Меню

Импульсная мощность лазерного излучения

Свойства лазерного излучения

Свойства лазерного излучения

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

Лазер в косметологии

  • Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
  • Когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний.
  • Поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
  • Направленность — малая расходимость потока излучения.

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность лазера

Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.

Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Спектр лазерного излучения (цвет лазера)

Ультрафиолетовый диапазон

Видимый спектр

  • Фиолетовый 400-450 нм.
  • Синий 450-480 нм.
  • Голубой 480-510 нм.
  • Зелёный 510-575 нм.
  • Жёлтый 575-585 нм.
  • Оранжевый 585-620 нм.
  • Красный 620-760 нм.

Инфракрасный диапазон

  • Ближняя область 760 нм -15 мкм.
  • Дальняя область 15-30 мкм.

В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

  1. Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
  2. Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
  3. Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).

Источник



Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излуче­ния обычно называют энергетическими параметрами. Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

Читайте также:  Что такое мощность мотора двс

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов

где τи — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе

• средней мощностью импульсно-модулированного излучения

Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются дос­таточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко пони­жаются до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различными метода­ми, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10 -3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюр­ного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1 г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокус­ной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифферен­циальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары ук­реплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, за­крепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным выше. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (едини­цы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня погло­щаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам.

Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, на­полненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10 -4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо­жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста­навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме­ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения. Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропор­ционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность не­прерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с р-n-переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегриро­ванием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения. Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 11.18).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электро­оптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении мо­нохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поля­ризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 11.19), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряже­нием и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Читайте также:  Лодочный мотор ямаха 5 как увеличить мощность

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазе­ров на СО2). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптиче­ской прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пре­делах (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптиче­ских стекол лучших марок, используемых в лазерах

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; кон­денсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера, элек­тронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подклю­чаться осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механиче­ского) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Импульсное лазерное излучение

ЧТО ТАКОЕ ТЕРАПИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ?

Лазерная терапия (низкоинтенсивная лазерная терапия, low-level laser therapy, LLLT) является физиотерапевтическим методом лечения, использующим фиксированную длину волны оптического диапазона от 360 до 1064 нм. Источником излучения является лазер. Один из эффектов, на котором базируется LLLT заключается в активации цитохромоксидазы, фермента дыхательной цепи клеток, осуществляющего перенос электронов с цитохрома С (ключевой белок внутренней мембраны митохондрий, участвующий в дыхании клеток) на кислород [1, 2]. Таким образом, когда клетки тканей не функционируют нормально или повреждены, воздействие лазерным излучением позволяет нормализовать их работу, способствуя как локальному восстановлению, так и системно предотвращая возможный неадекватный иммунный ответ, приводящий к гибели клеток. В конечном итоге это приводит к нормализации иммунитета, ускорению заживления ран и купированию болевых синдромов в местах применения терапии.

Существует множество различных вариаций LLLT аппаратов, отличающихся своими техническими характеристиками, однако устройство такого оборудования направлено на излучение электромагнитной волны строго определенной частоты [3] С технической стороны мощность лазерных излучателей, работающих в импульсном режиме в аппаратах «Рикта», находится в пределах 4–50 Вт при длительности световых импульсов 70–130 нс, что в диапазоне частот от 5 до 3000 Гц (предельные значения) соответствует средней мощности от 0,04 до 100 мВ. Такая мощность является абсолютно безопасной и не приводит к нагрузке на организм.
Важным показателем лазерных физиотерапевтических аппаратов является класс лазерной опасности. Согласно нормативным документам, а именно ГОСТ Р МЭК 60825-1- 2009, российские аппараты «Рикта» относятся к 1-му классу лазерной безопасности, т.е. они полностью безопасны. Большинство импортных аналогов имеют класс лазерной опасности 3R, что трактуется как опасные при определённых условиях (например, есть ограничения при использовании таких приборов в домашних условиях). Некоторые ограничения значительно осложняют их применение в бытовых условиях.
Если говорить о биохимических механизмах и последующему терапевтическому эффекту, реализуемому воздействием лазерной терапии, то тут можно о четырех основных явлениях в области медицины и ветеринарии:

  1. облегчение нейропатической боли, а также некоторых неврологических симптомов;
  2. коррекция иммунитета;
  3. заживление ран и восстановление тканей;
  4. снятие отечности тканей и уменьшение воспалительного процесса при хронических заболеваниях и травмах.
Читайте также:  Мощность болгарки для штробления стен под проводку

Подобные эффекты достигаются за счет оптических свойств тканей. Клетки организма способны поглощать и рассеивать свет в зависимости от длины волны, которой на эту самую клетку и воздействуют. Исходя из этих особенностей выделяют так называемое “оптическое окно” диапазоном от 600 — 950 нм [4] при котором эффективное воздействие света на ткань максимально.

Благоприятное воздействие лазерным излучением на заживление ран можно объяснить, рассмотрев несколько основных биологических механизмов, включая увеличение производства цитокинов и фактора роста, которые, как известно, отвечают за многие фазы заживления и адекватный иммунный ответ организма на различную патологию. Имеются данные [5] что при воздействии лазером 905 нм в кератиноцитах увеличивается уровень интерлейкинов (IL-1α и IL-8), белков, ответственных за начальную фазу воспалительного процесса в период заживления ран. Следовательно при использовании LLLT ускоряется процесс заживления кожи. Также имеются свидетельства о воздействии LLLT на цитокины, ответственные за пролиферацию и миграцию фибробластов, такие как bFGF, HGF и SCF, тем самым угнетая процесс образования рубцовой ткани на месте раны [6]. В клеточных структурах поглощение фотонов молекулами приводит к электронно-возбужденным состояниям и, следовательно, может привести к реакции в цепи переноса электронов [7]. Повышение активности транспорта электронов всегда приводит к увеличению синтеза и накоплению АТФ, энергетического топлива организма [8]. Индуцированное светом увеличение синтеза АТФ и генерация протонного градиента на мембране клетки приводит к увеличению активности Na+/H+ и Ca2+/Na+ обменников и всех АТФ-зависимых ионных каналов, таких как Na+/K+АТФаза и Ca2+АТФаза. АТФ является субстратом для аденилатциклазы, фермента, превращающего АТФ в цАМФ. Подобный каскад реакций выполняет ключевую роль в работе эндокринной системы.
Как Ca2+, так и цАМФ очень важны для работы клеток в ответ на стимул. Ионы кальция регулируют почти каждый процесс в организме человека (сокращение мышц, свертываемость крови, передача нервных импульсов, экспрессия генов и т.д.). Пример воздействия лазерного излучения и внутриклеточные процессы, которые при этом происходят, описаны на рисунке ниже:

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА


Для достижения максимального терапевтического эффекта при использовании импульсного лазерного излучения необходимо строго и последовательно задавать все параметры методики, так как правильно подобранная лазерная терапия позволяет достичь максимального эффекта. Рекомендуемые параметры при конкретном заболевании задаются следующими терапевтическими и техническими компонентами лазерных аппаратов:

  • длина волны
  • режим работы и мощность LLLT
  • время воздействия
  • тип методики
  • частота повторения импульсов
  • локализация воздействия
  • периодичность.

Несоблюдение рекомендаций или выбор режима за пределами эффективных показателей вышеперечисленных компонентов может привести к отсутствию какого-либо терапевтического эффекта. Методология и технология проведения процедур предельно просты.

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ

Одним из преимуществ лазерного обучения является отсутствие абсолютных противопоказаний, но имеются относительные, известные и понятные специалистам и опубликованные в современных рекомендациях.
На сегодняшний день лазерная терапия входит в стандарт оказания медицинской помощи больным в большинстве направлений медицины. Согласно современным рекомендациям онкология, заболевания миокарда, беременность, туберкулёз, возраст пациента и др. не являются прямыми противопоказаниями, речь идет лишь о том, что наличие данных заболеваний должно учитываться при выборе методики.
Назначать и проводить лечение в некоторых областях медицины должны исключительно соответствующие специалисты (онкологи, фтизиатры, акушеры-гинекологи, педиатры и пр.), часто в стационарах. Т.е. использование LLLT в домашних условиях без предварительной консультации со специалистом не рекомендуется.

Источник