Молекулярни газови лазери
Първите лазери, които влязоха в хирургията като скалпел и, както изглежда, ще останат в нея дълго време, бяха лазерите с въглероден диоксид. CO2 лазерите използват молекули въглероден диоксид като активни центрове. Такива лазери се наричат молекулярни. В лазерите с въглероден диоксид се извършва инверсия между вибрационните нива на атомите в молекулите (вижте Фигура 8.4).
 |
Тъй като въглеродният диоксид има линейна молекула, образувана от централен въглероден атом и два кислородни атома, разположени отстрани, има три вида вибрации, описани от три квантови числаV1,V2,V3, съответстващи на три вида вибрации:
- симетриченn1,когато кислородните атоми осцилират по оста на молекулата симетрично по отношение на въглеродния атом;
- огъванеn2, когато въглеродният атом вибрира перпендикулярно на оста на молекулата,тъй като такава вибрация може да възникне в две перпендикулярни области, съответното ниво се оказва двойно изроденоn3.V2се предоставя с индексl(), който приема стойностите 0 и 1;
- антисиметриченn3, когато въглеродният атом осцилира по оста между кислородните атоми.
Всички тези нива се характеризират с енергии на възбуждане, много по-ниски от енергийните нива на йоните. Следователно генерираните дължини на вълните лежат в далечната инфрачервена област на спектъра. Най-ефективният лазерен преход 00 0 1®10 0 0 има характерна дължина на вълната 10,6 μm. Долното ниво 10 0 0 има кратко време на релаксация поради връзката с деформационната вибрация 02 0 0 и подлежащата 01 1 0. Горното ниво 00 0 1 съответства на асиметричната вибрация и имастрахотен живот. По този начин условието за създаване на обратна популация в стационарен режим е изпълнено. Освен това е възможно по-малко ефективно генериране при прехода 00 0 1®02 0 0 с дължина на вълната около 9,4 μm.
Тази картина на енергийните нива не е изчерпана: молекулата на CO2, освен вибрационна, има ротационни степени на свобода. Следователно честотният спектър на CO2 луминесценция за двата прехода се състои от няколко линии. В този случай линиите, съответстващи на преходи с увеличаване на J, се наричат P-линии, а с намаляване на J те се наричат R-линии. Разстоянието между линиите е около 1,8 cm -1 . В хирургически приложения тази фина структура не играе сериозна роля. В същото време дава възможност да се извърши генериране на всяка от линиите и дори преструктуриране от една линия в друга, което се оказва полезно за диагностични цели и мониторинг на околната среда.
Невъзможно е да се създаде ефективен чист CO2 лазер, главно защото енергията на възбуждане (обикновено поради светещ разряд) се изразходва за възбуждане на голям брой нива, сред които има такива, чието възбуждане е не само безполезно, но дори вредно, например по-ниските лазерни нива 10 0 0 и 02 0 0 на два прехода. В допълнение, по време на разряд в чист CO2 процесите на дисоциация на молекулите на CO2 в CO и O2 по време на сблъсъци с високоенергийни електрони в разряда са силни.
Ситуацията се подобрява значително, ако към въглеродния диоксид се добави азот N2, който има двуатомна молекула с по-прост спектър. Освен това първото ниво на възбуден азот практически съвпада с горното лазерно ниво на CO2, поради което между тези нива се осъществява интензивен обмен на енергия. В допълнение, възбуденото състояние на азота е метастабилно. По този начин в газовата смес играе ролята"енергиен резервоар". Използването на буферен газ за резонансно изпомпване на горното работно ниво е обичайна техника във физиката на газовите лазери. Аналогична роля играе хелият в описаните по-горе газови лазери върху неутрални атоми.
В допълнение към активната смес от молекулярни лазери се добавя голямо количество хелий He, който играе няколко роли. Той активно изчерпва нивото 01 1 0 CO2 поради сблъсъци, създавайки предпоставки за повишена релаксация 10 0 0®01 0 0. Горното ниво не се засяга, тъй като енергията на падащите хелиеви атоми е недостатъчна за това. Излишъкът от хелий повишава стабилността на газоразрядната плазма. Освен това хелият има висока топлопроводимост, която е важна за охлаждане на активната среда, предотвратявайки топлинното население от 01 1 0 CO2 (необходимо е, както си спомняме, да се избягва топлинното население на долното работно ниво). И накрая, хелият играе и защитна роля: той предотвратява дисоциацията на молекулите на CO2. Съотношението на парциалните налягания на газовете в активната среда се избира в зависимост от предназначението на лазера и обикновено е в рамките на CO2 : He : N2 = 1 : 1: 8 ... 1: 6 : 12.
 |
Когато се записват уравнения за баланс за CO2 лазер, може да се приеме, че горното лазерно ниво е комбинираното ниво, образувано от нивото на CO2 и първото възбудено ниво на азот. Тъй като действителният лазерен преход възниква само от част от комбинираното горно ниво, е необходимо, както в случая на YAG: Nd, да се премине към ефективната стойност на σ в условията, съдържащи напречното сечение на стимулираното излъчване σ.
Най-разпространеният метод за възбуждане при CO2 лазерите е електрическият,в тлеещ разряд с постоянен ток с високо напрежение. Имайте предвид, че това е много често срещан метод за възбуждане на газови лазери, както и за He-Ne лазер. Първоначално това е електрически разряд между два електрода. Традиционно изпускателната тръба е направена от кварц. На практика това е доста сложна конструкция, която има буферни капацитети, смес от които, ако е необходимо, замества разграждащата се смес в зоната на изхвърляне. Конструкцията на такъв лазер е показана схематично на фигура 8.5. Лазерите могат да бъдат направени с вътрешни огледала: монолитна структура с огледала, запоени в тръбата чрез силфон (позволяващ резонаторът да бъде подравнен). Въпреки това, що се отнася до хелиево-неонови лазери, най-голям успех се радват на лазерни конструкции, в които газоразрядната тръба е снабдена с прозорци, разположени под ъгъл на Брюстър спрямо оптичната ос на резонатора.
Тъй като активната смес постепенно се разгражда по време на работа, се създават буферни обеми, от които сместа се влива в зоната на изпускане поради конвекция. При по-мощните лазери се използва бавно изпомпване на активната среда, понякога дори с изхвърляне на отработената активна среда в атмосферата. Тръбите обикновено са направени от кварц. Тъй като по-голямата част от енергията на помпата се преобразува в топлина, самата изпускателна тръба е затворена в кожух, през който се изпомпва водата.
Когато мощността на електрическия разряд се увеличи до определено ниво, мощността на изходното излъчване се увеличава. Ограничението е моментът, когато в тлеещия разряд започват да се образуват обикновени електрически разряди - малки "мълнии", наречени стримери. В тях се освобождава по-голямата част от енергията на помпата и тази енергия се изразходва за грубите процеси на йонизация на газовата смес, а не за възбуждане на активната среда.
Дори по-мощните лазери използват напречен разряд и напречно изпомпване - решенията са очевидни. За съжаление практическото прилагане на подобни решения е изправено пред сериозни проблеми. Основните проблеми са създаването на равномерен тлеещ разряд и борбата с образуването на стримери. Този въпрос е разгледан по-подробно в [7].
Неприятно свойство на този дизайн е наличието на високо напрежение. Тъй като характеристиката на напрежението на разряда има участък с отрицателно съпротивление, захранването трябва да бъде източник (стабилизатор) на ток. При най-простото решение - включването на баластно съпротивление в изпускателната верига - на последната се освобождава значителна мощност на помпата, тоест ефективността пада. За поддържане на тлеещ разряд е необходимо достатъчно високо напрежение (няколко киловолта), а за първоначалното разрушаване на разрядната междина се използва импулсно напрежение от порядъка на десетки киловолта. Това води до проблеми с електрическата безопасност и до увеличаване на размера и теглото на захранващите устройства (виж Фигура 8.5a).
Остроумно решение беше предложено от V.I. Юдин, първоначално за He-Ne лазери, а след това за CO2 лазери. [8]. Той предложи да се използва високочестотно поле за възбуждане на тлеещ разряд, чиято енергия се подава към активната среда чрез лентова линия (Фигура 8.5b). Това елиминира както високите напрежения, така и големите захранвания. Така че в първите образци захранващият блок с тегло 2-3 кг беше заменен от платка с размер на кибритена кутия, захранвана от 24 V, която беше поставена в корпуса на тръбата.
 |
В сравнение с разряда с постоянен ток, такива лазери имат и по-висока ефективност.
Въз основа на това решение V.I. Юдин и неговият екип бяхаРазработени са лазери с изцяло метален дизайн с изходна мощност до 100 W, покриващи почти всички нужди на медицинските приложения. Въпросът с разграждането на активната смес в тези лазери беше решен по най-простия начин, чрез подмяна на активната среда чрез вграден кран. За съжаление, този дизайн все още не е използван в домашни лазери, одобрени от Министерството на здравеопазването.
Ефективността на CO2 лазерите достига стойност от порядъка на 10%. България произвежда фамилия съвременни скалпели „Ланцет-1” и „Ланцет-2” на базата на CO2 лазери с изходна мощност до 20 W. Това са едни от малкото домашни лазерни медицински изделия, преминали европейска сертификация. Снимка на устройството Lancet-1 е показана на фигура 8.6
В чужбина (в Израел, Германия, САЩ, Корея и др.) Много компании произвеждат лазерни системи с висока мощност. Така лазерните хирургични апарати "Sharplan-1100" с изходна мощност 100 W се произвеждат от "Lumenis" (преди "Laser Industries"), Израел.
В CO2-лазерните устройства са реализирани различни импулсни режими, получени чрез модулиране на захранването. Най-популярният от тях е суперимпулсният режим, който представлява наслагване на резки импулси, следващи с ниска честота на повторение и надхвърлящи непрекъснат "пиедестал". Съотношението между амплитудите на импулсите и височината на пиедестала може да варира в широки граници (например при инсталация тип Sharplan-1100 с пиедестал от 0 до 100 W амплитудата на импулса може да достигне 600 W).
Имайте предвид, че електрическият метод на възбуждане не е единственият за CO2 лазерите. Например, получаването на обратна популация е възможно чрез преминаване на активна среда, нагрята до висока температура, през свръхзвукова дюза. Приотопление, горните енергийни състояния са населени. При протичане през свръхзвуковата дюза активната смес бързо се охлажда и населеността на краткотрайното долно лазерно ниво намалява. Обърнете внимание, че нагрята активна смес от CO2, H2O и N2 може да се получи чрез изгаряне на въглеводородно гориво в горивна камера. С други думи, източникът на изпомпване на активната среда може да бъде реактивен двигател. Лазери с този тип възбуждане се наричат газодинамични.
В допълнение към CO2 лазерите, за известно време, лазери, базирани на въглероден оксид CO (въглероден оксид), генериращи около 5 микрона, бяха в полезрението на разработчиците на лазерно медицинско оборудване. Тези лазери обаче не са получили широко разпространение, тъй като проблемите, които решават, могат да бъдат решени до голяма степен от твърдотелни средно инфрачервени лазери. Основните физически принципи на работа на CO2 лазерите и свързаните с тях проблеми и характеристики са практически същите като тези на разглежданите CO2 лазери.