В узконаправленный луч, как правило используется двояковыпуклая линза -коллиматор . Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (например, для изучения интерференции). Мощность наиболее распространенных лазерных указок 0,1-50 мВт , в продаже имеются и более мощные до 2000 мВт . В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно. Со временем открытый лазерный диод «выгорает», из-за чего его мощность падает. Со временем подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки . Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры.

Лазерная указка

Типы лазерных указок

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зеленая указка с λ=532 нм - хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в 6 раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время набирают популярность жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

Красные лазерные указки

Самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелока питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на сегодняшний день (апрель 2012 г.) стоят порядка 1$. Мощные красные указки - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Так, фокусируемая лазерная указка мощностью 200мВт, способная зажигать хорошо поглощающие излучение материалы (спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.), стоит порядка 20-30$. Длина волны - примерно 650 нм.

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (diode-pumped solid-state , DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Зеленые лазерные указки

Устройство зеленой лазерной указки типа DPSS, длина волны 532nm.

Луч лазерной указки 100мВт, направленный в ночное небо.

Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется другая схема. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают довольно громоздким способом.

Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Nd:YVO 4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO 4 , сокр. KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы около 20 %, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК . На мощных указках >50 мВт нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр ), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. Также стоит отметить высокую энергозатратность зелёных лазеров - в большинстве используются две AA/AAA/CR123 батареи.

473 нм (бирюзовый цвет)

Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путем удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG).

445 нм (синий цвет)

В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи. Своё активное распространение начали в связи с выпуском компанией Casio проекторов , использующих вместо привычных ламп мощные лазерные диоды.

Фиолетовые лазерные указки

Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого человеческим зрением и поэтому лазерное излучение таких указок кажется тусклым. Однако, свет указки вызывает флюоресценцию некоторых предметов, на которые он направлен, яркость которой для глаза выше, чем яркость самого лазера.

Фиолетовые лазерные указки появились сразу после появления Blu-ray -приводов, в связи с началом массового производства лазерных диодов на 405 нм.

Жёлтые лазерные указки

В жёлтых лазерных указках используется DPSS лазер, излучающий одновременно две линии: 1064 нм и 1342 нм. Это излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны этих двух линий и излучает фотоны 593,5 нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких жёлтых лазеров составляет около 1 %.

Использование лазерных указок

Безопасность

Лазерное излучение опасно при попадании в глаза.

Обычные лазерные указки имеют мощность 1-5 мВт и относятся к классу опасности 2 - 3А и могут представлять опасность, если направлять луч в человеческий глаз достаточно продолжительное время или через оптические приборы. Лазерные указки мощностью 50-300 мВт относятся к классу 3B и способны причинить сильные повреждения сетчатке глаза даже при кратковременном попадании прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого.

В лучшем случае лазерные указки оказывают только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь их или даже ослепить. Если это приведёт к аварии, то повлечёт за собой уголовную ответственность.

Всё более многочисленные «лазерные инциденты» вызывают в России, Канаде, США и Великобритании требования ограничить или запретить лазерные указки. Уже сейчас в Новом Южном Уэльсе предусмотрен штраф за обладание лазерной указкой, а за «лазерное нападение» - срок лишения свободы до 14 лет.

Также важно учесть, что у большинства дешёвых китайских лазеров, работающие по принципу накачки (то есть зелёные, жёлтые и оранжевые) отсутствует ИК-фильтр ради соображения экономии, и такие лазеры фактически представляют большую опасность для органов зрения, чем заявлено производителями.

Примечания

Ссылки

• Laser Pointer Safety website Включает данные о безопасности

Миф 3. "Энергетика" лазерного оружия ничтожна о сравнению с огнестрельным. "Для сравнения: мощность 76-мм дивизионной пушки Ф-22 образца 1936 года- порядка 150 мегаватт. В 150 раз больше (чем у ABL)!.. Это еще мы не учитываем энергию ВВ в самом снаряде. Там еще столько же. Вдумайтесь в этот простейший факт: маленькая древняя пушка времен ВОВ по цене металлолома в сотни раз мощнее ультрасовременного "боевого" лазера весом десятки тонн и стоимостью свыше $5 млрд. Один только выстрел из ABL стоит миллионы долларов. И этот выстрел по энергетике сравним с очередью крупнокалиберного пулемета".

Сравнение мощности, развиваемой в течение 0,01 сек, с мощностью постоянного излучения, и с помощью этого сравнения - "доказывание" неполноценности более "долгоиграющего" оружия противоречит даже курсу школьной физики. Попробуем провести сравнение корректным способом - подсчитав энергию, отправляющуюся к цели.

Вот как? А подсчет количества энергии без учета того, за какое время эта энергия передается цели, значит, не противоречит школьному курсу физики? Интересно, где Пожидаев физику учил.
Я вроде уж куда проще разъяснил, почему лучше сравнивать именно через мощность, то есть энергию деленную на время. Придется еще раз.

Через энергию конечно тоже можно посчитать, но если делать это действительно корректным способом, то это будет на порядок сложнее, требует учета разных факторов и оговорок - ведь тогда нужно считать эффективную энергию луча , ту ее часть которая непосредственно потратится на разрушение цели.

Нельзя тупо брать всю энергию лазера оптом, что отправили в направлении цели, это сугубо некорректно.
Ведь луч лазера принципиально отличается от кинетического оружия тем, что, будучи маломощным средством поражения, может значительно отражаться от нее и ему требуется на порядки больше времени воздействовать на цель, чем снаряду. По сути, лазер десятки секунд греет некое пятно на цели. При этом тепло (энергия) из этого пятна:
безвредно тратится на нагрев окружающего воздуха,
безвредно уходит в окружающую среду в виде инфракрасного излучения,
безвредно распространяется за счет теплопроводности по телу мишени (если стенки металлические и особенно если мишень движется).

И только очень маленькая доля энергии луча, (хорошо если 1-2%) действительно разрушает (размягчает, плавит, испаряет, сжигает) материал цели. В случае же снаряда обычно бОльшая часть его энергии (с учетом энергии взрывчатки) тратится именно на поражение цели.

Вот что об этом можно прочитать в материалах инженерного симпозиума 2012 года по морским боевым системам, доклад Dr. Phillip Sprangle по боевым морским лазерам):

Laser Lethality

Thermally ablating 1/4 pound of target material requires ~ 1.3 MJ of laser energy

1 MJ is equivalent to ~ 1/2 pound of explosive

For an engagement time of 5 sec the required laser power is > 250kW

100 kW of absorbed laser power for 2 sec ablates ~ 20 grams (~ 8 pennies)

Итак, данный инженер докладывает что 100 квт поглощенной мощности за 2 секунды испарит на цели 20 грамм вещества. Что эквивалентно около 40 граммам взрывчатки. Особо подчеркивается что речь идет не о выходной мощности луча, а той что полностью поглотится материалом. А вот какая излучаемая мощность нужна, чтоб столько энергии поглотилось на цели, он скромно умолчал. Очевидно потому что циферки совсем недостижимые выйдут.

Если же кто-то полагает что снаряд там или пуля тоже растрачивает много энергии впустую на преодоление сопротивления воздуха, то у лазера с этим все гораздо хуже (см. ниже).

Есть еще большая проблема, если считать по энергии, а не мощности: когда мы считаем отправляемую энергию пушкой - какую скорострельность брать? Там ведь разница в несколько порядков бывает.
Но наш разоблачитель не только великий физик, он еще и спец по огнестрельному оружию!
Он-то знает какую скорострельность взять:

Дульная энергия 12,7 мм крупнокалиберного пулемета НСВ 15-17,5 кдж, при боевой скорострельности 80-100 выстрелов в минуту . Иными словами, даже 100 квт лазер - это "три с половиной" крупнокалиберных пулемета (6000 кдж/мин против 1750)

Вот это просто прекрасно - он взял боевую скорострельность "Утеса". Т.е. скорострельность с учетом перерывов на прицеливание/перезарядку/охлаждение.
А для лазера-то он эти перерывы не учел, взял мгновенную мощность, в импульсе.
Очередное сравнение пальца с жопой.
Если брать 100 кВт (т.е пиковую мощность) для лазера, то для пулемета нужно брать техническую (пиковую) скорострельность в моменте. Которая для "Утеса" составляет 700-800 выстр/мин.
И тогда получим 13000 кДж/мин у пулемета против 6000 кДж/мин у 100 квт лазера. И это еще скромненько.

Можно ведь взять какой-нить скорострел с вращающимся блоком стволов и темпом 6000 выстр/мин.
И получить отправляемую им энергию более 100 тыс кДж/мин. На два порядка больше чем у лазера!
Так что в данном случае лазер курит в стороне, как ни считай - хоть по мощности, хоть по выходной энергии.
При несопоставимо бОльших размерах. Помним, что представляет из себя твердотельный лазер на 100 кВт?

Вернемся, однако, к пушке. Дульная энергия Ф-22 - 1,35 МДж, в то время как мощность ABL - 1,1 МВт, т.е. 1,1 МДж ЕЖЕСЕКУНДНО. Таким образом, в минуту лазер выбрасывает 48 "снарядов". Переведя мегаватт в тротил, мы получим 240 г взрывчатки в секунду и 14,4 кг в минуту, что эквивалентно содержимому 18 осколочно-фугасных снарядов от все той же пушки.

Однако еще лучше вернуться к пониманию того, что вот эти все расчеты с энергетикой были изначально затеяны, чтобы сравнить поражающую способность лазера данной мощности со ствольной артиллерией (или стрелковкой).
Я об этом несколько раз написал, но у Пожидаева не отложилось. Вместо этого он подменил мои прикидки своими, совершенно не понимая их физического смысла. Взял формулы какие ему взбрелись, подставил тупо циферки и получил сущий бред - будто бы минутный "выстрел" лазера ABL эквивалентен по эффекту обстрелу цели 50-тью снарядами 76-мм пушкой.
В то время как он не мог не видеть ролик, который я привел, где наглядно показано воздействие этого мегаваттного ABL на ракету:

Тут лазер светит секунд 20? То есть по "энергетическим" расчетам Пожидаева выходит, что лазер "выбросил 16 снарядов Ф-22", и ракета-мишень выдержала аж 15 попаданий из 76-мм ПУШКИ и на 16-ом чего-то там от нее отлетело.
Это чудо имеет два объяснения:
то ли ракета-мишень была бронирована как немецкий танк "Тигр",
то ли энергетические расчеты нашего "физика" являются бреднями, вызванными глобальным непониманием того, что эти расчеты служат для оценки эффекта воздействия на цель, а не тупого жонглирования цифрами из желания поспорить, а также непониманием того, что нельзя выходную энергию лазера путать с поглощаемой энергией на цели.

Вывод очевиден, кмк..

Замечу, что я еще скромненько так посчитал мощность пушки, взяв за основу мощность самого выстрела, в то время как время воздействия снаряда на цель зачастую бывает намного меньше, чем время разгона в стволе, а значит мощность поражения цели будет еще больше. Никакой лазер даже близко не сравнится.

Может быть еще такое возражение что пушка на той дистанции, что поражает лазер - либо не попадет, либо не долетит.
Да какие проблемы? Возьмите авиационную управляемую ракету, или зенитную. Они тоже входят в понятие обычного оружия и тоже превосходят лазеры по всем статьям.

Однако фактическая "ценность" лазера выше. Дело в том, что даже при прицельной стрельбе из огнестрельного оружия основная часть "энергии" достается не врагу, а окрестному ландшафту. Виной тому - добрый десяток факторов (ветер, колебания влажности, давления и температуры воздуха, сила Кориолиса и т.д.), обеспечивающих пуле/снаряду неизбежное рассеивание. А поток фотонов летит ровно туда, куда его направили - исключая массу непроизводительных потерь

Во-первых, здесь как видно Пожидаев забыл об управляемом оружии, которому вовсе не приходится поражать окрестный ландшафт.

Во-вторых, совсем плохая новость для него - и ветер, и влажность, и пыль и даже просто воздух влияют на энергию лазерного луча гораздо фатальнее, чем на пули/снаряды.

Что характерно, эту тяжелейшую проблему лазерного оружия он полностью проигнорировал в своем мифоборчестве. Такой вот дотошный опровергатель: тут читаем, тут не читаем, а тут мы рыбу заворачивали.
Я правда тоже ранее лишь обозначил ее, в общих словах.

Теперь видимо пора раскрыть этот вопрос подробнее и с цифрами, учитывая что он лишь один, сам по себе, делает невозможным создать эффективное лазерное оружие в условиях атмосферы и реального боя.

Для этого я воспользуюсь соответствующим научным исследованием от Naval Research Laboratory, о распространении высокоэнергетических лазерных лучей в различных условиях (Propagation of High Energy Laser

Beams in Various Environments). (спасибо за наводку френду sergeyvz )
Рассмотрим несколько интересных графиков оттуда:








На этих графиках показано как зависит мощность луча, дошедшая до цели на расстоянии 5 километров, от излучаемой мощности, для разных длин волн и разных условий в атмосфере (город, море, пустыня и "село").
Нас интересует тут длина волны 1.045 мкм (темно-синяя кривая), это очень близко к излучению перспективных твердотельных лазеров (1.06 у JHPSSL).
Во-первых, оказывается что в городском воздухе (при видимости 10 км) есть порог в 30 квт, то есть больше мощности до цели просто не дойдет, какую бы мощность мы не излучали, хоть несколько мегаватт.
Все остальное поглотит/рассеет городская пыль.
То есть в городе, в его "чистом" воздухе боевые лазеры практически неприменимы.
За городом, в сельской местности - порог около 400 квт, тоже немного.
При этом излучаемая мощность должна быть около 1.3 Мвт - остальное рассеется по пути.

Откуда берется этот порог? Дело в том что содержащийся в воздухе аэрозоль из твердых частиц приводит к крайне неприятному для лазерщиков явлению - тепловому размытию луча (thermal blooming).
Механизм такой - начиная с определенной мощности лазер так нагревает твердые частицы, что они разлагаются/испаряются и интенсивнее греют воздух, воздух расширяется и начинает работать для луча как расфокусирующая, рассеивающая линза.
Дальнейшее повышение мощности луча лишь приводит к увеличению доли "размытой энергии".

В пустыне и море дело обстоит получше, порога там нет для лазера с длиной волны 1.06, но потери все равно очень велики - на 5 километрах теряется от 70 до 50% энергии луча, соответсвенно. Отсюда понятно, почему американцы так любят демонстрировать свои лазеры на полигоне в пустыне (White Sands) и на море.

Для сравнения, снаряд пушки хоть и потеряет на дистанции в 5 км 70% своей кинетической энергии из-за торможения, но энергия взрывчатки в нем по пути никак не уменьшится. С лазером же такое невозможно.

Надо также понимать, что здесь не рассмотрены осадки, туман или какие-то загрязнения воздуха. В этих ситуациях луч уже ослабляется в несколько раз, и вплоть до полного непрохождения, что сводит применение лазерного оружия лишь к случаям хорошей погоды и в отсутствии дымовой завесы или пыли и дыма от взрывов.

Так что это как раз снаряд летит куда его направили, и честно доносит свой тротил до цели, а "фотоны лазерного луча" по пути греют воздух, воду, пыль, летят большей частью куда угодно, но не к цели.

Миф 4 . КПД лазеров — единицы процентов .

Фактически он у боевых лазеров до 20,6%, и это не предел. В рамках программы RELI КПД намечено поднять до 25%. Волоконные лазеры, которые приспособила к военному делу Raytheon, уже сейчас имеют КПД около 30%. У огнестрельного оружия — 20-40%.

Конкретно наша древняя 76-мм пушка имеет КПД около 35%.
Современные танковые гладкостволки - более 40%.
Волоконные лазеры действительно могут иметь КПД до 30%, но они крайне маломощные, даже 100 квтный лазер приходится набирать из многих модулей. Но самая главная проблема не просто в малом КПД, а в том, что сама форма образования побочной энергии в лазерном оружии в виде тепла крайне неблагоприятна для его применения.
Я уже приводил выше пример с пистолетом.

Миф 5 . Лазерный луч имеет огромную дифракционную расходимость .

"Здесь вступает в силу непреодолимый физически закон дифракции, который гласит - излучение лазера всегда расходится с углом = длина волны/диаметр пучка. Если мы возьмем конкретно боевой инфракрасный лазер с длиной волны 2 мкм (на такой длине работают боевые лазеры THEL и т.п.) и диаметр пучка 1 см, то мы получим угол расхождения 0.2 миллирадиана (это очень маленькое расхождение - например, обычные лазерные указки/дальномеры расходятся на 5 миллирадиан и больше). Расхождение 0.2 мрад. на дистанции 100 метров увеличит диаметр пятна с 1 см до примерно 3 см (если кто еще помнит школьную геометрию). То есть плотность воздействия упадет пропорционально площади в 7 раз всего лишь на 100 метрах. А на километре плотность луча упадет уже в 300 раз".

На самом деле боевой лазер, излучающий пучок исходным диаметром 1 см - это примерно то же, что и маленькие зелёные человечки… т.е. плод нездоровой фантазии, не отягощённой хотя бы минимальными знаниями.

Вот это мне больше всего нравится.
Дело в том, что если какие лазеры и использовались реально в качестве средства поражения на поле боя, то вот именно с таким (или даже меньшим) пучком. Просто товарищ Пожидаев сам не отягощен даже минимальными знаниями об этом. Речь о так называемых даззлерах (ослепляющих лазерах). Естественно, их быстро расходящийся пучок не был препятствием, поскольку для ослепления хватало и этого.

В действительности, при использовании фокусирующей оптики дифракционная расходимость равна примерно λ/D, где лямбда - длина волны, а D - диаметр зеркала (он же - исходный диаметр пучка, постепенно сужающегося к цели из-за фокусировки; большая стартовая "толщина" обеспечивает низкую дифракционную расходимость).

В случае с ABL длина волны равна 1,315 мкм, а диаметр зеркала — 1,5 м, поделив одно на другое, получаем расходимость около 10 в минус 6-й степени радиан. Иными словами, луч лазерного "Боинга" "расплывется" на километровом расстоянии всего на… 1 миллиметр. На расстоянии 200 км, дифракционная расходимость составит 20 см. Фактическая расходимость луча ABL превышает дифракционный предел всего в 1,2 раза.

В случае с реальным применением оружия на поле боя никаких зеркал диаметром ни 1.5 метра, ни 50 см и сложнейших систем фокусирующей оптики использовать нельзя. Иначе получаются не боевые лазеры, а полигонные дурилки, исключительно для демонстрации их в идеальных условиях. Если мы хотим иметь что-то вроде лазерного пулемета - то оно по размерам должно быть примерно как пулемет и не бояться ударов, вибрации, грязи и и т.п. Поэтому все идеи с попыткой обойти дифракционную расходимость за счет оптических ухищрений сразу прогорают - пучок должен быть изначально тонким.

Впрочем, в тех узких нишах применения, когда все же можно использовать прецизионное большое зеркало, как в случае с противоракетным лазерным Боингом (ABL), уход от проблемы с дифракцией привел к другому комическому эффекту - этот лазер получился с фиксированным фокусным расстоянием, потому что фокусирующее зеркало его не может менять кривизну в принципе. Это керамический монолит толщиной 30 см, его целый год шлифуют/полируют!
Соответственно, ABL мог поражать цели только в определенном узком диапазоне, в котором сфокусирован луч до размера баскетбольного мяча. Взлети ракета в нескольких километрах от самолета - на этой дистанции он бы имел слишком толстый, 1.5 метровый в диаметре луч, и был бы скорей всего бессилен. Во всяком случае, испытаний на близких дистанциях не демонстрировали почему-то. А было б забавно.

Миф 6 . От лазерного оружия можно легко защититься - например, алюминиевым зеркалом.

Действительно, металлы могут иметь феерические коэффициенты отражения. Однако, во-первых, эти коэффициенты - в значительной мере "бумажные". Реальная ракета после старта будет иметь повреждения и загрязнения.

О как? Оказывается реальные боевые ракеты в мире пожидаевских фантазий от кончика до хвоста сплошь покрыты грязью и царапинами. Ведь лазер не будет выискивать чистые места, попадет куда придется. И надо чтоб там непременно были грязь и повреждения, а то лазерщики опростоволосятся.

Во-вторых, коэффициенты отражения металлов в ближнем инфракрасном диапазоне, как правило, весьма средние - а именно там и работают современные боевые лазеры. Скажем, алюминий, у которого одни из лучших показателей, имеет громадный коэффициент отражения в ИК-диапазоне. Однако на волне в 1 мкм, коэффициент отражения падает до 75%. Между тем, современные "гиперболоиды" излучают именно в "окрестностях" 1 мкм (ABL - 1,315 мкм). При этом 25% от сотен киловатт с лихвой хватит, чтобы разогреть и подплавить тонкий верхний слой обшивки, на чем отражение и закончится — поглощение лазерного излучения быстро растет вместе с ростом температуры, и резко подскакивает после начала плавления.

Ок, смотрим какие на самом деле коэффициенты отражения у металлов в ближнем ИК-диапазоне.

Здесь первая прерывистая линия (Nd:YAG) в районе 1 мкм как раз соответсвует излучению наших боевых твердотельных лазеров.

Оказывается, алюминий поглощает лишь около 7% этого излучения, то есть отражает 93% а не 75%.
А если сделать медное, серебряное или золотое напыление - то отразится до 97-99%.
Кстати, титан отражает тоже около 95%. "Весьма средние коэффициенты", ага.
И что самое обидное, Нагрев металла увеличивает коэффициент поглощения. Однако это не распространяется на не содержащие железо металлы с высокой отражательной способностью, такие как медь и алюминий, потому что эти металлы объединяют в себе высокую отражательную способность и высокую теплопроводность, которые снижают эффективность лазерной резки. Так что у ракеты не получится "подплавить и закончить отражение", как придумал Пожидаев.

А как же "детский" вопрос - "если лазерный луч можно фокусировать и наводить зеркалом, то почему зеркалом нельзя защититься"? В самих лазерах используются, как правило, многослойные диэлектрические зеркала, способные отражать очень много - но в крайне узком диапазоне и только под строго определенными углами. Кроме того, они охлаждаемые - а со всей поверхностью цели это проделать, как правило, невозможно.

Как видно по коэффициентам, достаточно тонкого напыления чтоб организовать более чем эффективное ИК-зеркало, которое вовсе не нужно как-то специально охлаждать - можно просто закрутить ракету.
Иными словами, простой, эффективной и дешевой защиты от мощных лазеров не существует.

Заявил наш смелый разоблачитель, в очередной раз проигнорировав предложенную мной простейшую и эффективнейшую на 100% защиту - абляционную смолу. Которой защищают спускаемые космические аппараты и боеголовки МБР.
И которая при испарении может отвести гигантские потоки внешнего тепла.

Миф 7. Проблема перегрева для лазеров нерешаема . "На каждый мегаватт энергии генерируется 4 мегаватта тепла, которые способны раскалить самолет докрасна и спалить дотла. Система охлаждения со скоростью газового потока 1800 м/сек (сопло Лаваля) оказалась не способна выдуть все вырабатываемое тепло из фюзеляжа".

В реальности "утилизация" количеств тепла в единицы мегаватт сама по себе достаточно тривиальна. Кто-нибудь видел "раскалившийся докрасна" тепловоз? Между тем, приличный дизель мощностью в пару мегаватт сбрасывает маслу и системе охлаждения более мегаватта тепла. Куда менее проста задача вывода тепла из ограниченного объема собственно "орудия". В случае с химическим лазером ABL разогретые продукты реакции просто выдуваются из резонатора (пресловутым соплом Лаваля), а далее для охлаждения используется жидкий аммиак. Достаточно громоздкая система с проблемными криогенными компонентами — однако она действительно способна "утилизировать" очень внушительные количества тепла.

Эта проблема на самом деле решена более менее лишь для химических, газовых лазеров с открытым контуром - они тупо сбрасывают раскаленные токсичные газы в окружающую среду. Но у нас прогресс кажется пришел к твердотельным лазерам? Вот там все гораздо хуже.

Тактические твердотельные лазеры, которым предстоит избавляться от 400 квт тепла, вполне обходятся без криогенных "холодильников". Так, HELLADS — это продукт "скрещивания" нормального твердотельника и лазера с жидким рабочим телом; циркуляция последнего и выводит избыточное тепло за пределы "пушки". Примечателен и свежий продукт General Atomic — аккумулятор тепловой энергии, специально созданный для охлаждения лазеров. Модуль весом 35 кг способен поглотить 230 кВт — тепло расплавляет энергоемкий материал, похожий на воск. В итоге режим HELLADS - до двух минут непрерывного излучения с последующим тридцатисекундным перерывом.

Нет на сегодня такого HELLADS. Не создан еще такой тактический лазер даже в виде экспериментального образца.
Сегодняшнее состояние этого проекта таково : создан и испытан некий первичный модуль на 34 кВт (еще в 2011ом году), и теперь нужно нарастить мощность до 150 кВт. Причем это планировали сделать к концу 2012 года, но до сих пор молчок. Никаких новостей. На сайте General Atomics тоже тишина , сплошные обещания, из которых следует что лазер на 150 кВт не создан до сих пор. Похоже не выходит каменный цветок.
Что касается теплового аккумулятора, то последняя новость о нем была от 2010 года , и там приведена его емкость - 3 Мдж. Это означает что он сможет обеспечить лишь 5 секунд охлаждения 150 кВт лазера. Так что тут вместо фактов какой-то опять незамутненный поток пожидаевских фантазий.

Миф 8. Мощных и компактных источников энергии для боевых лазеров не существует .

Отчасти это действительно так - 100 квт твердотельный лазер пока не представляется возможным взгромоздить на что-либо меньшее, чем грузовик из-за необходимости иметь под рукой генератор на 500 квт и конденсаторы соответствующей мощности. Таковы реальные масштабы проблемы - не имеющие ничего общего с фантазиями по поводу "атомных реакторов". На практике гибридный вариант грузовика HEMTT — HEMTT А3 даже в базовой комплектации имеет электрогенератор на 350 киловатт, способный обеспечить до 200 квт "экспортируемой" энергии. При повышении мощности двигателя до 505 л.с. A3 может обеспечить "внешнему" потребителю 400 кВт. Приятным дополнением является батарея конденсаторов на 1,5 мегаджоуля. Иными словами, там, где обитателям блогосферы мерещатся электростанции - на самом деле маячит один грузовик, хотя и довольно высокотехнологичный

Каковы реальные масштабы проблемы и как заблуждается Пожидаев насчет помещения 100 кВт лазера на высокотехнологичный грузовик - я уже показал выше.

Миф 9. Каждый выстрел лазера стоит миллионы .

В действительности один выстрел ABL стоит $10 тыс.; отечественные "16 миллионов" — пропагандистское… преувеличение. Это примерная стоимость незатейливой носимой ПТУР вроде "Фагота". Более серьезные противотанковые ракеты стоят десятки тысяч долларов, Maverick (ракета воздух-поверхность с дальностью в 28 км) - $154 тыс., одна ракета к "Patriot" — $3,8 млн. Стоимость выстрела тактических лазеров еще меньше, чем у ABL — даже у фторводородного THEL она составляла $2-3 тыс., при том, что фактически этот лазер использовал не водород, а достаточно дорогой дейтерий.

Стоимость одного часа использования лазерного Боинга предполагалась выше 92 000 долларов.
Всего он мог делать 4-6 выстрелов и патрулировать должен быть десятки часов.
Отсюда, по самой минимальной оценке стоимость его выстрела получается порядка сотен тысяч долларов.

Миф 10. Все задачи, которые могут быть решены лазерным оружием, легче и дешевле решаются традиционными средствами .

Эта теория уже доказала свою несостоятельность. Пример — попытки Израиля защититься от ракетных атак ХАМАС с помощью противоракет (система Iron Dome). Один пуск противоракеты обходится в $30- 40 тыс. Стоимость ракеты для "Града" составляет порядка $1 тыс., стоимость "Кассамов" не превышает $200. Таким образом, перехват будет обходиться в 40-200 раз дороже, чем само средство нападения. Как заметил по этому поводу представитель ХАМАС Тарик Абу Назар, "если каждый удар наших ракетчиков будет стоить израильтянам десятки тысяч долларов, мы будем считать, что цель достигнута". В итоге отдельные злобные газетчики обвиняют в "распиле" не разработчиков лазеров, а тех, кто закрыл соответствующую израильско-американскую программу. Ограниченно применимой - из-за малого радиуса действия и огромного расхода боеприпасов — оказалась и система Centurion.

История израильской борьбы с ракетными атаками доказала ровно обратное.
Как общеизвестно, изначально для этого разрабатывали лазерную установку THEL.
Израиль потратил большие деньги, но все кончилось ничем - система была очевидно небоеспособна и проект закрыли.
Ее неустранимые недостатки были очевидны с самого начала участникам проекта , начиная с того что люди буквально сидели на цистернах с крайне токсичными компонентами, что привело бы к катастрофе при попадании в установку копеечной ракеты, заканчивая ее неспособностью поражать цели при плохой погоде.

В итоге израильтяне пришли к старым добрым зенитным ракетам, системе Iron Dome и теперь массово их используют.
Видимо считают что ущерб от попадания палестинских ракет в населенные пункты, от гибели гражданских все же выше стоимости противоракет.

Разумеется, это далеко не полный список легенд о лазерах. Большинство из них построено по тому же принципу — либо сознательная ложь, либо старательное превращение мухи в слона. На самом деле лазеры на поле боя - реальны, а армия, которая сможет обзавестись ими, получит внушительное преимущество.

Сказал фанат лазеров, построив буквально каждое свое мифоразоблачение на сознательной лжи, нелепых выдумках и передергиваниях.

Так что реальна лишь потрясающая техническая безграмотность бескорыстных поборников лазерного оружия и безграничные аппетиты и фуфлогонство его разработчиков.

Поэтому как и , эту тему с лазерным оружием прекрасно можно использовать в качестве лакмуса для выявления безграмотных военных экспердов и прочих журнализдов.

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .