Марио Бертолотти - История лазера

• Название: История лазера
• Автор: Марио Бертолотти
• Издательство: Издательский Дом «Интеллект»
• Жанр: Физика
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91559-097-6

Книга, которую Вы взяли в руки — редкий сплав добротного изложения основ современной физики и ее истории. История науки предстает здесь в неразрывной связи драмы идей в познании природы и судеб конкретных людей. Все эти выдающиеся исследователи были захвачены в круговорот жестокой истории XX века, которой в книге уделено немало страниц.

Автору удалось совместить рассказы о жизненном пути замечательных личностей с пристальным, шаг за шагом, анализом гипотез, теории и эксперимента.

Для широкого круга читателей, интересующихся современной физикой.

---

Одним из первых применений лазеров стала офтальмология. Фотокоагуляция с потерей зрения, которая может произойти при наблюдении затмения, известна с античных времен. Платон предостерегал людей никогда не смотреть прямо на затмение, так как это могло привести к ослеплению. Это было забыто людьми, наблюдающими взрыв первой атомной бомбы, некоторых из которых были ослеплены вспышкой. В 1950-х гг., до появления лазера, коагуляторы сетчатки глаза использовали свет от ксеноновых дуговых ламп. Действие этого света на сетчатку было таким же, как и действие солнечного света. Одним из первых применений было восстановление отслоенной сетчатки. Врачи использовали ксеноновую лампу для выжигания, которое позволяло возвратить на место отслоенную сетчатку глаза. Естественным было использование лазера для улучшения этой процедуры, и это оказалось успешным!

Фотокоагуляция заключается в следующем. Лазерный свет превращается в тепло с возрастанием температуры приблизительно до 65°. Это повышение температуры приводит к денатурации белка с образованием коагулянта. Таким же способом можно также устранить ненормальные кровеносные сосуды, кисты, опухоли и другие ненормальности в глазу. Это может также обеспечить слипание отслоенной ретины и сосудистой оболочки.

Главной причиной потери зрения людей в возрасте от 20 до 64 лет является болезнь сосудов, в частности диабетная ретинопатия. Причиной потери зрения также является дегенерация роговицы, которая получается или при снижении эффективности сосудистой оболочки, или при чрезмерном увеличении кровеносных сосудов в центре ретины. Во многих случаях коагуляция этих сосудов может стабилизировать эти проблемы.

Одним из пионеров в области лазерной офтальмологии был американец Френсис Эсперанс (Francis L'Esperance Jr.), который работал в Институте глаза (Нью-Йорк, США). После экспериментов с рубиновым лазером он решил, что лазер, генерирующий сине-зеленое излучение, значительно лучше. Поскольку вскоре после рубинового лазера появился аргоновый лазер, работающий как раз на этих длинах волн, то он решил приобрести его. Он узнал, что Компания Raytheon изготовила такой лазер с выходной мощностью 10 Вт для американского правительства, который предполагалось использовать для военных целей. Это было огромное чудовище длиной более 3,5 м! После изготовления этого лазера он стал не нужен правительству и Эсперанс получил его. Лазер был застрахован, и его должны были доставить в лабораторию на девятом этаже. Лазер был слишком велик и не помещался в лифте. Поэтому был нанят лучший такелажник Нью-Йорка, который не ронял ничего в своей жизни. Лазер поднимался из окна. Большая толпа собралась наблюдать подъем. Лазер подняли почти до пятого этажа, но затем «трах, трах», что-то оборвалось, и весь ящик рухнул на землю. Люди были испуганы. Можно было подумать, что кто-нибудь из семьи Эсперанс умер: люди плакали и выражали свое сочувствие.

Френсис отправил разбитый ящик обратно компании и, к удивлению, лазер был работоспособен. Но, разумеется, компания отказалась от гарантии и предложила изготовить другой. К счастью, страховка была выплачена, и Эсперанс смог заказать новый лазер. Спустя некоторое время Raytheon предоставила ему лазер меньшего размера. С ним начались лабораторные эксперименты, которые показали превосходство аргонового лазера над рубиновым лазером.

Первое испытание состоялось 14 февраля 1968 г. Была предпринята попытка устранить бельмо на зрачке у молодой девушки. Операция оказалась успешной, и у девушки полностью восстановилось зрение. В настоящее время аргоновый лазер является стандартным инструментом в офтальмологии. Лазер используется для лечения глаукомы и для коррекции зрения с помощью изменения кривизны роговицы, путем аккуратного испарения тонкого слоя роговицы.

Еще одно применение — устранение камней мочевого пузыря. Обычно камни представляют собой некоторое органическое образование, окружаемое кристаллической субстанцией разной природы (фосфат кальция, мочевая кислота и др.). При проходе камня из почки в мочеиспускательный канал возникают сильные колики. Кроме удаления камней традиционными хирургическими методами были разработаны альтернативные методы, такие, как фармакологическое растворение и эндоскопическая хирургия. Дробление камней бескровным способом является очень прогрессивным. Обычно используют ультразвук или гидравлические волны, производимые электрическим разрядом вблизи расположения камня. С появлением лазера в 1968 г. стал применяться лазерный метод. Лазерный свет, направляемый на камень с помощью оптического волокна, испаряет и разрушает его. После дробления фрагменты выходят наружу естественным путем.

Существуют и другие применения лазеров в медицине, например, в хирургии, причем с помощью оптических волокон операция может выполняться в трудно доступных местах. Лазеры также применяются во многих терапевтических процедурах и для диагностики.

Быстрое развитие лазеров ультракоротких импульсов и выпуск на рынок образцов таких лазеров на рынок способствовали быстрому внедрению их в биомедицинскую сферу. В частности, в области лазерной хирургии излучение в виде ультракоротких импульсов позволяет производить более точные разрезы с существенно меньшими повреждениями окружающих тканей. Такие лазеры также с успехом используются в офтальмологии.

Здесь мы должны остановиться. Хотя говорилось далеко не обо всем, но даже то, что изложено, позволяет понять фундаментальную важность использования лазеров в медицине.

Технические применения

Способность сконцентрировать лазерный свет в очень малой области позволяет производить с высокой скоростью и точностью такие технологические операции, как резка, прожигание отверстий, сварка, закалка и др. При этом можно работать с самыми различными материалами, такими, как металлы, керамика, пластмассы, дерево и др. Возможность точно контролировать выполнение таких операций с помощью компьютера делает их совместимыми с роботами, т.е. полностью автоматизировать их.

Лазерные технологии нашли применения в автомобильной и авиационной промышленности. Использование лазеров для резки, сварки и закалки в производстве автомобилей позволяет существенно повысить их характеристики и снизить стоимость изготовления.

Лазерный пучок можно направить с высокой точностью в заданное место, не вызывая никаких вредных воздействий на окружающий материал. При этом можно достигать трудно доступные места. С помощью лазеров можно производить закалку более эффективно, чем с помощью обычных печей. В то время, как печь должна функционировать круглые сутки, для работы всего лишь в течение нескольких часов, лазер дает энергию только тогда, когда требуется. Автомобильная промышленность была первой, где использовались лазеры для термической обработки распределительных валов, цилиндров и клапанов. При обработке поверхностей лазерным излучением материал подвергается структурным изменениям, и становится прочнее и менее подверженным коррозии.

Лазерная резка используется не только с металлами, но также в текстильной промышленности, например для раскройки материалов, кожи, бумаги или дерева. Электронная промышленность является одной из главных областей применения лазеров. Они с успехом используются в производстве микросхем. С их помощью производится изготовление и очистка печатных схем, пайка элементов и ремонт быстродействующих микросхем путем прецизионного устранения нежелательных соединений в схеме.

Интересным примером является резка алмаза. Иногда требуется разрезать алмаз в направлениях, не связанных с его кристаллическими ориентациями. Обычно алмаз при механической обработке раскалывается по определенным направлениям (плоскости спаянности). Лазер позволяет обойти это ограничение.

Наконец, можно сказать и об использовании лазерных роботов в качестве инструментов или датчиков.

Измерительные системы

Свет используется для измерений во многих случаях. Это системы различных интерферометров, позволяющие измерять малые перемещения, контроль поверхности, с высокой точностью порядка длины волны света.

Область оптических, бесконтактных, измерительных систем очень широка. Она простирается от исследовательских лабораторий до промышленных предприятий. Поэтому имеется большая заинтересованность в разработках и распространении таких систем. Они используются для измерений размеров предметов или их перемещения, для измерения и контроля вибраций, измерения скорости и для контроля состояния поверхности. Для этого удобно использовать лазерные диоды, свет которых можно коллимировать и фокусировать на исследуемый объект.

Система бесконтактного оптического измерения обычно включает три принципиальные части: измерительная головка, система электроники, система регистрации и обработки информации. Принципиальным преимуществом бесконтактных измерений является полное отсутствие воздействия на объект и высокая скорость измерений, которая в некоторых случаях может превышать 25 000 измерений в секунду.