Обзор существующих методов и устройств для обработки биологических проб

     На  рис. 1.1. представлен лазерный излучатель

     Рис. 1.1 Лазерный излучатель: 1 и 5 – оптический резонатор, 2 и 4 – окна разряздные трубки, 3 – активная часть среды, 6 – колба разрядной трубки,  7 – катод, 8 – источник питания, 9 – анод.

     Система накачки предназначена для преобразования энергии источника электрического питания 8 в энергию ионизированной  активной среды 3 лазера. Накачка осуществляется электрическим разрядом, для чего в нем устанавливаются два электрода – катод 7 и анод  9, между которыми подается напряжение от источника питания. Атомы гелия возбуждаются при соударениях с быстрыми электронами и, сталкиваясь с атомами неона, передают им свою энергию. В некоторых  типах лазеров применяют фокусирующие магниты или обмотки и  специальные отводные трубки для циркуляции активной среды.

       1.2.3. Использование лазеров в различных областях науки и техники 

     С самого момента разработки лазер  называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Габариты лазеров  разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт–дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

     Современные направления медико–биологического применения лазеров могут быть разделены на две основные  группы.

     К первому типу отнесено воздействие  на ткани  патологического очага  импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого  обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому  типу  воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и  онкологии  для облучения патологических тканевых образований, которое приводит  к их коагуляции. Второй тип – рассечение тканей, когда  под  влиянием излучения лазера непрерывного  или  частотно–периодического  действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить  используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров. К третьему типу можно отнести влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т.е. воздействие  типа  физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий–неонового лазера в целях биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язв и др.

     Широкое распространение лазеры получили в  науке. Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследоваения этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

     Во  время полётов на Луну пилотируемыми  и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

     Применение  методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно  повысить качество изображения астрономических  объектов путем измерения и компенсации  оптических искажений атмосферы. Для  этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света — искусственную звезду. Свет от нее, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором. Например, деформируемым зеркалом.

     Некоторые типы лазеров могут производить  сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико– и фемтосекундами (10 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.

     Сверхкороткие лазерные импульсы используются для  сверхбыстрого управления магнитным  состоянием среды, что является в  настоящее время предметом интенсивных  исследований. Уже открыто множество оптико–магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2×10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

     Лазеры  приспособили для непосредственного охлаждения молекул. Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур.

     В дальнейшем, в процессе совершенствования  лазеров, нашли и другие методы, такие  как антистоксово охлаждение твёрдых тел — наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется.

     Уже существуют системы, способные охлаждать  кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для  космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

     Так же широкое распространение лазеры получили в промышленности.

     Лазерная  закалка (термоупрочнение) — применяется  для повышения срока службы различных  изделий, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности изделия нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию в сплавах закалочных структур, характерных только лазерной обработки.

     Лазерный  отжиг — в отличие от лазерной закалки, преследует цель получения  более равновесной структуры (по сравнению с исходным состоянием), обладающей большей пластичностью  и меньшей твердостью. Указанный  метод широко используется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупроводниках. Лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали.

     Лазерный  отпуск — применяется при необходимости  локального увеличения пластичности или  ударной вязкости, например, в местах соединения различных деталей. Сталь после лазерного отпуска имеет большую прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традиционной технологии отпуска.

     Аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного  облучения (очень коротким импульсом  или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование металлических стекол (метгласса) или аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая твердость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной аморфизации можно осуществить при обработке сплавов специальных составов (в том числе и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых специальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным материалом склонны к аморфизации.

     Лазерное  легирование сталей с последующей  термической обработкой значительно  повышает микротвердость и стабильность структуры поверхности и может во много раз уменьшить интенсивность износа.

     Лазерная  наплавка — уникальный метод нанесения  износостойких поверхностных слоев  без поводок и короблений. Лазерное восстановление может широко использоваться в ремонтном производстве для  восстановления прецизионных деталей, там, где требуется повышенная твердость и износостойкость слоя, надежность и долговечность (клапана ДВС, распредвалы, полуоси, штоки, коленчатые валы, крестовины, детали трансмиссий и др.). В отличие от напыления при лазерной наплавке создается монолитный бездефектный слой, который имеет металлургическую связь с основой.

     Вакуумно–лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздействием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке, в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла.

     Ударное воздействие лазерного излучения  может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования  физико–химических процессов, например, для формирования р–n — переходов в полупроводниковых материалах.

     Инициирование поверхностных химических реакций  на поверхности сплавов с помощью  теплового воздействия лазерного  излучения или с использованием плазменного облака вблизи поверхности  преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений.

     Лазерная  сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией  для промышленного использования  в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным и импульсно–периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, то же самое происходит и с зоной расплавленного материала. Затем при остывании образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким, принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным. Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения.

     Лазерная  резка — сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать  практически любые материалы  независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания.

     Газолазерная  резка –принцип работы газолазерной резки: в зону реза подают луч лазера и технологический газ в виде кольцевой или отдельных сверхзвуковых расчетных струй, векторы скорости которых в их критическом сечении направлены под углом к оси лазерного луча, близким к половине апертурного. Струи технологического газа подают в ограниченный объем, в котором они разворачиваются в волнах сжатия и разрежения до направления векторов скорости параллельно оси лазерного луча, после чего слившуюся сверхзвуковую струю направляют соответственно лазерному лучу в зону реза, при этом число Маха М на участке струи в ограниченном объеме поддерживают в пределах Mi ≥ M > 1, где Мі — расчетное число Маха для требуемого технологическим процессом отношения давлений технологического газа. Характерно, что газолазерная резка эффективна не только для раскроя хрупких, мягких и нетеплостойких материалов (стекло, резина, ткани), исключая механическое воздействие па них; она обеспечивает обработку и самых твердых и тугоплавких материалов, поддающихся только алмазному инструменту.