eng
Содержание
Предисловие .........................................................................................14
Глава 1. Лазеры и лазерное излучение (М.Т. Александров, Л. Покора) ..........................................17
1.1.
Основные принципы генерации света и конструкция лазера ......................................17
1.2.
Физические основы действия лазеров ...........................................................................21
1.3.
Классификация лазеров ...................................................................................... 26
1.4.
Основные свойства лазерного излучения ......................................................................31
1.5.
Безопасность жизнедеятельности ................................................................................. 35
1.6.
Заключение ..................................................................................... 52
1.7.
Правовые аспекты лазерной службы ............................................................................ 53
Справочная литература ........................................................................... 56
Глава 2. Биологическое действие лазерного излучения
(экспериментально-теоретическое исследование) (М.Т. Александров) ................................. 58
2.1.
Механизм биологического действия лазерного излучения ........................................ 58
2.1.1.
Историческое введение в светотерапию ...................................................................58
2.1.2.
Медико-биологические и клинические концепции взаимодействия
лазерного излучения и биологического объекта ................................................................59
2.1.3.
Развитие теории механизма биологического действия
лазерного излучения и его фоторегулирующей функции ............................................ 72
2.1.4.
Лечебно-диагностическая концепция фотонно-волновой конверсии
лазерного излучения (М.Т. Александров, В.И. Масычев) ................................. 74
2.2.
Действие лазерного излучения на клетку (М.Т. Александров, Л.Л. Миронова) .............79
2.2.1.
Мотивация исследования (М.Т. Александров, А.В. Бибикова, И.М. Арефьев) ...79
2.2.2.
Действие лазерного излучения на клеточную пролиферацию .........................81
2.3.
Действие низкоинтенсивного лазерного облучения на ткань
(М.Т. Александров, З.П. Антипова, А.С. Григорьян) .............................................................. 87
2.4.
Действие лазерного излучения на микроциркуляцию
(М.Т. Александров, З.П. Антипова, А.А. Прохончуков, К.В. Милохов) .................................. 95
2.5.
Действие низкоинтенсивного лазерного излучения на периферическую кровь .......102
2.6.
Изучение влияния низкоинтенсивного лазерного излучения
гелий-неонового лазера на стволовые гемопоэтические клетки ......................................105
2.7.
Действие низкоитенсивного лазерного облучения на микрофлору
in vitro и in vivo и некоторые неспецифические факторы иммунитета
(М.Т. Александров, В.В. Хазанова, Е.М. Земская) ................................................................106
2.8.
Влияние лазерного излучения на кислородтранспортную функцию крови
(А.В. Шапошников, Т.А. Линник) .........................................................................................111
2.9.
Действие лазерного излучения на фагоцитарную активность
полиморфноядерных лейкоцитов ......................................................................................113
Заключение .................................................................................................................118
Справочная литература .........................................................................................119
Глава 3. Биофотометрические основы диагностики и
лечения заболеваний (экспериментальное исследование)
(М.Т. Александров, В.К. Осипов, Е.М. Андреев) ...................................................................123
3.1.
Основные закономерности исследования оптических характеристик
биологических объектов .....................................................................................................123
3.2.
Биофотометрические основы диагностики, клинические аспекты ...........................131
3.3.
Медико-техническое и клиническое обоснование принципа относительности
биофотометрического метода диагностики и лечения заболеваний с использованием
низкоинтенсивного лазерного излучения .........................................................................136
3.4.
Исследование характеристик биологического объекта оптическими методами
в клинике ............................................................................................145
3.4.1.
Клиническая информативность рассеивающих характеристик
биологического объекта.............................................................................................146
3.5.
Медицинская технология биофотометрической диагностики и оценки
эффективности лечения заболеваний слизистой оболочки полости рта .........................150
3.6.
Модификация медицинской технологии определения состояния биоткани
по ее оптическим характеристикам и показателям лазерной фотоплетизмографии .......152
3.7
Метод определения границы патологического состояния биологической ткани
(М.Т. Александров, В.М. Чекмарев) .....................................................................................155
Заключение ................................................................................................156
Справочная литература ......................................................................................158
Глава 4. Лазерная клиническая биофотометрия (М.Т. Александров) ....................................165
4.1.
Показания и противопоказания к лечебному и/или диагностическому
применению лазерного излучения и лазерной медицинской техники ............................172
4.2.
Основные правила работы на лазерной медицинской аппаратуре ............................173
4.3.
Основные принципы лечения......................................................................................175
4.4.
Клиническая и биофотометрическая оценка эффективности методов
лазерного лечения острых гнойных воспалительных процессов ......................................178
4.5.
Клинические результаты (М.Т. Александров, В.В. Платонова, М.Э. Мухсинов) .........181
4.6.
Опыт применения инфракрасного лазерного излучения для лечения
воспалительных заболеваний челюстно-лицевой области в условиях поликлиники
(А.К. Киреев, А.Р. Евстигнеев, М.Т. Александров) ...............................................................195
4.7
Опыт применения лазерной терапии заболеваний слизистой оболочки
полости рта и тканей пародонта (М.Т. Александров, Р.А. Байкова, А.Ф. Кузнецова) .........199
4.8.
Применение активной лазерной биофотометрии в кожной пластике
челюстно-лицевой области (М.Т. Александров, Ю.Н. Сергеев, Р.И. Баграмов) .................201
4.9.
Применение лазерной биофотометрии в комплексном лечении хронического
силаденита (М.Т. Александров, У.А. Саидкаримова) ...........................................................208
4.10.
Методика экстракорпорального лазерного облучения крови при лечении
больных с гнойными воспалительными заболеваниями
(М.Т. Александров, А.М. Лехтман) .............................................................................210
4.11
Клинический метод сочетанного электролазерного лечения
хронических простатитов (М.Т. Александров) ....................................................................212
4.11.1
Клиническая характеристика контингента пациентов ..................................212
4.11.2.
Описание методики лечения ..........................................................................213
4.11.3.
Критерии эффективности лечения ................................................................214
4.11.4.
Результаты применения методики по клиническому критерию .................214
4.11.5.
Дополнительные сведения ............................................................................215
4.12.
Некоторые перспективы развития методов и аппаратуры
лазерной клинической биофотометрии .............................................................................215
Справочная литература .........................................................................................221
Глава 5. Клиническая эффективность комплексного применения лазерного излучения
в диагностике, лечении и профилактике хирургической инфекции у детей
(М.Т. Александров, В.М. Чекмарев, В.Т. Кривихин) .............................................................225
5.1.
Клинические результаты применения низкоинтенсивного
лазерного излучения в клинике детской хирургии ............................................................227
5.2.
Клинические результаты применения высокоинтенсивного лазерного
излучения в детской хирургии ............................................................................................230
5.3.
Перспективы применения лазерной спектрофотометрии в детской
хирургии .......................................................................................................233
Справочная литература ........................................................................................235
Глава 6. Введение во флуоресцентную диагностику
(М.Т. Александров, Е. Васильев) ...........................................................................................242
6.1.
Природа флуоресценции ..............................................................................................242
6.2.
Методы регистрации флуоресценции и принципы соответствующей
целевой аппаратуры .............................................................................................247
6.3.
Методы диагностики на основе регистрации флуоресценции
природных флуорофоров для биологии и медицины ........................................................250
6.4.
Методы диагностики на основе экзогенной флуоресценции .....................................256
6.5.
Методы обработки результатов ЛФД для лабораторий и клиник ..............................257
6.6.
Диагностика заболеваний микробной природы, состояние проблемы и
возможные пути ее решения на основе ЛФД .....................................................................261
Справочная литература ......................................................................................262
Глава 7. Фундаментальное обоснование метода лазерно-флуоресцентной
диагностики заболеваний и процессов микробной природы
(М.Т. Александров, О.В. Морозова, И.М. Таубинский) .........................................................267
Глава 8. Лазерно-флуоресцентная диагностика кариеса и его осложнений
(Е.В. Зайцева, Л.Д. Аразашвили, А.А. Лабазанов, А.И. Шайхалиев) ....................................296
8.1
Результаты экспериментальных исследований ............................................................297
Заключение .....................................................................................301
Справочная литература .......................................................................................303
Глава 9. Лазерная медицинская технология оценки качества обработки корневых
каналов зуба при эндодонтическом лечении
(М.Т. Александров, С.Н. Попов, А.Д. Родионов, Л.Д. Аразашвили, Р.М. Гизатулин) ............304
Справочная литература ........................................................................................308
Глава 10. Оценка бактериальной обсемененности системы корневых каналов методом
лазерной флуоресценции
(М. Т. Александров, О.Ю. Василенко) ..................................................................................310
Справочная литература .................................................................................323
Глава 11. Применение метода лазерной флуоресцентной диагностики для отбора предпочти-
тельных антимикробных препаратов (антибиотики и антисептики) при различных
патологиях (абсцессы, флегмоны, карбункулы, фурункулы, сепсис)
(М.Т. Александров, Г.Л. Геворков, З.К. Магомедов, Т.В. Сиушкина, Т.А. Зайцева) ..............326
Заключение .....................................................................................341
Глава 12. Применение пробиотиков и лазерно-флуоресцентных технологий
для повышения эффективности лечения больных с гнойной хирургической инфекцией
(М.Т. Александров, С.Б. Тараканов, К. А. Поляков, А.Н. Артемьев) ....................................342
12.1.
Алгоритм применения пробиотиков для лечения заболеваний и
процессов микробной природы..........................................................................................344
12.2
Клиническая апробация применения эуфлорина для лечения больных
с гнойно-воспалительными заболеваниями челюстно-лицевой области ........................345
12.3.
Результаты исследования ...........................................................................................346
Заключение ..........................................................................................347
Глава 13. Разработки фотодинамической терапии гнойно-хирургической инфекции
(М. Т. Александров, А.А. Лабазанов, В.А. Сереженков, М.В. Зотова) ..................................349
13.1
Экспериментально-теоретическое обоснование основных
принципов фотоингибирующей ФДТ гнойной инфекции ...............................................350
13.2.
Экспериментальные исследования явления тушения флуоресценции
бактерий как фактора бактерицидной эффективности оксида азота ...............................352
13.3
Определение физико-химических параметров используемых растворов
NO в 3% Н2
O2
и их влияние на тушение флуоресценции бактерий ..................................358
13.4.
Фотодинамическое тушение флуоресценции бактерий ...........................................359
13.5
Влияние состава среды инкубации на тушение флуоресценции бактерий ...............360
13.6.
Влияние рН среды на тушение флуоресценции бактерий ........................................362
13.7.
Клинико-микробиологическое и патогенетическое обоснование
возможности применения NO для лечения больных с ГВЗ ЧЛО
(М. Т. Александров, А. А. Лабазанов, Г.Л. Геворков) .............................................................364
Заключение ................................................................................................373
Глава 14. Применение ЛФД для оценки эффективности применения мирамистина
в комплексном лечении больных с одонтогенными флегмонами
челюстно-лицевой области (М. Т. Александров, И. В. Черкесов, Ю.С. Кривошеин) .............375
Заключение .......................................................................................385
Справочная литература ...................................................................................386
Глава 15. Биоспектрофотометрическая модифицированная медицинская технология
лечения воспалительных заболеваний излучением лазера (М. Т. Александров) ....................387
Глава 16. Применение лазерно-флуоресцентных технологий для повышения эффективности
лечения больных с открытыми переломами костей лицевого скелета
(М.Т. Александров, Я. Н. Карасенков, Р. Ю. Тельных) ..........................................................391
16.1.
Клинические примеры (группа сравнения) ..............................................................398
16.2.
Клинические примеры (основная группа) ................................................................399
Заключение ...............................................................................................400
Справочная литература ........................................................................................400
Глава 17. Применение лазерной флуоресценции
для оценки гигиенического состояния полости рта
(М.Т. Александров, Г.Н. Усатова, М. И. Воропаева, А. И. Шайхалиев) ...............................401
Справочная литература ...........................................................................................409
Глава 18. Применение метода флуоресцентной диагностики
для оценки эффективности дентальной имплантации
(М. Т. Александров, Д. М. Ширина, М. И. Воропаева) ..........................................................410
Заключение ..........................................................................................418
Справочная литература ........................................................................................419
Глава 19. Лазерная флуоресцентная диагностика дисбиоза кишечника
(М. Т. Александров, И. М. Таубинский, С. Ю. Козьма, Е. П. Пашков) .................................420
Заключение ..................................................................................431
Практические рекомендации ..............................................................................432
Справочная литература ........................................................................................432
Глава 20. Повышение эффективности лазерно-флуоресцентной
диагностики заболеваний и процессов микробной природы
(М.Т. Александров, Ю.С. Быкова, Е. Васильев) ....................................................................434
20.1.
Введение .........................................................................................434
20.2.
Дифференциальная диагностика как объект задачи распознавания .......................435
20.3
Концепция регистрации и обработки результатов исследования
(предложена профессором М. Т. Александровым и Е. Васильевым) ................................437
20.4.
Проведение вычислительного анализа и предсказаний по исходным данным .......440
20.5.
Материалы и методы исследования на примере суспензий микробов ....................443
20.6.
Результаты измерений и особенности флуоресценции микробов на примере
микобактерий туберкулеза (М.Т. Александров, В.А. Хоменко, В.В. Смирнова,
С.Ю. Козьма, О.Г. Гапоненко, В.В. Свистов) .......................................................................444
20.7.
Влияние характеристик экстинкции на спектры флуоресценции ...........................453
20.8.
Возможность создания глобальной системы скрининга и мониторинга
заболеваний инфекционной природы на основе дифференциальной
лазерно-флуоресцентной диагностики ..............................................................................454
Заключение ..........................................................................................459
Справочная литература ...................................................................................459
Глава 21. Лазерно-флуоресцентная медицинская технология
исследования спектральных характеристик различных
микобактерий (диагностика) и ее клиническая апробация
(М.Т. Александров, М.А. Иванова, Е. Васильев, В.А. Хоменко, О.Г. Гапоненко) ...................460
21.1.
Экспериментальные исследования.............................................................................460
21.2.
Клинические наблюдения по применению метода ЛФД во фтизиатрии ................471
Справочная литература .....................................................................................477
Глава 22. Перспективная лазерная технология определения скорости гибели живых
микробов и экспресс-оценки их чувствительности к антимикробным препаратам
(М.Т. Александров, Е. Васильев) ...........................................................................................478
Справочная литература ..............................................................................484
Глава 23. Медицинская технология метода фотодинамической терапии опухоли
(М. Т. Александров, В.Ф. Барыбин, П.Ю. Поляков, О. Быченков) ........................................485
Глава 24. Медицинская технология метода диагностики реакции опухоли
при лечении онкологических больных
(М.Т. Александров, В.Ф. Барыбин, П. Ю. Поляков) .............................................................489
Глава 25. Лучевая терапия злокачественных опухолей орофарингеальной зоны и кожи
с использованием радиомодифицирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения
(М.Т. Александров, О. Быченков, Д. А. Рогаткин, П. Ю. Поляков) ......................................495
25.1.
Реакция опухоли ............................................................................................500
25.2.
Реакция нормальных тканей ......................................................................................504
25.3.
Ближайшие и отдаленные результаты .......................................................................505
Заключение ..................................................................................................507
Справочная литература ............................................................................................508
Глава 26. Лазерная флуоресцентная диагностика фоновых и предраковых
заболеваний шейки матки
(М. Т. Александров, Е.В. Зайцева, О.М. Гринько) .................................................................511
Заключение .............................................................................................522
Справочная литература ........................................................................................523
Глава 27. Применение флуоресцентного экспресс-метода в дерматокосметологии
для оценки результатов поверхностного химического пилинга
(М. Т. Александров, Г. Э. Баграмова) ...................................................................................524
27.1.
Коррекция косметических дефектов, возникших после перенесенных акне ..........529
27.2.
Коррекция инволюционных изменений поверхности кожи ....................................529
Заключение ..................................................................................530
Справочная литература ........................................................................530
Глава 28. Перспективы лазернофлуоресцентных нанотехнологий
в диагностике и лечении хирургической инфекции (М. Т. Александров) ...............................531
Справочная литература ..............................................................................536
Глава 29. Перспективный метод применения низкоинтенсивного лазерного излучения
для одномоментного определения оксигенации артериальной и венозной крови
(М. Т. Александров, С. Ю. Козьма) .......................................................................................537
29.1.
Аппаратура и принцип действия ................................................................................539
29.2.
Экспериментальные результаты ................................................................................541
Справочная литература ......................................................................................543
Глава 30. Лазерно-флуоресцентный способ неспецифичной
диагностики нормы и патологических состояний
(М.Т. Александров, Е.П. Пашков) ........................................................................................545
Глава 31. Метод оптической диагностики живых микрообъектов и их нанокомпонентов
на основе конверсии оптического излучения в исследуемом материале
(М.Т. Александров, Е. Васильев, А.В. Миронов) ....................................................................553
Примеры применения ...........................................................................................568
Глава 32. Биофотометрия – ключевая проблема современной лазерной медицины
(дискуссионное заключение) (М.Т. Александров, Г.Н. Змеевской) .......................................570
32.1.
Роль спектра биологического действия в построении ФВО .....................................571
32.2.
Дозиметрические аспекты низкоинтенсивной лазерной терапии ...........................573
32.3.
Биофотометрические аспекты лазерной диагностики..............................................580
Заключение ...............................................................................582
Справочная литература ......................................................................................582
ГЛАВА 1
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. Основные принципы генерации света и
конструкция лазера
Как известно, лазер – это источник света (оптического излучения) с особыми ха-
рактеристиками (монохроматичность, когерентность, поляризация). Чтобы понять
эти особенности, следует сначала вспомнить, что такое свет.
Под словом «свет» понимают все известные формы оптического излучения, как
видимые человеческим глазом, так и прилегающие к ним (невидимые). Оптическим
излучением, или светом, называются электромагнитные волны (электромагнитное
излучение), длины которых в вакууме находятся в диапазоне от 10 нм до 1 мм (гра-
ницы условны). Таким образом, в указанном спектральном диапазоне к оптическо-
му излучению относят инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения.
Теоретически свет можно рассматривать как электромагнитную волну, так и
поток фотонов. Поэтому свету присущи как волновые характеристики, так и кор-
пускулярные.
Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле; она характеризуется векторами напряженности электри-
ческого и индукции магнитного полей, составляющих единое электромагнитное
поле. Свет, испускаемый обычными (нелазерным) источниками, представляет со-
бой набор множества поляризованных волн, электрические векторы которых ко-
леблются вдоль всевозможных направлений, перпендикулярных лучу. Свет будет
естественным, если ни одно из направлений колебаний не является преимущест-
венным, то есть результирующая напряженность электрического поля совершает
в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно из-
меняется в плоскости, перпендикулярной к лучу.
Электромагнитная волна монохроматична, если ее векторы напряженности
электрического и магнитных полей совершают гармонические колебания с одина-
ковой постоянной частотой.
В настоящее время широкое распространение в медицинской практике при
лечении различных заболеваний приобрело использование лазерного излучения,
являющегося монохроматическим оптическим излучением, которое характеризу-
ется значительной энергией и мощностью, высокой направленностью и когерен-
тностью излучения. Более подробно эти характеристики лазерного излучения будут
рассмотрены ниже.
Согласно волновой теории, оптическое излучение описывается такими основ-
ными параметрами, как длина волны (λ), частота (f) и амплитуда (А). От амплиту-
ды волны зависят величина передаваемой мощности и энергия света. Частота (f)
зависит от периода волны (Т).
Параметры: амплитуда (А) и период (Т) отображены на рис. 1.1.
+Alex_01.indd 17 29.11.2007
ГЛАВА 1
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. Основные принципы генерации света и
конструкция лазера
Как известно, лазер – это источник света (оптического излучения) с особыми ха-
рактеристиками (монохроматичность, когерентность, поляризация). Чтобы понять
эти особенности, следует сначала вспомнить, что такое свет.
Под словом «свет» понимают все известные формы оптического излучения, как
видимые человеческим глазом, так и прилегающие к ним (невидимые). Оптическим
излучением, или светом, называются электромагнитные волны (электромагнитное
излучение), длины которых в вакууме находятся в диапазоне от 10 нм до 1 мм (гра-
ницы условны). Таким образом, в указанном спектральном диапазоне к оптическо-
му излучению относят инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения.
Теоретически свет можно рассматривать как электромагнитную волну, так и
поток фотонов. Поэтому свету присущи как волновые характеристики, так и кор-
пускулярные.
Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле; она характеризуется векторами напряженности электри-
ческого и индукции магнитного полей, составляющих единое электромагнитное
поле. Свет, испускаемый обычными (нелазерным) источниками, представляет со-
бой набор множества поляризованных волн, электрические векторы которых ко-
леблются вдоль всевозможных направлений, перпендикулярных лучу. Свет будет
естественным, если ни одно из направлений колебаний не является преимущест-
венным, то есть результирующая напряженность электрического поля совершает
в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно из-
меняется в плоскости, перпендикулярной к лучу.
Электромагнитная волна монохроматична, если ее векторы напряженности
электрического и магнитных полей совершают гармонические колебания с одина-
ковой постоянной частотой.
В настоящее время широкое распространение в медицинской практике при
лечении различных заболеваний приобрело использование лазерного излучения,
являющегося монохроматическим оптическим излучением, которое характеризу-
ется значительной энергией и мощностью, высокой направленностью и когерен-
тностью излучения. Более подробно эти характеристики лазерного излучения будут
рассмотрены ниже.
Согласно волновой теории, оптическое излучение описывается такими основ-
ными параметрами, как длина волны (λ), частота (f) и амплитуда (А). От амплиту-
ды волны зависят величина передаваемой мощности и энергия света. Частота (f)
зависит от периода волны (Т).
Параметры: амплитуда (А) и период (Т) отображены на рис. 1.1.
+Alex_01.indd 17 29.11.2007 21:51:48
18 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Период (Т) – это время, за которое система совершает одно полное колебание.
Период колебаний измеряется в секундах (с), а частота колебаний (f) – в герцах (Гц).
Единица измерений частоты обратна единице измерения времени, то есть 1/с. От-
сюда очевидно, что один герц – это один импульс света, выпущенный за одну се-
кунду и распространяющийся со скоростью (V); например см/с, м/с и т. д. Таким
образом, длина волны (λ) – это расстояние:
λ = v · Т или λ = v · (1/f).
Длину волны (λ) для оптического излучения удобно измерять в нанометрах (нм).
Нанометр – это одна миллиардная часть метра (1 нм = 10-9 м = 0,000000001 м).
На практике часто используют и другие меры длины волны и частоты (табл. 1).
Таблица 1.1. Наиболее часто используемые единицы измерения длины волны и частоты
колебаний
Длина волны Частота
1 см=10-2м = 0,01 м (1 сантиметр) 1 кГц=103 Гц=1000 Гц (1 килогерц)
1 мм= 10-3м = 0,001 м (1 миллиметр) 1 МГц=106 Гц= 1000000 Гц (1 мегагерц)
1 мкм = 10-6 м (1 микрометр) 1ГГц=109 Гц (1 гигагерц)
1 нм = 10-9 м (1 нанометр) 1 ТГц=1012 Гц (1 терагерц)
Непрерывная последовательность частот длин волн электромагнитных излу-
чений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное
магнитное поле, для наглядности изображается в виде шкалы электромагнитных
волн (рис. 1.2).
В зависимости от частоты электромагнитных волн и способа регистрации из-
лучения различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, опти-
ческое, рентгеновское, гамма- и космическое излучения. Границы между различ-
ными видами электромагнитных излучений весьма условны – последовательные
участки шкалы плавно переходят друг в друга. Как говорилось выше, к оптическо-
му излучению (диапазон длин волн от 10 нм до 1 мм) относятся инфракрасное,
видимое и ультрафиолетовое излучения.
Видимым излучением, или видимым светом, является электромагнитное из-
лучение, способное вызывать зрительное ощущение в человеческом глазу. Свет,
видимый человеческим глазом, находится в диапазоне от 385 (400) до 700 (760) нм.
Изменение длины волн в этой области замечается человеческим глазом как смена
Период (T)
Время
Амплитуда (А)
Рис.1.1. График изменения волны во времени
+Alex_01.indd 1+18 29.11.2007 21:51:56
1.1. Основные принципы генерации света и конструкция лазера 19
цвета. Электромагнитные волны, длины которых в вакууме более 760 нм (чаще
700 нм), относятся к видимой инфракрасной (ИК) области. Источниками инфра-
красного излучения являются все нагретые относительно окружающей среды тела.
Излучение с длиной волны менее 385 нм (чаще 400 нм) относится к невидимой
ультрафиолетовой (УФ) области. Невидимые УФ-лучи обладают активным хими-
ческим и биологическим действием (например, благодаря их бактерицидным
свойствам уничтожаются болезнетворные бактерии). Это объясняется высокой
энергией квантов УФ-диапазона, которая значительно больше, чем энергия кван-
тов видимого и ИК-диапазона.
Распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии элек-
тромагнитного поля в определенном направлении. Поэтому определим еще не-
сколько важных для медицинской практики понятий и единиц измерения. Одно
из них – энергия излучения (Е). Результат воздействия электромагнитной волны
на биологический объект зависит от количества поглощенной энергии (дозы).
Энергия измеряется в джоулях (Дж).
Трактуя свет как пучок фотонов, можно каждый из них считать частицей, ко-
торая переносит определенное количество энергии. Энергия фотона (Еф) выража-
ется следующим образом:
Еф = h · ν, где h – постоянная Планка, h = 6,63 · 10-34 Дж·с.
Общая энергия Е в пучке будет суммой энергии (Еф) всех фотонов.
Мощность излучения (Р) – это величина, выражающая количество энергии (Е)
(дозу), передаваемой за единицу времени t:
P = E/t.
* Единицы, производные от 1 Дж: 1 мДж = 0,001 Дж = 10-3 Дж, 1 кДж = 1000 Дж = 103 Дж.
** 1 Вт= 1 Дж/с.
Единицы, производные от 1 Вт: 1 мВт = 0,001 Вт= 10-3 Вт, 1 кВт =1000 Вт = 103 Вт.
Мощность измеряется в ваттах (Вт).
Космическое
излучение
Рентгеновское
излучение
УФJизлучение
ГаммаJизлучение
Видимый свет
ИКJизлучение
Радиоволны
300 ТГц
0,01 нм
157 нм
408 нм
500 нм
600 нм
700 нм
800 нм
340 мкм
Фиолетовый
Голубой
Зеленый
Желтый
Оранжевый
Красный
Инфракрасный
Видимый свет
Диапазон длин волн, в котором работают лазеры
Ультрафиолет
0,1 нм
1 нм
10 нм
102 нм
103 нм
104 нм
105 нм
106 нм
107 нм
108 нм
109 нм
1010 нм
1011 нм
300 ГГц
3 ГГц
30 МГц
30 ТГц
Рис.1.2. Шкала электромагнитных волн. Пределы длин волн оптического излучения
+Alex_01.indd 19 29.11.2007 21:51:56
20 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Поверхностная плотность энергии (D) – это количество энергии, приходящее-
ся на единицу площади S:
D = E/S.
Эта величина измеряется в джоулях на см2 (Дж/см2).
Аналогично поверхностная плотность мощности E = P/S; эта величина изме-
ряется в ваттах (милливаттах) на см2 (Вт/см2, мВт/см2).
Объемная плотность энергии – это количество энергии на единичный объем,
измеряется в Дж/см3. На практике используются единицы поверхностной и объ-
емной плотности мощности излучения (Вт/см2 и Вт/см3). Единицы измерения
света обычно применяют для количественной характеристики эффектов биологи-
ческого и лечебного действия лазерного излучения (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Схема энерговложения при лазерной обработке биологических тканей
Физическое
явление
Наименование
величины, характе-
ризующей явление
Схема
Обозначение, единица
измерения
Генерация
излучения
Поток
Энергия Лазер
S
Sрасп биоткани
Р[Вт]
W = P·t [Дж]
Генерируе-
мое излуче-
ние на торце
излучателя
Излучательность Rc = P/Sлуча [Вт·м-2]
Взаимодейс-
твие излуче-
ния с поверх-
ностью БО
Энергетическая
освещенность
Энергетическая сила
(интенсивность)
Энергетическая
экспозиция
Ee = P/Sлуча [Вт·м-2]
Iе=Р/ϕ [Вт · cр]
He = Ее · t [Дж·м-2]
Взаимодейс-
твие ЛИ
с веществом
(с учетом
оптических
характерис-
тик излучае-
мого биологи-
ческого
объекта)
Коэффициент
отражения
Коэффициент
поглощения
Коэффициент
пропускания
Плотность погло-
щенного потока
Энергетическая
экспозиция
Доза
ρ = Pотр/P0
γ = Pпогл/P0
τ = Pпроп/P0
Ее
ОБ = {P0·(1-ρ)}/ Sлуча
[Вт·м-2]
Hе
ОБ = Ее
ОБ · t
[Дж·м-2]
D = P0·(1 - ρ) · t [Дж]
+Alex_01.indd 2+20 29.11.2007 21:51:57
1.2. Физические основы действия лазеров 21
1.2. Физические основы действия лазеров
Лазер (от английского слова Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) – усиление света посредством вынужденного испускания излучения.
Условия генерации излучения первым описал лауреат Нобелевской премии
А. Эйнштейн в 1917 году. Он выдвинул гипотезу о возможности получения эффек-
та индуцированного излучения, основываясь на нескольких основных законах
физики.
Известно, что каждый атом имеет электроны, которые вращаются по орбитам
вокруг ядра. Отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно
заряженным ядром. Для того, чтобы удержать их на определенном удалении друг
от друга, требуется энергия. Расстояние, на котором находятся электроны от ядра,
определяет их энергетическое состояние.
Согласно квантовой теории строения атома, развитой Н. Бором, в атоме су-
ществуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением вре-
мени без внешних воздействий на атом. Каждому стационарному состоянию со-
ответствует определенная энергия атома Еn. Электрон движется по стационарным
орбитам, не излучая энергии. При этом существует дискретный ряд орбит, по ко-
торым электрон может двигаться в стационарном состоянии. При переходе атома
из одного стационарного состояния в другое испускается (или поглощается) один
фотон, т. е. атом излучает (поглощает) один фотон. Таким образом, атом излучает
(поглощает) один квант электромагнитной энергии при переходе атома с орбиты
с большим (меньшим) значением энергии на орбиту, характеризующуюся меньшей
(большей) энергией. Состояние с наименьшей энергией называется основным, а с
большей – возбужденным состоянием.
Итак, переход электрона с уровня Еn на более низкий En-1 – это потеря энергии,
равная Еn - En-1. Эта энергия выделяется в виде излучения и равна энергии фотона:
Eф = En - En-1 = h · f =h · c/λ.
Отсюда следует, что длина волны излучения λ в результате энергетического пе-
рехода будет равна:
λ = h · c / (En - En-1).
Из сказанного выше можно сделать следующие выводы:
1) длина волны излучения, создаваемого атомной системой, зависит только от
разницы энергии En - En-1 (так как h · с – величина постоянная);
2) если энергетические уровни Еn и En-1 значительно отделены друг от друга
(большая разница энергий), то имеет место коротковолновое излучение;
3) если уровни, между которыми происходит переход электронов в атомной
системе, близки между собой, имеет место длинноволновое излучение (с меньшей
энергией фотонов).
Эйнштейн отметил, что если создать условия атомной системы, в которых воз-
можны были бы только чистые переходы между двумя выбранными уровнями, то
в этом случае создаваемое излучение имело бы одну длину волны. Такое излучение
называется монохроматическим. В известных до открытия лазера генераторах (ис-
+Alex_01.indd 21 29.11.2007 21:51:57
22 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
точниках излучения, например ламповых) получали сумму многих «цветов» как
результат многих энергетических переходов между большим количеством атомных
и молекулярных уровней.
Каким образом вызвать (вынудить) переход электрона между двумя определен-
ными энергетическими уровнями в данной материальной среде? Этот вопрос задал
себе Эйнштейн в 1917 году. Как же он искал ответ?
Для того, чтобы атом или молекула могли испускать излучение, они должны
находиться на высшем энергетическом уровне, то есть должны быть возбуждены.
Один из способов возбуждения — это поглощение излучения внешнего источника.
Процесс возбуждения атома квантом излучения с энергией h · f от внешнего ис-
точника иллюстрирует рис. 1.3.
Излучение, падающее снаружи, имеет энергию квантов, равную или большую
энергии ΔЕ = E2 – Е1. Атом, поглощая фотон, возбуждается путем перехода элект-
рона из основного состояния Е1 в возбужденное состояние E2. Электроны в энерге-
тических состояниях выше, чем нормальное (основное) состояние атома, «пребы-
вают» там очень недолго, стремясь естественным способом вернуться в свое
основное состояние. Самопроизвольный возврат к «нормальности» происходит при
помощи спонтанной релаксации в атоме. Этот процесс показан на рис. 1.4.
Излучаемый в процессе спонтанной релаксации свет – это сумма большого ко-
личества фотонов, образующихся в результате переходов с множества разных энер-
гетических уровней. Такой свет – это пучок фотонов с разными длинами волн.
А значит, это белый свет, который мы знаем по лампочкам, светильникам и подоб-
ным нелазерным источникам. Спонтанное излучение одновременно распростра-
няется во всех возможных направлениях.
Эйнштейн обратил внимание на другую возможность эмиссии квантов излу-
чения. Он пытался найти условия испускания большого количества квантов с оди-
Энергетическое
состояние атома J En
Электрон
Электрон
En
EnJ1
En
EnJ1 Энергетическое
состояние атома J EnJ1
Рис.1.3. Схема процесса возбуждения атома при поглощении им фотона
Фотон с энергией
ΔE = E2 J E1
E1
E2
E1
E2
Рис.1.4. Схема процесса спонтанной излучательной релаксации электрона
+Alex_01.indd 2+22 29.11.2007 21:51:58
1.2. Физические основы действия лазеров 23
наковой энергией и в точно определенном направлении. Ученый предположил,
что если возбужденную ранее атомную систему облучить фотонами с энергией,
соответствующей желаемому энергетическому переходу (например E1 → Е0), тог-
да можно было бы индуцировать испускание фотонов с этой энергией. Поэтому
он предложил для реализации процесс вынужденного испускания направленных
фотонов с одинаковой энергией. Схема вынужденной эмиссии представлена на
рис. 1.5. Атом в возбужденном состоянии E1 под влиянием кванта с энергией
ΔЕ = E1 – Е0 излучает один квант с такой же энергией ΔЕ. В итоге получаются два
кванта с одинаковой энергией
Кроме того, на рис. 1.5 отображен процесс усиления света (Light Amplification).
Один вынуждающий фотон приводит к испусканию второго фотона в том же на-
правлении. На этом принципе основана работа лазера.
Вынужденная эмиссия (Stimulated Emission of Radiation) и энергетическое уси-
ление, реализованное в этом процессе, говорят о необычных отличительных и цен-
ных свойствах лазерного излучения.
Основные свойства лазерного излучения – это монохроматичность, когерент-
ность, направленность и большие мощности излучения. Идеи Эйнштейна, хотя и
очень простые на первый взгляд, оставались более 40 лет нереализованными на
практике.
Идеи ученого удалось претворить в жизнь во второй половине 50-х годов про-
шлого века при исследовании системы генераторов, создающих микроволновое
излучение в резонаторах. В этих системах было получено как усиление излучения,
так и моноэнергетичность (монохроматичность) и направленность излучения.
Микроволновые генераторы со свойствами излучения, которые предвидел Эйн-
штейн, называли мазерами (MASER – Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation). Отсюда оставался только один шаг до генерации излучения
в оптическом диапазоне – от микроволн к свету. Проще говоря, в системе лазера
СВЧ-резонатор заменен оптическим резонатором. Использовали комплект из
двух специальных параллельно установленных оптических зеркал, известных как
интерферометр Фабри-Перо. Оптический резонатор обеспечивает многократное
прохождение излучения через активное вещество, расположенное между двумя
плоскими параллельными зеркалами. Первый лазер практически был запущен
только в 1960 году.
Коротко поясним основной принцип работы лазеров. На рис. 1.6 представлена
упрощенная схема трехуровневой атомной системы, на которой показаны процес-
сы возбуждения и генерации лазерного излучения. Рис. 1.7 иллюстрирует схему
конструкции любого из известных (а их на сегодняшний день свыше 6000 типов)
лазеров.
Фотон с энергией
ΔE = E2 J E1 2 фотона с энергией
ΔE = E2 J E1
E1
E2
E1
E2
Рис.1.5. Схема процесса вынужденного излучения
+Alex_01.indd 23 29.11.2007 21:51:58
24 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Что еще необходимо знать о лазерах медицинской практики? Очевидно, что
для умения различать лазеры и представлять их основные типы необходимо озна-
комиться с еще несколькими понятиями из физики и несколькими важными эле-
ментами конструкции лазеров.
С точки зрения физики рассмотрим понятия инверсной населенности энер-
гетических уровней, накачки активной среды и способов усиления. А с точки
зрения конструкции – классификацию лазеров по типу активного материала,
мощности, области спектра генерации излучения и т. п. Для этого используем
схемы на рис. 1.6 и 1.7.
С точки зрения волновой оптики атом, находящийся в электрическом поле на
возбужденном энергетическом уровне, может с некоторой вероятностью перейти
под действием поля в основное состояние. Такой переход сопровождается вынуж-
денным (индуцированным) излучением, вызванным действием на вещество электро-
магнитной волны. Явление вынужденного излучения означает, что при прохож-
дении электромагнитной волны сквозь вещество в возбужденном состоянии ее
Нестабильный уровень
Направленное
лазерное излучение
(монохроматическое, E2 J E1)
E1
E2
E3
Безызлучательный
переход
Основной уровень
Метастабильный
уровень
Рис.1.6. Схема трехуровневой атомной системы, иллюстрирующая возбуждения (накачки)
активного центра и генерации лазерного излучения
АКТИВНОЕ
ВЕЩЕСТВО
Источник позбуждения
Лазерное
излучение
Источник возбуждения
Зеркала оптического
резонатора
Рис. 1.7. Упрощенная схема конструкции лазера
+Alex_01.indd 2+24 29.11.2007 21:51:59
1.2. Физические основы действия лазеров 25
интенсивность увеличивается. Причем вынужденное излучение строго когерентно
с вызвавшей его волной. Когерентность означает то, что фотон, полученный в ре-
зультате вынужденного излучения, ничем не отличается от фотона, вызвавшего его
появление (вынужденное излучение по своим свойствам совершенно одинаково с
тем излучением, которое вызывает его появление).
Оказалось, что функционирование лазера невозможно без инверсии населеннос-
ти, а последняя – без накачки (возбуждения) активной среды. Для получения вынуж-
денного излучения необходимо создать в среде неравновесное (инверсное) состояние,
характеризующееся большим числом атомов (молекул, ионов) на возбужденном
уровне по сравнению с нижним (основным). В этом случае получается инверсия на-
селенности. Этот процесс имеет свои особенности в разных типах лазеров. Боль-
шинство из них – это лазеры, использующие три или четыре энергетических уровня
в атомах или молекулах. Их накачка происходит при помощи энергии – электри-
ческой, световой, химической и т. п. Очень важную роль в процессе получения
лазерной генерации играют так называемые короткоживущие (нестабильные) и
метастабильные (долгоживущие) энергетические уровни. Энергетические уровни
с большим временем нахождения на них электронов называются метастабильны-
ми. Уровни, длительность нахождения на которых значительно (порой в тысячи
раз) меньше, называются короткоживущими (нестабильными). Трехуровневая схе-
ма, представленная на рис. 1.6, соответствует схеме оптического квантового гене-
ратора – источника света, работающего на принципе вынужденного (стимулиро-
ванного, индуцированного) излучения в оптическом диапазоне (лазеры) или в
диапазоне радиоволн (мазеры).
Если уровни, между которыми осуществляется лазерный переход, обозначить
как E1 (низший) и Е2 (высший), то накачка будет заключаться в переходе атомов
(молекул) на более высокий уровень, например на Е3. Этот уровень должен иметь
короткое время жизни, в то время как уровень Е2 – длинное. Накачка переводит
атомы с основного (низшего) уровня на наивысший Е3 разными способами в за-
висимости от типа лазера. Так как он является короткоживущим уровнем, после
такого возбуждения электроны в атомах быстро переходят на энергетический уро-
вень Е2. Вынужденные кванты с частотой
f = (E2 - E1)/h
образуются самопроизвольно в результате спонтанных переходов. Их достаточно
для осуществления лавинных вынужденных переходов из состояния Е2 в состояние
E1, что в результате дает большое число новых квантов с одинаковой частотой f.
За направленность излучения отвечают два параллельных зеркала резонатора,
которые показаны на рис. 1.7. Зеркало с левой стороны, полностью отражающее,
вызывает возвращение внутрь среды фотонов, которые его достигли. Зеркало с
правой стороны является полупрозрачным, всегда частично пропускает фотоны
данной энергии. Излучение активной среды, замкнутой между такими зеркалами,
в результате последующих отражений от зеркал постоянно «странствует» в среде в
выбранном направлении, вызывая постоянный рост количества фотонов и усиле-
ние излучения. Система параллельных зеркал также приводит к тому, что переходы
излучаемых квантов преимущественно являются вынужденными.
Таким образом, резкое увеличение интенсивности электромагнитной волны в
активной среде свидетельствует, что такая среда действует как усилитель электро-
+Alex_01.indd 25 29.11.2007 21:52:00
26 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
магнитных волн. Причем эффект усиления света в оптическом квантовом генера-
торе увеличивается при многократном прохождении света через одну и ту же среду.
Активной средой могут быть газ, жидкость или твердое тело.
Внешним источником накачки активной среды чаще всего является электри-
ческий ток или световое излучение дуговой лампы или лампы-вспышки. Источ-
ником возбуждающего (накачивающего) излучения может быть также другой лазер.
Накачка активной среды может осуществляться и любым другим доступным и эф-
фективным источником энергии. Это могут быть также технологии, основанные
на комбинации разных источников возбуждения.
Также в качестве источников возбуждения могут служить электрические раз-
ряды, частицы с большой энергией, например электроны, протоны, ионы, радио-
излучение высокой частоты (RF), нейтроны, ионизирующее излучение, ультрафи-
олетовое, космическое, солнечное излучение и даже энергия взрыва атомной и/или
водородной бомбы.
Итак, лазерное излучение в отличие от обычных источников света характери-
зуется высокой степенью монохроматичности, когерентности, что реализуется ра-
бочим телом (газ, кристалл, полупроводник) за счет усиления в нем света с помо-
щью эффекта индуцированного излучения.
Возможность локализации энергии в предельно узкий пучок, вплоть до соиз-
меримых с длиной волны излучений, возможность передачи излучения по световым
каналам и легкость в управлении, наличие измерительной и оптоволоконной тех-
ники в сочетании с указанными выше свойствами делают лазерное излучение не-
заменимым физическим фактором воздействия во многих исследованиях, в том
числе медико-биологических, а также при лечении ряда заболеваний.
Созданные источники когерентного света (лазеры) обеспечивают генерацию элек-
тромагнитного излучения во всем оптическом диапазоне (от инфракрасного до ультра-
фиолетового) на многих десятках спектральных линий как в одночастном, так и в мно-
гочастном режиме. Интенсивно разрабатываются и выпускаются промышленностью
лазеры, обеспечивающие перестройку длины волны излучения. Мощность современных
лазерных приборов составляет от долей милливатт до сотен киловатт в непрерывном
режиме и до десятков гигаватт в импульсном режиме с модуляцией добротности.
1.3. Классификация лазеров
С практической точки зрения, особенно для использования в медицине, стоит оз-
накомиться с классификацией лазеров по типу активного материала, по способу
питания, длине волны и мощности генерируемого излучения.
Как уже указывалось, активной средой могут быть газ, жидкость и твердое тело.
Формы активной среды также могут быть различными. Чаще всего для газовых
лазеров используются стеклянные или металлические цилиндры, заполненные
одним или несколькими газами. Примерно также обстоит дело и с жидкими ак-
тивными средами, хотя часто встречаются прямоугольные кюветы из стекла или
кварца. Причем жидкостные лазеры – это лазеры, в которых активной средой яв-
ляются растворы определенных соединений органических красителей в жидком
растворителе (воде, этиловом или метиловых спиртах и т. п.).
В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их смеси или пары
металлов. Эти лазеры разделяются на газоразрядные, газодинамические и химические.
+Alex_01.indd 2+26 29.11.2007 21:52:00
1.3. Классификация лазеров 27
В газоразрядных лазерах возбуждение осуществляется электрическим разрядом в газе,
в газодинамических используется быстрое охлаждение при расширении предваритель-
но нагретой газовой смеси, а в химических активная среда возбуждается за счет энер-
гии, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Спектральный
диапазон газовых лазеров значительно шире, чем у всех остальных типов лазеров. Он
перекрывает область от 150 нм до 600 мкм. Эти лазеры имеют высокую стабильность
параметров излучения по сравнению с другими типами лазеров.
Лазеры на твердых телах имеют активную среду в форме цилиндрического или
прямоугольного стержня. Таким стержнем чаще всего является специальный син-
тетический кристалл, например рубин, александрит, гранат или стекло с примеся-
ми соответствующего элемента, например эрбия, гольмия, неодима. Первый дейс-
твующий лазер работал на кристалле рубина.
Разновидностью активного материала в виде твердого тела являются также по-
лупроводники. В последнее время благодаря своей малогабаритности и экономич-
ности полупроводниковая промышленность очень бурно развивается. Поэтому
полупроводниковые лазеры выделяют в отдельную группу.
Итак, соответственно типу активного материала выделяют следующие типы
лазеров:
- газовые (рис. 2.14, 2.19);
- жидкостные (рис. 2.21, 2.22);
- лазеры на твердом теле (твердотельные) (рис. 2.11);
- полупроводниковые лазеры (рис. 2.23).
Тип активного материала определяет длину волны генерируемого излучения. Раз-
личные химические элементы в разных матрицах позволяют выделить сегодня более
6000 разновидностей лазеров. Они генерируют излучение от области так называемого
вакуумного ультрафиолета (157 нм), включая видимую область (385–760 нм),
до дальнего инфракрасного (> 300 мкм) диапазона. Все чаще понятие «лазер», вначале
данное для видимой области спектра, переносится также на другие области спектра.
Например, для более коротковолнового излучения, чем инфракрасное, исполь-
зуется понятие «рентгеновские лазеры», а для более длинноволнового, чем ультра-
фиолетовое, – понятие «лазеры, генерирующие миллиметровые волны». Основные
встречающиеся типы и группы лазеров соответственно их длине волны иллюстри-
рует рис. 1.8. Эту классификацию дополняет табл. 1.3.
Выберем из этой классификации лазеры, наиболее пригодные и безопасные
для медицинского использования. К более известным газовым лазерам, использу-
емым в стоматологии, относятся СО2-лазеры и He-Ne-лазеры (гелий-неоновые
лазеры). Представляют интерес также газовые эксимерные и аргоновые лазеры. Из
твердотельных лазеров наиболее популярным в стоматологии является лазер на
YAG:Er, имеющий в кристалле эрбиевые активные центры. Все чаще обращаются
к лазеру на YAG:Ho (с гольмиевыми центрами). Для терапевтического применения
используется большая группа полупроводниковых лазеров. В настоящее время в
производстве лазеров в качестве активной среды используются свыше 200 видов
полупроводниковых материалов.
В этой классификации стоит объяснить несколько типичных названий активных
материалов или наименований, встречающихся в литературе и касающихся приме-
нения лазеров в терапевтической, хирургической практике и других клинических
областях для диагностики и лечения широкого круга заболеваний.
+Alex_01.indd 27 29.11.2007 21:52:00
28 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
CO2-лазеры. Эти лазеры обладают высокой мощностью, обусловленной перехо-
дами между энергетическими уровнями молекулы углекислого газа СО2 (область от
9,3 до 11 мкм). Самой сильной является линия 10,6 мкм = 10600 нм. КПД лазера на
этой линии достигает 20 %, а теоретически – даже 40 %. Высокая мощность получа-
емого излучения привела к широкому использованию СО2-лазера в хирургии.
Лазеры на YAG:Er, YAG:Ho, YAG:Nd, YSGG:Er. Это лазеры, работающие на крис-
таллах YAG или YSGG с примесью соответствующих ионов – неодима, гольмия,
эрбия. Кристалл YAG – это алюмоиттриевый гранат (YAG – Yttrium Aluminium
Рентгеновские
лазеры
Лазеры
на красителях
0,35–0,95 мкм
NeJHeJлазеры
0,54; 0,63;
1,52; 3,39 мкм
Рубиновый
лазер
694 нм
“МиллиJ
метровые”
лазеры
Лазеры на
YAG:Nd, 1,06 мкм,
YAG:Ho, 2,1 мкм,
YAG:Er, 2,94 мкм
Эксимерные
лазеры
157–351 нм
Аргоновые
лазеры
485–514 нм
Лазеры
на СО2
9,6–11 мкм
ПолупроводJ
никовые
лазеры
Рентгеновская
область
Ультрафиолет Видимый свет Инфра; красный Микроволны
Рис.1.8. Основные типы лазеров на шкале длин волн генерируемого излучения
+Alex_01.indd 2+28 29.11.2007 21:52:01
1.3. Классификация лазеров 29
Granet). Активными центрами являются примесные ионы трехвалентного неодима
(Nd+3), гольмия (Но+3) и эрбия (Ег+3), генерирующие излучения с длиной волны в
ИК-диапазоне (соответственно 1,064... 1,32 мкм; ~ 3,0 мкм; ~ 2,0 мкм).
Эксимерный лазер (от англ. eximer). Газовый лазер на смеси, обычно трехком-
понентной, например Хе + Не + F2, Хе + Не + НС1, Кг + Ne + F2. Эксимер – это
название формы возбужденной молекулы KrF , XeCl , XeF и т. п. Эксимер (EXCIted
diMER) – это молекула, состоящая из атомов благородного газа, например гало-
гена, и характеризующаяся слабой связью между атомами. Она может существовать
только в энергетически возбужденном состоянии. В эксимерном лазере переход
молекул из возбужденного (эксимерного) состояния в основное сопровождается
индуцированным излучением в УФ-области.
Другие виды лазеров и их названия происходят от типов активных сред, поэ-
тому понятны каждому, например лазеры на рубине, аргоновый, гелий-неоновый,
полупроводниковый и т. п. Существует много типов полупроводниковых лазеров
в зависимости от материалов, входящих в состав данного типа полупроводника.
Для диагностической и лечебной практики достаточно знать, что существуют по-
лупроводниковые лазеры и что данному составу полупроводникового материала
соответствует определенная длина волны излучения.
Лазеры можно классифицировать по виду питания и режиму работы. Здесь вы-
деляются устройства непрерывного или импульсного действия. Лазер непрерывного
действия генерирует излучение, исходная мощность которого, измеряемая в ваттах или
милливаттах, остается постоянной на все время его действия. Это иллюстрирует схема,
приведенная на рис. 1.9, при помощи которой можно легко сформулировать понятие
энергетической дозы излучения. Энергетическая доза – это произведение постоянной
мощности на время действия лазера. На рисунке заштрихована область, соответствую-
щая дозе в 1 Дж для лазера, излучающего мощность 5 мВт в течение 200 секунд.
Чтобы определить величину дозы энергии, которую может доставить в течение
единицы времени лазер импульсного действия, схематически показанный на
рис. 1.10, необходимо знать три его параметра:
1) мощность импульса (Римп);
2) длительность импульса (tимп);
3) число единичных импульсов, излучаемых в течение 1 секунды, называемой
частотой повторения импульсов (fпов).
Исходная мощность
(в милливаттах)
5
2,5
0 50 100 150 200 Время в секундах
Момент выключения лазера
1 Дж = 5 мВт x 200 сек.
Рис.1.9. Иллюстрация работы лазера непрерывного действия
+Alex_01.indd 29 29.11.2007 21:52:01
30 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Произведение этих трех параметров и даст в результате так называемую сред-
нюю мощность излучения (Ра.):
Pa = Pимп · tимп · fпов.
Например, при мощности импульса 10 Вт, длительности единичного импульса
200 нс и частоте повторения импульсов 2500 Гц средняя мощность будет равна:
Ра = 10 Вт · 200 нс · 2500 Гц = 5 мВт.
Полученная мощность эквивалентна 5 мВт мощности непрерывного излуче-
ния. Доза энергии – 1 Дж рассчитывается аналогично предыдущему случаю
(1 Дж = 5 мВт · 200 сек.).
Таблица 1.3. Характеристика основных типов лазеров, использующихся в медицинской
практике
Тип лазера
Агрегатное состоя-
ние активного
вещества
Длина волны, нм Диапазон излучения
СO2 газ 10600 инфракрасный
YAG:Er
YSGG:Er
YAG:Ho
YAG:Nd
твердое тело
2940
2790
2140
1064/1320
инфракрасный
Полупроводнико-
вый, например
арсенид галлия
твердое тело
(полупроводник)
635–1500
904
от видимого
до инфракрасного
Рубиновый твердое тело 694 видимый
Гелий-неоновый
(He-Ne)
газ
540
632,8
1150
зеленый, ярко-крас-
ный, инфракрасный
На красителях жидкость
350–950 (перестраи-
ваемая)
ультрафиолет –
инфракрасный
На парах золота газ 628,3 красный
На парах меди газ 511/578 зеленый/желтый
Исходная мощность
(обычно в ваттах)
10
0 100 200 Время в секундах
Мощность в импульсе (Pt)
Ширина импульса (tt)
Средняя мощность (Pa)
Рис.1.10. Иллюстрация идеального импульсного лазера
+Alex_01.indd 3+30 29.11.2007 21:52:02
1.4. Основные свойства лазерного излучения 31
Тип лазера
Агрегатное состоя-
ние активного
вещества
Длина волны, нм Диапазон излучения
Аргоновый газ
488
515
голубой/зеленый
Эксимерный:
ArF
KrF
XeCl
XeF
газ
193
249
308
351
ультрафиолет
С точки зрения мощности излучения (непрерывной или средней) медицинские
лазеры делятся на:
- лазеры малой мощности: от 1 до 5 мВт;
- лазеры средней мощности: от 6 до 500 мВт;
- лазеры большой мощности (высокоинтенсивные): более 500 мВт.
Лазеры малой мощности часто называют мягкими лазерами (от англ. soft lasers).
Лазеры средней мощности в англоязычной литературе называют mid-лазерами, а ла-
зеры большой мощности – hard-лазерами. Лазеры малой и средней мощности при-
числяют к группе так называемых биостимулирующих лазеров (низкоинтенсивных).
Биостимулирующие лазеры находят все более широкое терапевтическое и диагнос-
тическое использование в экспериментальной и клинической медицине.
Основным в медицинской технологии лазерной терапии и диагностики явля-
ется расчет и доставка необходимой дозы энергии излучения к интактному и па-
тологическому объекту. Представим три примера вычисления дозы облучения,
равной 1 Дж, для лазеров трех разных мощностей:
1 Дж = 1 мВт · 1000 с =1 Вт · с,
1 Дж = 10 мВт · 100 с = 1 Вт · с,
1 Дж = 50 мВт · 20 с = 1 Вт · с.
Во многих клинических случаях следует знать облученность патологического очага
при лазерном воздействии. Это можно выразить через плотность энергии (Дж/см2) или
плотность мощности (Вт/см2 или мВт/см2). Теперь более подробно рассмотрим некото-
рые основные свойства излучения лазера, определяющие его возможные применения.
1.4. Основные свойства лазерного излучения
Из многих уникальных свойств излучения для использования лазера в медицине
наибольшее значение имеют следующие четыре:
- монохроматичность;
- большая интенсивность, отнесенная к единице длины волны;
- когерентность;
- направленность пучка.
Что они означают на практике?
Монохроматичность. В простейшем понимании это означает генерацию лазе-
ром излучения с одной длиной волны.
Таблица 1.3. Характеристика основных типов лазеров, использующихся в медицинской
практике (окончание)
+Alex_01.indd 31 29.11.2007 21:52:02
32 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Каждый обыкновенный источник света (белого) в реальности является источ-
ником всех, в том числе и часто невидимых (УФ и ИК), длин волн. Так как каждая
длина волны означает определенный цвет, то белый свет является суммой всех цве-
тов. Основываясь на зависимости показателя преломления от длины волны излу-
чения при использовании призмы, можно разложить белый свет на отдельные
цвета. Разные цвета выходят из призмы под разными углами. Как правило, говорят,
что белый свет разлагается на непрерывный спектр. Спектр делится на цвета от
темно-красного на одном конце до темно-фиолетового на другом. Цвета постепен-
но и непрерывно переходят один в другой на всем спектре. Схема разложения бе-
лого света в спектр с помощью призмы иллюстрируется на рис. 1.11. На этом ри-
сунке представлен и однородный переход монохроматического (одноцветного)
пучка лазерного излучения. Как видно, лазерное излучение, характеризующееся
одной длиной волны и имеющее соответственно один показатель преломления, не
подвергается разложению в спектр при прохождении через призму.
Поэтому вся мощность излучения для типичного источника света расположе-
на в широкой области спектра. При воздействии такого «многофакторного» света
на биологическую ткань большая его часть интенсивно нагревает ткань, вызывая
ряд нежелательных тепловых эффектов, в том числе испарение ткани. Воздействие
монохроматического излучения лазерного источника «монофакторно» и в зависи-
мости от параметров излучения (E, P, t) может выборочно проникать в небольшую,
точно определенную локальную область ткани как с нагревом, так и без ее нагрева.
Очень большие плотности энергии лазерного излучения, сфокусированного опти-
ческими системами, могут стать и являются эффективными, точными лазерными
скальпелями. Низкоинтенсивное лазерное излучение применяют для диагностики
и в качестве физиотерапевтического лечебного воздействия.
Белый свет
а) б)
Свет лазера
Красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Фиолетовый
Рис.1.11. Прохождение света через призму: а) белый свет; б) лазерный
(монохроматический) свет
100
400 500 600 700 800 Длина волны [нм]
50
[%]
Относительная
интенсивность
Фрагмент спектра
обычной лампочки
Линия генерации лазера
Рис.1.12. Спектры излучения обыкновенной лампы и лазера
+Alex_01.indd 3+32 29.11.2007 21:52:02
1.4. Основные свойства лазерного излучения 33
Монохроматичность и свойство вы-
сокой интенсивности лазерного излуче-
ния в узкой линии спектра проиллюст-
рированы на рис. 1.12. На этом рисунке
показан также фрагмент широкого спек-
тра различных ламп.
Чтобы от такой лампочки получить
1 мВт мощности в одном (чистом) цвете
в видимой области, ее полная мощность
должна быть равна 1 миллиону ватт.
В этом случае источник монохромати-
ческого излучения вместе с блоком пи-
тания будет иметь размеры с многоэтаж-
ный дом. Этот пример объясняет, почему
светотерапия с использованием обык-
новенных источников излучения с ра-
зумной мощностью порядка сотен ватт
малоэффективна и поэтому редко ис-
пользуется. Зато мощность 1 мВт совре-
менного полупроводникового лазера
может быть получена от источника раз-
мером с обыкновенную ручку.
Объяснение свойства когерентности
лазерного излучения представлено на рис.
1.13. Рисунок 1.14 показывает картину
распространения некогерентных волн.
Применительно к волновым и колебательным процессам когерентность означает «со-
гласованность», «корреляция». Так, когерентность лазерного излучения означает пос-
тоянную разность фаз между волнами как во времени, так и в пространстве. Иначе
можно сказать, что как вершины, так и впадины между волнами укладываются в одну
линию, т. е. соответствующие параметры волн скоррелированы.
Высокая направленность пучка лазерного излучения (пространственная когерент-
ность) определяет возможность распространения излучения с малой расходимостью
на значительных расстояниях, обеспечивает фокусирование светового лазерного пуч-
ка на объекте до размеров, соизмеримых с длиной волны лазерного излучения. Часто
говорят, что лазерное излучение характеризуется малой угловой расходимостью. Обыч-
но расходимость лазерного пучка составляет величину порядка 1 миллирадиана
(1 мрад). При этом радиан – это единица измерения угла, который обозначает соот-
ношение длины дуги отрезка к его радиусу. На рис. 1.15 показана схема расхождения
излучения обыкновенной лампочки и лазерного источника.
Малая расходимость пучков излучения лазерных источников приводит к воз-
можности эффективной фокусировки такого излучения с помощью оптических
систем. Согласно известной в оптике формуле
d = f · Θ,
то есть размер пятна d в фокусе объектива с фокусным расстоянием f зависит от
угла Θ, характеризующего расходимость пучка.
ЛАЗЕР
Рис.1.13. Когерентные световые волны.
Рис.1.14. Пример пучка некогерентных
световых волн: фазы не совпадают, разность
фаз не постоянна и меняется случайным
образом
R
лазерное излучение
лампа
Рис.1.15. Изменение плотности лазерного
излучения когерентного (лазер) и некогерент-
ного (лампа) источника в зависимости
от расстояния (R)
+Alex_01.indd 33 29.11.2007 21:52:03
34 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Понятно, что только малые величины угла Θ могут гарантировать малые раз-
меры пятна d и обеспечить тем самым ввод низко- и высокоинтенсивного лазер-
ного излучения в оптические волокна малого диаметра (эндоскопы и лапароскопы).
Это свойство имеет большое значение для медицинского использования лазеров.
Высокая интенсивность лазерного излучения при малой расходимости пучка
позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную световую энергию, вы-
зывающую различные процессы в биологической среде, в том числе локальный
разогрев, быстрое испарение и т. п. (табл. 1.4, рис. 1.16, 1.17).
Итак, лазерное излучение характеризуется следующими свойствами:
1. Пространственная когерентность.
2. Временная когерентность и высокая степень монохроматичности.
3. Параллельность пучка.
4. Высокая мощность.
С одной стороны, все это обеспечивает возможность использования лазера как
эффективного хирургического ножа или эффективного точного устройства для ле-
чения отслоения сетчатки глаза, кариеса, доброкачественных и злокачественных
новообразований (невусы, очаги меланомы, базилиома и др.). С другой стороны, в
биостимуляции или лазерной акупунктуре применением лазера (низкоинтенсивно-
го) можно результативно практически в реальном времени на принципе обратной
связи (диагностика по месту лечения) диагностировать и стимулировать позитивные
энергетические и физиологические процессы (реабилитация). Сфокусированный
свет лазера может быть опасен только для глаз и кожи (критические органы). В на-
стоящее время в медицинских приборах наряду с лазерными излучателями широко
Таблица 1.4. Категории взиамодействия
Эффекты Взаимодействие
Фотобиохимическое влияние
Фотоактивизиция, фоторадиация,
фоторезонанс
Биостимулирование
Фотохимиотерапия Фотодинамическая терапия
Фототермическое влияние
Фототермолиз (разложение под
воздействием тепла)
Термическо-динамическое воздействие, перегрев
в микромасштабе
Фотогипертермия
(чрезмерный перегрев под
воздействием света)
(37–43)°С – не наступают необратимые
изменения нормальной ткани,
(43–60)°С – ослабление оболочек, отеки,
припаривание тканей, денатурация энзимов
Фотокоагуляция (60–100) °С – коагуляция, омертвение
Фотокарбонизация
(обугливание)
(100–300) °С – осушение, испарение воды,
обугливание
Фотоиспарение > 300°С – пиролиз (термическое разложение),
испарение главных составляющих постоянной
ткани
Фотоионизация
Фотоабляция (процесс разрыва связей
под воздействием света)
Быстрая «микроэксплозия»
Фотораздробление Ударная волна, вызванная импульсом света
+Alex_01.indd 3+34 29.11.2007 21:52:04
1.5. Безопасность жизнедеятельности 35
используют светодиодную технику, интенсивность и спектральный диапазон кото-
рой позволяет использовать ее в качестве альтернативного источника света в диа-
гностических и физиотерапевтических целях.
В заключительной части этой главы будут представлены основы техники безо-
пасности при работе с лазерами. Показано, что глаза можно эффективно защитить
специальными очками, а для безопасности кожного покрова достаточно не превы-
шать допустимую плотность энергии лазерного излучения в оптиче ских системах.
В том же разделе будут объяснены условия полной безопасности использования ла-
зеров как для пациентов, так и для врача. Об эффективности действия определенно-
го типа лазера (вида лазерного излучения) на отдельные виды биологической ткани
расскажем в последующей части книги.
1.5. Безопасность жизнедеятельности
В реальных клинических условиях на больного, врача, медсестру при использо-
вании лазерного излучения, помимо непосредственного лазерного излучения,
Лазерное излучение
Поглощение фотона
Межмолекулярный перенос энергии
Изменения в облученной ткани:
химические, механические, термические
Изменения в окружении ткани
Биологические реакции
Медицинские результаты
0 [старт]
10J15 сек.
10J12–10J18 сек.
10J8–10J5 сек.
10J3–10J1 сек.
сек.Jчасы
дни
Рис.1.16. Схема временной последовательности отдельных биофизических явлений,
происходящих в биоткани от момента «подачи» к ней лазерного излучения
100
12,4
C;H
11,1 6,3 4,4 2,5 2,1
C;O C;С C;N
6,2 4,9 3,1 2,06
Ионизация
молекул
Диссоциация
молекул
Электронное
возбуждение
Колебательные
процессы
Энергия
фотона, эВ
Энергия
связи, эВ
Вид связи
200 300 400 500 600 700 λ, нм
Рис.1.17. Характеристика процессов при лазером облучении в зависимости от длины
волны
+Alex_01.indd 35 29.11.2007 21:52:05
36 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
негативное воздействие оказывает компьютерное излучение (вследствие широ-
кого распространения компьютеризованных лазерных систем). Кроме этого,
важным условием безопасности работы на лазерных лечебно-диагностических
установках является освещение помещения и рабочего места, этим вопросам и
посвящен раздел 1.5.
1. Опасные и вредные производственные факторы
1.1. Опасные и вредные производственные факторы, возникающие в процессе
изготовления, испытания и эксплуатации лазерных изделий, подразделяются на
физические, химические и психофизиологические.
1.2. К основным физическим опасным и вредным производственным факторам
относят:
- лазерное излучение (прямое, рассеянное или отраженное);
- ультрафиолетовое излучение;
- электромагнитное излучение;
- ионизирующее излучение;
- повышенное значение напряжения в электрических цепях;
- повышенная температура, например, внутренних элементов лазерного из-
делия, а также возможность взрыва – пожароопасности;
- повышенная температура воздуха рабочей зоны;
- повышенный уровень статического электричества;
- повышенная яркость света;
- повышенный шум и вибрации.
1.3. К основным химическим опасным и вредным производственным факторам
относят:
- газы, аэрозоли, жидкости и твердые вещества с концентрацией, превышаю-
щей предельно допустимую;
- продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми ма-
териалами.
1.4. К основным психофизиологическим опасным и вредным производствен-
ным факторам относят:
- монотомию, гипокинезию, эмоциональную напряженность, психологи-
ческий дискомфорт;
- локальные нагрузки на мышцы, кисти, предплечья;
- напряженность анализаторных функций (зрение, слух).
2. Классификация лазерных изделий
2.1. Классификация по степени опасности генерируемого излучения.
Лазерные изделия в зависимости от генерируемого излучения подразделяются
на четыре класса опасности.
Класс 1. Лазерные изделия, безопасные при предполагаемых условиях эксплу-
атации.
Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин
волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями,
включая рефлекс мигания.
Класс 3А. Лазерные изделия, безопасные для наблюдения незащищенным глазом.
Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне от 400 до 700 нм, за-
+Alex_01.indd 3+36 29.11.2007 21:52:05
1.5. Безопасность жизнедеятельности 37
щита обеспечивается естественными реакциями, вклю-
чая эффект мигания. Для других длин волн опасность
для незащищенного глаза не больше, чем класс 1.
Непосредственное наблюдение пучка, испускае-
мого лазерными изделиями класса ЗА с помощью оп-
тических инструментов (например бинокль, телескоп,
микроскоп), может быть опасным.
Класс 3В. Непосредственное наблюдение таких
лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное
излучение обычно безопасно.
Примечание. Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для ла-
зерных изделий ЗВ в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения
между глазом и экраном – 13 см, максимальное время наблюдения – 10 с.
Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они
могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их исполь-
зовании следует соблюдать особую осторожность.
2.2. Класс опасности лазерных изделий определяется при их разработке и ука-
зывается в технических условиях на изделия, эксплуатационной, ремонтной и дру-
гой технической и рекламной документации.
2.3. При поставке изделий на внутренний рынок осуществляется приемка ла-
зерных изделий согласно 7.1–7.3 СанПин 5804.
При этом в зависимости от условий применения (эксплуатации) лазерных из-
делий проводится классификация условий и характера труда по лазерной опаснос-
ти в соответствии с ПДУ, приведенными в СанПин 5804.
2.4. Если в процессе изготовления или эксплуатации лазерного изделия произ-
ведены изменения, влияющие на основные параметры лазерного излучения (мощ-
ность, энергию лазерного излучения, длину волны, диаметр пучка, длительность
импульса и др.), предприятие, осуществляющее такие изменения, должно провести
повторно классификацию лазерного изделия и внести изменения, в том числе по
требованиям опасности, в соответствующую документацию.
2.5. Каждое лазерное изделие должно иметь знак (знаки) предупреждения лазер-
ной опасности (рис. 1.18) с указанием класса изделия.
2.6. Лазерные изделия, при работе которых возможно образование других, по-
мимо лазерного излучения, опасных и вредных производственных факторов, долж-
ны иметь соответствующие знаки безопасности.
3. Требования к размещению лазерных изделий, организации
рабочих мест и помещения
Требования к размещению лазерных изделий, организации рабочих мест и по-
мещениям – в соответствии с настоящим стандартом и ГОСТом 12.3.002.
3.1. Требования к размещению лазерных изделий.
3.1.1. Размещение лазерных изделий в каждом конкретном случае проводится с уче-
том класса опасности изделия, условий и режима труда персонала, особенностей техно-
логического процесса, проводки коммуникаций, планировки помещений и т. д.
Расстояния между лазерными изделиями должны обеспечивать безопасные
условия труда и удобства при эксплуатации, техническом обслуживании и ремон-
те, при этом рекомендуется:
Рис.1.18. Знак лазерной
опасности
+Alex_01.indd 37 29.11.2007 21:52:05
38 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
1) со стороны органов управления лазерных изделий (классов ЗА, ЗВ, 4): при
однорядном расположении – не менее 1,5 м; при двухрядном – не менее 2,0 м;
2) с других сторон – не менее 1,0 м. Общие проходы в указанные значения не
входят.
3.1.2. Траектория прохождения лазерного пучка должна быть заключена в обо-
лочку из несгораемого материала или иметь ограждение, снижающее уровень ла-
зерного излучения.
Траектории лазерного пучка должны иметь цветовую или световую маркиров-
ку, предупреждающие надписи, знак лазерной опасности.
Открытые траектории в зоне возможного нахождения человека должны распо-
лагаться значительно выше уровня глаз. Минимальная высота траектории – 2,2 м.
3.2. Требования к организации рабочих мест.
Рабочие места должны быть организованы таким образом, чтобы исключать
возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величи-
на не превышала ДПИ для класса 1.
3.2.1. Рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех
элементов (органов управления, средств отображения информации, оповещения
и т. д.) должно обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально
учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизиологические возмож-
ности человека.
3.2.2. Следует предусматривать наличие мест для размещения съемных деталей,
переносной измерительной аппаратуры, хранения заготовок, готовых изделий и др.
3.2.3. Наличие оперативной связи для вызова наладчика при нарушении рабо-
ты лазерных изделий классов ЗВ и 4 обязательно.
3.3. Требования к помещениям.
3.3.1. Лазерные изделия, кроме классов 1, 2 и ЗА, как правило, должны эксплу-
атироваться в специально выделенных помещениях либо могут располагаться в
открытом пространстве на фундаментах или платформах транспортных средств.
3.3.2. Помещения должны соответствовать требованиям пожарной безопасности и
иметь необходимые средства предотвращения пожара и противопожарной защиты.
Требования по пожаро- и взрывобезопасности разрабатываются с учетом тех-
нических характеристик лазерных изделий и условий их эксплуатации и должны
соответствовать ГОСТу 12.Г.004, ГОСТу 12.1.010 и другим регламентирующим до-
кументам.
3.3.3. Отделку помещений следует выполнять только из негорючих материалов. Не
допускается применение глянцевых, блестящих, хорошо (зеркально) отражающих ла-
зерное излучение материалов (коэффициент отражения рекомендуется не более 0,4).
3.3.4. Двери помещений должны иметь знак лазерной опасности (приложе-
ние Б). Кроме того, двери помещений, в которых эксплуатируются лазеры классов
ЗВ и 4, должны быть оборудованы специальным замком и дополнительно иметь
надпись: «Посторонним вход воспрещен».
3.3.5. Контроль освещенности рабочей зоны в соответствии с ГОСТом 24940 и
СНиПом 11-4-79. Следует предусматривать необходимые способы регулирования
освещенности и дежурное освещение.
3.3.6. При проектировании помещений для лазерных изделий классов 3В и 4
следует проверить необходимость применения санитарного и функционального
зонирования по лазерной безопасности.
+Alex_01.indd 3+38 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 39
В конкретных случаях схемы зонирования и взаимного расположения поме-
щений зависят от вида, мощности и назначения лазерных изделий, масштаба работ,
пролетов и шагов применяемых строительных конструкций.
3.3.7. К помещениям, в которых лазерные изделия используются в технологи-
ческих целях (т. е. используются как средства производства), предъявляются до-
полнительные требования.
4. Классификация условий и характера труда
По степени защиты персонала от воздействия лазерного излучения условия и
характер труда при эксплуатации лазерных изделий независимо от класса изделия
подразделяют на:
а) оптимальные – исключающие воздействие на персонал лазерного излучения;
б) допустимые – уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал,
меньше ПДУ, установленного СанПиН 5804;
в) вредные и опасные – уровень лазерного излучения, воздействующего на
персонал, превышает ПДУ.
5. Требования безопасности при эксплуатации и
обслуживании лазерных изделий
Выполнение требований безопасности должно обеспечивать исключение или
максимальное уменьшение возможности облучения персонала лазерным излуче-
нием, а также воздействия на него других опасных факторов, перечисленных в
разделе 1.
5.1. Ввод в эксплуатацию лазерных изделий классов ЗА, ЗВ и 4 с установлени-
ем условий и характера труда должна осуществлять комиссия предприятия-потре-
бителя в соответствии с требованиями 7.1–7.4 СанПин 5804. Состав комиссии
определяет администрация предприятия с включением в ее состав представителей
Госсанэпиднадзора. Решение комиссии оформляют актом.
5.2. Если в процессе эксплуатации лазерного изделия произошли изменения
условий и характера труда, следует провести их повторную классификацию в со-
ответствии с 10.1.
5.3. К ремонту, наладке и испытанию лазерных изделий допускаются лица,
имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие инструктаж по технике
безопасности в установленном порядке.
5.4. К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие 18 лет, не
имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие курс специального обуче-
ния в соответствии с ГОСТ 12.0.004, обучение в установленном порядке работе с
конкретным лазерным изделием и аттестацию на группу по охране труда при ра-
боте на электроустановках с соответствующим напряжением.
5.5. При эксплуатации лазерных изделий выше класса 2 должно назначаться
лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.
5.6. Обслуживающий персонал должен обеспечиваться средствами индивиду-
альной защиты, в том числе специальными защитными очками или щитками со
светофильтрами.
5.7. При работе с лазерными изделиями классов ЗВ и 4, являющимися особо
потенциально опасными в части травм и ожогов, рекомендуется применять защит-
ную одежду, изготовленную из жаростойкого и отражающего материала.
+Alex_01.indd 39 29.11.2007 21:52:06
40 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
5.8. Необходимо принимать меры предосторожности, исключающие непос-
редственное визуальное наблюдение лазерного пучка.
5.9. При проведении наладочных и котировочных работ в качестве мишени
рекомендуется использовать визуализаторы. Для индикации излучения также мож-
но использовать матовую бумагу, засвеченную фотобумагу, копировальную бумагу,
термочувствительную бумагу и другие материалы. Применять в качестве мишени
асбестосодержащие материалы запрещается. Место, где проводят наладочные и
котировочные работы лазерных изделий классов ЗВ и 4, следует оградить щитами.
Для лазерных изделий классов ЗВ и 4 целесообразно предусматривать автомати-
ческую юстировку и дистанционный контроль.
5.10. Лазерные изделия, находящиеся в эксплуатации, должны подвергаться
регулярной профилактической проверке.
При проведении профилактической проверки следует обращать внимание на
безотказность работы всех защитных и блокирующих устройств, надежность за-
земления.
6. Медицинский контроль
6.1. Лица, работающие с лазерным излучением (в процессе изготовления,
испытаний и эксплуатации), должны проходить медицинское обследование в
соответствии с приказом Министерства здравоохранения России № 555 от 27.09.
89 (№ 90 от 14.03.96. – Прим. автора).
6.2. Персонал, подвергающийся воздействию веществ, являющихся аллерге-
нами (например, промышленных аэрозолей), в обязательном порядке осматри-
вается дополнительно отоларингологом и дерматологом с проведением клини-
ческого анализа крови.
6.3. При исключении воздействия на персонал вредных и опасных производс-
твенных факторов вопрос об отмене требований решается местными органами
Госсанэпиднадзора.
7. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения
7.1. Определение класса лазеров основано на учете их выходной энергии
(мощности) и предельно допустимого уровня (ПДУ) облучения для критических
органов (глаза, кожа и видимые слизистые оболочки) и организма человека в це-
лом.
7.2. К лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, то есть такие
лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опас-
ности при облучении глаз и кожи.
7.3. Лазеры II класса – это лазеры, выходное излучение которых представляет
опасность при облучении глаз и кожи человека коллимированным пучком (опас-
ность при облучении кожи существует только в I и III спектральных диапазонах –
длина волны от 180 до 380 нм и от 1400 до 10 нм); диффузно отраженное излучение
безопасно как для кожи, так и для глаз во всех спектральных диапазонах.
7.4. К лазерам III класса относят такие лазеры, выходное излучение которых
представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и
диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверх-
ности (или) при облучении кожи коллимированным излучением. Диффузно от-
раженное излучение не представляет опасности для кожи. Этот класс распростра-
+Alex_01.indd 4+40 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 41
няется только на лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне II
(длина волны от 380 до 1400 нм).
7.5. Четвертый (IV) класс включает такие лазеры, диффузно отраженное из-
лучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 см от
отражающей поверхности.
7.6. Лазеры классифицирует предприятие-изготовитель по выходным харак-
теристикам излучения расчетным методом в соответствии с таблицей 4.1.
7.7. При определении класса опасности лазера, излучающего на двух и более
длинах волн, основываются на значениях предельно допустимых уровней.
7.8. Класс опасности лазерного изделия определяется классом используемо-
го в нем лазера.
8. Контроль уровней опасных и вредных факторов при работе с лазерами
8.1. Сущность дозиметрического контроля лазерного излучения заключается
в оценке тех характеристик лазерного излучения, которые определяют его способ-
ность вызывать биологические эффекты, и сопоставлении их с нормируемыми
величинами.
8.2. Следует различать 2 формы дозиметрического контроля: предупредитель-
ный (оперативный) дозиметрический контроль и индивидуальный дозиметриче-
ский контроль.
Предупредительный дозиметрический контроль заключается в определении
максимальных уровней энергетических параметров лазерного излучения в точках
на границе рабочей зоны. Индивидуальный дозиметрический контроль заключа-
ется в измерении уровней энергетических параметров излучения, воздействующе-
го на глаза (кожу) конкретного работающего в течение рабочего дня.
8.3. Предупредительный контроль проводится в соответствии с регламентом,
утвержденным администрацией предприятия, но не реже одного раза в год в по-
рядке текущего санитарного надзора, а также в следующих случаях:
– при приемке в эксплуатацию новых лазерных изделий II–IV классов;
– при внесении изменений в конструкцию действующих лазерных изделий;
– при изменении конструкции средств коллективной защиты;
– при проведении экспериментальных и наладочных работ;
– при аттестации рабочих мест;
– при организации новых рабочих мест.
8.4. Предупредительный дозиметрический контроль проводят при работе ла-
зера в режиме максимальной отдачи мощности (энергии), определенной в пас-
порте на изделие и конкретными условиями эксплуатации.
8.5. Индивидуальный дозиметрический контроль проводят при работе на от-
крытых лазерных установках (экспериментальные стенды), а также в тех случаях,
когда не исключено случайное воздействие лазерного излучения на глаза или
кожу.
8.6. Дозиметры лазерного излучения должны соответствовать требованиям
ГОСТ 24469. При измерениях энергетических параметров лазерного излучения
предел допускаемой погрешности не должен превышать 30 %.
Аппаратура, применяемая для измерений энергетических параметров лазер-
ного излучения, должна быть аттестована органами Госстандарта СССР и прохо-
дить государственную проверку в установленном порядке.
+Alex_01.indd 41 29.11.2007 21:52:06
42 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
8.7 Для проведения дозиметрического контроля руководством предприятия
назначается специальное лицо из числа инженерно-технических работников.
8.8 Методы проведения различных форм дозиметрического контроля лазер-
ного излучения определены ГОСТом 12.1.031.
8.9 Контроль уровней других опасных и вредных производственных факто-
ров, сопутствующих работе лазерных изделий, проводят в соответствии с дейс-
твующими нормативно-методическими документами.
9. Требования к эксплуатации лазерных изделий
9.1. При эксплуатации лазерных изделий II–IV класса назначается инженер-
но-технический работник, прошедший специальное обучение, отвечающий за
обеспечение безопасных условий работы.
9.2. При изменении потребителями технических параметров лазерного изде-
лия, влияющих на характер его работы или выполняемые им функции, лицо или
организация, осуществляющие эти изменения, несут ответственность за проведе-
ние повторной классификации и изменение знаков и надписей на лазерном изде-
лии.
9.3. Лазерные изделия III–IV класса до начала их эксплуатации должны быть
приняты комиссией, назначенной администрацией учреждения, с обязательным
включением в ее состав представителей Госсанэпиднадзора. Комиссия устанавли-
вает выполнение требований настоящих Правил, решает вопрос о вводе лазерных
изделий в эксплуатацию. Решение комиссии оформляется актом.
9.4. Для ввода лазерного изделия III и IV класса в эксплуатацию комиссии
должна быть представлена следующая документация:
– паспорт на лазерное изделие;
– инструкция по эксплуатации и технике безопасности;
– утвержденный план размещения лазерных изделий;
– санитарный паспорт.
9.5. Безопасность на рабочих местах при эксплуатации лазерных изделий долж-
на обеспечиваться конструкцией изделия. В пределах рабочей зоны уровни воз-
действия лазерного излучения и других неблагоприятных производственных фак-
торов не должны превышать значений, установленных настоящими Правилами и
другими нормативными документами.
9.6. По окончании работы на лазерных изделиях III, IV класса ключ управле-
ния должен быть удален из гнезда.
9.7. Запрещается отключать блокировку и сигнализацию во время работы ла-
зера или зарядки конденсаторных батарей.
9.8. Пучок излучения лазеров II–IV класса должен ограничиваться на конце
своей полезной траектории диффузным отражателем или поглотителем.
9.9. Для предотвращения пожара при эксплуатации лазерных изделий IV клас-
са в качестве ограничителей следует применять хорошо охлаждаемые металли ческие
мишени или огнеупорные материалы достаточной толщины. При этом следует
соблюдать осторожность, так как оплавление этих материалов может приводить к
зеркальному отражению излучения.
9.10. При использовании лазерных изделий III и IV класса область взаимодейс-
твия лазерного пучка и мишени должна ограждаться материалами, непрозрачными
для лазерного излучения.
+Alex_01.indd 4+42 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 43
9.11. При транспортировании излучения от лазеров III, IV класса должны ис-
пользоваться специальные системы, исключающие попадание в рабочие помеще-
ния прямого и зеркально отраженного излучения.
9.12. Защитные экраны систем транспортирования не должны разрушаться при
случайном кратковременном воздействии на них транспортируемого лазерного
излучения.
9.13. Система транспортирования перед началом эксплуатации должна быть
принята комиссией.
9.14. Открытые траектории излучения лазеров II класса должны располагаться
выше или ниже уровня глаз работающих.
9.15. Зеркала, линзы и делители пучков должны быть жестко закреплены для
предотвращения случайных зеркальных отражений излучения лазерных изделий
II–IV класса в рабочую зону; перемещение их может производиться во время ра-
боты лазера только под контролем ответственного лица с обязательным примене-
нием средств индивидуальной защиты.
9.16. Запрещается проводить визуальную юстировку лазеров II–IV класса.
9.17. Запрещается использовать оптические системы наблюдения (бинокли,
микроскопы, теодолиты и др.), не оснащенные средствами защиты от излучения.
9.18. Должны проводиться организационно-технические мероприятия, вклю-
чающие предварительную разработку схемы размещения лазерных пучков, при
строгом контроле за соблюдением настоящих Правил. В указанных случаях запре-
щается применение лазерных изделий III и IV класса.
9.19. Зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться знака-
ми лазерной опасности. Если лазерный пучок выходит за пределы контролируемой
зоны, в конце его полезной траектории должен быть ограничитель.
9.20. Безопасность при работе с открытыми лазерными изделиями обеспечи-
вается путем применения средств индивидуальной защиты.
9.21. На рабочем месте необходимо иметь инструкцию по технике безопаснос-
ти для работающих на лазерном изделии, аптечку и инструкцию по оказанию пер-
вой помощи пострадавшему.
9.22. Производственные помещения, в которых эксплуатируются лазерные из-
делия, должны отвечать требованиям действующих строительных норм и правил
и обеспечивать безопасность обслуживания изделий.
9.23. Для лазерных изделий III, IV класса, исходя из конструктивных и техно-
логических особенностей, должны быть соблюдены следующие нормативы:
– с лицевой стороны пультов и панелей управления – не менее 1,5 м при одно-
рядном расположении лазерных изделий и не менее 2 м при двухрядном;
– с задней и боковой сторон лазерных изделий при наличии открывающихся
дверей, съемных панелей и других устройств, к которым необходим доступ, –
не менее 1,0 м.
9.24. Стены и перегородки помещений, в которых размещаются лазерные из-
делия III, IV классов, должны изготавливаться из несгораемых материалов с мато-
вой поверхностью.
9.25. Естественное и искусственное освещение помещений должно удовлетво-
рять требованиям действующих норм. В помещениях или зонах, где используются
очки для защиты от лазерного излучения, уровни освещенности должны быть по-
вышены на I ступень.
+Alex_01.indd 43 29.11.2007 21:52:07
44 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
9.26. Параметры микроклимата и содержание вредных веществ в воздухе рабо-
чей зоны должны соответствовать требованиям действующих нормативных доку-
ментов.
9.27. Помещения, в которых при эксплуатации лазерных изделий происходит
образование вредных газов и аэрозолей, должны быть оборудованы общеобменной,
а в необходимых случаях и местной вытяжной вентиляцией для удаления загряз-
ненного воздуха с последующей его очисткой. В случае использования веществ I и
II классов опасности должна быть предусмотрена аварийная вентиляция.
9.28. Двери помещений, в которых размещены лазерные изделия III, IV класса,
должны быть заперты на внутренние замки с блокирующими устройствами, ис-
ключающими доступ в помещения во время работы лазеров. На двери должен быть
знак лазерной опасности (рис. 1.18) и автоматически включающееся световое таб-
ло «Опасно, работает лазер!».
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. Основные принципы генерации света и
конструкция лазера
Как известно, лазер – это источник света (оптического излучения) с особыми ха-
рактеристиками (монохроматичность, когерентность, поляризация). Чтобы понять
эти особенности, следует сначала вспомнить, что такое свет.
Под словом «свет» понимают все известные формы оптического излучения, как
видимые человеческим глазом, так и прилегающие к ним (невидимые). Оптическим
излучением, или светом, называются электромагнитные волны (электромагнитное
излучение), длины которых в вакууме находятся в диапазоне от 10 нм до 1 мм (гра-
ницы условны). Таким образом, в указанном спектральном диапазоне к оптическо-
му излучению относят инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения.
Теоретически свет можно рассматривать как электромагнитную волну, так и
поток фотонов. Поэтому свету присущи как волновые характеристики, так и кор-
пускулярные.
Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле; она характеризуется векторами напряженности электри-
ческого и индукции магнитного полей, составляющих единое электромагнитное
поле. Свет, испускаемый обычными (нелазерным) источниками, представляет со-
бой набор множества поляризованных волн, электрические векторы которых ко-
леблются вдоль всевозможных направлений, перпендикулярных лучу. Свет будет
естественным, если ни одно из направлений колебаний не является преимущест-
венным, то есть результирующая напряженность электрического поля совершает
в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно из-
меняется в плоскости, перпендикулярной к лучу.
Электромагнитная волна монохроматична, если ее векторы напряженности
электрического и магнитных полей совершают гармонические колебания с одина-
ковой постоянной частотой.
В настоящее время широкое распространение в медицинской практике при
лечении различных заболеваний приобрело использование лазерного излучения,
являющегося монохроматическим оптическим излучением, которое характеризу-
ется значительной энергией и мощностью, высокой направленностью и когерен-
тностью излучения. Более подробно эти характеристики лазерного излучения будут
рассмотрены ниже.
Согласно волновой теории, оптическое излучение описывается такими основ-
ными параметрами, как длина волны (λ), частота (f) и амплитуда (А). От амплиту-
ды волны зависят величина передаваемой мощности и энергия света. Частота (f)
зависит от периода волны (Т).
Параметры: амплитуда (А) и период (Т) отображены на рис. 1.1.
+Alex_01.indd 17 29.11.2007
ГЛАВА 1
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1.1. Основные принципы генерации света и
конструкция лазера
Как известно, лазер – это источник света (оптического излучения) с особыми ха-
рактеристиками (монохроматичность, когерентность, поляризация). Чтобы понять
эти особенности, следует сначала вспомнить, что такое свет.
Под словом «свет» понимают все известные формы оптического излучения, как
видимые человеческим глазом, так и прилегающие к ним (невидимые). Оптическим
излучением, или светом, называются электромагнитные волны (электромагнитное
излучение), длины которых в вакууме находятся в диапазоне от 10 нм до 1 мм (гра-
ницы условны). Таким образом, в указанном спектральном диапазоне к оптическо-
му излучению относят инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения.
Теоретически свет можно рассматривать как электромагнитную волну, так и
поток фотонов. Поэтому свету присущи как волновые характеристики, так и кор-
пускулярные.
Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле; она характеризуется векторами напряженности электри-
ческого и индукции магнитного полей, составляющих единое электромагнитное
поле. Свет, испускаемый обычными (нелазерным) источниками, представляет со-
бой набор множества поляризованных волн, электрические векторы которых ко-
леблются вдоль всевозможных направлений, перпендикулярных лучу. Свет будет
естественным, если ни одно из направлений колебаний не является преимущест-
венным, то есть результирующая напряженность электрического поля совершает
в каждой точке поля колебания, направление которых быстро и беспорядочно из-
меняется в плоскости, перпендикулярной к лучу.
Электромагнитная волна монохроматична, если ее векторы напряженности
электрического и магнитных полей совершают гармонические колебания с одина-
ковой постоянной частотой.
В настоящее время широкое распространение в медицинской практике при
лечении различных заболеваний приобрело использование лазерного излучения,
являющегося монохроматическим оптическим излучением, которое характеризу-
ется значительной энергией и мощностью, высокой направленностью и когерен-
тностью излучения. Более подробно эти характеристики лазерного излучения будут
рассмотрены ниже.
Согласно волновой теории, оптическое излучение описывается такими основ-
ными параметрами, как длина волны (λ), частота (f) и амплитуда (А). От амплиту-
ды волны зависят величина передаваемой мощности и энергия света. Частота (f)
зависит от периода волны (Т).
Параметры: амплитуда (А) и период (Т) отображены на рис. 1.1.
+Alex_01.indd 17 29.11.2007 21:51:48
18 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Период (Т) – это время, за которое система совершает одно полное колебание.
Период колебаний измеряется в секундах (с), а частота колебаний (f) – в герцах (Гц).
Единица измерений частоты обратна единице измерения времени, то есть 1/с. От-
сюда очевидно, что один герц – это один импульс света, выпущенный за одну се-
кунду и распространяющийся со скоростью (V); например см/с, м/с и т. д. Таким
образом, длина волны (λ) – это расстояние:
λ = v · Т или λ = v · (1/f).
Длину волны (λ) для оптического излучения удобно измерять в нанометрах (нм).
Нанометр – это одна миллиардная часть метра (1 нм = 10-9 м = 0,000000001 м).
На практике часто используют и другие меры длины волны и частоты (табл. 1).
Таблица 1.1. Наиболее часто используемые единицы измерения длины волны и частоты
колебаний
Длина волны Частота
1 см=10-2м = 0,01 м (1 сантиметр) 1 кГц=103 Гц=1000 Гц (1 килогерц)
1 мм= 10-3м = 0,001 м (1 миллиметр) 1 МГц=106 Гц= 1000000 Гц (1 мегагерц)
1 мкм = 10-6 м (1 микрометр) 1ГГц=109 Гц (1 гигагерц)
1 нм = 10-9 м (1 нанометр) 1 ТГц=1012 Гц (1 терагерц)
Непрерывная последовательность частот длин волн электромагнитных излу-
чений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное
магнитное поле, для наглядности изображается в виде шкалы электромагнитных
волн (рис. 1.2).
В зависимости от частоты электромагнитных волн и способа регистрации из-
лучения различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, опти-
ческое, рентгеновское, гамма- и космическое излучения. Границы между различ-
ными видами электромагнитных излучений весьма условны – последовательные
участки шкалы плавно переходят друг в друга. Как говорилось выше, к оптическо-
му излучению (диапазон длин волн от 10 нм до 1 мм) относятся инфракрасное,
видимое и ультрафиолетовое излучения.
Видимым излучением, или видимым светом, является электромагнитное из-
лучение, способное вызывать зрительное ощущение в человеческом глазу. Свет,
видимый человеческим глазом, находится в диапазоне от 385 (400) до 700 (760) нм.
Изменение длины волн в этой области замечается человеческим глазом как смена
Период (T)
Время
Амплитуда (А)
Рис.1.1. График изменения волны во времени
+Alex_01.indd 1+18 29.11.2007 21:51:56
1.1. Основные принципы генерации света и конструкция лазера 19
цвета. Электромагнитные волны, длины которых в вакууме более 760 нм (чаще
700 нм), относятся к видимой инфракрасной (ИК) области. Источниками инфра-
красного излучения являются все нагретые относительно окружающей среды тела.
Излучение с длиной волны менее 385 нм (чаще 400 нм) относится к невидимой
ультрафиолетовой (УФ) области. Невидимые УФ-лучи обладают активным хими-
ческим и биологическим действием (например, благодаря их бактерицидным
свойствам уничтожаются болезнетворные бактерии). Это объясняется высокой
энергией квантов УФ-диапазона, которая значительно больше, чем энергия кван-
тов видимого и ИК-диапазона.
Распространение электромагнитных волн связано с переносом энергии элек-
тромагнитного поля в определенном направлении. Поэтому определим еще не-
сколько важных для медицинской практики понятий и единиц измерения. Одно
из них – энергия излучения (Е). Результат воздействия электромагнитной волны
на биологический объект зависит от количества поглощенной энергии (дозы).
Энергия измеряется в джоулях (Дж).
Трактуя свет как пучок фотонов, можно каждый из них считать частицей, ко-
торая переносит определенное количество энергии. Энергия фотона (Еф) выража-
ется следующим образом:
Еф = h · ν, где h – постоянная Планка, h = 6,63 · 10-34 Дж·с.
Общая энергия Е в пучке будет суммой энергии (Еф) всех фотонов.
Мощность излучения (Р) – это величина, выражающая количество энергии (Е)
(дозу), передаваемой за единицу времени t:
P = E/t.
* Единицы, производные от 1 Дж: 1 мДж = 0,001 Дж = 10-3 Дж, 1 кДж = 1000 Дж = 103 Дж.
** 1 Вт= 1 Дж/с.
Единицы, производные от 1 Вт: 1 мВт = 0,001 Вт= 10-3 Вт, 1 кВт =1000 Вт = 103 Вт.
Мощность измеряется в ваттах (Вт).
Космическое
излучение
Рентгеновское
излучение
УФJизлучение
ГаммаJизлучение
Видимый свет
ИКJизлучение
Радиоволны
300 ТГц
0,01 нм
157 нм
408 нм
500 нм
600 нм
700 нм
800 нм
340 мкм
Фиолетовый
Голубой
Зеленый
Желтый
Оранжевый
Красный
Инфракрасный
Видимый свет
Диапазон длин волн, в котором работают лазеры
Ультрафиолет
0,1 нм
1 нм
10 нм
102 нм
103 нм
104 нм
105 нм
106 нм
107 нм
108 нм
109 нм
1010 нм
1011 нм
300 ГГц
3 ГГц
30 МГц
30 ТГц
Рис.1.2. Шкала электромагнитных волн. Пределы длин волн оптического излучения
+Alex_01.indd 19 29.11.2007 21:51:56
20 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Поверхностная плотность энергии (D) – это количество энергии, приходящее-
ся на единицу площади S:
D = E/S.
Эта величина измеряется в джоулях на см2 (Дж/см2).
Аналогично поверхностная плотность мощности E = P/S; эта величина изме-
ряется в ваттах (милливаттах) на см2 (Вт/см2, мВт/см2).
Объемная плотность энергии – это количество энергии на единичный объем,
измеряется в Дж/см3. На практике используются единицы поверхностной и объ-
емной плотности мощности излучения (Вт/см2 и Вт/см3). Единицы измерения
света обычно применяют для количественной характеристики эффектов биологи-
ческого и лечебного действия лазерного излучения (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Схема энерговложения при лазерной обработке биологических тканей
Физическое
явление
Наименование
величины, характе-
ризующей явление
Схема
Обозначение, единица
измерения
Генерация
излучения
Поток
Энергия Лазер
S
Sрасп биоткани
Р[Вт]
W = P·t [Дж]
Генерируе-
мое излуче-
ние на торце
излучателя
Излучательность Rc = P/Sлуча [Вт·м-2]
Взаимодейс-
твие излуче-
ния с поверх-
ностью БО
Энергетическая
освещенность
Энергетическая сила
(интенсивность)
Энергетическая
экспозиция
Ee = P/Sлуча [Вт·м-2]
Iе=Р/ϕ [Вт · cр]
He = Ее · t [Дж·м-2]
Взаимодейс-
твие ЛИ
с веществом
(с учетом
оптических
характерис-
тик излучае-
мого биологи-
ческого
объекта)
Коэффициент
отражения
Коэффициент
поглощения
Коэффициент
пропускания
Плотность погло-
щенного потока
Энергетическая
экспозиция
Доза
ρ = Pотр/P0
γ = Pпогл/P0
τ = Pпроп/P0
Ее
ОБ = {P0·(1-ρ)}/ Sлуча
[Вт·м-2]
Hе
ОБ = Ее
ОБ · t
[Дж·м-2]
D = P0·(1 - ρ) · t [Дж]
+Alex_01.indd 2+20 29.11.2007 21:51:57
1.2. Физические основы действия лазеров 21
1.2. Физические основы действия лазеров
Лазер (от английского слова Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) – усиление света посредством вынужденного испускания излучения.
Условия генерации излучения первым описал лауреат Нобелевской премии
А. Эйнштейн в 1917 году. Он выдвинул гипотезу о возможности получения эффек-
та индуцированного излучения, основываясь на нескольких основных законах
физики.
Известно, что каждый атом имеет электроны, которые вращаются по орбитам
вокруг ядра. Отрицательно заряженные электроны притягиваются положительно
заряженным ядром. Для того, чтобы удержать их на определенном удалении друг
от друга, требуется энергия. Расстояние, на котором находятся электроны от ядра,
определяет их энергетическое состояние.
Согласно квантовой теории строения атома, развитой Н. Бором, в атоме су-
ществуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением вре-
мени без внешних воздействий на атом. Каждому стационарному состоянию со-
ответствует определенная энергия атома Еn. Электрон движется по стационарным
орбитам, не излучая энергии. При этом существует дискретный ряд орбит, по ко-
торым электрон может двигаться в стационарном состоянии. При переходе атома
из одного стационарного состояния в другое испускается (или поглощается) один
фотон, т. е. атом излучает (поглощает) один фотон. Таким образом, атом излучает
(поглощает) один квант электромагнитной энергии при переходе атома с орбиты
с большим (меньшим) значением энергии на орбиту, характеризующуюся меньшей
(большей) энергией. Состояние с наименьшей энергией называется основным, а с
большей – возбужденным состоянием.
Итак, переход электрона с уровня Еn на более низкий En-1 – это потеря энергии,
равная Еn - En-1. Эта энергия выделяется в виде излучения и равна энергии фотона:
Eф = En - En-1 = h · f =h · c/λ.
Отсюда следует, что длина волны излучения λ в результате энергетического пе-
рехода будет равна:
λ = h · c / (En - En-1).
Из сказанного выше можно сделать следующие выводы:
1) длина волны излучения, создаваемого атомной системой, зависит только от
разницы энергии En - En-1 (так как h · с – величина постоянная);
2) если энергетические уровни Еn и En-1 значительно отделены друг от друга
(большая разница энергий), то имеет место коротковолновое излучение;
3) если уровни, между которыми происходит переход электронов в атомной
системе, близки между собой, имеет место длинноволновое излучение (с меньшей
энергией фотонов).
Эйнштейн отметил, что если создать условия атомной системы, в которых воз-
можны были бы только чистые переходы между двумя выбранными уровнями, то
в этом случае создаваемое излучение имело бы одну длину волны. Такое излучение
называется монохроматическим. В известных до открытия лазера генераторах (ис-
+Alex_01.indd 21 29.11.2007 21:51:57
22 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
точниках излучения, например ламповых) получали сумму многих «цветов» как
результат многих энергетических переходов между большим количеством атомных
и молекулярных уровней.
Каким образом вызвать (вынудить) переход электрона между двумя определен-
ными энергетическими уровнями в данной материальной среде? Этот вопрос задал
себе Эйнштейн в 1917 году. Как же он искал ответ?
Для того, чтобы атом или молекула могли испускать излучение, они должны
находиться на высшем энергетическом уровне, то есть должны быть возбуждены.
Один из способов возбуждения — это поглощение излучения внешнего источника.
Процесс возбуждения атома квантом излучения с энергией h · f от внешнего ис-
точника иллюстрирует рис. 1.3.
Излучение, падающее снаружи, имеет энергию квантов, равную или большую
энергии ΔЕ = E2 – Е1. Атом, поглощая фотон, возбуждается путем перехода элект-
рона из основного состояния Е1 в возбужденное состояние E2. Электроны в энерге-
тических состояниях выше, чем нормальное (основное) состояние атома, «пребы-
вают» там очень недолго, стремясь естественным способом вернуться в свое
основное состояние. Самопроизвольный возврат к «нормальности» происходит при
помощи спонтанной релаксации в атоме. Этот процесс показан на рис. 1.4.
Излучаемый в процессе спонтанной релаксации свет – это сумма большого ко-
личества фотонов, образующихся в результате переходов с множества разных энер-
гетических уровней. Такой свет – это пучок фотонов с разными длинами волн.
А значит, это белый свет, который мы знаем по лампочкам, светильникам и подоб-
ным нелазерным источникам. Спонтанное излучение одновременно распростра-
няется во всех возможных направлениях.
Эйнштейн обратил внимание на другую возможность эмиссии квантов излу-
чения. Он пытался найти условия испускания большого количества квантов с оди-
Энергетическое
состояние атома J En
Электрон
Электрон
En
EnJ1
En
EnJ1 Энергетическое
состояние атома J EnJ1
Рис.1.3. Схема процесса возбуждения атома при поглощении им фотона
Фотон с энергией
ΔE = E2 J E1
E1
E2
E1
E2
Рис.1.4. Схема процесса спонтанной излучательной релаксации электрона
+Alex_01.indd 2+22 29.11.2007 21:51:58
1.2. Физические основы действия лазеров 23
наковой энергией и в точно определенном направлении. Ученый предположил,
что если возбужденную ранее атомную систему облучить фотонами с энергией,
соответствующей желаемому энергетическому переходу (например E1 → Е0), тог-
да можно было бы индуцировать испускание фотонов с этой энергией. Поэтому
он предложил для реализации процесс вынужденного испускания направленных
фотонов с одинаковой энергией. Схема вынужденной эмиссии представлена на
рис. 1.5. Атом в возбужденном состоянии E1 под влиянием кванта с энергией
ΔЕ = E1 – Е0 излучает один квант с такой же энергией ΔЕ. В итоге получаются два
кванта с одинаковой энергией
Кроме того, на рис. 1.5 отображен процесс усиления света (Light Amplification).
Один вынуждающий фотон приводит к испусканию второго фотона в том же на-
правлении. На этом принципе основана работа лазера.
Вынужденная эмиссия (Stimulated Emission of Radiation) и энергетическое уси-
ление, реализованное в этом процессе, говорят о необычных отличительных и цен-
ных свойствах лазерного излучения.
Основные свойства лазерного излучения – это монохроматичность, когерент-
ность, направленность и большие мощности излучения. Идеи Эйнштейна, хотя и
очень простые на первый взгляд, оставались более 40 лет нереализованными на
практике.
Идеи ученого удалось претворить в жизнь во второй половине 50-х годов про-
шлого века при исследовании системы генераторов, создающих микроволновое
излучение в резонаторах. В этих системах было получено как усиление излучения,
так и моноэнергетичность (монохроматичность) и направленность излучения.
Микроволновые генераторы со свойствами излучения, которые предвидел Эйн-
штейн, называли мазерами (MASER – Microwave Amplification by Stimulated
Emission of Radiation). Отсюда оставался только один шаг до генерации излучения
в оптическом диапазоне – от микроволн к свету. Проще говоря, в системе лазера
СВЧ-резонатор заменен оптическим резонатором. Использовали комплект из
двух специальных параллельно установленных оптических зеркал, известных как
интерферометр Фабри-Перо. Оптический резонатор обеспечивает многократное
прохождение излучения через активное вещество, расположенное между двумя
плоскими параллельными зеркалами. Первый лазер практически был запущен
только в 1960 году.
Коротко поясним основной принцип работы лазеров. На рис. 1.6 представлена
упрощенная схема трехуровневой атомной системы, на которой показаны процес-
сы возбуждения и генерации лазерного излучения. Рис. 1.7 иллюстрирует схему
конструкции любого из известных (а их на сегодняшний день свыше 6000 типов)
лазеров.
Фотон с энергией
ΔE = E2 J E1 2 фотона с энергией
ΔE = E2 J E1
E1
E2
E1
E2
Рис.1.5. Схема процесса вынужденного излучения
+Alex_01.indd 23 29.11.2007 21:51:58
24 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Что еще необходимо знать о лазерах медицинской практики? Очевидно, что
для умения различать лазеры и представлять их основные типы необходимо озна-
комиться с еще несколькими понятиями из физики и несколькими важными эле-
ментами конструкции лазеров.
С точки зрения физики рассмотрим понятия инверсной населенности энер-
гетических уровней, накачки активной среды и способов усиления. А с точки
зрения конструкции – классификацию лазеров по типу активного материала,
мощности, области спектра генерации излучения и т. п. Для этого используем
схемы на рис. 1.6 и 1.7.
С точки зрения волновой оптики атом, находящийся в электрическом поле на
возбужденном энергетическом уровне, может с некоторой вероятностью перейти
под действием поля в основное состояние. Такой переход сопровождается вынуж-
денным (индуцированным) излучением, вызванным действием на вещество электро-
магнитной волны. Явление вынужденного излучения означает, что при прохож-
дении электромагнитной волны сквозь вещество в возбужденном состоянии ее
Нестабильный уровень
Направленное
лазерное излучение
(монохроматическое, E2 J E1)
E1
E2
E3
Безызлучательный
переход
Основной уровень
Метастабильный
уровень
Рис.1.6. Схема трехуровневой атомной системы, иллюстрирующая возбуждения (накачки)
активного центра и генерации лазерного излучения
АКТИВНОЕ
ВЕЩЕСТВО
Источник позбуждения
Лазерное
излучение
Источник возбуждения
Зеркала оптического
резонатора
Рис. 1.7. Упрощенная схема конструкции лазера
+Alex_01.indd 2+24 29.11.2007 21:51:59
1.2. Физические основы действия лазеров 25
интенсивность увеличивается. Причем вынужденное излучение строго когерентно
с вызвавшей его волной. Когерентность означает то, что фотон, полученный в ре-
зультате вынужденного излучения, ничем не отличается от фотона, вызвавшего его
появление (вынужденное излучение по своим свойствам совершенно одинаково с
тем излучением, которое вызывает его появление).
Оказалось, что функционирование лазера невозможно без инверсии населеннос-
ти, а последняя – без накачки (возбуждения) активной среды. Для получения вынуж-
денного излучения необходимо создать в среде неравновесное (инверсное) состояние,
характеризующееся большим числом атомов (молекул, ионов) на возбужденном
уровне по сравнению с нижним (основным). В этом случае получается инверсия на-
селенности. Этот процесс имеет свои особенности в разных типах лазеров. Боль-
шинство из них – это лазеры, использующие три или четыре энергетических уровня
в атомах или молекулах. Их накачка происходит при помощи энергии – электри-
ческой, световой, химической и т. п. Очень важную роль в процессе получения
лазерной генерации играют так называемые короткоживущие (нестабильные) и
метастабильные (долгоживущие) энергетические уровни. Энергетические уровни
с большим временем нахождения на них электронов называются метастабильны-
ми. Уровни, длительность нахождения на которых значительно (порой в тысячи
раз) меньше, называются короткоживущими (нестабильными). Трехуровневая схе-
ма, представленная на рис. 1.6, соответствует схеме оптического квантового гене-
ратора – источника света, работающего на принципе вынужденного (стимулиро-
ванного, индуцированного) излучения в оптическом диапазоне (лазеры) или в
диапазоне радиоволн (мазеры).
Если уровни, между которыми осуществляется лазерный переход, обозначить
как E1 (низший) и Е2 (высший), то накачка будет заключаться в переходе атомов
(молекул) на более высокий уровень, например на Е3. Этот уровень должен иметь
короткое время жизни, в то время как уровень Е2 – длинное. Накачка переводит
атомы с основного (низшего) уровня на наивысший Е3 разными способами в за-
висимости от типа лазера. Так как он является короткоживущим уровнем, после
такого возбуждения электроны в атомах быстро переходят на энергетический уро-
вень Е2. Вынужденные кванты с частотой
f = (E2 - E1)/h
образуются самопроизвольно в результате спонтанных переходов. Их достаточно
для осуществления лавинных вынужденных переходов из состояния Е2 в состояние
E1, что в результате дает большое число новых квантов с одинаковой частотой f.
За направленность излучения отвечают два параллельных зеркала резонатора,
которые показаны на рис. 1.7. Зеркало с левой стороны, полностью отражающее,
вызывает возвращение внутрь среды фотонов, которые его достигли. Зеркало с
правой стороны является полупрозрачным, всегда частично пропускает фотоны
данной энергии. Излучение активной среды, замкнутой между такими зеркалами,
в результате последующих отражений от зеркал постоянно «странствует» в среде в
выбранном направлении, вызывая постоянный рост количества фотонов и усиле-
ние излучения. Система параллельных зеркал также приводит к тому, что переходы
излучаемых квантов преимущественно являются вынужденными.
Таким образом, резкое увеличение интенсивности электромагнитной волны в
активной среде свидетельствует, что такая среда действует как усилитель электро-
+Alex_01.indd 25 29.11.2007 21:52:00
26 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
магнитных волн. Причем эффект усиления света в оптическом квантовом генера-
торе увеличивается при многократном прохождении света через одну и ту же среду.
Активной средой могут быть газ, жидкость или твердое тело.
Внешним источником накачки активной среды чаще всего является электри-
ческий ток или световое излучение дуговой лампы или лампы-вспышки. Источ-
ником возбуждающего (накачивающего) излучения может быть также другой лазер.
Накачка активной среды может осуществляться и любым другим доступным и эф-
фективным источником энергии. Это могут быть также технологии, основанные
на комбинации разных источников возбуждения.
Также в качестве источников возбуждения могут служить электрические раз-
ряды, частицы с большой энергией, например электроны, протоны, ионы, радио-
излучение высокой частоты (RF), нейтроны, ионизирующее излучение, ультрафи-
олетовое, космическое, солнечное излучение и даже энергия взрыва атомной и/или
водородной бомбы.
Итак, лазерное излучение в отличие от обычных источников света характери-
зуется высокой степенью монохроматичности, когерентности, что реализуется ра-
бочим телом (газ, кристалл, полупроводник) за счет усиления в нем света с помо-
щью эффекта индуцированного излучения.
Возможность локализации энергии в предельно узкий пучок, вплоть до соиз-
меримых с длиной волны излучений, возможность передачи излучения по световым
каналам и легкость в управлении, наличие измерительной и оптоволоконной тех-
ники в сочетании с указанными выше свойствами делают лазерное излучение не-
заменимым физическим фактором воздействия во многих исследованиях, в том
числе медико-биологических, а также при лечении ряда заболеваний.
Созданные источники когерентного света (лазеры) обеспечивают генерацию элек-
тромагнитного излучения во всем оптическом диапазоне (от инфракрасного до ультра-
фиолетового) на многих десятках спектральных линий как в одночастном, так и в мно-
гочастном режиме. Интенсивно разрабатываются и выпускаются промышленностью
лазеры, обеспечивающие перестройку длины волны излучения. Мощность современных
лазерных приборов составляет от долей милливатт до сотен киловатт в непрерывном
режиме и до десятков гигаватт в импульсном режиме с модуляцией добротности.
1.3. Классификация лазеров
С практической точки зрения, особенно для использования в медицине, стоит оз-
накомиться с классификацией лазеров по типу активного материала, по способу
питания, длине волны и мощности генерируемого излучения.
Как уже указывалось, активной средой могут быть газ, жидкость и твердое тело.
Формы активной среды также могут быть различными. Чаще всего для газовых
лазеров используются стеклянные или металлические цилиндры, заполненные
одним или несколькими газами. Примерно также обстоит дело и с жидкими ак-
тивными средами, хотя часто встречаются прямоугольные кюветы из стекла или
кварца. Причем жидкостные лазеры – это лазеры, в которых активной средой яв-
ляются растворы определенных соединений органических красителей в жидком
растворителе (воде, этиловом или метиловых спиртах и т. п.).
В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их смеси или пары
металлов. Эти лазеры разделяются на газоразрядные, газодинамические и химические.
+Alex_01.indd 2+26 29.11.2007 21:52:00
1.3. Классификация лазеров 27
В газоразрядных лазерах возбуждение осуществляется электрическим разрядом в газе,
в газодинамических используется быстрое охлаждение при расширении предваритель-
но нагретой газовой смеси, а в химических активная среда возбуждается за счет энер-
гии, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Спектральный
диапазон газовых лазеров значительно шире, чем у всех остальных типов лазеров. Он
перекрывает область от 150 нм до 600 мкм. Эти лазеры имеют высокую стабильность
параметров излучения по сравнению с другими типами лазеров.
Лазеры на твердых телах имеют активную среду в форме цилиндрического или
прямоугольного стержня. Таким стержнем чаще всего является специальный син-
тетический кристалл, например рубин, александрит, гранат или стекло с примеся-
ми соответствующего элемента, например эрбия, гольмия, неодима. Первый дейс-
твующий лазер работал на кристалле рубина.
Разновидностью активного материала в виде твердого тела являются также по-
лупроводники. В последнее время благодаря своей малогабаритности и экономич-
ности полупроводниковая промышленность очень бурно развивается. Поэтому
полупроводниковые лазеры выделяют в отдельную группу.
Итак, соответственно типу активного материала выделяют следующие типы
лазеров:
- газовые (рис. 2.14, 2.19);
- жидкостные (рис. 2.21, 2.22);
- лазеры на твердом теле (твердотельные) (рис. 2.11);
- полупроводниковые лазеры (рис. 2.23).
Тип активного материала определяет длину волны генерируемого излучения. Раз-
личные химические элементы в разных матрицах позволяют выделить сегодня более
6000 разновидностей лазеров. Они генерируют излучение от области так называемого
вакуумного ультрафиолета (157 нм), включая видимую область (385–760 нм),
до дальнего инфракрасного (> 300 мкм) диапазона. Все чаще понятие «лазер», вначале
данное для видимой области спектра, переносится также на другие области спектра.
Например, для более коротковолнового излучения, чем инфракрасное, исполь-
зуется понятие «рентгеновские лазеры», а для более длинноволнового, чем ультра-
фиолетовое, – понятие «лазеры, генерирующие миллиметровые волны». Основные
встречающиеся типы и группы лазеров соответственно их длине волны иллюстри-
рует рис. 1.8. Эту классификацию дополняет табл. 1.3.
Выберем из этой классификации лазеры, наиболее пригодные и безопасные
для медицинского использования. К более известным газовым лазерам, использу-
емым в стоматологии, относятся СО2-лазеры и He-Ne-лазеры (гелий-неоновые
лазеры). Представляют интерес также газовые эксимерные и аргоновые лазеры. Из
твердотельных лазеров наиболее популярным в стоматологии является лазер на
YAG:Er, имеющий в кристалле эрбиевые активные центры. Все чаще обращаются
к лазеру на YAG:Ho (с гольмиевыми центрами). Для терапевтического применения
используется большая группа полупроводниковых лазеров. В настоящее время в
производстве лазеров в качестве активной среды используются свыше 200 видов
полупроводниковых материалов.
В этой классификации стоит объяснить несколько типичных названий активных
материалов или наименований, встречающихся в литературе и касающихся приме-
нения лазеров в терапевтической, хирургической практике и других клинических
областях для диагностики и лечения широкого круга заболеваний.
+Alex_01.indd 27 29.11.2007 21:52:00
28 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
CO2-лазеры. Эти лазеры обладают высокой мощностью, обусловленной перехо-
дами между энергетическими уровнями молекулы углекислого газа СО2 (область от
9,3 до 11 мкм). Самой сильной является линия 10,6 мкм = 10600 нм. КПД лазера на
этой линии достигает 20 %, а теоретически – даже 40 %. Высокая мощность получа-
емого излучения привела к широкому использованию СО2-лазера в хирургии.
Лазеры на YAG:Er, YAG:Ho, YAG:Nd, YSGG:Er. Это лазеры, работающие на крис-
таллах YAG или YSGG с примесью соответствующих ионов – неодима, гольмия,
эрбия. Кристалл YAG – это алюмоиттриевый гранат (YAG – Yttrium Aluminium
Рентгеновские
лазеры
Лазеры
на красителях
0,35–0,95 мкм
NeJHeJлазеры
0,54; 0,63;
1,52; 3,39 мкм
Рубиновый
лазер
694 нм
“МиллиJ
метровые”
лазеры
Лазеры на
YAG:Nd, 1,06 мкм,
YAG:Ho, 2,1 мкм,
YAG:Er, 2,94 мкм
Эксимерные
лазеры
157–351 нм
Аргоновые
лазеры
485–514 нм
Лазеры
на СО2
9,6–11 мкм
ПолупроводJ
никовые
лазеры
Рентгеновская
область
Ультрафиолет Видимый свет Инфра; красный Микроволны
Рис.1.8. Основные типы лазеров на шкале длин волн генерируемого излучения
+Alex_01.indd 2+28 29.11.2007 21:52:01
1.3. Классификация лазеров 29
Granet). Активными центрами являются примесные ионы трехвалентного неодима
(Nd+3), гольмия (Но+3) и эрбия (Ег+3), генерирующие излучения с длиной волны в
ИК-диапазоне (соответственно 1,064... 1,32 мкм; ~ 3,0 мкм; ~ 2,0 мкм).
Эксимерный лазер (от англ. eximer). Газовый лазер на смеси, обычно трехком-
понентной, например Хе + Не + F2, Хе + Не + НС1, Кг + Ne + F2. Эксимер – это
название формы возбужденной молекулы KrF , XeCl , XeF и т. п. Эксимер (EXCIted
diMER) – это молекула, состоящая из атомов благородного газа, например гало-
гена, и характеризующаяся слабой связью между атомами. Она может существовать
только в энергетически возбужденном состоянии. В эксимерном лазере переход
молекул из возбужденного (эксимерного) состояния в основное сопровождается
индуцированным излучением в УФ-области.
Другие виды лазеров и их названия происходят от типов активных сред, поэ-
тому понятны каждому, например лазеры на рубине, аргоновый, гелий-неоновый,
полупроводниковый и т. п. Существует много типов полупроводниковых лазеров
в зависимости от материалов, входящих в состав данного типа полупроводника.
Для диагностической и лечебной практики достаточно знать, что существуют по-
лупроводниковые лазеры и что данному составу полупроводникового материала
соответствует определенная длина волны излучения.
Лазеры можно классифицировать по виду питания и режиму работы. Здесь вы-
деляются устройства непрерывного или импульсного действия. Лазер непрерывного
действия генерирует излучение, исходная мощность которого, измеряемая в ваттах или
милливаттах, остается постоянной на все время его действия. Это иллюстрирует схема,
приведенная на рис. 1.9, при помощи которой можно легко сформулировать понятие
энергетической дозы излучения. Энергетическая доза – это произведение постоянной
мощности на время действия лазера. На рисунке заштрихована область, соответствую-
щая дозе в 1 Дж для лазера, излучающего мощность 5 мВт в течение 200 секунд.
Чтобы определить величину дозы энергии, которую может доставить в течение
единицы времени лазер импульсного действия, схематически показанный на
рис. 1.10, необходимо знать три его параметра:
1) мощность импульса (Римп);
2) длительность импульса (tимп);
3) число единичных импульсов, излучаемых в течение 1 секунды, называемой
частотой повторения импульсов (fпов).
Исходная мощность
(в милливаттах)
5
2,5
0 50 100 150 200 Время в секундах
Момент выключения лазера
1 Дж = 5 мВт x 200 сек.
Рис.1.9. Иллюстрация работы лазера непрерывного действия
+Alex_01.indd 29 29.11.2007 21:52:01
30 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Произведение этих трех параметров и даст в результате так называемую сред-
нюю мощность излучения (Ра.):
Pa = Pимп · tимп · fпов.
Например, при мощности импульса 10 Вт, длительности единичного импульса
200 нс и частоте повторения импульсов 2500 Гц средняя мощность будет равна:
Ра = 10 Вт · 200 нс · 2500 Гц = 5 мВт.
Полученная мощность эквивалентна 5 мВт мощности непрерывного излуче-
ния. Доза энергии – 1 Дж рассчитывается аналогично предыдущему случаю
(1 Дж = 5 мВт · 200 сек.).
Таблица 1.3. Характеристика основных типов лазеров, использующихся в медицинской
практике
Тип лазера
Агрегатное состоя-
ние активного
вещества
Длина волны, нм Диапазон излучения
СO2 газ 10600 инфракрасный
YAG:Er
YSGG:Er
YAG:Ho
YAG:Nd
твердое тело
2940
2790
2140
1064/1320
инфракрасный
Полупроводнико-
вый, например
арсенид галлия
твердое тело
(полупроводник)
635–1500
904
от видимого
до инфракрасного
Рубиновый твердое тело 694 видимый
Гелий-неоновый
(He-Ne)
газ
540
632,8
1150
зеленый, ярко-крас-
ный, инфракрасный
На красителях жидкость
350–950 (перестраи-
ваемая)
ультрафиолет –
инфракрасный
На парах золота газ 628,3 красный
На парах меди газ 511/578 зеленый/желтый
Исходная мощность
(обычно в ваттах)
10
0 100 200 Время в секундах
Мощность в импульсе (Pt)
Ширина импульса (tt)
Средняя мощность (Pa)
Рис.1.10. Иллюстрация идеального импульсного лазера
+Alex_01.indd 3+30 29.11.2007 21:52:02
1.4. Основные свойства лазерного излучения 31
Тип лазера
Агрегатное состоя-
ние активного
вещества
Длина волны, нм Диапазон излучения
Аргоновый газ
488
515
голубой/зеленый
Эксимерный:
ArF
KrF
XeCl
XeF
газ
193
249
308
351
ультрафиолет
С точки зрения мощности излучения (непрерывной или средней) медицинские
лазеры делятся на:
- лазеры малой мощности: от 1 до 5 мВт;
- лазеры средней мощности: от 6 до 500 мВт;
- лазеры большой мощности (высокоинтенсивные): более 500 мВт.
Лазеры малой мощности часто называют мягкими лазерами (от англ. soft lasers).
Лазеры средней мощности в англоязычной литературе называют mid-лазерами, а ла-
зеры большой мощности – hard-лазерами. Лазеры малой и средней мощности при-
числяют к группе так называемых биостимулирующих лазеров (низкоинтенсивных).
Биостимулирующие лазеры находят все более широкое терапевтическое и диагнос-
тическое использование в экспериментальной и клинической медицине.
Основным в медицинской технологии лазерной терапии и диагностики явля-
ется расчет и доставка необходимой дозы энергии излучения к интактному и па-
тологическому объекту. Представим три примера вычисления дозы облучения,
равной 1 Дж, для лазеров трех разных мощностей:
1 Дж = 1 мВт · 1000 с =1 Вт · с,
1 Дж = 10 мВт · 100 с = 1 Вт · с,
1 Дж = 50 мВт · 20 с = 1 Вт · с.
Во многих клинических случаях следует знать облученность патологического очага
при лазерном воздействии. Это можно выразить через плотность энергии (Дж/см2) или
плотность мощности (Вт/см2 или мВт/см2). Теперь более подробно рассмотрим некото-
рые основные свойства излучения лазера, определяющие его возможные применения.
1.4. Основные свойства лазерного излучения
Из многих уникальных свойств излучения для использования лазера в медицине
наибольшее значение имеют следующие четыре:
- монохроматичность;
- большая интенсивность, отнесенная к единице длины волны;
- когерентность;
- направленность пучка.
Что они означают на практике?
Монохроматичность. В простейшем понимании это означает генерацию лазе-
ром излучения с одной длиной волны.
Таблица 1.3. Характеристика основных типов лазеров, использующихся в медицинской
практике (окончание)
+Alex_01.indd 31 29.11.2007 21:52:02
32 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Каждый обыкновенный источник света (белого) в реальности является источ-
ником всех, в том числе и часто невидимых (УФ и ИК), длин волн. Так как каждая
длина волны означает определенный цвет, то белый свет является суммой всех цве-
тов. Основываясь на зависимости показателя преломления от длины волны излу-
чения при использовании призмы, можно разложить белый свет на отдельные
цвета. Разные цвета выходят из призмы под разными углами. Как правило, говорят,
что белый свет разлагается на непрерывный спектр. Спектр делится на цвета от
темно-красного на одном конце до темно-фиолетового на другом. Цвета постепен-
но и непрерывно переходят один в другой на всем спектре. Схема разложения бе-
лого света в спектр с помощью призмы иллюстрируется на рис. 1.11. На этом ри-
сунке представлен и однородный переход монохроматического (одноцветного)
пучка лазерного излучения. Как видно, лазерное излучение, характеризующееся
одной длиной волны и имеющее соответственно один показатель преломления, не
подвергается разложению в спектр при прохождении через призму.
Поэтому вся мощность излучения для типичного источника света расположе-
на в широкой области спектра. При воздействии такого «многофакторного» света
на биологическую ткань большая его часть интенсивно нагревает ткань, вызывая
ряд нежелательных тепловых эффектов, в том числе испарение ткани. Воздействие
монохроматического излучения лазерного источника «монофакторно» и в зависи-
мости от параметров излучения (E, P, t) может выборочно проникать в небольшую,
точно определенную локальную область ткани как с нагревом, так и без ее нагрева.
Очень большие плотности энергии лазерного излучения, сфокусированного опти-
ческими системами, могут стать и являются эффективными, точными лазерными
скальпелями. Низкоинтенсивное лазерное излучение применяют для диагностики
и в качестве физиотерапевтического лечебного воздействия.
Белый свет
а) б)
Свет лазера
Красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Фиолетовый
Рис.1.11. Прохождение света через призму: а) белый свет; б) лазерный
(монохроматический) свет
100
400 500 600 700 800 Длина волны [нм]
50
[%]
Относительная
интенсивность
Фрагмент спектра
обычной лампочки
Линия генерации лазера
Рис.1.12. Спектры излучения обыкновенной лампы и лазера
+Alex_01.indd 3+32 29.11.2007 21:52:02
1.4. Основные свойства лазерного излучения 33
Монохроматичность и свойство вы-
сокой интенсивности лазерного излуче-
ния в узкой линии спектра проиллюст-
рированы на рис. 1.12. На этом рисунке
показан также фрагмент широкого спек-
тра различных ламп.
Чтобы от такой лампочки получить
1 мВт мощности в одном (чистом) цвете
в видимой области, ее полная мощность
должна быть равна 1 миллиону ватт.
В этом случае источник монохромати-
ческого излучения вместе с блоком пи-
тания будет иметь размеры с многоэтаж-
ный дом. Этот пример объясняет, почему
светотерапия с использованием обык-
новенных источников излучения с ра-
зумной мощностью порядка сотен ватт
малоэффективна и поэтому редко ис-
пользуется. Зато мощность 1 мВт совре-
менного полупроводникового лазера
может быть получена от источника раз-
мером с обыкновенную ручку.
Объяснение свойства когерентности
лазерного излучения представлено на рис.
1.13. Рисунок 1.14 показывает картину
распространения некогерентных волн.
Применительно к волновым и колебательным процессам когерентность означает «со-
гласованность», «корреляция». Так, когерентность лазерного излучения означает пос-
тоянную разность фаз между волнами как во времени, так и в пространстве. Иначе
можно сказать, что как вершины, так и впадины между волнами укладываются в одну
линию, т. е. соответствующие параметры волн скоррелированы.
Высокая направленность пучка лазерного излучения (пространственная когерент-
ность) определяет возможность распространения излучения с малой расходимостью
на значительных расстояниях, обеспечивает фокусирование светового лазерного пуч-
ка на объекте до размеров, соизмеримых с длиной волны лазерного излучения. Часто
говорят, что лазерное излучение характеризуется малой угловой расходимостью. Обыч-
но расходимость лазерного пучка составляет величину порядка 1 миллирадиана
(1 мрад). При этом радиан – это единица измерения угла, который обозначает соот-
ношение длины дуги отрезка к его радиусу. На рис. 1.15 показана схема расхождения
излучения обыкновенной лампочки и лазерного источника.
Малая расходимость пучков излучения лазерных источников приводит к воз-
можности эффективной фокусировки такого излучения с помощью оптических
систем. Согласно известной в оптике формуле
d = f · Θ,
то есть размер пятна d в фокусе объектива с фокусным расстоянием f зависит от
угла Θ, характеризующего расходимость пучка.
ЛАЗЕР
Рис.1.13. Когерентные световые волны.
Рис.1.14. Пример пучка некогерентных
световых волн: фазы не совпадают, разность
фаз не постоянна и меняется случайным
образом
R
лазерное излучение
лампа
Рис.1.15. Изменение плотности лазерного
излучения когерентного (лазер) и некогерент-
ного (лампа) источника в зависимости
от расстояния (R)
+Alex_01.indd 33 29.11.2007 21:52:03
34 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
Понятно, что только малые величины угла Θ могут гарантировать малые раз-
меры пятна d и обеспечить тем самым ввод низко- и высокоинтенсивного лазер-
ного излучения в оптические волокна малого диаметра (эндоскопы и лапароскопы).
Это свойство имеет большое значение для медицинского использования лазеров.
Высокая интенсивность лазерного излучения при малой расходимости пучка
позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную световую энергию, вы-
зывающую различные процессы в биологической среде, в том числе локальный
разогрев, быстрое испарение и т. п. (табл. 1.4, рис. 1.16, 1.17).
Итак, лазерное излучение характеризуется следующими свойствами:
1. Пространственная когерентность.
2. Временная когерентность и высокая степень монохроматичности.
3. Параллельность пучка.
4. Высокая мощность.
С одной стороны, все это обеспечивает возможность использования лазера как
эффективного хирургического ножа или эффективного точного устройства для ле-
чения отслоения сетчатки глаза, кариеса, доброкачественных и злокачественных
новообразований (невусы, очаги меланомы, базилиома и др.). С другой стороны, в
биостимуляции или лазерной акупунктуре применением лазера (низкоинтенсивно-
го) можно результативно практически в реальном времени на принципе обратной
связи (диагностика по месту лечения) диагностировать и стимулировать позитивные
энергетические и физиологические процессы (реабилитация). Сфокусированный
свет лазера может быть опасен только для глаз и кожи (критические органы). В на-
стоящее время в медицинских приборах наряду с лазерными излучателями широко
Таблица 1.4. Категории взиамодействия
Эффекты Взаимодействие
Фотобиохимическое влияние
Фотоактивизиция, фоторадиация,
фоторезонанс
Биостимулирование
Фотохимиотерапия Фотодинамическая терапия
Фототермическое влияние
Фототермолиз (разложение под
воздействием тепла)
Термическо-динамическое воздействие, перегрев
в микромасштабе
Фотогипертермия
(чрезмерный перегрев под
воздействием света)
(37–43)°С – не наступают необратимые
изменения нормальной ткани,
(43–60)°С – ослабление оболочек, отеки,
припаривание тканей, денатурация энзимов
Фотокоагуляция (60–100) °С – коагуляция, омертвение
Фотокарбонизация
(обугливание)
(100–300) °С – осушение, испарение воды,
обугливание
Фотоиспарение > 300°С – пиролиз (термическое разложение),
испарение главных составляющих постоянной
ткани
Фотоионизация
Фотоабляция (процесс разрыва связей
под воздействием света)
Быстрая «микроэксплозия»
Фотораздробление Ударная волна, вызванная импульсом света
+Alex_01.indd 3+34 29.11.2007 21:52:04
1.5. Безопасность жизнедеятельности 35
используют светодиодную технику, интенсивность и спектральный диапазон кото-
рой позволяет использовать ее в качестве альтернативного источника света в диа-
гностических и физиотерапевтических целях.
В заключительной части этой главы будут представлены основы техники безо-
пасности при работе с лазерами. Показано, что глаза можно эффективно защитить
специальными очками, а для безопасности кожного покрова достаточно не превы-
шать допустимую плотность энергии лазерного излучения в оптиче ских системах.
В том же разделе будут объяснены условия полной безопасности использования ла-
зеров как для пациентов, так и для врача. Об эффективности действия определенно-
го типа лазера (вида лазерного излучения) на отдельные виды биологической ткани
расскажем в последующей части книги.
1.5. Безопасность жизнедеятельности
В реальных клинических условиях на больного, врача, медсестру при использо-
вании лазерного излучения, помимо непосредственного лазерного излучения,
Лазерное излучение
Поглощение фотона
Межмолекулярный перенос энергии
Изменения в облученной ткани:
химические, механические, термические
Изменения в окружении ткани
Биологические реакции
Медицинские результаты
0 [старт]
10J15 сек.
10J12–10J18 сек.
10J8–10J5 сек.
10J3–10J1 сек.
сек.Jчасы
дни
Рис.1.16. Схема временной последовательности отдельных биофизических явлений,
происходящих в биоткани от момента «подачи» к ней лазерного излучения
100
12,4
C;H
11,1 6,3 4,4 2,5 2,1
C;O C;С C;N
6,2 4,9 3,1 2,06
Ионизация
молекул
Диссоциация
молекул
Электронное
возбуждение
Колебательные
процессы
Энергия
фотона, эВ
Энергия
связи, эВ
Вид связи
200 300 400 500 600 700 λ, нм
Рис.1.17. Характеристика процессов при лазером облучении в зависимости от длины
волны
+Alex_01.indd 35 29.11.2007 21:52:05
36 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
негативное воздействие оказывает компьютерное излучение (вследствие широ-
кого распространения компьютеризованных лазерных систем). Кроме этого,
важным условием безопасности работы на лазерных лечебно-диагностических
установках является освещение помещения и рабочего места, этим вопросам и
посвящен раздел 1.5.
1. Опасные и вредные производственные факторы
1.1. Опасные и вредные производственные факторы, возникающие в процессе
изготовления, испытания и эксплуатации лазерных изделий, подразделяются на
физические, химические и психофизиологические.
1.2. К основным физическим опасным и вредным производственным факторам
относят:
- лазерное излучение (прямое, рассеянное или отраженное);
- ультрафиолетовое излучение;
- электромагнитное излучение;
- ионизирующее излучение;
- повышенное значение напряжения в электрических цепях;
- повышенная температура, например, внутренних элементов лазерного из-
делия, а также возможность взрыва – пожароопасности;
- повышенная температура воздуха рабочей зоны;
- повышенный уровень статического электричества;
- повышенная яркость света;
- повышенный шум и вибрации.
1.3. К основным химическим опасным и вредным производственным факторам
относят:
- газы, аэрозоли, жидкости и твердые вещества с концентрацией, превышаю-
щей предельно допустимую;
- продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми ма-
териалами.
1.4. К основным психофизиологическим опасным и вредным производствен-
ным факторам относят:
- монотомию, гипокинезию, эмоциональную напряженность, психологи-
ческий дискомфорт;
- локальные нагрузки на мышцы, кисти, предплечья;
- напряженность анализаторных функций (зрение, слух).
2. Классификация лазерных изделий
2.1. Классификация по степени опасности генерируемого излучения.
Лазерные изделия в зависимости от генерируемого излучения подразделяются
на четыре класса опасности.
Класс 1. Лазерные изделия, безопасные при предполагаемых условиях эксплу-
атации.
Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин
волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями,
включая рефлекс мигания.
Класс 3А. Лазерные изделия, безопасные для наблюдения незащищенным глазом.
Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне от 400 до 700 нм, за-
+Alex_01.indd 3+36 29.11.2007 21:52:05
1.5. Безопасность жизнедеятельности 37
щита обеспечивается естественными реакциями, вклю-
чая эффект мигания. Для других длин волн опасность
для незащищенного глаза не больше, чем класс 1.
Непосредственное наблюдение пучка, испускае-
мого лазерными изделиями класса ЗА с помощью оп-
тических инструментов (например бинокль, телескоп,
микроскоп), может быть опасным.
Класс 3В. Непосредственное наблюдение таких
лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное
излучение обычно безопасно.
Примечание. Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для ла-
зерных изделий ЗВ в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения
между глазом и экраном – 13 см, максимальное время наблюдения – 10 с.
Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они
могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их исполь-
зовании следует соблюдать особую осторожность.
2.2. Класс опасности лазерных изделий определяется при их разработке и ука-
зывается в технических условиях на изделия, эксплуатационной, ремонтной и дру-
гой технической и рекламной документации.
2.3. При поставке изделий на внутренний рынок осуществляется приемка ла-
зерных изделий согласно 7.1–7.3 СанПин 5804.
При этом в зависимости от условий применения (эксплуатации) лазерных из-
делий проводится классификация условий и характера труда по лазерной опаснос-
ти в соответствии с ПДУ, приведенными в СанПин 5804.
2.4. Если в процессе изготовления или эксплуатации лазерного изделия произ-
ведены изменения, влияющие на основные параметры лазерного излучения (мощ-
ность, энергию лазерного излучения, длину волны, диаметр пучка, длительность
импульса и др.), предприятие, осуществляющее такие изменения, должно провести
повторно классификацию лазерного изделия и внести изменения, в том числе по
требованиям опасности, в соответствующую документацию.
2.5. Каждое лазерное изделие должно иметь знак (знаки) предупреждения лазер-
ной опасности (рис. 1.18) с указанием класса изделия.
2.6. Лазерные изделия, при работе которых возможно образование других, по-
мимо лазерного излучения, опасных и вредных производственных факторов, долж-
ны иметь соответствующие знаки безопасности.
3. Требования к размещению лазерных изделий, организации
рабочих мест и помещения
Требования к размещению лазерных изделий, организации рабочих мест и по-
мещениям – в соответствии с настоящим стандартом и ГОСТом 12.3.002.
3.1. Требования к размещению лазерных изделий.
3.1.1. Размещение лазерных изделий в каждом конкретном случае проводится с уче-
том класса опасности изделия, условий и режима труда персонала, особенностей техно-
логического процесса, проводки коммуникаций, планировки помещений и т. д.
Расстояния между лазерными изделиями должны обеспечивать безопасные
условия труда и удобства при эксплуатации, техническом обслуживании и ремон-
те, при этом рекомендуется:
Рис.1.18. Знак лазерной
опасности
+Alex_01.indd 37 29.11.2007 21:52:05
38 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
1) со стороны органов управления лазерных изделий (классов ЗА, ЗВ, 4): при
однорядном расположении – не менее 1,5 м; при двухрядном – не менее 2,0 м;
2) с других сторон – не менее 1,0 м. Общие проходы в указанные значения не
входят.
3.1.2. Траектория прохождения лазерного пучка должна быть заключена в обо-
лочку из несгораемого материала или иметь ограждение, снижающее уровень ла-
зерного излучения.
Траектории лазерного пучка должны иметь цветовую или световую маркиров-
ку, предупреждающие надписи, знак лазерной опасности.
Открытые траектории в зоне возможного нахождения человека должны распо-
лагаться значительно выше уровня глаз. Минимальная высота траектории – 2,2 м.
3.2. Требования к организации рабочих мест.
Рабочие места должны быть организованы таким образом, чтобы исключать
возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величи-
на не превышала ДПИ для класса 1.
3.2.1. Рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех
элементов (органов управления, средств отображения информации, оповещения
и т. д.) должно обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально
учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизиологические возмож-
ности человека.
3.2.2. Следует предусматривать наличие мест для размещения съемных деталей,
переносной измерительной аппаратуры, хранения заготовок, готовых изделий и др.
3.2.3. Наличие оперативной связи для вызова наладчика при нарушении рабо-
ты лазерных изделий классов ЗВ и 4 обязательно.
3.3. Требования к помещениям.
3.3.1. Лазерные изделия, кроме классов 1, 2 и ЗА, как правило, должны эксплу-
атироваться в специально выделенных помещениях либо могут располагаться в
открытом пространстве на фундаментах или платформах транспортных средств.
3.3.2. Помещения должны соответствовать требованиям пожарной безопасности и
иметь необходимые средства предотвращения пожара и противопожарной защиты.
Требования по пожаро- и взрывобезопасности разрабатываются с учетом тех-
нических характеристик лазерных изделий и условий их эксплуатации и должны
соответствовать ГОСТу 12.Г.004, ГОСТу 12.1.010 и другим регламентирующим до-
кументам.
3.3.3. Отделку помещений следует выполнять только из негорючих материалов. Не
допускается применение глянцевых, блестящих, хорошо (зеркально) отражающих ла-
зерное излучение материалов (коэффициент отражения рекомендуется не более 0,4).
3.3.4. Двери помещений должны иметь знак лазерной опасности (приложе-
ние Б). Кроме того, двери помещений, в которых эксплуатируются лазеры классов
ЗВ и 4, должны быть оборудованы специальным замком и дополнительно иметь
надпись: «Посторонним вход воспрещен».
3.3.5. Контроль освещенности рабочей зоны в соответствии с ГОСТом 24940 и
СНиПом 11-4-79. Следует предусматривать необходимые способы регулирования
освещенности и дежурное освещение.
3.3.6. При проектировании помещений для лазерных изделий классов 3В и 4
следует проверить необходимость применения санитарного и функционального
зонирования по лазерной безопасности.
+Alex_01.indd 3+38 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 39
В конкретных случаях схемы зонирования и взаимного расположения поме-
щений зависят от вида, мощности и назначения лазерных изделий, масштаба работ,
пролетов и шагов применяемых строительных конструкций.
3.3.7. К помещениям, в которых лазерные изделия используются в технологи-
ческих целях (т. е. используются как средства производства), предъявляются до-
полнительные требования.
4. Классификация условий и характера труда
По степени защиты персонала от воздействия лазерного излучения условия и
характер труда при эксплуатации лазерных изделий независимо от класса изделия
подразделяют на:
а) оптимальные – исключающие воздействие на персонал лазерного излучения;
б) допустимые – уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал,
меньше ПДУ, установленного СанПиН 5804;
в) вредные и опасные – уровень лазерного излучения, воздействующего на
персонал, превышает ПДУ.
5. Требования безопасности при эксплуатации и
обслуживании лазерных изделий
Выполнение требований безопасности должно обеспечивать исключение или
максимальное уменьшение возможности облучения персонала лазерным излуче-
нием, а также воздействия на него других опасных факторов, перечисленных в
разделе 1.
5.1. Ввод в эксплуатацию лазерных изделий классов ЗА, ЗВ и 4 с установлени-
ем условий и характера труда должна осуществлять комиссия предприятия-потре-
бителя в соответствии с требованиями 7.1–7.4 СанПин 5804. Состав комиссии
определяет администрация предприятия с включением в ее состав представителей
Госсанэпиднадзора. Решение комиссии оформляют актом.
5.2. Если в процессе эксплуатации лазерного изделия произошли изменения
условий и характера труда, следует провести их повторную классификацию в со-
ответствии с 10.1.
5.3. К ремонту, наладке и испытанию лазерных изделий допускаются лица,
имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие инструктаж по технике
безопасности в установленном порядке.
5.4. К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие 18 лет, не
имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие курс специального обуче-
ния в соответствии с ГОСТ 12.0.004, обучение в установленном порядке работе с
конкретным лазерным изделием и аттестацию на группу по охране труда при ра-
боте на электроустановках с соответствующим напряжением.
5.5. При эксплуатации лазерных изделий выше класса 2 должно назначаться
лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.
5.6. Обслуживающий персонал должен обеспечиваться средствами индивиду-
альной защиты, в том числе специальными защитными очками или щитками со
светофильтрами.
5.7. При работе с лазерными изделиями классов ЗВ и 4, являющимися особо
потенциально опасными в части травм и ожогов, рекомендуется применять защит-
ную одежду, изготовленную из жаростойкого и отражающего материала.
+Alex_01.indd 39 29.11.2007 21:52:06
40 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
5.8. Необходимо принимать меры предосторожности, исключающие непос-
редственное визуальное наблюдение лазерного пучка.
5.9. При проведении наладочных и котировочных работ в качестве мишени
рекомендуется использовать визуализаторы. Для индикации излучения также мож-
но использовать матовую бумагу, засвеченную фотобумагу, копировальную бумагу,
термочувствительную бумагу и другие материалы. Применять в качестве мишени
асбестосодержащие материалы запрещается. Место, где проводят наладочные и
котировочные работы лазерных изделий классов ЗВ и 4, следует оградить щитами.
Для лазерных изделий классов ЗВ и 4 целесообразно предусматривать автомати-
ческую юстировку и дистанционный контроль.
5.10. Лазерные изделия, находящиеся в эксплуатации, должны подвергаться
регулярной профилактической проверке.
При проведении профилактической проверки следует обращать внимание на
безотказность работы всех защитных и блокирующих устройств, надежность за-
земления.
6. Медицинский контроль
6.1. Лица, работающие с лазерным излучением (в процессе изготовления,
испытаний и эксплуатации), должны проходить медицинское обследование в
соответствии с приказом Министерства здравоохранения России № 555 от 27.09.
89 (№ 90 от 14.03.96. – Прим. автора).
6.2. Персонал, подвергающийся воздействию веществ, являющихся аллерге-
нами (например, промышленных аэрозолей), в обязательном порядке осматри-
вается дополнительно отоларингологом и дерматологом с проведением клини-
ческого анализа крови.
6.3. При исключении воздействия на персонал вредных и опасных производс-
твенных факторов вопрос об отмене требований решается местными органами
Госсанэпиднадзора.
7. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения
7.1. Определение класса лазеров основано на учете их выходной энергии
(мощности) и предельно допустимого уровня (ПДУ) облучения для критических
органов (глаза, кожа и видимые слизистые оболочки) и организма человека в це-
лом.
7.2. К лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, то есть такие
лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опас-
ности при облучении глаз и кожи.
7.3. Лазеры II класса – это лазеры, выходное излучение которых представляет
опасность при облучении глаз и кожи человека коллимированным пучком (опас-
ность при облучении кожи существует только в I и III спектральных диапазонах –
длина волны от 180 до 380 нм и от 1400 до 10 нм); диффузно отраженное излучение
безопасно как для кожи, так и для глаз во всех спектральных диапазонах.
7.4. К лазерам III класса относят такие лазеры, выходное излучение которых
представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и
диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверх-
ности (или) при облучении кожи коллимированным излучением. Диффузно от-
раженное излучение не представляет опасности для кожи. Этот класс распростра-
+Alex_01.indd 4+40 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 41
няется только на лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне II
(длина волны от 380 до 1400 нм).
7.5. Четвертый (IV) класс включает такие лазеры, диффузно отраженное из-
лучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 см от
отражающей поверхности.
7.6. Лазеры классифицирует предприятие-изготовитель по выходным харак-
теристикам излучения расчетным методом в соответствии с таблицей 4.1.
7.7. При определении класса опасности лазера, излучающего на двух и более
длинах волн, основываются на значениях предельно допустимых уровней.
7.8. Класс опасности лазерного изделия определяется классом используемо-
го в нем лазера.
8. Контроль уровней опасных и вредных факторов при работе с лазерами
8.1. Сущность дозиметрического контроля лазерного излучения заключается
в оценке тех характеристик лазерного излучения, которые определяют его способ-
ность вызывать биологические эффекты, и сопоставлении их с нормируемыми
величинами.
8.2. Следует различать 2 формы дозиметрического контроля: предупредитель-
ный (оперативный) дозиметрический контроль и индивидуальный дозиметриче-
ский контроль.
Предупредительный дозиметрический контроль заключается в определении
максимальных уровней энергетических параметров лазерного излучения в точках
на границе рабочей зоны. Индивидуальный дозиметрический контроль заключа-
ется в измерении уровней энергетических параметров излучения, воздействующе-
го на глаза (кожу) конкретного работающего в течение рабочего дня.
8.3. Предупредительный контроль проводится в соответствии с регламентом,
утвержденным администрацией предприятия, но не реже одного раза в год в по-
рядке текущего санитарного надзора, а также в следующих случаях:
– при приемке в эксплуатацию новых лазерных изделий II–IV классов;
– при внесении изменений в конструкцию действующих лазерных изделий;
– при изменении конструкции средств коллективной защиты;
– при проведении экспериментальных и наладочных работ;
– при аттестации рабочих мест;
– при организации новых рабочих мест.
8.4. Предупредительный дозиметрический контроль проводят при работе ла-
зера в режиме максимальной отдачи мощности (энергии), определенной в пас-
порте на изделие и конкретными условиями эксплуатации.
8.5. Индивидуальный дозиметрический контроль проводят при работе на от-
крытых лазерных установках (экспериментальные стенды), а также в тех случаях,
когда не исключено случайное воздействие лазерного излучения на глаза или
кожу.
8.6. Дозиметры лазерного излучения должны соответствовать требованиям
ГОСТ 24469. При измерениях энергетических параметров лазерного излучения
предел допускаемой погрешности не должен превышать 30 %.
Аппаратура, применяемая для измерений энергетических параметров лазер-
ного излучения, должна быть аттестована органами Госстандарта СССР и прохо-
дить государственную проверку в установленном порядке.
+Alex_01.indd 41 29.11.2007 21:52:06
42 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
8.7 Для проведения дозиметрического контроля руководством предприятия
назначается специальное лицо из числа инженерно-технических работников.
8.8 Методы проведения различных форм дозиметрического контроля лазер-
ного излучения определены ГОСТом 12.1.031.
8.9 Контроль уровней других опасных и вредных производственных факто-
ров, сопутствующих работе лазерных изделий, проводят в соответствии с дейс-
твующими нормативно-методическими документами.
9. Требования к эксплуатации лазерных изделий
9.1. При эксплуатации лазерных изделий II–IV класса назначается инженер-
но-технический работник, прошедший специальное обучение, отвечающий за
обеспечение безопасных условий работы.
9.2. При изменении потребителями технических параметров лазерного изде-
лия, влияющих на характер его работы или выполняемые им функции, лицо или
организация, осуществляющие эти изменения, несут ответственность за проведе-
ние повторной классификации и изменение знаков и надписей на лазерном изде-
лии.
9.3. Лазерные изделия III–IV класса до начала их эксплуатации должны быть
приняты комиссией, назначенной администрацией учреждения, с обязательным
включением в ее состав представителей Госсанэпиднадзора. Комиссия устанавли-
вает выполнение требований настоящих Правил, решает вопрос о вводе лазерных
изделий в эксплуатацию. Решение комиссии оформляется актом.
9.4. Для ввода лазерного изделия III и IV класса в эксплуатацию комиссии
должна быть представлена следующая документация:
– паспорт на лазерное изделие;
– инструкция по эксплуатации и технике безопасности;
– утвержденный план размещения лазерных изделий;
– санитарный паспорт.
9.5. Безопасность на рабочих местах при эксплуатации лазерных изделий долж-
на обеспечиваться конструкцией изделия. В пределах рабочей зоны уровни воз-
действия лазерного излучения и других неблагоприятных производственных фак-
торов не должны превышать значений, установленных настоящими Правилами и
другими нормативными документами.
9.6. По окончании работы на лазерных изделиях III, IV класса ключ управле-
ния должен быть удален из гнезда.
9.7. Запрещается отключать блокировку и сигнализацию во время работы ла-
зера или зарядки конденсаторных батарей.
9.8. Пучок излучения лазеров II–IV класса должен ограничиваться на конце
своей полезной траектории диффузным отражателем или поглотителем.
9.9. Для предотвращения пожара при эксплуатации лазерных изделий IV клас-
са в качестве ограничителей следует применять хорошо охлаждаемые металли ческие
мишени или огнеупорные материалы достаточной толщины. При этом следует
соблюдать осторожность, так как оплавление этих материалов может приводить к
зеркальному отражению излучения.
9.10. При использовании лазерных изделий III и IV класса область взаимодейс-
твия лазерного пучка и мишени должна ограждаться материалами, непрозрачными
для лазерного излучения.
+Alex_01.indd 4+42 29.11.2007 21:52:06
1.5. Безопасность жизнедеятельности 43
9.11. При транспортировании излучения от лазеров III, IV класса должны ис-
пользоваться специальные системы, исключающие попадание в рабочие помеще-
ния прямого и зеркально отраженного излучения.
9.12. Защитные экраны систем транспортирования не должны разрушаться при
случайном кратковременном воздействии на них транспортируемого лазерного
излучения.
9.13. Система транспортирования перед началом эксплуатации должна быть
принята комиссией.
9.14. Открытые траектории излучения лазеров II класса должны располагаться
выше или ниже уровня глаз работающих.
9.15. Зеркала, линзы и делители пучков должны быть жестко закреплены для
предотвращения случайных зеркальных отражений излучения лазерных изделий
II–IV класса в рабочую зону; перемещение их может производиться во время ра-
боты лазера только под контролем ответственного лица с обязательным примене-
нием средств индивидуальной защиты.
9.16. Запрещается проводить визуальную юстировку лазеров II–IV класса.
9.17. Запрещается использовать оптические системы наблюдения (бинокли,
микроскопы, теодолиты и др.), не оснащенные средствами защиты от излучения.
9.18. Должны проводиться организационно-технические мероприятия, вклю-
чающие предварительную разработку схемы размещения лазерных пучков, при
строгом контроле за соблюдением настоящих Правил. В указанных случаях запре-
щается применение лазерных изделий III и IV класса.
9.19. Зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться знака-
ми лазерной опасности. Если лазерный пучок выходит за пределы контролируемой
зоны, в конце его полезной траектории должен быть ограничитель.
9.20. Безопасность при работе с открытыми лазерными изделиями обеспечи-
вается путем применения средств индивидуальной защиты.
9.21. На рабочем месте необходимо иметь инструкцию по технике безопаснос-
ти для работающих на лазерном изделии, аптечку и инструкцию по оказанию пер-
вой помощи пострадавшему.
9.22. Производственные помещения, в которых эксплуатируются лазерные из-
делия, должны отвечать требованиям действующих строительных норм и правил
и обеспечивать безопасность обслуживания изделий.
9.23. Для лазерных изделий III, IV класса, исходя из конструктивных и техно-
логических особенностей, должны быть соблюдены следующие нормативы:
– с лицевой стороны пультов и панелей управления – не менее 1,5 м при одно-
рядном расположении лазерных изделий и не менее 2 м при двухрядном;
– с задней и боковой сторон лазерных изделий при наличии открывающихся
дверей, съемных панелей и других устройств, к которым необходим доступ, –
не менее 1,0 м.
9.24. Стены и перегородки помещений, в которых размещаются лазерные из-
делия III, IV классов, должны изготавливаться из несгораемых материалов с мато-
вой поверхностью.
9.25. Естественное и искусственное освещение помещений должно удовлетво-
рять требованиям действующих норм. В помещениях или зонах, где используются
очки для защиты от лазерного излучения, уровни освещенности должны быть по-
вышены на I ступень.
+Alex_01.indd 43 29.11.2007 21:52:07
44 Глава 1. Лазеры и лазерное излучение
9.26. Параметры микроклимата и содержание вредных веществ в воздухе рабо-
чей зоны должны соответствовать требованиям действующих нормативных доку-
ментов.
9.27. Помещения, в которых при эксплуатации лазерных изделий происходит
образование вредных газов и аэрозолей, должны быть оборудованы общеобменной,
а в необходимых случаях и местной вытяжной вентиляцией для удаления загряз-
ненного воздуха с последующей его очисткой. В случае использования веществ I и
II классов опасности должна быть предусмотрена аварийная вентиляция.
9.28. Двери помещений, в которых размещены лазерные изделия III, IV класса,
должны быть заперты на внутренние замки с блокирующими устройствами, ис-
ключающими доступ в помещения во время работы лазеров. На двери должен быть
знак лазерной опасности (рис. 1.18) и автоматически включающееся световое таб-
ло «Опасно, работает лазер!».