytganda, majburiy
o'tishlarning soni qancha ko'p bo'lsa, mos keladigan hayajonlangan energiya
holatlarining aholisi shunchalik ko'p bo'ladi.
Induktsiya qilingan nurlanish har qanday hodisada, shu jumladan fazada ham bir
xil, shuning uchun lazer ishlab chiqarish printsiplarida birinchi fundamental g'oya
sifatida ishlatiladigan elektromagnit to'lqinning izchil kuchaytirilishi haqida
gapirish mumkin.
Lazerlarni yaratishda amalga oshiriladigan ikkinchi g'oya - bu termodinamik
muvozanatsiz tizimlarni yaratish, bunda Boltszman qonuniga zid ravishda, quyi
qismga qaraganda yuqori darajadagi zarralar ko'proq bo'ladi. Kamida ikkita
energiya sathida energiya darajasi yuqori bo'lgan zarrachalar soni kamroq
energiyaga ega bo'lgan zarrachalar sonidan oshib ketadigan muhitning holati,
teskari darajadagi populyatsiyaga ega holat deyiladi va vosita faoldir. Bu fotonlar
qo'zg'atilgan atomlar bilan o'zaro ta'sir o'tkazadigan va kvant induktsiyalangan
(qo'zg'atilgan) radiatsiya chiqarilishi bilan past darajaga majburiy o'tishiga olib
keladigan faol muhit. T-ga Boltsman taqsimotidan olingan teskari sathli davlat<
О К, поэтому иногда называется состоянием с "отрицательной" температурой.
По мере распространения света в активной среде интенсивность его
возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света.
Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность
соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.
Teskari populyatsiyaga ega davlat kam energiya sarflaydigan zarralarni tanlash
yoki maxsus hayajonli zarralar, masalan, yorug'lik yoki elektr zaryadlari orqali
yaratilishi mumkin. Salbiy haroratga ega davlat uzoq vaqt mavjud emas.
Lazer yaratish tamoyillarida ishlatiladigan uchinchi g'oya radiofizikada paydo
bo'lgan va ijobiy fikrlarni ishlatishdan iborat. Uni amalga oshirish jarayonida hosil
bo'lgan stimulyatsiya qilingan emissiyaning bir qismi ishchi moddaning ichida
qoladi va tobora ko'proq hayajonlangan atomlar tomonidan qo'zg'atilgan
emissiyani keltirib chiqaradi. Bunday jarayonni amalga oshirish uchun, faol muhit
odatda ikkita nometalldan iborat bo'lgan optik rezonatorga joylashtirilgan bo'lib,
unda hosil bo'lgan nurlanish faol muhitdan qayta-qayta o'tib, uni izchil
qo'zg'aladigan emissiya generatoriga aylantiriladi.
Mikroto'lqinlar diapazonidagi birinchi bunday generator (maser) 1955 yilda Sovet
olimlari N.G. tomonidan mustaqil ravishda qurilgan. Basonym va A.M. Proxorov
va amerikalik - C. Tauns va boshqalar Ushbu qurilmaning ishlashi ammiak
molekulalarining stimulyatsiya qilingan emissiyasiga asoslanganligi sababli
generator molekulyar deb nomlangan.
1960 yilda birinchi ko'zga ko'rinadigan kvant generatori - ishchi modda (faol
muhit) sifatida yoqut kristalli lazer yaratildi. Xuddi shu yili gaz geliy-neon lazeri
yaratildi. Hozirgi vaqtda yaratilgan lazerlarning ulkan xilma-xilligi ishchi
moddalarning turlari bo'yicha tasniflanishi mumkin: gaz, suyuq, yarimo'tkazgich
va qattiq holati bo'lgan lazerlar. Lazer turiga qarab, teskari populyatsiyani
yaratish uchun energiya turli yo'llar bilan uzatiladi: juda qizg'in yorug'lik bilan
qo'zg'alish - "optik nasos", elektr gazni chiqarish, yarimo'tkazgich lazerlarda -
elektr toki. Yorug'likning tabiati bo'yicha lazerlar pulsli va uzluksiz bo'linadi.
Qattiq jismli yoqut lazerining ishlash printsipini ko'rib chiqing. Ruby alyuminiy
oksidi Al 2 0 3 bo'lib, Cr 0+ xrom ionlarining taxminan 0,05% nopoklik tarkibiga
kiradi. Xrom ionlari optik nasos yordamida yuqori quvvatli impulsli yorug'lik
manbalarini ishlatib hayajonlanadi. Bitta dizaynda ellipsning kesimi bo'lgan
quvurli reflektor ishlatiladi. Reflektorning ichida to'g'ridan-to'g'ri ksenonli chiroq
va ellips fokusidan o'tadigan chiziqlar bo'ylab yoqilgan novda mavjud (1-rasm).
Alyuminiy reflektorning ichki yuzasi yaxshi abraziv yoki kumush bilan qoplangan.
Elliptik reflektorning asosiy xususiyati shundan iboratki, uning markazidan
(ksenon chiroq) chiqadigan va devorlardan aks etadigan yorug'lik reflektorning
boshqa markaziga (yoqut novda) tushadi.
Yoqutli lazer uch darajali sxema bo'yicha ishlaydi (2-rasm, a). Optik nasos
natijasida xrom ionlari 1 zamin darajasidan qisqa umrlangan Z. holatiga o'tadi.
Keyin uzoq umr ko'rgan (metastabil) 2 holatiga radiatsiyaviy bo'lmagan o'tish
sodir bo'ladi, shundan o'z-o'zidan radiatsion o'tish ehtimoli nisbatan kichik bo'ladi.
Shu sababli, 2 holatida qo'zg'algan ionlarning to'planishi sodir bo'ladi va 1 va 2
darajalar o'rtasida teskari populyatsiya hosil bo'ladi. Oddiy sharoitlarda, 2-chi
darajadan 1-chi darajaga o'tish o'z-o'zidan sodir bo'ladi va to'lqin uzunligi 694,3
nm bo'lgan lyuminesans bilan birga keladi. Lazer bo'shlig'ida ikkita nometall
mavjud (1-rasmga qarang), ulardan biri nur aks etgan yorug'lik va voqea
intensivligining R koeffitsienti R ga ega, ikkinchisi shaffof bo'lib, unga radiatsiya
hodisasining bir qismini uzatadi (R< 100 %). Кванты люминесценции в
зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой
поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь
от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок,
перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит
наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном
режиме. лазер пробой медицинское биологическое
Uch darajali sxema bo'yicha ishlaydigan yoqut lazer bilan bir qatorda, kristal yoki
shisha matritsaga joylashtirilgan noyob tuproqli element lazerlarining to'rt
darajali sxemalari (neodim, samarium va boshqalar) keng qo'llaniladi (24-rasm,
b). Bunday hollarda, teskari populyatsiya ikkita hayajonlangan darajalar o'rtasida
yaratiladi: uzoq umrlangan 2 va qisqa umr 2. "
Juda keng tarqalgan gaz lazer bu geliy-neon bo'lib, elektr tokidan tushish paytida
qo'zg'alish sodir bo'ladi. Undagi faol vosita 10: 1 nisbatdagi geliy va neon
aralashmasi va 150 pa bosim. Neon atomlari chiqmoqda, geliy atomlari
yordamchi rol o'ynaydi. Shaklda 24c, geliy va neon atomlarining energiya darajasi
ko'rsatilgan. Avlod nasl 3 va 2 darajadagi neon o'rtasidagi o'tish paytida sodir
bo'ladi. Ularning o'rtasida teskari populyatsiyani yaratish uchun 3-darajali va
bo'sh 2-darajani to'ldirish kerak, 3-darajali populyatsiya geliy atomlari yordamida
sodir bo'ladi. Elektron ta'sirida elektr zaryadsizlanishi paytida geliy atomlari uzoq
umr ko'rish holatiga keladi (umri taxminan 10 3 s). Ushbu holatning energiyasi
3-darajali neon energiyasiga juda yaqin, shuning uchun qo'zg'atilgan geliy atomi
o'rganilmagan neon atomi bilan to'qnashganda, energiya uzatiladi, natijada neon
3-darajali qatlam hosil bo'ladi. Sof neon uchun bu darajadagi umr qisqa va
atomlar 1 yoki 2 darajalarga o'tadi, Boltszman taqsimoti amalga oshiriladi. 2-
darajali neonning vayron bo'lishi, asosan, tushirish naychasining devorlari bilan
to'qnashganda uning atomlarining tuproq holatiga o'z-o'zidan o'tishi natijasida
ro'y beradi. Bu neon 2 va 3 darajalarining statsionar teskari populyatsiyasini
ta'minlaydi.
Geliy-neon lazerining asosiy tarkibiy elementi (3-rasm) diametri taxminan 7 mm
bo'lgan gazni tushirish naychasidir. Gaz chiqarishini va geliyni qo'zg'atish uchun
elektrodlar kolba ichiga o'rnatiladi. Derazalar naychaning uchida Brewster
burchagida joylashgan bo'lib, buning natijasida nurlanish tekislik qutblanadi.
Samolyot-parallel rezonator nometalllari naychaning tashqarisiga o'rnatiladi,
ulardan biri shaffof (R ko'zgu koeffitsienti R< 100 %). Таким образом, пучок
вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало.
Rezonator nometalllari ko'p qatlamli qoplamalar yordamida amalga oshiriladi va
shovqin tufayli ma'lum to'lqin uzunligi uchun zarur bo'lgan ko'zgu koeffitsienti
yaratiladi. 632,8 nm to'lqin uzunligi bilan qizil yorug'lik chiqaradigan geliy-neon
lazerlari. Bunday lazerlarning kuchi kichik, u 100 mVt dan oshmaydi.
Lazerlardan foydalanish ularning nurlanish xususiyatlariga asoslanadi: yuqori
monoxromatiklik (~ 0,01 nm), etarlicha yuqori quvvat, nurning torligi va
uyg'unlik.
Yorug'lik nuri torligi va uning kichik farqlanishi Yer va Oy orasidagi masofani
o'lchash uchun lazerlardan foydalanishga imkon berdi (olingan aniqlik o'nlab
santimetrga teng), Venera va Merkuriyning aylanish tezligi va boshqalar.
Lazer nurlanishining uyg'unligi ularning golografiyada qo'llanilishiga asoslanadi.
Geliy-neon lazeriga optik tolalar yordamida gastroskoplar ishlab chiqilgan, bu
golografik ravishda oshqozon ichki bo'shlig'ining uch o'lchovli tasvirini yaratishga
imkon beradi.
Lazer nurlanishining monoxromatikligi atom va molekulalarning Raman
spektrlarini qo'zg'atish uchun juda qulaydir.
Lazerlar jarrohlik, stomatologiya, oftalmologiya, dermatologiya, onkologiyada
keng qo'llaniladi. Lazer nurlanishining biologik ta'siri biologik materialning
xususiyatlariga ham, lazer nurlanishining xususiyatlariga ham bog'liq.
Tibbiyotda ishlatiladigan barcha lazerlar shartli ravishda 2 turga bo'linadi: past
intensivlik (intensivligi 10 Vt / sm 2 dan oshmaydi, ko'pincha 0,1 Vt / sm 2 ga
teng) - terapevtik va yuqori intensivlik - jarrohlik. Eng kuchli lazerlarning zichligi
10 14 Vt / sm 2 ga etishi mumkin, tibbiyotda odatda 10 2 - 10 6 Vt / sm 2 ga
teng lazerlar qo'llaniladi.
Kam intensiv lazerlar to'g'ridan-to'g'ri nurlanish paytida sezilarli darajada vayron
qiluvchi ta'sir ko'rsatmaydigan narsalardir. Spektrning ko'rinadigan va
ultrabinafsha mintaqalarida ularning ta'siri fotokimyoviy reaktsiyalar tufayli
yuzaga keladi va oddiy, kiruvchi manbalardan olingan monoxromatik yorug'lik
ta'siridan farq qilmaydi. Bunday hollarda lazerlar qulay monoxromatik yorug'lik
manbalari bo'lib, ular aniq lokalizatsiya va ta'sir qilish dozasini ta'minlaydi. Bunga
geliy-neon lazer nuridan trofik yaralarni, yurak tomirlari kasalliklarini va
boshqalarni davolashda, shuningdek kripton va boshqa lazerlarni fotodinamik
davolashda o'smalarning fotokimyoviy shikastlanishida qo'llash kiradi.
Yuqori intensiv lazerlardan ko'rinadigan yoki ultrabinafsha nurlanishidan
foydalanganda sifat jihatidan yangi hodisalar kuzatiladi. An'anaviy yorug'lik
manbalari bilan, shuningdek tabiatda laboratoriya fotokimyoviy tajribalarida,
odatda fotonni singdirish odatda quyosh nuri ta'sirida amalga oshiriladi. Bu Stark
va Eynshteyn tomonidan ishlab chiqilgan fotokimyoning ikkinchi qonunida
aytilgan: yorug'lik ta'siri ostida yuzaga keladigan kimyoviy reaktsiyada ishtirok
etadigan har bir molekula reaktsiyaga sabab bo'lgan bitta kvant nurlanishni
yutadi. Ikkinchi qonun bilan tasvirlangan bitta fotonni yutish jarayoni bajariladi,
chunki oddiy yorug'lik intensivligida bir vaqtning o'zida ikkita fotonni er holatida
molekulaga olish deyarli mumkin emas. Agar bunday voqea yuz bergan bo'lsa,
unda ifoda shaklni oladi:
2hv \u003d E t - E k,
bu molekulaning E k energiya holatidan E g holatiga o'tish uchun ikkita foton
energiyasining yig'indisini anglatadi. Fotonlar, shuningdek, elektron qo'zg'atilgan
molekulalar tomonidan so'rilmaydi, chunki ularning umri qisqa va tez-tez
ishlatiladigan nurlanish intensivligi kichikdir. Shuning uchun elektron bilan
qo'zg'aladigan molekulalarning kontsentratsiyasi past va ular tomonidan boshqa
fotonning yutilishi juda mumkin emas.
Ammo, agar yorug'lik intensivligi oshsa, ikki fotonni yutish mumkin bo'ladi.
Masalan, to'lqin uzunligi qariyb 266 nm bo'lgan yuqori intensivlikdagi
pulsatsiyalanuvchi lazer nurlanish bilan DNK eritmalarining nurlanishi DNK
molekulalarini ion nurlanishiga o'xshash holatga keltirdi. Kam ionlanish
intensivligi bilan ultrabinafsha nurlanishiga ta'sir ko'rsatmadi. Nuklein
kislotalarning suvli eritmalarini yoki ularning asoslarini pikosekond (pulsning
davomiyligi 30 ps) yoki intensivligi 10 6 Vt / sm 2 dan nanosekund (10 ns) pulslari
bilan nurlantirishda molekulalarning ionlanishiga olib keladigan elektron
o'tishlarning paydo bo'lishi aniqlandi. Pikosekond impulslarida (4-rasm, a)
sxemaga muvofiq yuqori elektron darajalar (S 0 -\u003e S1 -\u003e S n) va hv
hv nanosekund pulslarida (4-rasm, b) sxema bo'yicha joylashtirildi (S 0 -\u003e
S1). -\u003e T r -\u003e T n). Ikkala holatda ham molekulalar ionlanish
energiyasidan kattaroq energiya olishdi.
DNK assimilyatsiya qilish diapazoni ultrabinafsha mintaqada joylashgan< 315 нм,
видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако
воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм
переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования
энергии двух фотонов (рис. 5).
Har qanday nurlanishning so'rilishi, qo'zg'atilgan molekulalardan atrofdagi
kosmosga tarqaladigan issiqlik shaklida ma'lum miqdordagi energiya
chiqarilishiga olib keladi. Infraqizil nurlanish asosan suv tomonidan so'riladi va
asosan issiqlik ta'sirini keltirib chiqaradi. Shuning uchun yuqori intensivlikdagi
infraqizil lazerlarning nurlanishi to'qimaga sezilarli darajada tez ta'sir qiladi.
Tibbiyotda lazer nurlanishining termal ta'siri deganda asosan biologik
to'qimalarning bug'lanishi (kesilishi) va koagulyatsiyasi tushuniladi. Bu 1 dan 10
Vt / sm 2 gacha va nurlanish davomiyligi millisekunddan bir necha soniyagacha
bo'lgan turli lazerlarga taalluqlidir. Bularga, masalan, gaz C 0 2 lazer (to'lqin
uzunligi 10,6 mkm), Nd: YAG lazer (1,064 mkm) va boshqalar kiradi. Nd: YAG
lazeri eng ko'p ishlatiladigan qattiq holatli to'rt darajali lazerdir. Avlod Ytrium
alyuminiy granatining (YAG) Y 3 Al 5 0 12 kristallariga kiritilgan neodimiy
ionlarining (Nd 3+) o'tishida amalga oshiriladi.
To'qimani isitish bilan birga issiqlikning bir qismi issiqlik o'tkazuvchanligi va qon
oqimi tufayli chiqariladi. 40 ° C dan past haroratlarda qaytarib bo'lmaydigan
shikastlanish kuzatilmaydi. 60 ° C haroratda oqsil denaturatsiyasi, to'qima
pıhtılaşması va nekroz boshlanadi. 100-150 ° C da suvsizlanish va
karbonlashtirish yuzaga keladi, 300 ° C dan yuqori haroratlarda mato bug'lanadi.
Radiatsiya yuqori intensivlikka yo'naltirilgan lazerdan chiqqanda chiqadigan
issiqlik miqdori katta bo'ladi va to'qimada harorat gradyani paydo bo'ladi. Voqea
joyida to'qima bug'lanadi va qo'shni joylarda karbonizatsiya va pıhtılaşma sodir
bo'ladi (6-rasm). Fotosurat - bu qatlamni qatlam bilan olib tashlash yoki
to'qimalarni kesish usuli. Pıhtılaşma natijasida qon tomirlari emiriladi va qon
to'xtaydi. Shunday qilib, doimiy C 0 2 lazer () ning kuchi taxminan 2 * 10 3 Vt /
sm 2 bo'lgan fokuslangan nur, biologik to'qimalarni kesish uchun jarrohlik skalpel
sifatida ishlatiladi.
Agar siz ta'sir qilish vaqtini (10-10 s) kamaytirsangiz va intensivlikni oshirsangiz
(10 6 Vt / sm 2 dan yuqori), u holda uglerodlanish va pıhtılaşma zonalarining
hajmi ahamiyatsiz bo'ladi. Ushbu jarayon fotoablatsiya (fotosurat olib tashlash)
deb nomlanadi va to'qimalarni qatlamma-bosqich olib tashlash uchun ishlatiladi.
Fotoablatsiya 0,01-100 J / sm 2 energiya zichligida sodir bo'ladi.
Zichlikning yanada oshishi bilan (10 Vt / sm va undan yuqori) yana bir jarayon -
"optik parchalanish" mumkin. Ushbu hodisa shundan iboratki, lazer nurlanishining
elektr maydonining juda yuqori intensivligi (intraatomik elektr maydonlari
intensivligi bilan solishtirish mumkin) tufayli ionlanish moddasi plazma hosil qiladi
va mexanik zarba to'lqinlari hosil bo'ladi. Optik parchalanish uchun odatdagi
ma'noda yorug'lik kvantini biron bir moddaning so'rilishi shart emas, u shaffof
muhitda, masalan, havoda kuzatiladi.
Do'stlaringiz bilan baham: |