25 June

От гонки вооружений до офтальмологических инструментов: к 60-летию изобретения лазера

Popular sciencePhysicsLazersHealth
В мае этого года квантовому оптическому генератору (лазеру) исполнилось 60 лет. Первый функционирующий прибор был запущен Т. Мейманом 16 мая 1960 года.

Когда-то лазер Меймана был единственным в своем роде. За 60 лет мы прошли путь от уникального устройства к десяткам тысяч инструментов, использующих в основе принципы квантовой оптической генерации. Это большой путь, но мы до сих пор где-то в начале.

Лазер (LASER — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, преобразующее энергию т. н. накачки в когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона частот.
От других источников света (ламп, солнца) лазер отличается тем, что испускаемый им свет обладает свойствами монохроматичности и когерентности. По сути, это гармоническая электромагнитная волна с частотой в сотни и тысячи терагерц.
Когерентность — наиболее важное свойство лазерного излучения — это «одинаковость» испускаемой электромагнитной волны во времени и, следовательно, в пространстве. Когерентное излучение стабильно по поляризации, частоте и амплитуде, расстояние между двумя точками волны, находящимися в одной фазе колебания, целочисленно кратно длине волны этого излучения. Такое излучение можно сравнить с эфирной радиостанцией, осуществляющей свое вещание на строго заданной частоте, не меняющейся год от года. Разница лишь в величине этой частоты: для радио она составляет порядка 100 МГц, а для лазерного излучения — на 6−7 порядков больше.
Благодаря своим уникальным свойствам лазер нашел применение во многих и совершенно разных отраслях: в телекоммуникациях, производстве и технологической среде, медицине и косметологии, метрологии и военной промышленности.
Наиболее каноничной демонстрацией свойства когерентности является наблюдение дифракции и интерференции, известное со школьных опытов. И хотя дифрагирует и интерферирует любой свет, лишь в монохроматичном излучении картина становится максимально наглядной. Напомним: дифракция — это явление огибания препятствий волной, а интерференция — пространственное или временное перераспределение амплитуд нескольких взаимодействующих волн.
Как работает лазер — о принципах на пальцах
Принцип работы квантового оптического генератора базируется на теории вынужденного излучения Эйнштейна. Предсказанное Эйнштейном в 1916 году явление получило строгое теоретическое обоснование в 1927–30 годах в рамках квантовой механики.
Суть квантовой генерации на самом деле проста. В микромире энергия, как известно, передается порциями — квантами. Размеры порций этой энергии для конкретной квантовой системы заранее предопределены природой. Определенный атом (или любая другая квантово-размерная частица) может принять или излучить энергию только определенных порций и ни толикой больше или меньше — это постулат квантового мира.
Предположим, у нас есть квантовая система в некотором стабильном (но не самом низком) энергетическом состоянии. Идея Эйнштейна заключалась в том, что под некоторым внешним воздействием эта квантовая система может перейти в состояние с более низкой энергией (вплоть до самого низкого), излучив порцию энергии (квант), который по своей величине равен разнице энергетических уровней системы. В качестве вынуждающего воздействия может выступать и фотон — индуцирующий квант света. Вся прелесть явления в том, что если индуцирующий квант по своей величине энергии соответствует разнице энергетических уровней квантовой системы, то ее релаксация происходит с высокой вероятностью, а излученный квант будет иметь те же характеристики, что и индуцирующий: то же направление, частоту, поляризацию и даже фазу.
Когда речь идет про лазерное излучение, под квантом понимается фотон — частица света — хотя эта терминология относительно условна: принцип работы высокочастотного микроволнового генератора, мазера, аналогичен, но в радиочастотном диапазоне не принято говорить о квантах. В ходе эксперимента вынужденное излучение было впервые продемонстрировано У. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 году.
Ключом к использованию вынужденного излучения для усиления светового потока являются так называемые метастабильные состояния квантовых систем — состояния с «повышенной» энергией, время жизни которых относительно велико. Такое метастабильное состояние свойственно многим веществам в разных агрегатных состояниях. Энергетический переход в такое метастабильное состояние происходит в результате поглощения кванта энергии.
Понимание этих явлений и умение создавать условия для их проявления привели к разработке квантового оптического генератора.
Если упростить, к открытию привели следующие соображения. В «обычных» системах, где в энергетических переходах есть только два энергетических уровня, фотоны поглощаются и излучаются с равной вероятностью. Переходы на более высокий энергетический уровень происходят с той же вероятностью, что и переходы на базовый уровень. За строгим математическим обоснованием стоит интуитивное понимание того факта, что фотон, распространяясь в среде, изобилующей возбужденными и невозбужденными частицами, с равной вероятностью может оказаться как возбуждающим, так и индуцирующим релаксацию. Чтобы процесс излучения превалировал над поглощением, необходимо сделать так, чтобы вероятность излучательного индуцированного перехода была больше вероятности поглощения.
В системе, где есть только два энергетических уровня, это невозможно по вышеописанной причине равновероятности переходов. Однако в «необычных» квантовых системах существует теоретическая (и практическая) возможность создания такой ситуации, когда количество возбужденных частиц в среде будет гораздо больше невозбужденных. Такая ситуация называется инверсией населенности. «Необычность» таких квантовых систем заключается в том, что между основным и возбужденным энергетическими уровнями существует еще и т. н. метастабильный энергетический уровень (или уровни), на котором частица может просуществовать какое-то время.
Трехуровневая система
Четырехуровневая система
Именно на метастабильном уровне происходит накопление возбужденных частиц и формирование инверсии населенности. Энергетические переходы происходят примерно по такому циклу. Из невозбужденного основного состояния частица переходит в возбужденное состояние при поглощении кванта энергии накачки. В этом состоянии частица долго существовать не может и быстро релаксирует на метастабильный уровень, теряя часть приобретенной ранее энергии в виде низкоэнергетического фотона или теплового колебания структуры среды.
Время жизни частицы не метастабильном уровне по квантовым меркам достаточно велико и для некоторых сред может достигать нескольких миллисекунд. За то время, пока частица пребывает на метастабильном уровне, мимо нее должен пролететь индуцирующий фотон, энергия которого должна быть равна разнице между основным состоянием и метастабильным уровнем. Такой фотон вызовет релаксационный переход в основное состояние с порождением фотона, полностью аналогичного индуцирующему, как и предсказывал Эйнштейн. В итоге частица вновь оказывается в основном состоянии, а на выходе из системы — два абсолютно одинаковых фотона. Вот она, квантовая генерация.
Поскольку время жизни частицы на метастабильном уровне велико, на нем происходит накопление возбужденных частиц — это и есть инверсия населенности. Важно также и то, что энергия накачки ввиду многоуровневой модели генерации всегда будет больше энергии лазерного излучения. Закон сохранения энергии, разумеется, не нарушается. Инверсия населенности возможна вследствие разнесения кванта накачки и кванта излучения по энергиям. Квант накачки всегда более энергетичен, чем квант полезного излучения.
Теоретические принципы создания оптического генератора были сформулированы в конце 1950-х. За это открытие в 1964 году A. M. Прохорову, Н. Г. Басову, Ч. Таунсу и А. Шавлову вручили Нобелевскую премию по физике. Однако к практической реализации в 1960-м первым подошел другой человек — Теодор Мейман.
К этому моменту научный мир уже с нетерпением ждал практической реализации лазера. Несколько групп ученых в мире параллельно работали над тем, чтобы перенести уже реализованную идею генерации микроволнового электромагнитного излучения в оптический диапазон, где проблемой была сложность изготовления резонатора. Применений же генератору когерентного оптического излучения было предложено уже много — от научных экспериментов до промышленных задач.
Один из работников Меймана описал ситуацию так: «Лазер — это решение. Осталось найти проблему».
Путь от первой практической реализации до применения в реальных отраслях лазер прошел чрезвычайно быстро. В 1962 году Мейман уже основал компанию «Корад Корпорейшн», которая производила лазеры большой мощности для промышленных применений.
Проще всего пояснить принцип работы устройства, используя его разработку в качестве наглядного примера.
Лазер Меймана
В качестве активной среды Мейман взял цилиндрический стержень из синтетического рубина, на торцы которого было нанесено серебряное зеркальное покрытие. Инверсия населенностей в кристалле создавалась при помощи накачки импульсной ксеноновой лампой.
Вспышка лампы сообщала необходимую энергию атомам кристалла, в результате чего те переходили в метастабильное состояние с более высокой энергией. После накачки первый же индуцированный фотон вызывал лавинообразный процесс вынужденных переходов атомов в кристалле на более низкие энергетические уровни с излучением фотонов с той же поляризацией, частотой и направлением движения. Свет частично проходил через торцы кристалла. Отраженная же часть потока использовалась для повышения количества выпущенных фотонов.
Т. Мейман получил патент на свое изобретение и впоследствии основал компанию, производящую рубиновые лазеры.
Первый лазер был твердотельным и использовал оптическое излучение для накачки. Впоследствии были разработаны лазеры, в которых в качестве активного вещества задействованы газ, жидкость и даже свободные электроны в электромагнитных полях. Для накачки научились использовать не только свет, но и электричество, газ, химические и даже ядерные реакции.
Хотя первый лазер излучал в оптическом диапазоне, сегодня выпускаются устройства практически любой спектральной области от ИК до УФ. При этом частота и энергия светового луча подбираются в зависимости от решаемой задачи. И вариаций устройств намного больше, чем может показаться человеку, не погруженному в конкретную индустрию.
Отличный пример — офтальмология. На первый взгляд, единственная сфера применения лазера в этой области медицины — операции по коррекции зрения, благо эта тема активно обсуждается на Хабре. На самом деле распространение лазерных технологий в медицине куда шире: они используются практически повсеместно как в качестве основного действующего фактора, так и во вспомогательных и сопровождающих инструментах.
Лазеры в офтальмологии
Сегодня «коллекция» офтальмологических лазеров чрезвычайно разнообразна. Используются лазеры широкого спектрального диапазона от ближнего ИК до УФ. Дело в том, что излучение разных длин волн проникает в ткани на разную глубину. Соответственно, диапазон, как и энергия излучения, подбирается в зависимости от поставленной задачи.
Эксимерный лазер ViSX STAR S4 IR
Эксимерный газовый лазер, используемый при коррекции зрения, работает в ультрафиолетовом диапазоне. В офтальмологии применяется лазер с длиной волны 193 нм. Излучение с такой длиной волны практически не проникает внутрь глаза, испаряя ткань с поверхности роговицы и придавая последней нужную форму.
В видимом диапазоне используются зеленый, желтый, красный и смешанные лазеры. С их помощью выполняется коагуляция сосудов сетчатки, которая бывает необходима при дистрофических изменениях ткани сетчатки, диабетической ретинопатии, а также назначается некоторым с профилактической целью — часто женщинам, готовящимся к естественным родам. Профилактическая лазерная коагуляция помогает укрепить сетчатку и предотвращает ее разрывы и отслойку.
Излучение ИК-диапазона имеет большую проникающую способность, чем свет оптической или УФ части спектра. Лазеры этого диапазона используются в качестве инструмента для формирования отверстий в тканях.
В офтальмологии используются фемтосекундные лазеры этого диапазона — устройства, длительность импульса которых составляет десятки или сотни фемтосекунд. Предпочтение им отдается по причине высокой пиковой мощности излучения при сравнительно небольших энергозатратах. Проникнув на определенную глубину в ткани, импульс образует сгусток плазмы размерами 5−10 микрон, который раздвигает ткань, осуществляя сепарацию (отделение).
Фемтосекундный рефракционный лазер
В клиниках «Эксимер», в частности, фемтосекундный лазер в зависимости от типа операции используется либо только для подготовки глаза — формирования лоскута на роговице (в операциях LASIK) — либо для выполнения всей процедуры. Аналогично фемтосекундные лазеры применяются для подготовки и сопровождения операций по лечению катаракты (факоэмульсификации) для формирования технологических резов и доступов для контактных частей оборудования. Лазер полностью заменил хирургические инструменты для разрезов на роговице, поэтому такой метод операции называют безножевым.
Вот так проходит операция по удалению катаракты на фемтосекундном лазере Alcon LenSx под управлением офтальмохирурга клиники «Эксимер» И. С. Малютиной
С точки зрения техники, фемтосекундный лазер — это несколько лазеров, собранных последовательно, которые по цепочке накачивают друг друга (твердотельный YAG-лазер накачивается полупроводниковым лазером).
Терапевтический YAG-лазер
Кстати, твердотельные ИК-лазеры используются и в других процедурах, например, при лечении глаукомы.
Как работают лазеры в офтальмологии сейчас и что с ними будет дальше
В офтальмологии большую роль играет не только сам квантовый оптический генератор, но и оптическая система, которая формирует и направляет луч, а также сопутствующие измерительные приборы. Именно они превращают лазерное излучение в некий оптический скальпель, который рассекает ткань на определенной глубине и делает разрезы нужной формы.
Современная процедура лазерной коррекции зрения реализована несколькими способами. Основные методики — это фоторефрактивная кератэктомия (ФРК), трансэпителиальная ФРК, лазерный кератомилез (ЛАCИК/LASIK) и лазерный кератомилез с фемто-сопровождением (Фемто-ЛАСИК).
При ФРК механическим способом или непосредственно лазером удаляется эпителий роговицы, эксимерным лазером испаряется участок склеры в оптической зоне, изменяя кривизну и придавая роговице нужную форму. Затем на глаз накладывается специальная линза, которая остается до полного заживления. Такая методика сегодня используется редко и только по показаниям.
По методике ЛАСИК, более совершенной и популярной сегодня по сравнению с ФРК, из эпителия с помощью микрокератома формируется лоскут толщиной 120−160 мкм и диаметром около 10 мм, который затем отгибается, открывая строму роговицы для лазера. Далее эксимерный лазер корректирует форму роговицы, после чего роговичный клапан возвращается на место. Такой способ коррекции зрения сегодня является самым распространенным.
Еще более современная методика, Фемто-ЛАСИК, отличается от ЛАСИК тем, что формирование роговичного лоскута происходит не посредством микрокератома, а с помощью фемтосекундного лазера. За счет этого воздействие на роговицу происходит на заданной глубине, а все остальные слои роговицы вне зоны лазерного воздействия не травмируются. Это ускоряет процесс заживления тканей и уменьшает период восстановления пациента после вмешательства.
А так выглядит процесс лазерной коррекции зрения по методике Фемто-ЛАСИК. Операцию проводит офтальмохирург клиники «Эксимер» Г. П. Парджанадзе
С позиции производителей медицинского оборудования, сам оптический генератор и система доставки луча — это единое целое. Хотя в теории компоненты могли бы стать взаимозаменяемыми, на практике к медицинскому оборудованию предъявляются слишком высокие требования по надежности. Все компоненты: лазер, оптическая система, интерфейсная часть (между объективом устройства и глазом пациента) — должны обеспечить получение импульса заданной формы с определенной энергией на глазу. Это тонкая система, которая запрограммирована, настроена, протестирована и сертифицирована. Любое изменение в ней может привести к непредсказуемому результату, за который кому-то пришлось бы отвечать.
Сертификация и серьезность тестов для медицинского оборудования полностью закрывают рынок для самодельщиков и стартапов. Даже если найдется умелец, который соберет лазер для проведения операций по коррекции зрения «на коленке», у него просто не хватит ресурсов, чтобы выполнить все условия и ограничения сертифицирующих органов на контакт устройства с пациентом, защиту персонала и т. п., сделав свое устройство сверхбезопасным.
Именно из-за этих требований оборудование, используемое в офтальмологии, развивается медленно.
Хотя в последние годы появились новые типы операций (ФРК сменилась LASIK, затем появился LASIK с фемтолазерным сопровождением, а потом и SMILE), прорывных скачков именно в технике не было давно. Принцип остается тем же, а эволюция идет не спеша, под руку с развитием медицинских подходов, постепенно облегчая жизни врачей и пациентов.
Тем не менее серьезное развитие технической части идет, например, в терапевтическом направлении. Благодаря росту компьютерных мощностей в ходе процедуры коагуляции сетчатки появилась возможность «стрелять» не точками, которые необходимо задавать отдельно, а целыми паттернами — пакетами импульсов заданной топологии. То есть одним «выстрелом» коагулируется не один сосуд, а сразу много, в соответствии с диагностическими данными пациента.

Хотя с момента создания первого квантового оптического генератора прошло уже 60 лет, его внедрение в новые области продолжается. Медицина и офтальмология находит оптическому генератору все больше применений, постепенно заменяя технологии и даже хирургические инструменты лазерами.
Безусловно, осталось еще много нерешенных вопросов. К примеру, при катарактальных операциях лазер не всегда проникает достаточно глубоко. Встречаются настолько твердые и непрозрачные катаракты, что они поглощают энергию лазера и не дают ему достигнуть нужной глубины.
Особенность офтальмологических операций в том, что нельзя бездумно использовать луч с большей энергией или иной длиной волны, поскольку неизвестен ответ тканей и возможные побочные эффекты. Любой подобный вопрос решается не просто через доработку техники, а через полномасштабную разработку и тестирование нового подхода и нового устройства, а это огромный объем работы. Безусловно, по мере его выполнения будут появляться все новые специализированные инструменты, настроенные на решение своей узкой задачи. А значит, семейство лазерной техники будет только расти.
Tags:лазерыофтальмологиякоррекция зрения
Hubs: Popular science Physics Lazers Health
+19
16.9k 29
Comments 11