Лазер на парах меди своими руками

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 05.10.2024

Способность световых волн различной длины отдавать свою энергию в форме тепла при поглощении различными веществами связана со способностью света преодолевать большие расстояния, а затем оптически фокусироваться на маленьком пятне, что вызывает сильное увеличение плотности энергии. Именно это свойство побудило ученых и инженеров разработать устройства, называемые сегодня лазерами.

Впервые техническая модель лазера была создана в 1960 году, сейчас их большая семья, часть которой работает на медицину и, в том числе, на косметологию.

Первое применение в медицине – 1964 год, когда был изобретен лазер на диоксиде углерода. Именно он дал возможность хирургам выполнять очень сложные операции, используя фотоны вместо скальпеля.

Свойства лазерного света

У лазерного света есть три уникальных свойства.

Во-первых, этот световой луч - коллимированный, что означает, что он перемещается в одном направлении с очень маленьким расхождением, причем на достаточно большие расстояния. Обычные же световые волны рассеиваются и быстро теряют свою интенсивность.

Во-вторых, лазерный свет - монохромный, состоящий из одного цвета или узкого диапазона цветов. У обычного света очень широкий диапазон длин волн или цветов.

В-третьих, лазерный свет - когерентный, что означает, что все световые волны перемещаются в фазе вместе как во времени, так и в пространстве. Если сравнивать с некогерентным светом электрической лампочки или фонарика, можно обнаружить, что обычный свет состоит из смеси частот, не совпадающих друг с другом по фазе и распространяющихся в различных направлениях.

Оптический резонатор - требуется для обеспечения нужного усиления в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении.

Лазерная среда - обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа: твердое вещество, газ, краситель и полупроводник.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим – YAG- лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит носителем для ионов неодима.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров это смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом видимого красного цвета. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам.

Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными). Вещество их лазерной среды, как уже ясно из названия, – полупроводник.

Наиболее распространенные длины волн лазера

длина волны (мкм)

Фторид аргона (Эксимерный-УФ)

Хлорид криптона (Эксимерный-УФ)

Фторид криптона (Эксимерный-УФ)

Хлорид ксенона (Эксимерный-УФ)

Фторид ксенона (Эксимерный-УФ)

Гелий кадмий (УФ)

Гелий кадмий (фиолетовый)

Пары меди (зеленый)

Nd:YAG удвоенной частоты (зеленый)

Гелий неон (зеленый)

Пары меди (желтый)

Гелий неон (желтый)

Гелий неон (оранжевый)

Пары золота (красный)

Гелий неон (красный)

Родамин 6G Dye (перестраиваемый)

Арсенид галлия (диодный-NIR)

Фторид водорода (NIR)

Диоксид углерода (FIR)

Эстетическая проблема

Источник излучения

Коагуляция глубоко залегающих вен

Неодимовый (Nd:YAG) лазер

Лечение лентиго, себорейного кератоза, устранение веснушек, невусов.

Эксимерный лазер, эксимерная лампа

Другие кожные патологии

Устранение НPV-бородавок, папиллом, рубцрв.

Углекислый (СО2) лазер, эрбиевый (Er:YAG) лазер,

Короткоимпульсный неодимовый (Nd:YAG) лазер

Некоторые кожные заболевания

Аппарат для фотомоложения (специальная лампа). Эксимерный лазер и лампа. Лазер на красителе (585 нм)

Традиционные косметологические проблемы

Стимуляция синтеза коллагена¸ омоложения кожи.

Тонизирующие процедуры (улучшение обмена веществ, усиление микроциркуляции)

Лазеры: рубиновый, александритовый, диодый, неодимовый. Фотоэпилятор.

Аппарат для фотомоложения. Фракционные углекислые и эрбиевые лазеры на стекле (Er:Glass)

Длинноимпульсный (Nd:YAG) лазер (с оптоволоконным зондом)

Низкоинтенсивные терапевтические лазеры

Остановимся на некоторых проблемах отдельно:

Лазерное удаление татуировок. Совместно с расширением услуг по нанесению тату в индустрии красоты существует направление - лазерное удаление татуировок, которое совершается при помощи разного рода лазеров (для разных цветов и типов красителей, применяемых для татуировки). Метод действенен и при коррекции результатов неправильно сделанного перманентного макияжа. Излучение проникает в кожу и воздействует на сам краситель. Молекулярная структура красителя разрушается, он обесцвечивается и постепенно вымывается из кожи лимфой.

Технология лазерной эпиляции основана на тепловом эффекте, который возникает при поглощении светового излучения лазера меланином, содержащимся в волосе. Происходит практически мгновенный нагрев всего волоса, приводящий к гибели волосяного фолликула и, как следствие этого, прекращению роста волос. Длительность и энергия лазерного импульса подбираются так, чтобы фолликулы успевали разрушиться, а окружающие участки кожи оставались неповрежденными.

Метод фотоомоложения основан на том, что лазерный луч определенной длины волны способен вызывать стойкое сокращение волокон эластина и коллагена кожи (за счет их нагревания), что и обеспечивает подтягивание кожи. Кроме воздействия на уже существующие волокна, некоторые типы лазеров способствуют активизации клеток, формирующих новые волокна. Метод помогает избавиться от мелких морщин, нормализовать тонус, эластичность и цвет кожи лица, шеи, области декольте.

Лазер используется для лечения акне, он идеально подходит для микронной, слой за слоем, абляции (метод удаления лазерным импульсом) кожи, которая открывает поры и очищает эпидермис, способствуя предотвращению и лечению акне на начальной стадии. Кроме того, режим очень короткого импульса, благодаря своей аблятивной способности, результативен для точного и быстрого удаления сложных рубцов от акне. Лазерное излучение приводит к уничтожению бактерий в порах и стимулирует регенерацию коллагена.

Лазерная коагуляция сосудов. Метод использует импульсный свет, который, действуя на сосуд, разрушает его и тут же коагулирует.

Лечение алопеции. Низкоинтенсивное излучение применяют для облучения крови, оно оказывает противовоспалительное, регенерирующее действие, позволяет ускорить рост волос.

Тенденция последних лет – объединение в одном аппарате различных источников излучения. Комбинации лазера и СВЧ, RF-энергии позволяют расширить диапазон воздействия на организм человека.

Противопоказания для лазеротерапии:

злокачественные новообразования;
доброкачественные новообразования со склонностью к прогрессированию;
послеоперационные состояния;
рубцовые процессы, келоидные рубцы;
целлюлит;
заболевания крови;
острые нарушения мозгового кровообращения;
тяжелое соматическое состояние;
беременность на всех сроках;
острые и хронические инфекционные состояния;
лихорадка невыясненной этиологии.

А теперь о самом важном!

Лазер на парах меди.

Лазер на парах меди – это лазер на атомных переходах, работающий в импульсном режиме. Схема энергетических рабочих уровней медного лазера приведена на рис. 3.32 .

Уровни баланса для атомов меди можно представить в виде:

( 3.31 )

где - концентрация электронов, , и - концентрация атомов на уровнях 1, 2 и 3 , и - скорости заселения уровней 2 и 3 , и - время жизни уровней 2 и 3 .

Рис. 3.32 Схема энергетических рабочих уровней медного лазера.

Для самоограниченных переходов выполняются условия:

Если принять для простоты и , то в отсутствии излучения . Следовательно . Так как в оптическом диапазоне можно считать , то эта константа равна нулю. Тогда инверсия заселенности совпадает с числом частиц на верхнем уровне:

(3.32)

Пусть накачка очень интенсивна , тогда за очень короткое время , много меньшего достаточно короткого времени жизни резонансного уровня произойдет резонансное включение глубокой инверсной заселенности по закону

(3.33)

При глубокой инверсной заселенности за время импульса излучается энергия порядка

(3.34)

Два близко расположенных уровня эффективно возбуждаются прямым электронным ударом. Сечение возбуждения составляет для уровня и для уровня . Уровни являются верхним уровнем лазерного перехода. Уровни - метастабильные состояния являются нижними уровнями лазерного перехода. Длина волны переходов между этими уровнями и .

Время жизни верхних уровней достаточно велики в силу пленения резонансного излучения в канале и составляет в реальных условиях около 800 и 400 , что облегчает требования к источнику импульсного питания. Генерация получена при температуре (давление паров меди около ). Длительность импульса генерации составляет Мощность генерации на зеленой линии намного больше, чем на желтой ( ). Для предохранения вылета паров меди на окна лазерной кюветы и для обеспечения начального зажигания разряда используется буферный газ (гелий или неон) при давлении несколько . Реализованы импульсный и импульсно-периодический ( ) режимы работы лазера.

1. Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. О возможности исследования временной эволюции рельефа поверхностей, подвергающихся воздействию мощных потоков энергии, непосредственно во время воздействия // Квантовая электроника. – 2006. – Т. 36. – № 6. – С. 569–575.

3. Антипов А.А., Аракелян С.М., Емельянов В.И., Зимин С.П., Кутровская С.В., Кучерик А.О., Прокошев В.Г. Образование кольцевых периодических структур рельефа поверхности при непрерывном лазерном облучении тонких пленок PBSE // Квантовая электроника. – 2011. – Т. 41. – № 5. – С. 441–446.

4. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 660 с.

5. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 315 с.

В ряде задач по металлообработке с использованием процессов закалки одна из самых актуальных – это закалка без плавления. Например, для закалки штамповой оснастки недопустимо локальное плавление металла даже в микрозонах. В связи с этим формат оптимизации такого типа процесса связан с обеспечением равномерного распределения мощности излучения как в пространстве, так и во времени.

Основным недостатком закалки классическими СО₂-лазерами является чрезвычайно низкая энергетическая эффективность. Энергетический КПД по используемой электрической мощности не превосходит 10 %, а коэффициент поглощения излучения металлами обычно не превосходит нескольких процентов. Поэтому интегральный КПД процесса закалки составляет доли процента.

Для его повышения используются разные технологии нанесения поглощающих покрытий, что сильно усложняет процесс и вводит в него множество трудноконтролируемых факторов. Кроме того, работоспособность деталей машин и элементов конструкций в значительной мере определяется качеством поверхностного слоя, в особенности на участках и в зонах концентрации напряжений и деформаций. Поэтому к основным характеристикам термоупрочнения металлов относятся глубина и степень упрочнения, остаточные напряжения и микроструктура слоя обрабатываемого образца. Значения параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, зависят от температурно-временных параметров лазерного упрочнения без оплавления. Изменяя их, можно сформировать поверхностный слой с высокой твердостью и достаточно однородной структурой.

Обработка материалов лазерным излучением без оплавления поверхности обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя. Это ведет к быстрому росту градиента температуры по толщине материала без изменения геометрии участка и размера изделия в целом. Параметры лазерного термического цикла и исходное структурно-фазовое состояние материала влияют на структуру упрочненного поверхностного слоя. Если исходная структура однородна, то лазерная обработка значительно упрочнит поверхностный слой. Это объясняется образованием более мелкозернистой, чем при традиционных способах закалки, мартенситной структуры.

В работе проведены модельные исследования с многолучевым CO2-лазером. Данная особенность CO2-лазера, во-первых, имеет принципиальное значение для процессов лазерного термоупрочнения. Во-вторых, соответствует структуре излучения в создаваемом Комплексе, для которого отработка оптимальных тепловых режимов с накачкой силовым лазером на базе совокупности диодных полупроводниковых лазеров в матрице может быть ассоциирована с воздействием CO2-лазера и носит предварительный характер при условии соответствующих/унифицированных мощностных характеристик в этих двух случаях.

Таким образом, существующие СО2-лазерные комплексы, используемые нами, действительно представляются в аспекте отработки режимов и выяснения требований к новым технологическим процессам в многопучковых схемах для достижения необходимых параметров термоупрочнения. Дальнейшая их адаптация под параметры создаваемого лазерного технологического комплекса с накачкой от полупроводниковых диодных лазеров может существенно основываться на этих полученных предварительных результатах.

Механизмы структурообразования при лазерном термическом упрочнении

Лазерное термическое упрочнение (закалка) металлических сплавов заключается в формировании в сплаве закалочной структуры путем нагрева участка поверхности лазерным излучением с последующим высокоскоростным охлаждением этого участка при окончании воздействия излучения за счет теплоотвода во внутренние объемы материала.

Закономерности термического упрочнения металлических сплавов в настоящее время хорошо изучены [4]. При термообработке в процессе нагрева и охлаждения происходит ряд фазовых превращений с изменением структуры сплава, характер которых определяется термическим циклом, составом сплава и технологической предысторией. Не каждый сплав может быть упрочнен термически. Для термоупрочнения необходимо, чтобы сплав при нагреве и охлаждении мог претерпевать полиморфные превращения (изменить тип кристаллической решетки), переходя из одной кристаллической формы в другую. К таким сплавам относятся углеродистые и легированные стали с α-структурой, чугуны, титановые сплавы с псевдо-α (ОТ4) и α + β структурой (ВТ6, ВТ16), алюминиевые деформируемые сплавы (Д16, Д19) и силумины (АЛ4, АД9), бронзы и др.

Существует большое количество методов термического упрочнения сплавов: объемная закалка, закалка индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), плазменная закалка и др. В отличие от перечисленных процессов, лазерная закалка имеет ряд характерных особенностей. Во-первых, она является не объемным, а поверхностным процессом. Во-вторых, время нагрева и охлаждения незначительны, а выдержка при температуре нагрева практически отсутствует. Скорости нагрева и охлаждения поверхностных участков порядка 10 3 –10 6 К/с.

Краткая характеристика технологической схемы обработки поверхности образца

Используемый нами силовой лазер МКТЛ-1500 – технологический волноводный СО₂-лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси, который состоит из охлаждаемых водой разрядных трубок, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. По торцам разрядной трубки размещены зеркала резонатора: глухое зеркало и полупрозрачное (или с отверстием) зеркало. Режим генерации непрерывный и импульсный. Общие схемы и принципы его работы заложены сотрудниками ИПЛИТ РАН (г. Шатура) и его аутсорсинговыми структурами уже достаточно давно [2].

Его технические характеристики приведены в таблице.

Лазер содержит три основных компонента.

1. Активная среда (в которой возможно создать инверсию населённости энергетических уровней и поэтому способная усиливать проходящее электромагнитное излучение).

2. Источник энергии (накачки), который сообщает энергию активной среде.

3. Резонатор, состоящий из системы зеркал (как минимум двух), размещённых на определённом расстоянии друг от друга, между которыми находится активная среда.

Использование схемы с параллельным расположением трубок малого диаметра внутри резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, позволяет, во-первых, снять ограничения на общую/достигаемую мощность лазерного излучения.

Во-вторых, оригинальная компоновка трубок излучателя обеспечивает равномерное распределение плотности мощности в пятне облучения (рис. 1). Разрядные трубки расположены в резонаторе Фабри-Перо. Лазерные пучки, генерируемые каждой трубкой, не сфазированы, поэтому общая суммарная расходимость выходного излучения равна расходимости отдельного пучка. На технологическом посту, при перемещении пятна по поверхности детали по криволинейной траектории в разных направлениях, можно получить одинаковый тепловвод, и соответственно, – наиболее равномерные ширину и формы упрочненной зоны в сечении дорожки упрочнения (рис. 1).

В косметологии, дерматологии и сосудистой хирургии активно используют лазер на парах меди. Особенностью этого лазера является одновременная генерация волн в зелёной и жёлтой части спектра, которые по необходимости разделяются обычным фильтром. Зелёный цвет чаще используют для поверхностного воздействия на кожный покров, а желтый - для более глубокого проникновения в кожу. Волны этого спектра максимально поглощаются гемоглобином, что обеспечивает безопасное и эффективное лечение различных сосудистых и пигментных патологий с помощью лазера на парах меди.

Немного истории

Лазер на парах меди появился в 60-х годах прошлого века. Первые конструкции были громоздкими и непрактичными, время разогрева до нужной температуры могло занимать до 8 часов, при этом энергия импульса была очень низкой.

Принцип действия этого лазера следующий: под действием электрической энергии металлическая медь нагревается в неоне до температуры, когда медь начинает испаряться. При этом одновременно генерируются лазерные импульсы в зелёном и жёлтом областях спектра. Для выбора одного вида волн используется обычный фильтр.

В 1972 году сотрудниками института имени Лебедева АН СССР был разработан лазер на парах меди в режиме работы саморазогрева. Это позволило создать компактный лазерный аппарат с рекордным сроком службы (более 1,5 тысячи часов) и широким спектром применения.

Применение лазера на парах меди

Лазеры на парах меди могут использоваться для терапии (низкоинтенсивные) или хирургии (высокоинтенсивные). Низкоинтенсивные лазерное излучение эффективно используется для терапии различных кожных заболеваний и сосудистых патологий.

Свойства поглощения гемоглобином зелёных и жёлтых волн используются в косметологии и дерматологии для устранения следующих проблем:

угревая болезнь;
сосудистые звёздочки;
пигментные пятна;
лентиго;
витилиго;
родимые пятна;
веснушки;
бородавки;
винные пятна;
гемангиомы и др.

При этом излучением жёлтого спектра удаляются расширенные сосуды путём их запаивания при поглощении гемоглобином энергии лазерных импульсов. Точно сфокусированный луч диаметром около 1 мм позволяет точно воздействовать на повреждённый сосуд, не затрагивая окружающие ткани.

Для устранения поверхностных дефектов (различных пигментных пятен) используется зелёный спектр излучения лазера на парах меди. При воздействии на ткани человека лазерное низкоинтенсивное излучение приводит к следующим эффектам:

обезболивающему;
противовоспалительному;
антибактериальному;
антиоксидантному;
иммуномодулирующему.

Лазерное излучение имеет биостимулирующий эффект и способствует активизации обменных процессов в клетках, нормализации проницаемости клеточных мембран, снижает количество грибков и бактерий в зонах патологии, снижает выработку свободных радикалов, замедляя процессы старения кожи.

Читайте также: