Меню

Укажите единицу измерения энергетической облученности при воздействии лазерного излучения



Лазерное излучение

Лекция 8

«Лазер» — аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Лазер (оптический квантовый генератор) — генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, которое формируется в (лазерах) с длиной волны 0,2-1000мкм: 0,2…0,4 мкм — ультрафиолетовая, 0,4…0,75 мкм — видимого света, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10 2 мкм.

Отличительная особенность лазерных излучений является: монохромность излучения (строго одной длины волны); когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе); острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерное излучение различают по виду излучения на

прямое (заключенное в ограниченном телесном угле)

рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч)

зеркально-отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения)

диффузно-отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям)

Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов:

активной среды

резонатора

системы накачки.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO2 и др.); жидкостные; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используются параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда.

Накачка, т.е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Классификацию лазеров можно представить в следующем виде (рис):

По степени опасности генерируемого излучения классифицируются лазеры согласноГОСТ 12.1.041-83 (1996):

— класс 1 (безопасные)— выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

— класс II (малоопасные) — выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркальныо-отраженным излучением;

— класс III (среднеопасные) – опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно-отраженное излучение;

— класс IV (высокоопасные) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отраженной поверхности.

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временны́х, энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и предельно допустимых уровней лазерного излучения.

Технические характеристики лазера: длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса ,с; частота повторения импульсов,Гц.

Лазеры получили широкое применение в научных целях, в практической медицине, а также в различных областях техники. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения:

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е, энергии импульса Еи, плотности мощности (энергии) Wp (We), времени облучения t, длины волны l, длительности импульса t, частоты повторения импульсов f, потока излучения Ф, поверхностной плотности излучения Еэ, интенсивности излучения I.

Характеризуемый объект Показатель Обозначение Единица измерения
Пучок лазерного излучения Энергия лазерного излучения Е Дж
Энергия импульса лазерного излучения Еи Дж
Мощность лазерного излучения Р Вт
Плотность энергии (мощности) лазерного излучения We , Wp Дж/см 2 (Вт/см 2 )
Поле излучения Поток излучения Ф, F, Р Вт
Поверхностная плотность потока излучения Еэ Вт/м 2
Интенсивность излучения I, S Вт/м 2
Источник излучения Излучательная способность Rэ Вт/м 2
Энергетическая сила излучения Iэ Вт/ср
Энергетическая яркость Le Вт/м 2 ·ср
Приемник излучения Облученность (энергетическая освещенность) Ee Вт/м 2
Энергетическое количество освещения He Дж/м 2

Под воздействием лазерного излучения нарушается жизнедеятельность, как отдельных органов, так и организма в целом. В настоящее время установлено специфическое действие лазерных излучений на биологические объекты, отличающееся от действия других опасных производственных физических и химических факторов. При воздействии лазерного излучения на сплошную биологическую структуру (например, на организм человека) различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии (физической) происходят взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей тканей, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, переход энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, в результате которого происходит свертывание белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При импульсном режиме (с длительностью импульсов -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На второй стадии (физико-химической) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

Читайте также:  Чем измерить шероховатость образец

На третьей стадии (химической) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом. Схематически основные факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения, можно представить следующим образом:

Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тканей, которые непосредственно поглощают излучение, поэтому с позиций потенциальной опасности воздействия и возможности защиты от лазерного излучения рассматривают в основном глаза и кожу.

Высокой чувствительностью к электромагнитным излучениям обладают роговица и хрусталик глаза, причем оптическая система глаза способна на несколько порядков увеличивать плотность энергии видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне по отношению к роговице.

Длительное действие лазерного излучения видимого диапазона (не на много меньше ожогового порога) на сетчатку глаза может вызвать необратимые изменения в ней, а в ближнем инфракрасном диапазоне может привести к помутнению хрусталика. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Действие лазерного излучения на кожу в зависимости от первоначальной поглощенной энергии приводит к различным поражениям: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном итоге, образования глубоких дефектов кожи.

Различают 6 видов воздействия ЛИ на живой организм:

1) термическое (тепловое) действие. При фокусировании лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2) энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты.;

3) фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4) механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме.

5) электрострикция – деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6) образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) облучения приняты энергетические экспозиции. Для ПДУ непрерывного лазерного излучения выбирают энергетическую экспозицию наименьшей величины, не вызывающей первичных и вторичных биологических эффектов (с учетом длины волны и длительности воздействия). Для импульсно-периодического излучения, ПДУ облучения рассчитывают с учетом частоты повторения и воздействия серии импульсов.

При эксплуатации лазеров, помимо лазерного излучения, возникают и другие виды опасностей. Это – выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

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

Источник

Свойства лазерного излучения

Лазер

— квантовый усилитель или генератор когерентного электромагнит­ного излучения оптического диапазона (света).

Лазерное излучение — электромагнитное излучение оптического диапазо­на, обладающее такими свойствами, как когерентность, монохроматичность, поляризованность, направленность, что позволяет создать большую локаль­ную концентрацию энергии.

Когерентность (от латинского cohaerens — находящийся в связи, связан­ный) — согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации, свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сло­жении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Тогда при их сложении в пространстве возникает интерференционная картина. Различают пространс­твенную и временную когерентности.

Другими словами, когерентность — это распространение фотонов в од­ном направлении, имеющих одну частоту колебаний, т. е. энергию. Излуче­ние, состоящее из таких фотонов, называют когерентным.

Пространственная когерентность относится к волновым полям, изме­ряемым в один и тот же момент времени в двух разных точках пространства. Если за время наблюдения, равное двум периодам колебаний, фаза изменится не более чем на п, то поля называют когерентными. Расстояние, на котором сохраняется когерентность, называют длиной когерентности, т. е. на этом расстоянии наблюдаются интерференционные эффекты.

Временная когерентность описывает поведение волн в течение времени, относится к одной точке поля, но в различные моменты времени и тесно свя­зана с понятием монохроматичности. Характеризуется таким параметром, как время когерентности.

Пространственная когерентность определяется геометрическими разме­рами источника излучения, временная — спектральным составом излучения, т. е. зависимостью энергии излучения от длины волны (спектра).

Большинство лазеров, применяемых в современной лазерной терапии — диодные и имеют чрезвычайно малую длину когерентности. Для импуль­сных полупроводниковых лазеров /. составляет доли миллиметра. Другими словами, на небольшом расстоянии от биологического объекта излучаемое поле ведет себя как некогерентный источник (подразумевается пространс­твенная когерентность).

Интерференция света — явление, возникающее при наложении двух или нескольких когерентных световых волн, линейно поляризованных в одной плоскости, состоящее в устойчивом во времени усилении или ослаблении интенсивности результирующей световой волны в зависимости от соотноше­ния между фазами этих волн.

Монохроматичность (дословно — одноцветность) — излучение одной определенной частоты или длины волны. Более корректно — излучение с достаточно малой шириной спектра. Условно за монохроматичное можно принимать излучение с шириной спектра менее 5 нм. Именно такую ши­рину спектральной линии имеют импульсные полупроводниковые лазеры. У одномодовых непрерывных лазеров ширина спектра излучения не более 0,3 нм.

Поляризация — симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля (Е) совершают колебания с постоянной во времени раз­ностью фаз, то волна называется поляризованной. Если изменения происхо­дят хаотично (при распространении электромагнитных волн в анизотропных средах, отражении, преломлении, рассеянии и др.), то волна является неполяризованной.

Читайте также:  Оптический тестер для измерения затухания

Постараемся проще сформулировать понятие поляризации. Если мы пос­мотрим вдоль оси распространения на убегающую от нас волну (рис. 25), то тогда увидим несколько вариантов ее движения или колебаний (волна все- таки). В первом случае (рис. 26, а) волна будет совершать колебания стро­го вдоль плоскости распространения, и мы ее просто не увидим, как лист бумаги, который повернули к нам параллельно поверхности. Такую волну называют линейно поляризованной. Во втором случае волне задан начальный импульс, отклоняющий ее колебания от заданного направления, и мы видим, что она как бы вращается вдоль оси распространения, «ввинчивается» в про­странство. Тогда говорят о круговой поляризации. В общем случае в излучении (волновом поле) можно найти все типы волн, и такой, самый распространенный вариант называют эллиптической (частичной) поляриза­цией(рис. 26, в).

Состояние поляризации описывают параметром, называемым степенью поляризации (Сп), равным отношению разности интенсивности двух выде­ленных ортогональных составляющих к сумме их интенсивностей:

где ТЕ — интенсивность в плоскости распространения электрической составляющей электромагнитной волны; ТМ-интенсивность в плоскости рас­пространения магнитной составляющей электромагнитной волны.

На практике чаще используют коэффициент поляризации Кп- Сп- 100%.

Направленность — следствие когерентности лазерного излучения, когда фотоны обладают одним направлением распространения. У полупроводни­ковых инжекционных лазеров излучение расходящееся (и достаточно силь­но!), что, однако, не мешает называть их лазерами. Параллельный световой луч называют коллимированным.

Мощность излучения — энергетическая характеристика электромагнитно­го излучения. Единица измерения в СИ — ватт [Вт].

Энергия (доза) — мощность электромагнитной волны, излучаемая в едини­цу времени. Единица измерения в СИ — джоуль [Дж], или [Вт • с]. Использу­емый на практике термин «доза» — мера действующей на организм энергии. Физический смысл и размерность совпадают.

Плотность мощности — отношение мощности излучения к площади по­верхности, перпендикулярной к направлению распространения излучения. Единица измерения в СИ — ватт/м2 [Вт/м2].

Плотность дозы — энергия излучения, распределенная по площади по­верхности воздействия (когда слово «плотность» исчезает и остается толь­ко «доза», это не совсем корректно). Единица измерения в СИ — джоуль/м2 [Дж/м2]. На практике более удобным представляется использование единицы Дж/см2, так как площади, на которые реально происходит воздействие ла­зерным излучением, исчисляются несколькими квадратными сантиметрами. Этот параметр определяющий, можно даже сказать основной, в биологиче­ских эффектах низкоинтенсивного лазерного излучения.

Плотность дозы вычисляется по формуле:

где D — доза лазерного воздействия; РСр — средняя мощность излучения; Т — время воздействия; S- площадь воздействия

Очень важно понимать, что для достижения наилучшего результата (или эффекта вообще) необходимо задать оптимальную плотность дозы.

Другими словами, нельзя меньше или больше — нужно обеспечить именно и только оптимальное значение. Все три параметра — средняя мощность из­лучения, время воздействия и площадь воздействия — взаимозависимы, т. е. подбор оптимальной дозы может быть изменен вариацией одного из пара­метров. Мы можем увеличить мощность или время для увеличения плотнос­ти дозы, а также уменьшить площадь воздействия.

В литературе практически всегда упоминается не «плотность дозы», а только термин «доза». Это связано с тем, что площадь чаще всего автоматически зада­ется методикой воздействия. Например, при использовании зеркальной насадки площадь принимается равной 1 см2 и не меняется в процессе проведения проце­дуры. То есть происходит нормирование параметров воздействия для облегче­ния работы. К сожалению, не всегда удается применять контактно-зеркальный метод, когда табличное значение нормированной дозы используется без всяких корректировок. В реальной жизни необходимо учитывать и площадь воздейс­твия. В табл. 3-5 представлены приблизительные значения площадей облучения в наиболее распространенных случаях при дистантной методике воздействия в зависимости от диаметра светового пятна или расстояния до объекта.

В табл. 7 представлены относительные (нормированные на площадь, рав­ную 1 см2) значения доз излучения для наиболее распространенных значе­ний мощности и времени воздействия непрерывного лазерного излучения. Мощность дана в мВт (1 (Р Вт), что более удобно. Необходимо внимательно следить за размерностью всех величин, используемых в расчетах.

Модуляция излучения — процесс изменения во времени мощности излу­чения (амплитудная), частоты (частотная), фазы <фазовая).На практике в лазерной терапии используется только амплитудная модуляция, которая описывается следующими параметрами (рис. 28): длительность импульса (гм) — время, когда происходит излучение (определяют на уровне половины максимальной амплитуды); темновой период (Ттемн) — время отсутствия излучения; период и частота (см. выше); а также скважность (Q) — отноше­ние периода к длительности импульса излучения.

Различают три основных режи­ма излучения:

непрерывный (немодулиро- ванный) — когда мощность не меняется во все время воз­действия и средняя мощность равна максимальной;

модулированный — когда ме­няется амплитуда излучения (мощность) по некоторому закону, при этом средняя мощ­ность (РСр) в Q раз меньше максимальной (Рмакс.) или Рср. = Рмакс J Q

импульсный — когда излуче­ние происходит за очень ко­роткий промежуток времени в виде редко повторяющихся импульсов.

Читайте также:  Прибор для измерения отклонения от прямолинейности

Мощность излучения

В отношении режимов излучения необходимо сделать несколько заме­чаний:

1. Излучение непрерывных лазеров можно модулировать в пределах мощ­ности, которую они обеспечивают в непрерывном режиме (или с незначи­тельным превышением).

2. Модуляция может иметь различную форму (прямоугольник, треуголь­ник и др.) и быть многочастотной — как это делается при помощи блока «Матрикс-БИО».

3. Непрерывные лазеры могут иметь среднюю мощность в десятки ватт и при соответствующей модуляции обеспечивать импульсный режим, но им­пульсные лазеры не могут работать в непрерывном режиме Сам механизм работы импульсных лазеров предполагает накопление энергии в течение относительно длительного промежутка времени, чтобы «выплеснуть» ее в одно мгновенье.

4. Условно импульсным можно считать такое модулированное излучение, длительность импульса которого не превышает 1 мкс при скважности бо­лее 100. Именно эти граничные условия различают импульсные и непрерыв­ные лазеры (как переходные — квазинепрерывные). У импульсных лазерных диодов превышение этих границ приводит к их резкой деградации за счет теплового разрушения.

При модулированном режиме работы непрерывных лазеров средняя мощность уменьшается в 2 раза, так как чаще всего излучение модулирует­ся прямоугольными импульсами со скважностью Q, равной 2. Измерители мощности при этом автоматически показывают реальное значение средней мощности, которое и принимается в расчетах.

Для импульсных лазеров расчет дозы усложняется промежуточным оп­ределением средней мощности (РСр ), так как измерители в этих аппаратах показывают импульсную мощность:

где Ри — импульсная мощность излучения по показанию измерителя, Вт; и — длительность импульса излучения, с; Fu — частота повторения импуль­сов, Гц.

Обратите внимание на то, что для импульсных лазеров дозу можно ре­гулировать изменением частоты!

В табл. 8 даны расчетные величины средней мощности излучения для различных значений импульсной мощности и частоты повторения импуль­сов. С целью упрощения длительность импульсов принимали неизменной и равной 100 не (Ю-7 с) — типичное значение для наиболее распространенных лазеров. Длительность импульсов — величина постоянная, задается генерато­ром накачки лазера.

Часто в методических рекомендациях и литературе приводится непос­редственно доза воздействия без указания других характеристик (частота, время воздействия, мощность). Табл. 9 помогает решить для таких случаев как бы обратную задачу: для данной дозы (D) и времени (7) воздействия оп­ределить плотность мощности излучения (Е) по формуле: Pcp.=ExS и среднюю мощность для известной площади воздействия (S) по формуле:

Обращает на себя внимание широкая вариабельность исходных пара­метров при неизменной дозе: можно большой мощностью воздействовать на короткий промежуток времени и, наоборот, длительное время облучать малой мощностью. Выбор, как всегда, остается за специалистом. Исходя из возможностей аппаратуры, остроты заболевания, состояния пациента, дан­ных литературы, собственного опыта и т. д. принимается решение в пользу конкретных характеристик пространственно-временных параметров воздействия.

При расчете дозы необходимо учитывать, что при дистантном мето­де воздействия приблизительно 50% энергии отразится от поверхности кожи. Коэффициент отражения кожей электромагнитных волн оптическо­го диапазона достигает 43-55% и зависит от различных причин: охлаж­дение участка воздействия снижает значение коэффициента отражения на 10-15%; у женщин он на 5-7% выше, чем у мужчин; у лиц старше 60 лет ниже, чем у молодых; увеличение угла падения луча ведет к возрастанию коэффициента отражения во много раз. Существенное влияние на коэф­фициент отражения оказывает цвет кожных покровов: чем темнее кожа, тем этот параметр ниже. Так, для пигментированных участков он меньше на 6-8%. При внутриполостной и контактно-зеркальной методиках прак­тически вся подводимая мощность поглощается в объеме ткани в зоне воздействия.

Различна и глубина поглощения (чаще говорят глубина проникновения) ла­зерного излучения, которая зависит как от длины волны падающего света, так и от состава ткани (рис. 30). Экспериментальными исследованиями ус­тановлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого диапазона постепенно увеличивается от 20 мкм до 2,5 мм с резким увеличением глубины проникновения в красном диапазоне (до 20- 30 мм), с пиком проникающей способности в ближнем инфракрасном (при X = 0,95 мкм — до 50 мм) и резким снижением до долей миллиметра далее. Максимум пропускания кожей электромагнитного излучения находится в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,2 мкм.

Строго говоря, термин «глубина проникновения» с позиций лазерной те­рапии не совсем корректен и не имеет количественной оценки, так как под этим понимают проникновение некоторого количества фотонов, достаточно­го для измерения, а не об энергии, необходимой для «включения» вызванных лазерным излучением процессов. Другими словами, мы не знаем, сколько фотонов «пошли на пользу», вызвав фотобиологический отклик, а какая их часть поглотилась без эффекта.

Источник