Лазер

Типы медицинских лазеров

Лазеры классифицируются в зависимости от используемой активной среды. Характеристики длины волны, длительности импульсов и поглощения различных хромофоров кожи определяют возможность клинического применения различных типов лазеров в дерматологии.

Лазеры можно классифицировать по типу активной среды, используемой для генерации фотонов. Различают следующие основные виды медицинских лазеров:

1. Газовые лазеры: СО2-лазер, аргоновый, лазер на парах меди и т.д. Это первые лазеры, излучающие непрерывный луч света.

2. Твердотельные лазеры: рубиновый, Nd:YAG (неодимовый лазер) , Er:YAG (эрбиевый лазер), KTP (неодимовый лазер), александритовый и т.д. Эти лазеры работают в импульсном режиме.

3. Жидкостные лазеры: лазеры на красителях. Импульсные лазеры на красителях это лазеры с очень короткими длительностями импульсов и продолжительными интервалами между каждым импульсом. Энергия лазерного излучения данных лазеров достаточно велика.

4. Диодные лазеры: имеют несколько длин волн, пригодных для процедур на мягких тканях.

Фигурное выжигание

Тем не менее в сознании большин­ства читателей лазеры ассоциируются с «прожигающим» лучом. И вполне справедливо: станки с лазерным раскроем работают на множестве производств, разрезая самые различные материалы — от полимерных пленок до стальных листов. Правда, и мощность лазеров там исчисляется вовсе не милливаттами. Впрочем, прогресс в этой области шагнул настолько далеко, что в настоящее время такой станок можно построить и в домашних условиях. Для этого идеальны мощные полупроводниковые фиолетовые (405 нм) и сине-фиолетовые лазеры (445 нм). Они отличаются хорошим соотношением цены и мощности, а их излучение хорошо поглощается большинством материалов. К тому же, как правило, производители предусматривают в таких портативных лазерах (называть их указками уже не совсем корректно) возможность регулировать фокусировку луча.

Технологии
Небесная реанимация: летающая скорая помощь Атаманова

Лазерный арсенал

Самым интересным из попавших в наши руки однозначно стал сине-фиолетовый (445 нм) лазер мощно­стью 1 Вт. При тщательном соблюдении техники безопасности этот лазер может стать инструментом для множества научно-популярных экспериментов и отличным развлечением. Необычный цвет, высокая стабильность, регулируемая фокусировка и сокрушающая мощь способны на долгое время заставить забыть обо всех других лазерах! Его луч прекрасно виден в вечернем небе, отраженный от потолка свет легко освещает довольно большую комнату, а при соответствующей фокусировке он легко режет бумагу и за пару минут даже может проделать отверстие в дереве толщиной более 3 мм. К тому же такие лазеры принципиально имеют довольно большую расходимость — в 3−10 раз больше, чем у других типов, но в данном случае это скорее плюс, поскольку снижает опасность для окружающих. Впрочем, большая мощность и малая длина волны приводят к высокой опасности для зрения даже при наблюдении отраженного и рассеянного света, поэтому при работе с этим лазером нужно обязательно использовать защитные очки, отсекающие большую часть опасного излучения.

В качестве импровизированной защиты можно использовать стандартные очки с желтыми фильтрами для повышения контраста (например, стрелковые).

Фиолетовые (405 нм) лазеры мощнее 300 мВт сейчас найти затруднительно, но за счет лучшей фокусировки по своим «зажигательным» способностям они весьма близки к 1-Вт сине-фиолетовому (445 нм) лазеру. На расстоянии 5−10 м 300-мВт фиолетовая указка догоняет одноваттного монстра, а далее и вовсе обходит и при этом стоит дешевле. Однако и прожечь что-нибудь на таком расстоянии можно только в том случае, если и лазер, и мишень будут закреплены неподвижно. Так что пока лазерные копья Звездной Гвардии остаются уделом фантастических сериалов. Кроме выжигания, фиолетовая указка интересна тем, что заставляет ярко светиться многие материалы, подобно ультрафиолетовой лампе. Для защиты зрения от отраженного и рассеянного света также подойдут очки с желтыми светофильтрами.

Испытать всю испепеляющую мощь одноваттной указки мы решили на современный манер, построив двухкоординатный выжигательный станок с ЧПУ из конструктора Fischertechnik. За основу мы взяли набор ROBO TX Automation Robots, укомплектовав его компьютерным контроллером ROBO TX. Несмотря на слегка игрушечный вид, это серьезный контроллер с исчерпывающим набором входов и выходов для сервоприводов, световых индикаторов, переключателей, сенсоров (фоторезистор, ультразвуковой радар, датчик цвета, микрофон). Контроллер подключается к компьютеру по USB или Bluetooth. Мы запрограммировали станок на точечное выжигание: на каждом «пикселе» рисунка указка задерживалась на 5 секунд и успевала прожечь отчетливое черное пятно, после чего лазерный луч смещался на шаг и продолжал выжигание. Работу несколько осложнил тот факт, что во избежание перегрева указка не должна непрерывно работать дольше 30 секунд, поэтому каждые полминуты приходилось ставить программу на паузу. Выжигание простого рисунка заняло у нас чуть больше часа.

Как работает лазер?

Принцип работы лазера основан на  явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

В быту.

• Лазерные указки.
• Лазерный дальномер.
• Системы слежения.
• Лидар (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging – световое обнаружение и определение дальности) – технология полу-чения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.
• Системы навигации (напр. Лазерный гироскоп).
•  Проецирование изображений на сетчатку. Таким образом, подводя итог вышесказанному можно заключить, что лазерные технологии нашли широкое практическое применение в жизни человека. И без лазерных технологий теперь трудно представить комфортную жизнь. С момента создания лазера прошло уже больше 50 лет, а развитие лазерных технологий как и создание новых лазеров продолжается бурными темпами.

Список литературы

1. Maiman, T.H. Stimulated optical radiation in ruby / T.H. Maiman // Nature. – 1960. – Vol. 187. – P. 493–494.
2. Javan, A. Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture / A. Javan, D.R. Herriott and W.R. Bennett // Physical Review Letters – 1961. – Vol. 6. – Issue 1. – P. 106–110.
3. Тарасов, Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения / Л.В. Тарасов. – М. : Радио и связь, 1981. – 440 с.
4. Звелто, О. Принципы лазеров / О. Звелто. – М. : Мир, 1990. – 558 с.
5. Мэйтленд, А. Введение в физику лазеров / А. Мэйтленд, М. Дан. – М. : Наука, 1978. – 407 с.
6. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М. : Наука, 1973. – 720 с.
7. Зайдель, А.Н. Техника и практика спектроскопии / А.Н. Зайдель, Островская, Ю.И. Островский. – М. : Наука, 1972. – 376 с.
8. Турро Н. Молекулярная фотохимия / Н. Турро. – М. : Мир, 1967.
9. Handy D.E., Loscalzo J. Redox Regulation of Mitochondrial Function Antioxidants & Re-dox signaling. – 2012. – Vol. 16. – № 11. – Р. 1323–1367.
10. Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II. Topics in Applied Physics. Volume 87, 2003. DOI 10.1007/3-540-46097-7
11. Gilbert S.L. and Wieman C.E. Laser Cooling and Trapping for the Masses // Optics and Photonics News. – 1993. – № 4. – Р. 8–14.
12. Goebel D.M., Campbell G. and Conn R.W. / Plasma surface interaction experimental facili-ty (PISCES) for materials and edge physics studies // Nucl. Mater. – 1984. – № 121. – Р. 277–282.
13. Hocheng H., Tseng C. Mechanical and optical design for assembly of vascular endothelial cells using laser guidance and tweezers // Optics Communications. – 2008. – № 281. – Р. 4435–4441.
14. Kikuchi M. The Influence of Laser Heat Treatment Technique on Mechanical Properties // Proceedings of the Materials Processing Conference-ICALEO, LIA, 1981.
15. Kah, P., Salminen, A., Martikainen, J. The effect of the relative location of laser beam with arc in different hybrid welding processes // Mechanika. – 2010. – № 3(83). – Р. 68–74.
16. Cary, Howard B. and Scott C. Helzer. Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2005.
17. Stribling J. B. & Davie S.R. Design of an environmental monitoring programme for the Lake Allatoona // Upper Etowah river watershed.» Proceedings of the 2005 Georgia Water Re-sources Conference, April 25–27, 2005.
18. http://www.laserinmedicine.com/

Вооружение.

• Лазерное оружие. С середины 50-х гг. XX в. в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». После распада Советского Союза работы были остановлены. В середине марта 2009 г. американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями. В настоящее время лазерное оружие не получило широкого применения в армии в силу своей непрактичности и массивности. Существуют только единичные опытные образцы. Можно полагать, что в будущем лазерное оружие может получить развитие только как средство непосредственно-го поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны.
• Лазерный прицел – это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу, таким образом производится прицеливание на мишень.
• Системы обнаружения снайперов. Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.).  Постановка помех снайперам. Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.
•  Введение противника в заблуждение. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.
• Лазерный дальномер – устройство, работа которого основано на измерении времени, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
•  Лазерное наведение. Ракета автоматически меняет свой полёт, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая таким образом высокую точность попадания. В настоящее время лазерные технологии эффективно применяются только как средство наведения.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

• Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
• В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
• Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Клинический случай

1 место в номинации 4D-омоложение на конкурсе Fotona-PROFI 2018

Врач: Дойнур Кан-оолович Номчула, врач дерматовенеролог, косметолог, член ЕАСЭМ, ведущий специалист Многопрофильной клиники «Алдан» по профилю «терапевтическая косметология» (Республика Тыва, г. Кызыл)
Пол пациента: женский
Возраст пациента: 48 лет

Эстетическая проблема, с которой обратился пациент, с указанием зоны: неровный цвет лица (гиперпигментированные пятна на лбу, на щеках справа и слева), расширенные поры, темные круги в области нижних век справа и слева, выраженные носогубные складки, неровная текстура и рельеф кожи всего лица, нечеткий овал лица в нижней трети справа и слева, «индюшачья шея» (выраженный лишний подкожный жир в области подбородка и шеи с формированием «тяжелого вида»).

Краткое описание клинического осмотра зоны: Кожа лица комбинированного типа (Т-зона с незначительным сальным блеском, по периферии ближе к сухому типу); на коже лба ближе к латеральным краям гиперпигментированные пятна, похожие на мелазму; на коже щек справа и слева латеральнее аналогичные пятна; выраженная носо-слезная борозда с избытком кожи нижнего века (щипковый тест положительный); нечеткий овал лица по краю нижней челюсти справа и слева; избыток кожи и ПЖК в области подбородка (3-я степень птоза мягких тканей лица по шкале МЕРЦ).

Лечение проводилось на лазерной системе FOTONA SP DYNAMIS (SMOOTH; VSP Pulse; Er Scanner; TWINLIGHT; G-Runner; QSW; FRAC3 &VERSA; PIANO; Nd Scanner).

Подготовка к процедуре и способ анестезии: перед процедурой проводилось стандартное очищение кожи мягким молочком для снятия макияжа, анестезия – Cryo Zimmer.

Реабилитационный период после процедуры: непосредственно сразу после процедуры пациентка отмечала легкое пощипывание, которое купировалось бальзамом. Длительность периода до полного восстановления – 7 дней, локальные проявления в виде легкой эритемы – на 2-й день, мелкопластинчатого шелушения – на 4–5-й день, которые исчезли на 6–7-й день.

Периодичность, кратность проводимых процедур (если их было несколько): периодичность процедуры 1 раз в 30 дней, общее количество процедур – 2 раза.

Описание клинических результатов процедуры: после проведенного курса из двух процедур «4D Омоложение» Fotona Technology пациентка отметила выраженное осветление цвета лица, сужение размеров пор, очень хорошее уменьшение носогубной борозды, более выраженный овал лица, уменьшение темных кругов под глазами, и самое главное – выраженное уменьшение объема подкожного жира в подбородочной области с мощным ее лифтингом. Пациентка оценивает результат от процедур на 10 баллов из возможных 10.

Пациентка от процедур осталась крайне довольна.

До лечения. Фотографию предоставил Номчула Дойнур Кан-оолович.

После лечения через 2 месяца. Фотографию предоставил Номчула Дойнур Кан-оолович.

До лечения. Фотографию предоставил Номчула Дойнур Кан-оолович.

После лечения через 2 месяца. Фотографию предоставил Номчула Дойнур Кан-оолович.

Лазеры, использующиеся в дерматологии

1. CO2 лазеры: лазерные лучи от этих лазеров поглощаются водой, содержащейся в кожном покрове, следовательно, используются для омоложения кожи, удаления доброкачественных опухолей кожи, таких как бородавки, ксантелазмы, слизистые кисты, вишня ангиомы, лейкоплакии и используются для хирургического резки.

2. Nd: YAG лазеры: активная среда представляет собой неодим в иттрий-алюминиевом гранате, длина волны 1064 нм. Nd:YAG лазеры имеют небольшое поглощение в меланине и гемоглобине и используются для лазерной эпиляции, лазерного лечения вен, лазерного фотоомоложения, лазерного лечения акне и используют в лазерной хирургии кожи.

3.Q Switched Nd:YAG Лазеры имеют сильное поглощение в темных чернильных пигментах, следовательно, используются в лазерном удалении татуировок.

4. Er: YAG лазеры имеют длину волны 2940 нм их рабочей средой является эрбий в иттрий-алюминиевом гранате. Он поглощается водой в коже и используется для шлифовки кожи, лазерного фотоомоложения и для удаления образований кожи.

5. Рубиновые лазеры имеют длину волны 694 нм и в качестве рабочей среды содержат ионы хрома в оксиде алюминия. Рубиновый лазерный свет имеет очень сильное поглощение в меланине и черно-синих чернильных пигментах. Это особенно полезно для удаления татуировки. Лазерная эпиляция и удаление пигментных (темных) поражений кожи.

6. Калий-титанил-фосфатный (KTP)-лазер: Nd:YAG лазер на второй гармонике излучения и длиной волны 532 нм, лазер с поглощением в гемоглобине и меланине, используется для удаления сосудистых и пигментных поражений кожи.

7. Александритовые лазеры: длина волны 755 нм, импульсный лазер, используемый для удаления синих, черных и зеленых татуировок, эпидермиса и дермы пигментаций, таких как при меланодермии.

8. Диодные лазеры: с различными длинами волн. Поглощающими хромофорами являются меланин и гемоглобин в коже. Диодные лазеры используются для лазерной эпиляции, лечения варикозной болезни и лазерного фотоомоложения.

9. Лазеры на красителях в качестве активной среды содержат органические соединения в растворе (часто родамина) и имеют действующую длину волны между 400 — 800 нм. Поглощающими хромофорами являются гемоглобин и пигмент меланина. Лазеры на красителях полезны в лечении сосудистых поражений и неаблятивного омоложения кожи.

10. Эксимерные лазеры содержат соединения ксенона, криптона и аргона их целью являются молекулы белка и воды, имеют длины волн между 190-350 нм. Эксимерные лазеры полезны при лечении псориаза и витилиго.

11. Фракционные лазеры являются последними лазерами, которые производят микроскопические зоны воздействия и влияют на конкретную глубину в коже. Это особенно полезно для лечения угревой сыпи, морщин, поврежденной солнцем кожи, меланоза кожи и т.д. Длина волны находится в диапазоне 1550 нм, а поглощающими хромофорами является вода в ткани.

Важно знать, какой лазер подходит для вашего типа кожи и конкретно для какой косметической процедуры. Воздействие лазерного излучения на различные участки кожи зависит от длины волны, плотности мощности и температурных характеристик лазера

Важно также знать, как работают лазеры в дерматологии прежде, чем выбрать наиболее подходящий.

Насколько эффективна лазерная эпиляция

Многолетний опыт применения лазеров и многочисленные клинические исследования демонстрируют высокую долговременную эффективность лазерной эпиляции — разрушенные волосяные луковицы не восстанавливаются. После нескольких процедур наблюдается значительно сокращение числа волос, при этом остаточные волосы становятся тоньше, светлее и менее заметными, чем раньше. Чем темнее волосы, тем больше в них содержание меланина и тем эффективнее будет лазерная эпиляция. Светлые и седые волосы мало чувствительны к световому излучению.

Следует иметь в виду, что воздействию подвергаются только корни волос, находящихся в активной стадии роста в момент облучения. Как правило, в этом состоянии находится 20 — 30% волос. Поэтому требуется проведение повторных процедур с интервалом в несколько недель для воздействия на те фолликулы, которые поначалу пребывали в «спящем» состоянии и избежали разрушительного влияния лазерного излучения. Таким образом, за несколько последовательных процедур можно добиться радикального сокращения числа нежелательных волос.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч высвечивает себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!