Апаратні комплекси на основі квантової оптики

Квантова електроніка – галузь фізики, яка вивчає методи посилення і генерації електромагнітного випромінювання на основі явища вимушеного випромінювання в нерівноважних квантових системах. Ще в 1940 році фізик А.Фабрикант  вказав на можливість використання явища вимушеного випромінювання для посилення електромагнітних хвиль.

Датою народження квантової електроніки можна вважати 1954 рік, коли М. Басов і А. Прохоров в СРСР і незалежно від них Дж. Гордон, Х. Цайгер  і Ч. Таунс  у США створили перший квантовий генератор (мазер) на молекулах аміаку, де застосували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль довжиною 1, 27 см. Слово мазер утворено початковими літерами слів англійської фрази: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. У 1963 році М. Басов, А. Прохоров та Ч. Таунс були удостоєні Нобелівської премії за розробку нового принципу генерації та підсилення радіохвиль.

Перший лазер на кристалі рубіна, що давав випромінювання на довжині хвилі 0,6934 мкм, був створений Т. Мейманом  у 1960 рік. Оптична накачка в ньому реалізується за допомогою імпульсних газорозрядних ламп. Рубіновий лазер був першим твердотілим  лазером, також виділяються лазери на неодимовому склі й на кристалах гранату з неодимом (довжина хвилі 1,06 мкм). Накачування в ньому здійснюється електронним ударом в газовому розряді і резонансною передачею енергії від допоміжного газу (у даному випадку – гелію) основному (неону). Твердотільні лазери дозволили отримати генерацію потужних коротких  і надкоротких  імпульсів світла.

А. Джаваном був створений перший газовий лазер на суміші атомів гелію і неону (довжина хвилі 0,6328). Серед інших типів газових лазерів виділяються потужні лазери на вуглекислому газі (довжина хвилі 10,6 мкм, допоміжні гази – азот і гелій), аргонові лазери (+0,4880 і 0,5145 мкм), кадмієвий лазер (+0,4416 і 0,3250 мкм), лазер на парах міді,  (ланцюгової реакції сполуки фтору з воднем), ексимерні лазери (накачування за рахунок розпаду молекул в основному стані), хімічні лазери (накачування за рахунок хімічних реакцій).

У кінці 1960-х були розроблені і створені лазери на молекулах органічних барвників, які мають надзвичайно широку смугу підсилення, що дозволяє плавно перебудовувати частоту генерації при використанні дисперсійних елементів (призми, дифракційні  гратки). Набір із певних барвників дозволяє охопити весь оптичний діапазон.

Лазери дозволили здійснити новий метод отримання об’ ємних і кольорових зображень, названих голографією.

.

Принцип дії та будова лазера

Слово “лазер” утворено із перших літер фрази: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що означає посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання). Лазер – оптичний квантовий генератор – пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та іншу) в енергію електромагнітної хвилі.

Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, що досягає гранично великих потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого і вузькоспрямованого потоку випромінювання.  Існує велика кількість видів лазерів, які використовують в якості робочого середовища всі агрегатні стани речовини. Окремі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або поліхроматичних твердотільні лазери генерують частоти  у широкому спектральному діапазоні. Лазери бувають мікроскопічні (для певних напівпровідникових лазерів) та можуть сягати розмірів футбольного поля (для певних лазерів, робочим тілом якого є неодимове скло). Унікальні властивості випромінювання лазерів застосовуються у різних областях медицини, науки і техніки, а також у побуті.

Мовою квантової теорії вимушене випромінювання означає перехід атома з вищого енергетичного стану до нижчого, але не самовільно, як при звичайному випромінюванні, а внаслідок зовнішнього впливу. Зрозуміло, що для того, щоб відбувався процес підсилення світла, необхідно, щоб концентрація атомів на енергетичних рівнях, які відповідають збудженому стану, була більшою, ніж на нижчих рівнях. Такий стан називається інверсною заселеністю.

Розглянемо будову і принцип роботи газового гелій-неонового лазера. Основним його елементом є розрядна трубка, заповнена сумішшю газів гелію і неону. Парціальний тиск гелію – 1мм рт. ст., неону – 0,1 мм рт. ст. Атоми неону є випромінюючими (робочими), атоми гелію – допоміжними, які необхідні для створення інверсної заселеності атомів неону.

Для збільшення потужності трубку поміщають в дзеркальний резонатор. Відбиваючись від дзеркал, потік фотонів багаторазово проходить вздовж осі трубки, при цьому в процес індукованого випромінювання включається все більше число збуджених атомів і інтенсивність індукованого випромінювання зростає.

Величезну потужність лазерного променя використовують для випаровування матеріалів у вакуумі, для зварювання і обробки надтвердих матеріалів. Застосовуючи лазери, отримують кольорові об’ємні зображення предметів у фотографії, кіно і телебаченні (так звана голографія). Перспективним є застосування лазерних променів у засобах зв’язку і наукових дослідженнях.

 Блок-схема типової лазерної установки складається з наступних частин:

1-Оптичний випромінювач;

2-Блок накопичення енергії (блок накачки);

3- Блок живлення;

4-Система індикації  параметрів лазерного  випромінювання;

5-Система керування лазерним променем;

6-Об’єкт, що обробляється лазерним променем;

7- Двокоординатний стіл;

8 -Блок керування, (в сучасних верстатах -система програмного керування двокоординатним столом).

 

Властивосі лазерного випромінювання:

1)    малий кут  розходження пучка світла (для газових лазерів , для твердо тільних );

2)    виняткова монохроматичність ();

3)    найпотужніші джерела світла – 10¹⁴ Вт/с (Сонце – 7*10³ Вт/с);

4)    ККД близько 1%.

Фізичною основою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінити фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінений фотон когерентний фотону, який викликав випромінювання (є його «точною копією»). Таким чином відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрямки поширення, поляризацію і фазу.

Великий  внесок у розробку питання про вимушене  випромінювання  вніс А. Ейнштейн.  Гіпотеза Ейнштейна полягає в тому, що під дією електромагнітного поля частоти ω молекула (атом) може: перейти з більш низького енергетичного рівня на більш високий з поглинанням енергії фотона;

перейти з більш високого енергетичного рівня на більш низький з випусканням фотона енергією; крім того, як і під час відсутності збудливого поля, залишається можливим мимовільний перехід молекули (атома) з верхнього на нижній рівень з випусканням фотона енергією.

За властивостями вимушене випромінювання  істотно відрізняється від спонтанного. Найбільш характерна риса вимушеного випромінювання полягає в тому, що виникший потік поширюється в тому ж напрямку, що й початковий збудливий потік.  Частоти і поляризація вимушеного і первісного випромінювань також рівні.  Вимушений потік когерентний збудливому.

 

Класифікація лазерів

Лазери класифікуються: за схемами функціонування, за агрегатним станом робочого тіла, за методом отримання інверсного стану, за фізичними особливостями активних центрів.

На теперішній час прийнято наступну класифікацію лазерів та випромінювань:

• Твердотільні.
•  Напівпровідникові.
• Рідинні.
• Газові на атомних переходах.
• Газові на іонних переходах.
• Молекулярні.
• Фотодисоціаційні.
• Електроіонізаційні.
• Газодинамічні.
• Хімічні.
• Плазменні.
• Ексимерні.
• Лазери на вільних електронах.
• Рентгенівські лазери.
• Гамма-лазери.
• Лазери з перебудовою довжини хвилі генерації.
• Комбінаційні лазери.
• Випромінювання оптичного діапазону (3 1012-3 1020) Гц.
• Інфрачервоні хвилі: 100мкм – 7600 А0 .
• Видиме світло: (7600- 3900)А0.
• Ультрафіолетові хвилі: (3900-10)А0.
• Рентгенівське випромінювання: (10 – 0,01)А0.
• Гамма випромінювання: 0,01А0 і менше.
• Випромінюваня радіодіапазону: 100000км – 01мм (3-3 1012)Гц.

 

Як уже зазначалося, першим квантовим генератором був рубіновий твердотільний лазер, твердотільні лазери на люмінесцируючих твердих середовищах (діелектричні кристали і скло). В якості активаторів зазвичай використовувалися іони рідкоземельних елементів або іони групи заліза Fe. Накачування було оптичне і здійснюється за три-або чотирирівневої схемою. Сучасні твердотільні лазери здатні працювати в імпульсному режимі.

Напівпровідникові лазери хоча є твердотільними, проте традиційно виділяються в окрему групу, оскільки мають інший механізм накачування, а квантові переходи відбуваються між дозволеними енергетичними зонами,а не між дискретними рівнями енергії. Напівпровідникові лазери – найбільш уживаний в побуті вид лазерів. Крім цього застосовуються в спектроскопії, в системах накачування інших лазерів, а також у медицині.

Робоче тіло	Довжина хвилі	Джерело накачки	Застосування
Напівпровідниковий лазерний діод	Довжина хвилі залежить від матеріалу: 0,4мкм – GaN, 0,63 – 1,55мкм – AlGaAS, 3-20мкм – сіль свинцю.	Електричний струм.	Телекомунікації, голографія, лазерні вказівники, лазерні принтери, накачка лазерів других типів. AlGaAs – лазери ( алюміній-арсенід-гелієві), які працюють в діапазоні 780нм та використовуються в програвачах компакт-дисків.

Лазери на барвниках – це тип лазерів, в яких  використовують  як активне середовище розчин флюоресцируючих,  з утворенням широких спектрів, органічних барвників.  Можуть працювати в безперервному та імпульсному режимах. Основною особливістю- є можливість перебудови довжини хвилі випромінювання в широкому діапазоні. Застосовуються в спектроскопічних дослідженнях.

Робоче тіло	Довжина хвилі	Джерело накачки	Застосування
Лазер на барвниках	390-435нм (Stilbene), 460-515нм (Кумарин 102), 570-640нм (Родамин 6G), та інші.	Рекомбінація ексимерних молекул при електричному разряді.	Лазерна хірургія, корекція зору.

Газові лазери – це лазери великої потужності, монохроматичності, що мають вузьку спрямованість випромінювання із оптичним накачуванням, активним середовищем якого є суміш газів і парів. Працюють у безперервному та імпульсному режимах. У залежності від системи накачування газові лазери поділяють на газорозрядні лазери, газові лазери з оптичним збудженням і порушенням заряджених частинок ,  газодинамічні та хімічні лазери. За типом лазерних переходів розрізняють газові лазери на атомних переходах, іонні лазери, молекулярні лазери принцип роботи яких будується на електронних, коливальних і обертальних переходах молекул.

Робоче тіло	Довжина хвилі	Джерело накачки	Застосування
Гелій-неоновий лазер	632,8 нм	Електричний розряд	Інтерферометрія, голографія, спектроскопія, зчитування штрих-кодів, демонстрація оптичних ефектів
Аргоновий лазер	488,0; 514,5 м	Електричний розряд	Лікування сітчатки ока, літографія.
Криптоновий лазер	416;530,9;568,2;647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм	Електричний розряд	Наукові дослідження, в суміші з аргоном лазері білого світла, лазерне шоу
Ксеноновий лазер	Більшість спектральних ліній по всьому видимому спектру і частково в УФ та ІК областях	Електричний розряд	Наукові дослідження
Лазери на фтористому водню	2,7-2,9 мкм (фтористий водень); 3,6-4,2 мкм (фторид дейтерія)	Хімічна реакція горіння етилену трьох фтористого азоту (NF3)	Здатний працювати у постійному режимі в області мегаватних потужностей.
Хімічний лазер на кисні й йоді (COIL)	1,315 мкм	Хімічна реакція в полум’ї синглетного кисню та йоду	Наукові дослідження. Здатен працювати в постійному режимі в області мегават них потужностей
Вуглекислотний  лазер	10,6 мкм (9,4 мкм)	Поперечний (великі потужності) чи повздовжній (малі потужності) електричний розряд	Хірургія
Лазер на моно оксиді вуглецю (СО)	2,5-4,2 мкм, 4,8-8,3 мкм	Електричний розряд	Фотоакустична спектроскопія.
Ексимерний лазер	193 км (ArF), 248км (KrF), 308 км (Xe Cl)	Рекомбінація ексимерних молекул при електричному розряді	Лазерна хірургія, корекція зору.
Азотний лазер	337,1 нм (316; 357 нм)	Електричний розряд	Накачка лазерів на барвниках, дослідження забруднення атмосфери, наукові дослідження, навчальні лазери

Газодинамічні лазери – газові лазери з тепловою накачкою, інверсія населеностей в яких створюється між збудженими коливально-обертальними рівнями гетероядерних молекул шляхом адіабатичного розширення, рухається з високою швидкістю газової суміші (частіше N₂ + CO₂ + He або N₂ + CO₂ + Н₂О, робоча речовина – CO₂) .

Ексимерні лазери – різновид газових лазерів, які працюють на енергетичних переходах ексимерних молекул, здатних існувати лише деякий час у збудженому стані. Накачування здійснюється пропущенням через газову суміш пучка електронів, під дією яких атоми переходять у збуджений стан, фактично представляють собою середовище з інверсною заселеністю. Ексимерні лазери відрізняються високими енергетичними характеристиками, малим розкидом довжини хвилі,  генерацією та можливістю її плавної перебудови у широкому діапазоні.

Хімічні лазери – різновид лазерів, джерелом енергії для яких служать хімічні реакції між компонентами робочого середовища (суміші газів). Лазерні переходи відбуваються між збудженими коливально-обертальними і основними рівнями складових молекул продуктів реакції. Для протікання хімічних реакцій у середовищі необхідна наявність вільних радикалів, для чого використовуються різні способи впливу на молекули для їх дисоціації. Для них характерні: широкий спектр генерації в ближній ІЧ області, велика потужність безперервного та імпульсного випромінювання.

Лазери на парах металів

Робоче тіло	Довжина хвилі	Джерело енергії	Застосування
Гелій-кадмієвий лазер на парах металів	440 нм, 325 нм	Електричний розряд в суміші пару металу і гелія	Поліграфія, УФ детектори валюти, наукові дослідження
Гелій-ртутний лазер на парах металів	567 нм, 615 нм	Електричний розряд в суміші пару металу і гелія	Археологія, наукові дослідження, навчальні лазери
Гелій- лазер на парах металів	До 24 спектральних полос от красного до УФ	Електричний розряд в суміші паров металу і гелія	Археологія, наукові дослідження, навчальні лазери
Лазери на парах міді	510,6 нм, 578,2 нм	Електричний розряд	Дерматологія, швидкісна фотографія, накачка лазерів на барвниках
Лазер на парах золота	627 нм	Електричний розряд	Археологія, медицина

Лазери на вільних електронах – лазери, активним середовищем яких є вільні електрони, що коливаються у зовнішньому електромагнітному полі (за рахунок чого здійснюється випромінювання) і поширюються у напрямку випромінювання. Основною особливістю є можливість плавної широкодіапазонної перебудови частоти генерації. Випромінювання квантових каскадних лазерів виникає при переході електронів між шарами гетероструктури напівпровідника і складається з двох типів проміння, причому вторинний промінь має досить незвичайні властивості і не вимагає великих витрат енергії. Серед різних типів лазерів певне місце займає волоконний лазер – лазер, резонатор якого побудований на базі оптичного волокна, всередині якого повністю або частково генерується випромінювання. Існує ще багато інших видів лазерів, розвиток принципів яких на даний момент є пріоритетним завданням досліджень (рентгенівські лазери , гамма-лазери  та ін.)

Розвиток лазерної техніки дозволив сформувати великий науково-технічний напрямок – взаємодії когерентного монохроматичного електромагнітного випромінювання з біологічними системами – лазерної медицини. Лазерне випромінювання успішно застосовуються в хірургії, онкології, офтальмології, терапії, стоматології, урології, гінекології, щелепно-лицевій хірургії, нейрохірургії, ендоскопії, фізіотерапії. Відкриття лазерного фотогідравлічного ефекту дало широкий спектр можливостей для пластичної хірургії. В онкології для лікування ран, виразок, шкіряних захворювань застосовують низькоінтенсивне лазерне випромінювання.

Розглядаючи біологічну дію лазерного випромінювання можна виділити три напрямки використання його в медицині.

До першого напрямку належить дія на тканини імпульсним або безперервним випромінюванням з невеликою енергією, коли ще не відбувається зневоднення та випаровування тканин. Це, переважно, застосування лазерної радіації в дерматології та онкології.

Лазерна радіація застосовується у дерматології для лікування бородавок, гнійних гранульом, доброякісних новоутворень шкіри. Лазерний промінь вибірково поглинається забарвленими структурами. Він руйнує лише пігментні ділянки тканини. Ця його здатність використовується для лікування захворювань шкіри, наприклад, для виведення вроджених плям, татуювання. Донедавна вважали невиліковними вроджені червоно-сині плями на шкірі. У таких плямах епідерміс має нормальну структуру, порушена лише структура сітки кровоносних судин під епідермісом. Для лікування використовують синьо-зелене випромінювання від аргонового лазера, яке проходить через прозорий для нього епідерміс практично не пошкоджуючи його. А далі це випромінювання поглинається гемоглобіном кровоносних судин, зумовлюючи їх термічне пошкодження та закупорку. На цьому місці утворюється безбарвний рубець.

Випромінювання високої потужності, використовують в хірургії як скальпель. Лазерний промінь направляють за допомогою гнучкого світловода на тканину. Світловод закінчується лінзою та ручкою. Промінь фокусується в точку з діаметром у декілька десятимільярдних часток метра. Таким “скальпелем” розтинають тканину тіла, забезпечуючи стерильність. Розтин проводиться дуже точно і швидко, не спричиняє кровотечі, оскільки висока температура на місці розтину зумовлює миттєву коагуляцію білків і просвіт кровоносних судин закривається.

Лазери використовують в офтальмології для лікування глаукоми, катаракти, відшарування сітківки тощо. Глаукома – підвищення внутрішньо очного тиску, зумовлене порушенням відтоку внутрішньоочної рідини. Причиною цього є пошкодження початкового відрізка системи відтоку. Створено лазерну установку, яка дає модульований світловий імпульс, енергія в одному імпульсі виділяється за мільйонні частки секунди. При модульованому імпульсі потужність зростає дуже швидко і термічний ефект не встигає розвинутись. Лазерна дія стає холодною, в точці фокусування променя утворюється отвір.

При відшаруванні сітківки використовується лазерне випромінювання з невеликою енергією. Промінь проходить через прозорі тканини ока, не пошкоджуючи їх, фокусується на очному дні у місці відшарування сітківки і там виникає точковий опік. Потім утворюється рубець, що приварює сітківку до розміщеної над нею судинної оболонки, і зір відновлюється.

Використовують лазерний “скальпель” у нейрохірургії, адже завдяки йому патологічне вогнище можна видалити без механічного контакту з ніжними тканинами нервової системи. Сфокусований до мінімуму лазерний промінь використовують для зшивання судин мозку як на поверхні мозкової тканини, так і в глибині. Зшивають судини діаметром, меншим від 0,5 мм, звичайна хірургічна техніка не дає таких можливостей.

Лазерним випромінюванням можна (коагуляцією) припинити кровотечу зі шлунка та дванадцятипалої кишки за допомогою фіброгастроскопії. Лазери також можуть бути використані в стоматології для діагностики тріщин на емалі, які виявити іншими методами неможливо.

Використовують методи хірургічного лікування за допомогою лазера у легеневій, серцево-судинній хірургії, у стоматології, отоларингології, урології та інших галузях.

Низькоенергетичне лазерне випромінювання не пошкоджує клітини і тканини, створює біостимулювальний ефект, активізує найважливіші процеси життєдіяльності організму. У клітині підвищується активність важливих біоенергетичних ферментів, при цьому посилюється енергетичний обмін, зростає біосинтетична активність, тобто збільшується вміст вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот тощо.

Лазерне випромінювання стимулює поділ клітин, прискорює регенерацію кісткової, сполучної, епітеліальної та м’язової тканин, підвищує здатність до приживлення трансплантатів шкіри, стимулює імунну систему (підсилюється функціональна активність лімфоцитів, лейкоцитів, збільшується вміст білка у крові).

У практичній медицині використовують також лазеропунктуру як аналог голкотерапії. Для лазерної пункції (ЛП) найчастіше використовують малопотужні лазери, які генерують випромінювання в червоній ділянці спектра (гелій-неонові з нм). Зручно підводити лазерне випромінювання за допомогою світловолоконної оптики (світловодів).

Лазери генерують випромінювання у видимій, інфрачервоній і ближній ультрафіолетовій областях.

Залежно від типу активного середовища лазери поділяються на твердотільні, газові, напівпровідникові і рідинні.

Класифікують лазери і за методами накачування – оптичні, теплові, хімічні, електроіо-нізаційні та ін.

Лазери обов’язково мають три основні компоненти:

1)    активне середовище, в якому створюється стан з інверсною заселеністю енергетичних рівнів;

2)    систему накачування – пристрій для створення інверсії в активному середовищі;

3)    оптичний резонатор – пристрій, який формує вихідний світловий пучок.

Один з перших твердотільних ОКГ, що працює за схемою трьох рівнів, був створений у 1960 р. Т. Мейманом. Активним середовищем в такому ОКГ є кристал рубіну, який за хімічним складом – оксид алюмінію  з домішкою оксиду хрому  у кількості від 0,03 до 0,05%. Вимушені переходи здійснюють іони хрому .

Лазерне випромінювання характеризується такими властивостями:

·        високою часовою і просторовою когерентністю;

·        строгою монохроматичністю ( );

·        великою густиною потоку випромінювання;

·        дуже малим кутовим розходженням в пучку.

Незвичайні властивості лазерного випромінювання мають широке застосування. ОГК можна з великою ефективністю використовувати для зв’язку, локації. Випромінюванням ОГК можна пробивати найдрібніші отвори в найтвердіших речовинах, зварювати мікродеталі, використовувати механічну обробку, впливати на хід хімічних реакцій.

Коагулятор лазерний універсальний «Ліка-хірург»

Призначений для проведення широкого спектру процедур і операцій в загальній хірургії, нейрохірургії, гінекології, оториноларингології, офтальмології, стоматології, дерматології, косметології.

 Апарат забезпечує:

*	роботу в трьох режимах лазерного випромінювання – нормальному, модулює-ванном і періодичних-ком
*	ступінчасту регулиров-ку потужності випромінювання
*	ступінчасту регулювати вку потужності випромінювання ня лазера-пілота
*	установку і контроль часу процедури
*	модуляцію випромінювання
*	можливість підрахунку дози лазерного випромінювання