Лазерные технологии и их применение в России и мире

 

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение 
высшего профессионального образования 
«Санкт - Петербургский государственный экономический университет»

 

Реферат курса «Технологии и экономика инновационной деятельности»:

Лазерные технологии и их применение в России и мире.

Выполнила:

студентка группы Р-321

Д.В. Гусева

Руководитель:

Тульверт В.Ф.

Санкт-Петербург

2013 г.

 

Оглавление

 

Введение

История изобретения  лазера началась с предположения... А именно: в 1916 году Альберт Эйнштейн создал теорию взаимодействия излучения  с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн, да и Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина"(Рисунок 1), писал примерно об этом же. Но главная ошибка А.Н.Толстого, что Методами геометрической оптики получить такой луч НЕЛЬЗЯ!

Рисунок 1. Гиперболоид инженера Гарина

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров не разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего  аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник  исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в  лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии.

Существует множество  видов лазеров (Таблица 1) с твердым телом, например из ниодимового стекла, флюоритита кальция с примесью атомов таких редкоземельных элементов, как диспрозий, самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий – неоновый.

Таблица 1. Виды лазеров

Газовые гелий-неоновый; аргоновый; криптоновый; ксеноновый; азотный; втористо-водородный; кислородно-йодный; углекислотный (CO2); на монооксиде углерода (CO); эксимерный;	Твердотельные -рубиновый; -алюмо-иттриевые; -на фториде иттрия-лития; -на ванадате иттрия; -на неодимовом стекле; -титан-сапфировые; -александритовый; -оптоволоконный; -на фториде кальция;
На парах металлов -гелий-кадмиевый; -гелий-ртутный; -гелий-селеновый; -на парах меди; -на парах золота;	Другие типы -полупроводниковый лазерный диод; -на красителях; -на свободных электронах; -псевдо-никелево-самариевый.

 

 

1. Применение лазеров в медицине

Поначалу, после изобретения  лазеров, мало кто мог предположить, что эти световые инструменты  способны лечить или как-то иначе  улучшать физическое благополучие человека. Но врачи и медицинские исследователи  быстро разглядели его возможности, а число медицинских применений лазера увеличивается с каждым годом. Например, резка тканей в хирургических процедурах; изменение формы роговицы глаза для улучшения зрения; очистка закупоренных артерий; прожигание полостей и отбеливание зубов; удаление нежелательных волос, морщин, родинок и веснушек; изменение формы лица в пластической хирургии.

Несколько преимуществ лазерной хирургии быстро стали очевидными. Во-первых, луч света однороден, то есть энергия, передаваемая лазером в единицу  времени, постоянна. Так что если луч движется, то разрез, производимый им, имеет постоянную глубину; в то же время, при использовании скальпеля врач может случайно сделать часть разреза слишком глубокой. Во-вторых, горячий луч по мере движения прижигает (или запаивает) открытые кровеносные сосуды. Это хорошо работает в основном для небольших сосудов, например для кожных сосудов. Что касается больших кровеносных сосудов, то врач все еще должен изолировать их традиционными методами. Еще одно преимущество лазерной хирургии состоит в том, что клетки в ткани человека не очень хорошо проводят тепло, поэтому кожа, или любая другая ткань, находящаяся вблизи лазерного разреза, сильно не нагревается и не травмируется лучом. Это преимущество лазерной хирургии очень важно, когда операционное поле ограничено маленькой областью, которая окружена здоровыми тканями или органами.

1) Общая хирургия

Лазеры все шире применяются  для очистки артерий человека от тромбоцитных бляшек. Тромбоцитная бляшка - это плотная жировая субстанция, которая может скапливаться на внутренних стенках артерий. Со временем сосуды могут настолько закупориться, что кровь с трудом будет передвигаться по сосудам, что может вызвать сердечный приступ или инсульт, а это и может привести к летальному исходу. Все чаще для лечения подобной проблемы стали использовать лазер. Ключевую роль в обеспечении положительного результата этой работы играет возможность для врача видеть внутри артерии и направлять луч. Оптическое волокно, присоединенное к маленькой телекамере, может быть введено в артерию. Этот миниатюрный датчик позволяет врачу и медсестрам наблюдать за вторым волокном, которое вводится в артерию для выжигания бляшек вспышками света.

Методика состоит в следующем. Волоконно-оптический массив вводится в кровеносный сосуд в руке или ноге и медленно перемещается в область сердца и к закупоренной артерии. Когда массив достигает точки назначения, лазер излучает свет и уничтожает бляшку. Пары, образующиеся в результате, отсасываются через маленькую полую трубку, которая введена вместе с оптическими волокнами. После очистки артерии врач извлекает волокна и трубку - операция завершена. Эта медицинская процедура известна как лазерная ангиопластика. Она имеет несколько очевидных преимуществ. Во-первых, разрезание тканей не требуется (за исключением маленького надреза в сосуде для введения волокон). Кроме того, кровопотери невелики или вообще отсутствуют, а пациент полностью восстанавливается через 1-2 дня.

Традиционный метод удаления бляшек, включающий вскрытие грудной клетки и выполнение нескольких надрезов, является долгой, а иногда и рискованной операцией. Кроме того, она достаточно дорога и требует несколько недель для восстановления.

Лазерная ангиопластика имеет  ряд потенциальных рисков, которые  должны быть рассмотрены. Во-первых, когда  лазерный луч попадает в бляшку, он должен быть направлен очень точно, потому что даже небольшой промах может прорезать стенку артерии и вызвать серьезное кровотечение. В этом случае придется вскрывать грудную клетку пациента. Вторая проблема связана с небольшими частицами материала, остающимися после выжигания бляшки. К счастью, непрерывный технический прогресс значительно уменьшил эти риски, и число успешных операций постоянно растет.

2) Офтальмология

Несколько самых замечательных  достижений медицинских лазеров произошли в области офтальмологии, изучающей структуру и заболевания глаз. Одной из причин, почему лазерные лучи так полезны в лечении глаз, является тот факт, что роговица - покрытие, которое охватывает глазное яблоко и пропускает свет внутрь глаза, - прозрачна. Благодаря этому роговица пропускает лазерный луч точно так же, как и обычный свет, то есть луч на нее не оказывает воздействия.

Прежде всего, лазер  очень полезен при удалении посторонних  кровеносных сосудов, которые могут  образовываться на сетчатке глаза -- тонкой, светочувствительной мембране на задней стенке глазного яблока. Именно на сетчатке формируются изображения предметов, которые видит глаз. Иногда, повреждение сетчатки может привести к слепоте, что в Соединенных Штатах чаще всего вызывается сахарным диабетом. Сахарный диабет - заболевание, характеризующееся высоким уровнем сахара в крови. В некоторых запущенных случаях, на сетчатке формируются сотни крошечных дополнительных кровеносных сосудов. Это приводит к блокировке света, идущего от поверхности мембраны, что вызывает частичную или полную слепоту. Для лечения таких состояний чаще всего применяется аргоновый лазер. Врач направляет луч через роговицу и выжигает сплетение кровеносных сосудов, покрывающее сетчатку. Процедура занимает всего несколько минут и может быть выполнена в кабинете врача. Лазер может также восстановить отслоение сетчатки - часть сетчатки, которая отделилась от задней части глазного яблока. До появления лазеров отслоение сетчатки приходилось исправлять вручную, и, так как сетчатка является очень хрупкой, это была очень сложная операция. При помощи аргонового лазера врач может «приварить» оторванную часть сетчатки. Кстати, Гордон Гулд, один из первых изобретателей лазера, позже был подвергнут операции по восстановлению сетчатки при помощи данного инструмента.

Другим заболеванием глаза является глаукома, которая  характеризуется накоплением жидкости в глазу. Многие доктора используют лазер, чтобы избежать традиционной хирургии. Лазер пробивает отверстие  в заранее определенном месте, и жидкость вытекает через него. Опять же, лечение может проводиться в кабинете врача, а не в больнице.

При восстановлении отслоения  сетчатки (мембрана, покрывающая внутреннюю часть глаза) лазер работает подобно  швейной машинке. Лазерный луч настроен таким образом, что он может безопасно пройти через хрусталик глаза и сфокусироваться на крошечных пятах вокруг поврежденного участка сетчатки. Когда он сфокусирован, луч способен «приварить» или припаять отделившуюся область сетчатки обратно к стенке глазного яблока. В дополнение к лечению отслоения сетчатки, лазеры могут удалять катаракты.

3) Пластическая хирургия и косметология

Медицинские лазеры также  широко используются для различных  видов косметической хирургии, включая  устранение некоторых видов родимых пятен, например, винные пятна Винные пятна - красно-фиолетовые дефекты на коже, которые появляются у троих из тысячи детей. Пятно состоит из тысяч крошечных деформированных кровеносных сосудов, которые имеют определенный красно-фиолетовый цвет. Для удаления пятна врач перемещает по нему широкий маломощный луч зеленого света. Масса кровеносных сосудов в пятне поглощает энергию лазерного излучения и нагревается настолько сильно, что в итоге сгорает. Окружающая кожа имеет цвет, отличающийся от цвета пятна, поэтому она поглощает лишь небольшое количество света и не повреждается (Конечно, выжженные области должны зажить, и в ходе этого процесса иногда происходит незначительное рубцевание).

Подобный метод часто  успешно применяется для удаления татуировок. Татуировки создаются путем введения очень сильных красителей в кожу человека посредством иглы. Человек, сделавший татуировку, в какой-то момент жизни может решить, что ему или ей она больше не нужна; ранее единственным способом удаления татуировок была хирургическая операция или выжигание при помощи кислоты. К счастью, лазер представляет собой альтернативу таким крайним мерам. Луч отбеливает красители в татуировке, не сжигая кожу вокруг нее (Как и в случае с винными пятнами, возможно незначительное рубцевание).

Еще один пример косметической  процедуры, выполняемой при помощи лазера, - удаление нежелательных волос. Лазер излучает слабый луч света, который поглощается только волосяными фолликулами (кожа при этом не повреждается). Лазер передает энергию, которая поглощается волосами и преобразуется в тепло. Тепло уничтожает волосяную фолликулу за долю секунды.

4) Лазерная стоматология

При использовании лазера в челюстно-лицевой хирургии послеоперационный  отек проявляется в меньшей степени, чем обычно. Меньший отек обеспечивает увеличение безопасности при выполнении операции на дыхательных путях (рот) и увеличивает диапазон хирургических операций, которые хирург может выполнить безопасно, без риска для дыхательных путей. Этот свойство позволяет хирургу выполнять в офисе или амбулаторно многие процедуры, которые ранее потребовали бы госпитализации. Заживление тканей и рубцов также улучшается при использовании лазера. Еще одно преимущество состоит в том, что раны, полученные в результате воздействия лазера, обычно заживают без образования крупных шрамов и зачастую не требуют наложения швов.

Многие стоматологи  в настоящее время используют разновидность твердотельного лазера (который использует кристалл в качестве рабочей среды генерации излучения) вместо бора в большинстве случаев. Лазерная терапия использует тот простой факт, что материал, который образуется в полости, гораздо мягче эмали (твердая часть зуба). Мощность лазера устанавливается таким образом, чтобы она была достаточной для удаления пораженных тканей, но не достаточно сильной, чтобы повредить эмаль. При создании очень глубоких полостей иногда возникает кровотечение. Лазерный луч обычно изолирует кровеносные сосуды и останавливает кровотечение.

Нельзя не сказать, что  такая процедура совершенно безболезненна. Каждая вспышка света стоматологического лазера длится всего тридцать триллионных секунды, что гораздо меньше, чем количество времени, необходимое нерву для вызова боли. Иными словами, излучение должно длиться в 100 миллионов раз дольше, чтобы вызывать дискомфорт. Таким образом, этот вид лечения не требует анестезии.