Типы офтальмологических лазеров и свойства их излучений
Действие любого лазера основано на способности некоторых веществ генерировать электромагнитные излучения с особыми свойствами под влиянием внешнего источника энергии (источника накачки).
Эти вещества, которые называют активными средами, могут быть кристаллами, например рубина, алю- моиттриевого граната, активированного неодимом, гольмием, иттербий-эрбием; газами, такими как аргон, смесь гелия и неона, криптон, пары меди. Активными средами могут быть также полупроводники и растворы красителей. Как правило, активная среда определяет и название лазера (аргоновый, рубиновый и т. д.). Именно активная среда определяет длину волны и другие параметры излучения лазера. Накачка активной среды чаще всего осуществляется мощным световым источником или электричеством. Под влиянием энергии накачки электроны активной среды возбуждаются, меняют свой энергетический уровень и испускают при этом излучение со свойственными только данной среде характеристиками. Принципиальная схема лазера представлена на рис. 140.
Рис. 140. Принципиальная схема лазера: 1 — непрозрачное зеркало-резонатор; 2 — полупрозрачное зеркало; 3 — лампы накачки; 4 — активный элемент.
Активная среда, в данном случае кристалл, помещена соосно внутри оптического резонатора, образованного из двух зеркал. Зеркала, одно из которых является полупрозрачным для излучения генерируемой длины волны, расположены строго под углом 90 ° к оси резонатора. В процессе оптической накачки испускаемое возбужденными атомами стимулированное излучение, совпадающее с направлением оси оптического резонатора, усиливается за счет многократного переотражения от зеркал резонатора при прохождении через активную среду и в конечном итоге выводится со стороны полупрозрачного зеркала. Полученное излучение с помощью оптических элементов или волоконных гибких световодов передается на офтальмологический прибор (щелевая лампа, налобный бинокулярный офтальмоскоп) либо на эндо- или транссклеральные инструменты, через которые оно доставляется к объекту воздействия — тканям глаза.
Лазерное излучение обладает уникальными свойствами по сравнению с излучением обычных полихроматических источников света. Это излучение высококогерентно во времени (монохроматичность) и в пространстве (малая расходимость). Такое излучение можно сфокусировать с помощью оптической системы в объем, размер которого в осевом и ортогональном направлениях в пределе может достигать значений длины волны. Это принципиально недостижимо при использовании обычных оптических источников света из-за их значительных угловых размеров, а также хроматических аберраций, возникающих вследствие разности преломления лучей различных волн, не позволяющих собрать их в одну точку.
В сочетании с такими важными свойствами лазерного луча, как высокие энергетические параметры (мощность, энергия в импульсе) и короткие экспозиции, возможно получать в фокусе оптической системы невиданные для обычных оптических источников света плотности и мощности, достаточные для того, чтобы расплавить или разрушить любой известный на земле материал.
Лазерное излучение имеет свойство сохранять форму волнового фронта колебаний и менять фазу волны с определенной регулярностью в пространстве в точке наблюдения. При взаимодействии излучения с биологическими структурами пространственная когерентность утрачивается вследствие имеющего место процесса рассеяния на клеточных структурных компонентах (мембраны, органеллы, пигментные включения). То есть пространственная когерентность не относится к важным свойствам с точки зрения интересов применения лазеров в лечебных целях. Однако она является определяющей при обосновании большинства медицинских диагностических методов, а также для голографии и некоторых других немедицинских применений.
В настоящее время лазеры перекрывают практически всю гамму оптического диапазона длин волн от ближнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области и по этому признаку разделяются на ультрафиолетовые, инфракрасные и работающие в видимом диапазоне (рис. 141).
Важное для медицинской практики свойство лазеров — их способность генерировать излучение в различных временных режимах.
Так, большинство твердотельных лазеров излучают свет короткими импульсами длительностью порядка одной или нескольких миллисекунд. К таким лазерам из приведенных на рис. 141 относятся рубиновый, неодимовый и иттербий-эрбиевый, которые называют импульсными. С помощью специальных устройств — фототроп- ных затворов — эти излучаемые в режиме свободной генерации импульсы можно укоротить до нескольких нано- и даже пикосекунд. Эти режимы называют соответственно режимами модулированной добротности и синхронизации мод.
Рис. 141. Длины волн, на которых излучают наиболее часто используемые в офтальмологии лазеры: 1 — эксимерный лазер, X = 0,193 мкм; 2 — аргоновый лазер, X = 0,488 и 0,514 мкм; 3—неодимовый лазер с удвоением частоты, X = 0,532 мкм; 4—диодный лазер, X = 0,81 мкм; 5—неодимовый лазер, X = 1,06 мкм; 6 — иттер- бий-эрбиевый лазер, X = 1,54 мкм; 7 — гольмиевый лазер, X = 2,09 мкм; 8 — эрби- евый лазер, X = 2,94 мкм; 9 — углекислотный лазер, X = 10,6 мкм.
Первый лазер медицинского назначения «Ятаган», работавший в режиме модулированной добротности, или моноимпульсном режиме, был предложен М. М. Красновым и соавт. в 1974 г. для лечения глаукомы [26]. Во всех импульсных лазерах интенсивность воздействия на ткани можно регулировать только изменением энергии в импульсе.
Большинство газовых лазеров излучают свет непрерывно в течение всего времени накачки и называются, соответственно, лазерами непрерывного излучения. Среди применяемых в офтальмологии к ним относятся аргоновый, криптоновый, лазер на углекислом газе и гелий-неоновый. Для получения импульса нужной длительности эти лазеры снабжаются специальными затворами. Достоинством их является возможность регулировать интенсивность воздействия на ткани с помощью изменения как мощности, так и длительности воздействия.
Наконец, по мощности и, следовательно, по степени опасности излучения для человека лазеры делятся на 4 класса [33]. К лазерам 1-го класса относятся те, излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи.
К лазерам 2-го класса относятся лазеры, излучение которых может вызвать повреждение глаз прямым или зеркально отраженным излучением. Излучение лазеров 3-го класса опасно для глаз и при диффузном отражении на расстоянии 10 см от отражающей поверхности. К лазерам 4-го класса относятся мощные лазеры, диффузно отраженное излучение которых опасно даже для кожи на том же расстоянии от отражающей поверхности. Большинство используемых в офтальмологии лазеров относятся к 1-му и 2-му классам мощности.Энергетическая эффективность импульсного лазерного излучения выражается энергией в импульсе и измеряется в джоулях (Дж) или его тысячных долях — миллиджоулях (мДж). Для решения большинства офтальмологических проблем достаточна энергия в импульсе длительностью 10 нс порядка 1-8 мДж. Мощность лазеров непрерывного излучения измеряется в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт). В офтальмологии чаще всего используются лазеры мощностью до 3 Вт, в общей хирургии — до сотни ватт.