Лазер. Как много в этом слове… Ну и так далее. Помню, с каким интересом я открывал один из школьных учебников по физике и рассматривал картинки устройства рубинового лазера. Сделать такое было бы сродни получить мощь гиперболоида инженера Гарина. Как всё было просто на картинке учебника! Но повторить такое школьнику в 90-е это было бы что-то из области фантастики. Прошло много лет, окончена кафедра квантовой электроники ЛЭТИ, но мечта осталась. Пора её реализовать! Итак, вперёд.
Как многим известно, лазеры бывают газовые, твёрдотельные, полупроводниковые, жидкостные, на свободных электронах, газодинамические и, наверное, ещё какие-нибудь. Лично мне всегда был интересен именно твёрдотельный лазер — огромная импульсная мощность и относительная простота конструкции.
Из каких же компонентов состоит твёрдотельный лазер? Во-первых, нам потребуется активный элемент.
Чаще всего, активные элементы делают из кристаллов синтетического рубина, алюмо-иттриевого граната (YAG) и иттрий-алюминиевого перовскита (YAP), активированных неодимом, а так же неодимового стекла (возможно, вам попадётся и что-нибудь другое, но это вряд ли).
Такие активные элементы (далее — АЭ) можно приобрести (вот что было недоступно школьнику в 90-е!) на avito, ebay, meshok или на специализированных лазерных форумах типа lasers.org.ru или laserforum.ru. При этом следует учесть, что цены на лазерных форумах гораздо ниже, чем на барахолках и очень часто продавцы там точно знают, что продают. На барахолках же каждый второй продаёт «рубин» по удивительно высоким ценам, при этом их не смущает слегка фиолетовый цвет продаваемого «рубина». Поэтому первым пунктом при покупке АЭ будет его идентификация.
Как отличить кристаллы от стёкол? Обычно, кристаллические АЭ имеют гладкую поверхность стержня (есть исключения: например, для YAG и YAP иногда поверхность делается с рифлением, чтобы избежать паразитной генерации) и не имеют утолщений с краёв. Стеклянные же АЭ имеют шершавую поверхность и утолщения с краёв. Возможно, из этих правил есть исключения, но мне они неизвестны.
Рубины часто имеют неокрашенные участки с концов стержня — это сделано потому, что рубин поглощает собственное излучение, а так как концы АЭ будут находиться в кристаллодержателе и свет лампы накачки туда не доберётся, то для сплошного окрашенного АЭ это приведёт к невозможности или сильном снижении эффективности работы лазера. У гранатов, перовскита и стекла с неодимом таких проблем нет — собственное излучение они поглощают очень слабо.
Некоторые АЭ могут иметь небольшие скосы, которые мешают паразитной генерации (либо при больших скосах под углом Брюстера дают линейно-поляризованное излучение). Возможно и нанесённое просветление на торцах. Со скосами брать АЭ не советую — сьюстировать их будет сложнее, да и вообще, насколько мне известно, эти стержни, обычно, от усилителей, а не от генераторов. Встречаются также рубины с уже нанесёнными зеркалами на торцах. Такие рубины применяли в лазерных дальномерах и покупка такого АЭ избавит вас от поиска зеркал под рубин и юстировки резонатора, хотя долговечность такого лазера не будет особенно большой.
Следует предостеречь от покупки большого АЭ, особенно, рубинового. Прокачать такие АЭ очень трудно. Легче всего качаются гранат и перовскит, тяжелее стёкла, а рубин вообще жрёт накачку как не в себя.
YAG
Рубин
Стекло с неодимом
Выбирая АЭ следует учесть, что стёкла с неодимом бывают силикатные и фосфатные (есть и ещё куча типов стёкол, но я сильно сомневаюсь, что вы их встретите в продаже). Фосфатные обладают большей эффективностью, но имеют меньшую механическую и термическую прочность. Вообще, по тепловым и механическим параметрам любое стекло сильно проигрывает и рубину и гранату и перовскиту. Марки стёкол доступные самодельщикам это ЛФС (лазерное (или люминесцентное?) фосфатное стекло), ЛГС (лазерное (или люминесцентное?) генерирующее стекло), КГСС (думаю, это расшифровывается как квантово-генерирующее какое-то там (силикатное? фосфатных не было?) стекло) или ГЛС ( генерирующее люминесцирующее стекло). ЛГС и КГСС — это старые названия стёкол. Самое распространённое стекло ГЛС-1 (ему соответствует также какой-то номер старого КГСС и, возможно, ЛГС). Всё с ним хорошо, но оно в отличие от остальных типов стёкол боится ультрафиолета. Ультрафиолета, впрочем боятся и гранат с перовскитом и даже рубин. От него они теряют эффективность работы, так как от ультрафиолета восстанавливаются всегда присутсвующие в них примеси. Также гранат немного менее эффективен, чем перовскит. Отличить гранат от перовскита можно используя тот факт, что перовскит обладает поляризацией, а значит, посмотрев через торец АЭ на картинку на экране ЖК монитора и вращая кристалл, вы увидите изменение светопропускания от максимума до минимума и обратно. Гранат таким свойством не обладает. Перовскит и рубин дают поляризованное излучение лазера (обычно, они вырезаны так, чтобы получалось поляризованное излучение). Гранат даёт неполяризованное излучение.
Кстати, если взять зелёный лазер и посветить в рубин, он засветится ярким красным цветом. Гранат и стекло с неодимом излучают в ИК и их свечение вы не увидите, хотя луч зелёного лазера они поглотят как и положено.
Если вам интересно, почему так любят стёкла при всех их термических и механических проблемах, то всё тут дело в возможных размерах АЭ и высокой концентрации неодима, невозможной в кристаллах — ионы активатора имеют иные размеры, чем ионы основных элементов кристалла. Стекло же аморфный материал и позволяет накачать неодима сколько душе угодно. К тому же в стекле достигается более высокий порог генерации, чем в гранате и перовските, а это значит, что лазер накопит больше энергии перед высвечиванием.
Так, с идентификацией закончили. Теперь надо выяснить, на что же нам надеяться, выбирая АЭ. Для рубина можно получить генерацию яркой красной линии 694 нм в импульсном режиме (в непрерывном вы дома точно не получите), стёкла с неодимом работают строго в импульсном режиме (иначе разрушаются) в ИК на 1062 нм для силикатного стекла и 1054 нм для фосфатного, гранат и перовскит можно запустить как в импульсном, так и в непрерывном режиме (зависит от количества запихнутого в них неодима) в том же ИК на 1064 нм. У неодима есть и другие линии генерации, но основные именно указанные выше. Также усиление у граната и перовскита на порядок выше, чем у стёкол. Порог генерации тоже существенно ниже. У рубина же из-за трёхуровневой схемы накачки порог генерации весьма высок. Вообще, порог генерации сильно связан с концентрацией в АЭ допанта (неодим для стёкол и гранатов/перовскита и хром для рубина ), габаритами АЭ и параметрами зеркал резонатора. В конце статьи я приведу ссылку на мою программу расчёта пороговой энергии накачки. В луч лазера пойдёт энергия сверх пороговой с КПД около 1%.
Для АЭ потребуется резонатор. Проще всего собрать резонатор Фабри-Перо. Состоит он просто из двух параллельных зеркал. Зеркала, правда, нужны не простые, а диэлектрические. Одно с почти 100% отражением, а второе с необходимым пропусканием (обычно, 50% для стекла и 90% для граната и перовскита в импульсном режиме и 15% в непрерывном). Для неодимовых АЭ этими зеркалами на 1064 нм завален весь алиэкспресс и стоят они довольно дёшево, только не перепутайте пропускание с отражением. Вообще-то, для импульсного режима зеркала должны обладать высокой лучевой прочностью, но китайцы параметры своих зеркал вам вряд ли скажут.
Для рубина же вас ожидает сюрприз. Несмотря на то, что рубиновый лазер исторически был первым, он оказался неудобным из-за трёхуровневой схемы накачки, а потому таких лазеров было сделано мало. Зеркала на 694 нм на алиэкспрессе не купишь, а на барахолках цена вас не обрадует (десяток тысяч рублей и выше за зеркало). Тем не менее, мне такие зеркала от ГОР-100 (генератор оптический на рубине, 100 Дж), пусть и немного исцарапанные, подарили на одном из лазерных форумов, за что я безмерно благодарен этому щедрому человеку (его ник Silverray). Есть, конечно, вариант использовать зеркала с кареток DVD-привода (зелёненькое на просвет как выходное и синенькое на просвет как глухое), но мне не удалось с ними запустить рубиновый лазер, хотя есть сведения об успешности такого решения. Исторически в рубиновом лазере зеркала были нанесены на торцы просто серебряным покрытием, но дома такое сделать смогут разве что любители химии. К тому же серебро поглощает излучение и выгорает, а его коэффициент отражения не идёт ни в какое сравнение с коэффициентом отражения диэлектрического зеркала.
Глухое зеркало от ГОР-100.
Резонатор лазера.
Зеркала резонатора требуется настраивать. Для этого нужны подвижки. Я сделал самодельные подвижки, но рекомендую купить готовые на алиэкспресс (там они для CO2-лазера) или на барахолках. Дело всё в том, что там винтовые пары шлифованые, а не нарезанные. Шлифованная пара не болтается и не люфтит. В стройтоварах вы такого точно не найдёте.
Промышленная подвижка зеркала
Самодельная подвижка зеркала
Лампа, отражатель, АЭ собираются в один блок, называемый квантроном. Квантрон можно купить готовый (например, К-107, К-301), а можно сделать самому. Отражатель квантрона (да и сам квантрон) можно сделать, например, из керамических корпусов предохранителей (автор этой идеи, как я понимаю, Nerv с lasers.org.ru). Промышленные отражатели тоже бывают керамические или зеркальные. Зеркальные со временем обгорают. Керамические не обгорают. Клеить керамические корпуса самодельного квантрона между собой надо очень аккуратно, так как осевшие внутри пары клея мгновенно обуглятся при вспышке лампы накачки. Может возникнуть искушение взять лампу и АЭ и просто обмотать их фольгой. Да, это называется плотная упаковка и она отлично работает! Вот только фольга нужна толстая — пищевая довольно быстро придёт в негодность и разлетится хлопьями в лучшем случае, а в худшем начнёт плавиться и въестся в колбу лампы тёмными пятнами.
Предохранители с керамическим корпусом для отражателя квантрона.
Самодельный квантрон без отражателя на основании
Квантрон К-107 с отражателем, активным элементом и лампой
Плотная упаковка
Накачку твёрдотельного лазера, обычно, осуществляют лампой или другим лазером. Наш вариант — лампа. Лампы бывают для непрерывных лазеров и для импульсных. Отечественные лампы для непрерывной накачки имеют маркировку ДНП (дуговая, для накачки, с прямым телом свечения) и являются криптоновыми лампами. Я с ними не работал. Импульсную накачку же осуществляют ксеноновыми лампами серий ИСП (не работал с ними), ИФП (импульсная, фотоосветительная, с прямым телом свечения) и ИНП (импульсная, для накачки, с прямым телом свечения). Для ламп ИНП указывается диаметр и длина разрядного промежутка. Например, ИНП3-7/80 имеет длину 80 мм и 7 мм диаметр разрядного канала. Серия ИФП маркируется по максимальной энергии, например, ИФП-800 это лампа для разряда 800 Дж.
Крайне не рекомендую смотреть на эти лампы в момент вспышки!
Для сравнения, энергия разряда советской фотовспышки «Чайка» всего 25 Дж. А тут 800 Дж! А есть ещё ИФП-5000… и ИФП-20000. 🙂 Требуемое время вспышки лампы, обычно, в районе 1-10 миллисекунд. Можно догадаться, что лампы в процессе работы сильно греются и их, как и АЭ приходится охлаждать дистилированной водой. Впрочем, если давать импульсы редко, лампа и сама успеет охладиться. Между прочим, в спектре этих ламп очень много ультрафиолета (на заметку для дезинфекторов — за миллисекунду любой вирус и бактерия просто испарится, правда, часто вместе с поверхностью — тёмная бумага, например, обугливается), что вредно для кристаллов и стекла ГЛС-1, как я уже выше сказал. Этот ультрафиолет отсекают либо добавками в раствор охлаждения лампы (хромат калия K2CrO4 в концентрации 0,02%), либо нанесённым на баллон лампы покрытием (как у лампы ИНП3-7/80 A), которое, увы, без охлаждения имеет свойство выгорать. Я в своём лазере водяное охлаждение пока не использую. Воздушное же применять не стоит, так как оно требует хорошей очистки воздуха, иначе попавшая пылинка на АЭ, зеркала, лампу приведёт к прогару в месте её нахождения. А вам такое точно не надо. Длина разрядного промежутка в лампе должна быть для рубина не меньше длины активной (окрашенной) части. Для неодима же допустима меньшая длина разрядного промежутка.
Лампа ИНП3-7/80А.
Чтобы запустить лампу, требуется батарея боевых конденсаторов на заданное напряжение (зависит от лампы и обычно составляет около киловольта и выше) и поджигающий импульс в десяток-два киловольт, обеспечивающий пробой канала в лампе. Схем зажигания две: внешний поджиг и последовательный. Для внешнего поджига высоковольный импульс подаётся на навитый на баллон лампы никелевый электрод. Для последовательного в цепь питания лампы подключается поджигающий трансформатор. Мой выбор — последовательный поджиг — нет оголённых электродов снаружи баллона лампы. На этом этапе стоит задуматься о проводах, выдерживающих такие напряжения и токи. Я выбрал ПВМП-4 сечением 0.75. Маловато сечение, конечно, но пока хватает и к тому же можно их связать в параллель.
Внешний поджиг
Последовательный поджиг
Трансформатор поджига иногда можно купить (например, марки ТИС-3), но я сначала сделал его из сердечника ТВС, а потом собрал ещё один новый трансформатор из четырёх склеенных ферритовых колец наружным диаметром 4.5 см, внутренним 3 см и высотой 1.5 см каждое, после склеивания обмотанными фторопластовой лентой. На этот каркас я намотал провод ПВ-1 сечением 1 мм^2 в количестве 17 витков. Всё это щедро залито эпоксидкой, ибо там десяток киловольт таки проскакивает. Первичная обмотка сделана из одного витка провода ПВ-1 сечением 4 мм^2 (на фото ниже старый трансформатор на базе сердечника от ТВС, в котором первичка просто болт — так работает хуже, чем если намотать полноценный виток), на который коммутируется разрядный конденсатор 2 мкФx1500 В, создавая во вторичке трансформатора поджигающий импульс. Этот импульс можно использовать для мгновенной разрядки основной батареи конденсаторов в лампу, а можно им сперва зажечь в лампе дежурную дугу в которую потом уже вгонять энергию для накачки с нужной частотой. Устройство для такой дуги называется симмер, если дуга горит постоянно, или певдосиммер, если дуга не горит постоянно, а вспыхивает за некоторое время до разряда. Дежурная дуга очень сильно увеличивает ресурс лампы, но я пока её не делал. Так что мой вариант — разрядка батареи конденсаторов сразу в поджигающий импульс. Вообще, мой блок питания лампы имеет вот такую вот схему:
Схема блока питания лазера. ВНИМАНИЕ! Конденсатор C1 не ставить.
Это обычный повышающий push-pull преобразователь с 25 В до 1600 В. В процессе настройки у меня часто горели тиристоры, и я экспериментальным путём выяснил, что если управлять тиристорами серией импульсов, то они почти не выгорают. «Почти», потому что один раз за четыре месяца такой случай всё же случился и я добавил после этого случая дополнительную защитную цепочку. Дроссель в цепи питания лампы нужен для обеспечения «мягкого» разряда лампы. Расчёт оптимальных параметров зажигания ламп есть в книжке Вакуленко «Источники питания лазеров», а часть этого расчёта есть в моей программе расчёта пороговой энергии накачки лазера.
Следует особо предупредить: напряжение и энергия конденсаторов смертельно опасны! Разряд заряженных конденсаторов вне лампы вызовет мощную вспышку света и звука, как от взрыва с возможной баротравмой! Прикосновение к электродам приведёт к гарантированной вашей аннигиляции с возможными переломами из-за резких сокращений мышц.
Какую энергию потребуется запасать в конденсаторах? Ну, как минимум не ниже пороговой. У меня конденсаторы запасают не меньше 600-800 Дж. Пиковое — 2200 Дж. Конденсаторы, кстати, очень желательны малоиндуктивные, а это значит, электролиты для накачки плохи. Впрочем, время жизни уровня в рубине 3 мс, поэтому для рубинового лазера электролитические конденсаторы подходят хорошо, только их нужно шунтировать обычным конденсатором, чтобы обратная волна при зажигании лампы не прошла через электролиты и не вызвала их деградацию с последующим взрывом внутри банки. 🙂 Да, такое у меня было. Поэтому я теперь запускаю лазер в наушниках — и так после коронавируса свист в ушах/в голове до конца не прошёл, а после «бабаха» свист только усиливается и потом требует опять лечения. Для электролитических конденсаторов также можно отказаться от дросселя — они и так весьма тормознутые. Для неодимого лазера желательны конденсаторы типа К75-40б и подобные, так как время жизни уровня в неодиме меньше миллисекунды (точное значение в разных средах по-разному).
Фото моего блока питания. Трансформатор ещё старый на ТВС (просто я не дома, вот и не могу переснять фотки).
Не забудьте также про защитные очки — вторые глаза в комплект, как известно, не входят, а мастера тлейлаксу у нас не водятся. Я купил РОСОМЗ ЗН22-СЗС22 LAZER 22203. Для 694 нм оптическая плотность у них 3 (ослабляют в тысячу раз), а для 1064 оптическая плотность 6 (ослабляют в миллион раз). Разумеется, смотреть прямо в луч что без, что в очках категорически недопустимо!
Очки для защиты от лазерного излучения
Основанием для лазера должна служить массивная плита. Чем она массивнее и прочнее, тем лучше, потому что точность юстировки требуется около 10 угловых секунд для рубина и несколько грубее для граната, перовскита или стекла. Гранат и перовскит вообще прощают косо поставленные зеркала — усиление у них очень велико и проходов луча в резонаторе нужно не так много. Даже выходное зеркало для граната и перовскита в импульсном режиме можно заменить на простую стеклянную пластинку (отражение около 10% с двух граней). Так что самодельщикам рекомендую гранат и перовскит прежде всего! Не разочаруют.
Собрав всё на основании, лазер требуется отъюстировать, то есть выставить зеркала параллельно друг другу и торцам АЭ (это важно — косые отражение от торцов снизят энергию луча). Как это сделать? Возьмите обычную лазерную указку (это будет пилотный лазер) и зеркальный блин от винчестера. Приклейте к блину сантиметровый пластиковый треугольник (квадрат распилите на две части по диагонали и ту часть, которую пилили и приклейте). Просверлите в центре уголка (и через зеркальный блин) отверстие около 0.5-1 мм. Наклейте на уголок указку, чтобы луч проходил через отверстие. Указку с наклеенным блином зажмите в тиски или поставьте на штатив от фотоаппарата (тут придётся мудрить с креплением, но этот вариант сильно удобнее — можно углы и высоту легко менять). В данной схеме блин будет играть роль зеркала, отражая вам обратно отражённый от зеркал луч, ибо в конце коридора искать луч глазами очень трудно, а тут он будет отражаться почти рядом с вами). А дальше включите получившийся пилотный лазер и отодвиньте от юстируемого лазера на пару-тройку метров. Совместите по высоте луч, чтобы он проходил через резонатор, и ловите юстировками зеркал и поворотами АЭ (вместе со станиной лазера) на потолке отражения торца АЭ и зеркал, загоняя их отражения на блине винчестера в точку выхода луча пилотного лазера. Совместили? Ну вот и вся юстировка. Относительно грубо, конечно, но часто работает с первого раза. Подстроить можно будет потом по отпечаткам уже запуская хоть чуть-чуть работающий лазер. Проблемы могут возникнуть, когда лазер работает вблизи порога — там фиг отпечаток на мишени увидишь — мала энергия. Но тут уже ничего не поделаешь, надо стараться попадать. Автоколлиматором, конечно, было бы гораздо удобнее и точнее юстировать, но где ж его дома возьмёшь…
Оптимизировать площадь и энергетическую плотность воздействия позволяют матричные лазерные излучающие головки, у которых лазерные диоды распределены по поверхности таким образом, чтобы световые поля, создаваемые ими по отдельности, объединившись, обеспечивали наилучшие пространственно-энергетические параметры методики в объёме. Подчёркиваем, важно не столько распределение световых пятен по поверхности, а как оно влияет на конечный эффект в совокупности с особенностями расходимости лазерного луча и поглощения НИЛИ в биотканях. То есть для матричных лазерных излучающих головок важны оба показателя – размер общей площади и число излучателей, распределённых по ней. Создание наилучших по эффективности излучающих головок разного назначения – задача достаточно сложная, но решаемая. Методика применения, длина волны, режим работы лазерного диода, его корпусное исполнение и свойства его луча, – всё это влияет на конструкцию устройства. В.П. Жаров с соавт. (2002) также обращают внимание на необходимость учёта формы самого объекта, для которого предназначено устройство. Например, когда надо провести освечивание конечностей по всей окружности или половой член через колбу в методике ЛЛОД. Для начала ответим на вопрос: верно ли утверждение, что чем больше площадь матричного излучателя и лазерных диодов, тем лучше? Конечно, нет! Размер суммарного светового пятна ограничен размерами зоны воздействия, это необходимо для обеспечения избирательности. Если изготовить матричный излучатель, соизмеримый с площадью поверхности тела человека, эффект от такого «изобретения» будет равен нулю. Но размеры и не должны быть слишком маленькими, в этом случае не гарантируется равномерность освечивания всего нужного объёма. Например, зеркальные насадки позволяют в некоторой степени распределить световую энергию по поверхности от одиночного лазерного диода (лазерные головки типа ЛО или ЛО-904), но этого часто недостаточно. Наиболее удачным примером оптимизации конструкции матричных излучателей для воздействия на проекцию внутренних органов, органов иммунной системы и крупных кровеносных сосудов (НЛОК), а также для наружного применения и паравертебральной методики являются матричные излучающие головки МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 (красная, 635 нм, импульсная), выполненные по технологии ЛАЗМИК® и производства Научно-исследовательского центра «Матрикс». Кроме оптимальных размеров и пространственного распределения ЛД (высокой лечебной эффективности), они имеют максимальную импульсную мощность (до 200 Вт) и рабочую частоту до 10 000 Гц при гарантийном сроке эксплуатации 5 лет! Это результат нескольких лет исследований и применения специальных, высоконадёжных импортных лазерных диодов. Матричные излучатели других компаний значительно отстают по своей эффективности, хотя иногда могут применяться с ограничением возможностей. Обоснование принципов оптимизации параметров матричных излучающих головок для импульсных лазеров сделано нами относительно недавно [Москвин С.В., 2008; Москвин С.В. и др., 2007]. При этом мы руководствовались рядом обстоятельств, которые существенно влияют на методологию лазерной терапии. 1. Как было показано выше, в биологических эффектах НИЛИ в качестве первичного действующего фактора выступает градиент температуры и термодинамический запуск Ca2+-процессов. Это возможно только при условии поглощения падающего света, что, в свою очередь, определяется наличием поглощающего компонента в живой клетке для данной длины волны. Другими словами, можно сколь угодно долго варьировать параметрами, но если нет поглощения, то никогда не будет и лечебного эффекта. Чем выше коэффициент (степень) поглощения, тем меньше падающей энергии необходимо для результата. 2. При взаимодействии с биотканями, имеющими значительный объём, до момента поглощения НИЛИ происходит множество других процессов, одним из которых является рассеяние. В такой ситуации на первый план выступает именно объёмное распределение энергии, которое хоть и связано косвенным образом с площадью пятна поверхности кожи, однако далеко не так линейно, как в модельных экспериментах. 3. Более того, сам патологический очаг, на который нацелено воздействие, не является объектом ограниченной формы и не имеет строгой локализации в пространстве, зона физиологических нарушений всегда достаточно сложна и крайне причудливо расположена в тканях (органе), а также имеет свойство менять ориентацию при изменении положения тела пациента.
Все эти факторы необходимо учитывать при задании оптимального пространственного распределения энергии падающего лазерного света. Итак, любое воздействие НИЛИ с лечебной целью становится возможным лишь после того, как часть излучения проникла на глубину и поглотилась. Следовательно, анализ терапевтических методик должен базироваться на чётком представлении о характере распределения излучения внутри кожи и отдельных её слоёв и понимании процессов, происходящих при взаимодействии фотонов света со структурными элементами биоткани. Кожа, как и другие органы, представляет собой оптически неоднородную поглощающую среду и имеет более высокий (по сравнению с воздухом) показатель преломления. В случае преодоления светом границы раздела «воздух-кожа» некоторая часть излучения отражается, остальная проникает внутрь ткани (рис. 1.10). Часть энергии лазерного луча при попадании на поверхность отражается от неё, а прошедшая за счёт поглощения и многократного рассеяния ослабляется и расширяется. Объёмное рассеяние является также причиной распространения довольно значительной части энергии в обратном направлении [Утц С.Р., 2000]. Поглощение является важнейшим компонентом взаимодействия НИЛИ с исследуемым биообъектом. Энергия поглощённого излучения переходит либо в тепло, либо тратится на инициирование фотохимических реакций. Как уже было сказано выше, последним мы пренебрегаем в рамках изучаемого нами вопроса. Помимо поглощения кожа, так же, как и другие органы, характеризуется значительным светорассеянием, поскольку состоит из большого числа случайно распределённых в объёме рассеивающих центров. Степень этого свойства зависит от длины волны излучения и оптических свойств биоткани. Рассеяние света средами, состоящими из большого числа частиц, существенно отличается от такового в случае единичного отражения от одного объекта. Это связано, во-первых, с интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами между собой и с падающей волной; во-вторых, во многих случаях важны эффекты многократного переизлучения, когда свет, рассеянный одной частицей, вновь отражается от других; в-третьих, взаимодействие частиц между собой не позволяет считать их движения независимыми. В ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областях спектра доминирует поглощение, вклад рассеяния невелик, и свет проникает неглубоко, иногда всего лишь в пределах нескольких клеточных слоёв. В видимой области спектра глубина проникновения света для типичной биоткани составляет 0,5–2,5 мм. В этом случае существенную роль играют как поглощение, так и рассеяние, которое преобладает в отражённом от кожи излучении (отражается примерно от 15 до 50% падающего света). На длинах волн от 600 до 1500 нм рассеяние преобладает над поглощением, и глубина проникновения увеличивается. Сильное рассеяние обусловлено соизмеримостью длины волны излучения с размерами клеток и отдельных их лементов (ядро, митохондрии, цитоскелет и пр.). По мере того как свет проникает через кожу, коллимированная структура пучка полностью заменя ется на диффузно рассеянную, возрастает доля вышедшей наружу энергии, и интенсивность отражённого от кожи света достигает 35–70% от уровня падающего пучка. В зависимости от типа биоткани и длины волны коэффициент отражения может изменяться в очень широких пределах. Взаимодействие света с кожей имеет сложный характер: в отражённом излучении значительна доля обратного рассеяния от различных её слоёв. Вследствие микроскопической неоднородности границы раздела «воздух – роговой слой» пучок падающего света превращается при отражении в диффузный. Значительная часть пучка света проникает в кожу, где частично поглощается и рассеивается. Рассеянные фотоны, ушедшие из падающего пучка, распространяются по случайным направлениям в соответствии с видом фазовой функ ции рассеяния, определяемой структурой кожи и длиной волны излучения. Рассеянные фотоны вносят вклад в диффузное распределение света по объёму биоткани, в том числе формируют обратный поток. Далеко не все рассеянные фотоны могут выйти из кожи. Те из них, которые имеют углы падения на границу раздела «роговой слой – воздух» больше предельного, возвращаются в кожу (около 55%), а другая часть диффузной компоненты света (около 45%) выходит наружу. Коэффициент отражения кожей света достигает 43–55% и зависит от различных причин: охлаждение участка воздействия снижает значение коэффициента отражения на 10–15%; у женщин он на 5–7% выше, чем у мужчин; у лиц старше 60 лет ниже, чем у молодых; увеличение угла падения луча ведёт к возрастанию коэффициента отражения во много раз. Существенное влияние на коэффициент отражения оказывает цвет кожных покровов, для пигментированных участков он меньше на 6–8% [Лазерная и магнитолазерная терапия, 1985; Улащик В.С., 1986]. Следовательно, при сильном рассеянии суммарный коэффициент отражения кожи может быть значительным. Для оптимизации лазерной терапии обычно снижают зеркальное и диффузное отражение с помощью специальных зеркальных насадок при контактно-зеркальной методике воздействия. Ещё один важный момент. Исследования И.Г. Ляховской (1981) показали, что коэффициенты поглощения НИЛИ в ближней ИК-области составляют 2,3 и 1,0 см–1 (расстояние, на котором мощность уменьшается в 2,71 раза) соответственно для тканей печени и мышц. Это означает, что энергия излучения лазера поглощается в тканях вроде бы незначительно, однако вследствие рассеяния (диффузное, комбинационное и др.) на глубине 1 см в геометрической зоне лазерного луча (около 0,5 см2) остаётся только 1–3% от падающего светового потока. Таким образом, возникает проблема доставки энергии лазера к патологическому очагу ограниченного размера, или точнее, имеющего малые угловые размеры. Становится понятно, что часто упоминаемые в литературе 6–8 см, на которые якобы проникает ИК-лазерное излучение с сохранением 10–15% падающей энергии [Брискин B.C., Полонский А.К., 1991], – лишь крайне неудачная попытка объяснения фактов лечения глубоко лежащих органов при наружном освечивании импульсным лазером. Приведённые основные сведения о процессах распространения оптического излучения в коже носят в основном описательный характер, но необходимы для понимания сути проблемы. Более сложным элементом изучения оптики биологических тканей является непосредственное измерение их оптических характеристик. Определению оптических параметров кожи посвящено относительно небольшое количество работ, поскольку тема представляет собой достаточно сложную задачу. Самым, казалось бы, простым решением вопроса могло бы стать использование мощных лазеров с распределением их световой энергии по большой поверхности. Однако на практике такой способ не применяется в силу ряда возникающих проблем. Во-первых, требуется увеличить мощность пропорционально площади, чтобы сохранить оптимальную ЭП. Например, при оптимальной ПМ 10 мВт/см2 (длина волны 635 нм) для площади 20 см2 (наилучшей для матричных излучателей) мы должны обеспечить мощность лазерного источника не менее 400 мВт (с учётом потерь на оптике и отражении). Лазеры с такой мощностью существуют, но очень дорогие. О так называемых сканирующих системах, совершенно не применимых в лазерной терапии по многим причинам, мы вообще говорить не будем. Во-вторых, возникают вопросы безопасности, большое открытое пятно на поверхности, от которого отражается до 50% падающей световой энергии, заставляет использовать дополнительные средства защиты персонала и пациентов. В-третьих, как уже упоминалось выше, наиболее эффективно освечивать поверхность неравномерно, именно точечными источниками света, лазерными диодами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Кроме того, необходимо обеспечить такое распределение внешних лазерных источников (мощности излучения) по поверхности, чтобы засветить максимально полно нужный объём биоткани. Важно создать лучшие условия для распределения НИЛИ во всем патологическом очаге или, по крайней мере, в большей его части. Способ решения поставленной задачи был предложен достаточно давно. Благодаря появлению лазерных диодов, которые обладают исключительно малыми размерами (корпус 5,6 мм) и ещё меньшей областью свечения (10–50 мкм), их можно размещать по поверхности в виде излучающих матриц. В зависимости от того, каким образом происходит поглощение и рассеяние падающего излучения в биоткани, формируется энергетическая плотность в заданном объёме, в большом числе клеток одновременно, и определяется наличие или отсутствие эффекта. Остальные процессы (отражение, обратное рассеяние и пр.) мы не будем рассматривать, поскольку они вносят лишь незначительный вклад в общую картину происходящего. Для качественной оценки энергетических характеристик системы «лазерное излучение – биоткань» мы упростили постановку задачи, но даже такое теоретическое обоснование позволило получить превосходные результаты, как в эксперименте, так и в клинической практике [Москвин С.В., 2008]. У современных матричных лазерных излучающих головок МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 (красная, 635 нм, импульсная), выполненных по технологии ЛАЗМИК®, лазерные диоды расположены почти непосредственно у поверхности (рис. 2.38), а не за специальным стеклом (т. е. на расстоянии), что позволяет значительно повысить эффективность воздействия при меньшем количестве лазеров. Общая область засветки представляется как суперпозиция 8 точечных источников света, расположенных в два ряда по 4 лазерных диода. Поскольку они находятся на минимальном расстоянии от кожи, световые потоки не успевают значительно расшириться, за счёт чего и обеспечивается минимизация области засветки или имитация «точечных» источников света. При этом подразумевается, что дальнейшее рассеяние происходит по закону Ламберта, т. е. уже не зависит от направления.
Рис. 2.38. Матричные излучающие головки МЛ01К, МЛ01КР, МЛ01КМ к аппаратам «Матрикс» и МЛ-904-80, МЛ-904-200, МЛ-635-40 к аппаратам ЛАЗМИК ®
Площадь светового пятна, по которой рассчитывают плотность мощности у матричных лазерных излучающих головок МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40 на расстоянии до 0,5 см от ЛД составляет 8 см2, т. е. 8 источников света можно представлять суммой лазерных головок с одним лазером и зеркальной насадкой. На расстоянии 7 см (предельном) формируется почти прямоугольная область размером 5 × 10 см, и плотность мощности рассчитывается исходя уже из суммарной мощности всех лазерных диодов на площадь 50 см2. Матричный излучатель в зависимости от назначения может иметь другое количество лазерных диодов. Например, известная лазерная излучающая головка ЛО-ЛЛОД содержит 4 отдельных блока, в каждом имеются по 3 непрерывных красных и 2 импульсных ИК ЛД, т. е. матричный излучатель в данном случае не плоский, а объёмный. Платы располагаются напротив друг друга на колбе, в результате чего обеспечивается равномерная засветка полового члена со всех сторон (рис. 2.39). Другое направление совершенствования матричных излучателей и повышения их эффективности, как уже отмечалось выше, видится в переходе на импульсные лазерные диоды с длиной волны 635 нм (красный спектр).
Матричные излучатели наиболее универсальными, позволяют с максимальной эффективностью реализовать практически все методики современной лазерной терапии. С помощью таких головок нельзя проводить, пожалуй,только лазерную акупунктуру.
Рис. 2.39. Расположение лазерных матричных излучателей головки ЛО-ЛЛОД к аппаратам «Матрикс» и ЛАЗМИК® на колбе ЛО-ЛЛОД
Также, как это ни странно, они не всегда эффективны при лечении больных с ожогами и отморожениями, где, вроде бы, им самое место (из-за размеров области поражения). Оказалось, что иногда более эффективно освечивать не всю поверхность, которая может оказаться весьма значительной, а локально и кратковременно. Воздействие производится на ранних сроках после получения ожоговой травмы на открытые раневые поверхности (дистантно, на расстоянии 1–2 см от поверхности раны) или через повязки по контактно-зеркальной методике. Импульсные ИК-лазеры (излучающая головка с одним лазером типа ЛО-904-15, с зеркальной насадкой ЗН-50), частота 80 Гц, мощность 5–7 Вт, экспозиция на одну зону 8 с до отторжения некроза, 4 с – после его удаления. Воздействуют на 3–4 зоны по краям условной поверхности, соответствующей 1% общей площади тела (ориентир – ладонь), общая длительность – до 6 мин (всего за 1 процедуру до 35 зон). Курс лечения при наличии некроза составляет 5 сеансов, в пред операционный период (на открытую рану) – 5 сеансов, в послеоперационный период (во время перевязок или через повязку) – по показаниям, но не больше 5 сеансов. Эффективно комбинировать местное воздействие с ВЛОК, длина волны 635 нм, мощность на выходе одноразового стерильного световода 1,5–2 мВт, время одной процедуры 10–15 мин, на курс 5–6 процедур, через день [Герасимова Л.И., 2000]. Возможна замена ВЛОК на методику НЛОК – эффективнее, меньше экспозиция и удобнее. Итак, излучающие головки, представляющие собой матрицу из лазерных диодов, расположенных специальным образом, решают задачу оптимизации и контролируемости энергетической плотности в нужном объёме. Если использовать один точечный источник света, один ЛД или узкий пучок света ГНЛ, то при распространении на глубину энергия лазерного света непредсказуемо рассеивается, не обеспечивая требуемой ЭП. И чем глубже находится прогнозируемая область воздействия, тем меньше вероятность того, что световая энергия дойдёт до него. Если же, предположим, освечивать очень большую поверхность (следовательно, объём), то не будет обеспечена избирательность. Не существует ни одной лазерной излучающей головки, которая с одинаковой эффективностью позволяла бы реализовать все методики лазерной терапии, однако матричные излучатели с импульсными лазерными диодами красного (635 нм) и инфракрасного (904 нм) спектров – рекордсмены по универсальности и эффективности. В качестве примера приведём одно наше исследование, в котором эффективность лазерных матричных излучателей и их преимущества перед лазерными излучающими головками с одним лазерным источником были продемонстрированы в профилактике ишемических поражений мозга и лечении больных с хронической ишемией мозга (ХИМ, по МКБ-10) или дисциркуляторной энцефалопатией (ДЭ, прежнее название) [Космынин А.Г., 2005; Кочетков А.В. и др., 2004–2007]. Результаты исследования сравнивались с известной методикой монодиодной ЛТ [А.с. № 1780770]. Воздействие проводили на проекцию экстракраниальных отделов МАГ на шее по контактнозеркальной методике стабильной с использованием излучающей головки типа ЛО1 аппарата «Матрикс» (длина волны 904 нм, частота 80 Гц, импульсная мощность 4–5 Вт, экспозиция 5 мин на одно поле). При использовании 2 каналов суммарная экспозиция составляет 5 мин (2 поля) или 10 мин (4 поля). На курс 12–15 процедур, в ежедневном режиме, 5–6 раз в неделю. Локализация воздействия зависела от клинико-гемодинамических особенностей течения ДЭ. При синдроме каротидной недостаточности (КН) воздействие проводится в проекцию общей сонной артерии (ОСА) в синокаротидную зону (ориентир – ниже угла mandibula) с обеих сторон одновременно. При синдроме вертебрально-базилярной недостаточности (ВБН) сначала воздействовали аналогично на синокаротидную зону, а затем без временного интервала на проекцию отрезка УЗ ПА в субокципитальную зону (ориентир – дорзально от рr. mastoideus). Применение матричной ЛТ на проекцию экстракраниальных отделов МАГ на шее также проводили по контактной, стабильной методике с использованием матричной излучающей головки типа МЛ01К (8 лазерных диодов) к аппарату «Матрикс» (длина волны 904 нм, частота 80 Гц; импульсная мощность 40–50 Вт, экспозиция от 5 мин на поле). При использовании 1 канала суммарная экспозиция составляет от 5 мин (2 поля) до 10 мин (4 поля). На курс от 8 до 12 процедур, ежедневно или через день, 3–5 раз в неделю. Локализация также зависела от клинико-гемодинамических особенностей развития и течения ДЭ. При преобладании синдрома КН у больных ЛТ применяли последовательно на проекции обеих ОСА (передняя локализация). При преобладании синдрома ВБН воздействовали на обе заднебоковые поверхности шеи (задняя локализация). При клинических признаках сочетанной КН и ВБН на фоне, как правило, стенозирующего поражения в одной из систем применяли заднюю локализацию. В исследовании до и после курса лечения проводилось развёрнутое ультразвуковое доплеросонографическое исследование (УЗДГ), а также дуплексное сканирование экстракраниальных отделов магистральных артерий головы (МАГ) и транскраниальная доплеросонография (ТКД) артерий головного мозга. В исследовании применялись последовательно аппараты Аlоkа-5500 (производства Аlоkа, Япония). По данным первичного развернутого УЗДГ- и ДС-исследования выявлялись гемодинамически значимые стенозы (ГЗС) > 60% в экстракраниальных отделах КС – в зоне бифуркации ОСА или в устье ВСА у 9 больных. Гемодинамическим критерием отбора больных в группы было отсутствие множественного типа поражения КС в виде двусторонних ГЗС в экстракраниальных отделах КС. Проведена оценка состояния функции гемостаза и гемореологических параметров. Агрегацию тромбоцитов (АгТр) спонтанную и индуцированную 1 и 5 мкм АДФ исследовали на 2-канальном лазерном анализаторе АгТр (модель 220 LA производства НПФ «БИОЛА», Россия). Вязкость цельной крови (ВЦК) и плазмы (ВП) исследовали с помощью ротационного гемовискозиметра (модель АКР-2 производства «КОМЕД», Россия). Исследование проводили при скоростях сдвига 220 и 20 с–1. Положительная динамика клинико-неврологических симптомов (уменьшение церебрастенических явлений, нистагма, атаксии и др.) чётко прослеживалась к концу курса у больных в 1-й (контроль) и 2-й (монолазер) группах и уже к середине курса в 3-й (матричная излучающая головка). Прослеживалась тенденция более быстрого регресса клинических симптомов вертебрально-базилярной недостаточности во 2-й и 3-й группах по сравнению с 1-й и в 3-й группе по сравнению со 2-й. К концу курса лечения улучшение гемодинамического паттерна выявлено у 8 больных в 1-й группе, 16 – во 2-й и 29 – в 3-й (р –1 20 с –1
3,96 ± 0,11 3,87 ± 0,12 5,49 ± 0,12 5,33 ± 0,16
3,99 ± 0,12 3,83 ± 0,13 5,55 ± 0,11 5,26 ± 0,12
3,98 ± 0,10 3,77 ± 0,11 5,52 ± 0,11 5,02 ± 0,13
Полученные данные свидетельствуют о безопасности и высокой эффективности ЛТ матричными излучателями по сравнению со «монодиодной» ЛТ у больных ДЭ (ХИМ). Оптимальная экспозиция на одну область составляет 2 и 5 мин. Обращаем ещё раз внимание на тот факт, что при одинаковых длине волны и режиме работы лазеров, плотности мощности, частоте и времени экспозиции, т. е. всех формальных составляющих методики, результаты воздействия существенно различаются. Лишь вследствие разной общей площади освечиваемой поверхности и типа излучающей головки. Необходимо ещё раз подчеркнуть, что данные расчёты и проведённые исследования позволили максимально улучшить пространственно-энергетические параметры излучателей МЛ-904-80, МЛ-904-200 (ИК, 904 нм, импульсные) и МЛ-635-40, только выполненных по технологии ЛАЗМИК®. Излучающие головки для других аппаратов имеют совершенно иные конструктивные и схемотехнические решения, весьма далёкие от оптимальных и эффективных, поэтому не могут рассматриваться как полноценные аналоги.
Источник: Москвин С.В. Эффективность лазерной терапии. Серия «Эффективная лазерная терапия». Т. 2. – М.–Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2014. – 896 с. – С. 319-328.
