Лазерне випромінювання (дія на речовину). Висока потужність Л. і. у поєднанні з високою спрямованістю дозволяє отримувати за допомогою фокусування світлові потоки величезної інтенсивності. Найбільші потужності випромінювання отримані за допомогою твердотілих лазерів на склі з домішкою Nd з довжиною хвилі випромінювання l = 1,06 мкм і в газових Co 2 — лазерах з l = 10,6 мкм (див. таблиці.).
Особливості Л. і. привели до відкриття цілого ряду нових фізичних явищ, круг яких швидко розширюється у міру збільшення потужності лазерів.
Розвинений випар металів . При дії на метали Л. і. (наприклад, імпульсів неодимового лазера, тривалістю декілька мсек ) з щільністю потоку випромінювання 10 6 —10 8 вт/см 2 метал в зоні опромінення руйнується і на поверхні мішені виникає характерний кратер. Поблизу мішені спостерігається яскраве свічення плазмового факела, що є рухомою парою, нагрітим і іонізованим Л. і. Реактивний тиск пари, що викидається з поверхні металу, повідомляє мішені імпульс віддачі ( мал. 1 ).
Випар відбувається з поверхні тонкого шару рідкого металу, нагрітого до температури в декілька тис. градусів. Температура шару визначається рівністю поглиненої енергії і втрат на охолоджування, пов'язане з випаром. Роль теплопровідності в охолоджуванні шару при цьому неістотна. На відміну від звичайного випару, такий процес називається розвиненим випаром.
Тиск в шарі визначається силоміць віддача пари і в разі газодинамічного перебігу пари, що сформувався, від мішені складає 1 / 2 тиск насиченої пари при температурі поверхні. Т. о., рідкий шар є перегрітим, його стан метастабільним. Це дозволяє досліджувати умови граничного перегріву металів, досягши яких відбувається бурхливе об'ємне скипання рідини. При нагріві до температури, близької до критичної, в рідкому шарі металу може відбуватися стрибкоподібне зменшення електропровідності і він набуває властивостей діелектрика . При цьому спостерігається стрибкоподібне зменшення коефіцієнта віддзеркалення світла.
Опромінення твердих мішеней. При опроміненні практично всіх твердих мішеней імпульсами мілісекунд Л. і. з щільністю потоку випромінювання ~ 10 7 —10 9 вт/см 2 в потоці пари від іспаряющєїся мішені, як і у попередньому випадку, утворюється плазма . Температура плазми 10 4 —10 5 К. Таким методом можливе здобуття значної кількості хімічно чистої щільної низькотемпературної плазми для заповнення магнітних пасток і для разного роду технологічних целей . Випар твердих мішеней під дією Л. і. широко використовується в техніці (див. Лазерна технологія ) .
При фокусуванні на тверду мішень лазерних імпульсів Наносекунди з щільністю потоку випромінювання 10 12 —10 14 вт/см 2 поглинаючий шар речовини розігрівається так сильно, що відразу перетворюється на плазму. В цьому випадку вже не можна говорити про випар мішені, кордон розділу фаз і т.п. Енергія Л. і. витрачається на нагрівання плазми і просування фронту руйнування і іонізації в глиб мішені. Температура плазми виявляється настільки високою, що в ній утворюються багатозарядні іони, зокрема Са 16+ і ін. ( мал. 2 ). Утворення іонів такої високої кратності іонізації до недавнього часу спостерігалося лише у випромінюванні сонячної корони . Утворення іонів з майже обідраною електронною оболонкою цікаво також з точки зору можливості здійснення в прискорювачах багатозарядних іонів ядерних реакцій на важких ядрах.
Лазерна іскра (оптичний пробій газу). При фокусуванні в повітрі при атмосферному тиску лазерного променя з щільністю потоку випромінювання ~ 10 11 вт/см 2 у фокусі лінзи спостерігається яскравий світловий спалах ( мал. 3 ) і сильний звук. Це явище називається лазерною іскрою. Тривалість спалаху в 10 і більше разів перевершує тривалість лазерного імпульсу (30 нсек ) . Утворення лазерної іскри можна уявити собі таким, що складається з 2 стадій: 1) освіта у фокусі лінзи первинної (приманкою) плазми, що забезпечує сильне поглинання Л. і.; 2) поширення плазми уподовж світивши в області фокусу. Механізм утворення плазми приманки аналогічний високочастотному пробою газів. Звідси термін — оптичний пробій газу. Для пікосекундних імпульсів Л. і. (I~ 10 13 —10 14 вт/см 2 ) утворення плазми приманки обумовлене також багатофотонною іонізацією (див. Багатофотонні процеси ) . Нагрівання плазми приманки Л. і. і її поширення уподовж променя (назустріч свічу) обумовлене декількома процесами, одним з яких є поширення від плазми приманки сильною ударної хвилі . Ударна хвиля за своїм фронтом нагріває і іонізує газ, що, у свою чергу, приводить до поглинання Л. і., тобто до підтримки самої ударної хвилі і плазми уподовж світивши (світлова детонація). У ін. напрямах ударна хвиля швидко затухає.
Т. до. час життя плазми, утвореної Л. і., значно перевищує тривалість лазерного імпульсу, то на великих відстанях від фокусу лазерну іскру можна розглядати як точковий вибух (майже миттєве виділення енергії в крапці). Це пояснює, зокрема, високу інтенсивність звуку. Лазерна іскра досліджена для ряду газів при різному тиску, різних умовах фокусування, різних довжинах хвиль Л. і. при тривалості імпульсів від 10 -6 до 10 -11 сек.
Лазерну іскру можна спостерігати і при значно менших інтенсивностях, якщо поглинаюча плазма приманки у фокусі лінзи створюється заздалегідь. Наприклад, в повітрі при атмосферному тиску лазерна іскра розвивається з електророзрядної плазми приманки, при інтенсивності Л. і. ~ 10 7 вт/см 2 , Л. і. «підхоплює» електророзрядну плазму і за час лазерного імпульсу свічення поширюється уздовж каустичної поверхні лінзи. При відносно малої інтенсивності Л. і. поширення плазми обумовлене теплопровідністю, внаслідок чого швидкість поширення плазми — дозвукова. Цей процес аналогічний повільному горінню, звідси термін «лазерна іскра в режимі повільного горіння».
Стаціонарне підтримка лазерної іскри була здійснена в різних газах за допомогою безперервного СО 2 -лазера потужністю в декілька сотень Вт. плазма Приманки створювалася імпульсним СО 2 -лазером.
Термоядерний синтез. За допомогою Л. і. можливе здійснення реакції термоядерного синтезу. Для цього необхідне утворення надзвичайно щільної і гарячої плазми з температурою, у випадку синтезу ядер дейтерію ~ 10 8 К. Для того щоб енерговиділення в результаті реакції перевищувало енергію, вкладену в плазму при її нагріві, необхідне виконання умови:
nt ³ 10 14 см -3 сік,
де n — щільність плазми, t — час її існування. Для коротких лазерних імпульсів ця умова виконується при дуже високих щільності плазми. При цьому тиск в плазмі настільки великий, що її магнітне утримання практично неможливе. Плазма, що виникає поблизу фокусу, розлітається з швидкістю ~ 10 8 см/сек. Тому t — час, за який згусток щільної плазми ще не встигає істотно змінити свій об'єм (час інерційного утримання плазми). Для здійснення термоядерного синтезу тривалість лазерного імпульсу t л , очевидно, не повинна перевищувати t . Мінімальна енергія лазерного імпульсу E при щільності плазми n = 5×10 22 см -3 (щільність рідкого водню), часу утримання t = 2×10 -9 сік і лінійних розмірах плазмового згустка 0,4 см повинна складати: E = 6×10 5 дж. Проте ефективне поглинання світла плазмою в умовах її інерційного утримання і виконання умови nt ~ 10 -14 має місце лише для певних довжин хвиль l:
l кр > l > (l кр /),
де l кр — критична довжина хвилі для плазми з щільністю n (див. Плазма ) . При n = 5×10 22 см -3 l лежить в ультрафіолетовій області спектру, для якої доки не існує потужних лазерів. В той же час при l = 1 мкм (неодимовий лазер) навіть для n = 10 21 см -3 , відповідною l кр , виходить важко здійсненне значення мінімальної енергії E = 10 9 дж. Трудність введення енергії Л. і. видимого і інфрачервоного діапазонів в щільну плазму є фундаментальною. Існують різні ідеї відносно її подолання, серед яких представляє інтерес здобуття надщільної гарячої плазми в результаті адіабатичного стискування сферичної дейтерієвої мішені реактивним тиском плазми, що викидається з поверхні мішені під дією Л. і.
Вперше високотемпературний нагрів плазми Л. і. був здійснений при оптичному пробої повітря. У 1966—67 при щільності потоку Л. і. ~ 10 12 —10 13 вт/см 2 було зафіксовано рентгенівське випромінювання від плазми лазерної іскри, що має температуру ~ 1—3×10 6 До. У 1971 при опроміненні твердої сферичної водородосодержащей мішені Л. і. з щільністю потоку до 10 16 вт/см 2 була отримана плазма з температурою (виміряною по рентгенівському випромінюванню) 10 7 К. Прі цьому спостерігався вихід 10 6 нейтронів за імпульс. Отримані результати, а також що є можливості збільшення енергії і потужності лазерів створюють перспективу здобуття за допомогою Л. і. керованій термоядерній реакції.
Хімія резонансно-збуджених молекул . Під дією монохроматичного Л. і. можлива селективна дія на хімічні зв'язки молекул, що дозволяє вибірково втручатися в хімічні реакції синтезу дисоціації і процеси каталізу. Багато хімічних реакцій зводяться до руйнування одних хімічних зв'язків в молекулах і створення інших. Зв'язки між атомами обумовлюють коливальний спектр молекули. Частоти ліній цього спектру залежать від енергії зв'язку і маси атомів. Під дією монохроматичного Л. і. резонансної частоти окремий зв'язок може бути «розгойдана». Такий зв'язок легко може бути зруйнована і замінена іншій. Тому коливає збуджені молекули виявляються хімічно активнішими ( мал. 4 ).
За допомогою Л. і. можна здійснити розділення молекул з різним ізотопним складом. Ця можливість пов'язана із залежністю частоти коливань атомів, складових молекулу, від маси атомів. Монохроматичність і висока потужність Л. і. дозволяють вибірково збуджувати на преддіссоциационний рівень молекули лише одного ізотопного складу і отримувати в продуктах дисоціації хімічні сполуки моноізотопічного складу або сам ізотоп. Т. до. число диссоційованих молекул даного ізотопного складу дорівнює числу поглинених квантів, то ефективність методу в порівнянні з іншими методами ізотопів розділення може бути високою.
Перераховані ефекти не вичерпують всіх фізичних явищ, обумовлених дією Л. і. на речовину. Прозорі діелектрики руйнуються під дією Л. і. При опроміненні деяких феромагнітних плівок спостерігаються локальні зміни їх магнітного стану, що може бути використане при створенні швидкодіючих перемикальних пристроїв і елементів пам'яті ЕОМ(електронна обчислювальна машина). При фокусуванні Л. і. усередині рідини має місце так званий светогидравлічеський ефект, що дозволяє створювати в рідині високий імпульсний тиск. Нарешті, при щільності потоку випромінювання ~ 10 18 —10 19 вт/см 2 можливе прискорення електронів до релятивістських енергій. З цим пов'язаний цілий ряд нових ефектів, наприклад народження електронно-позитронних пар.
Літ.: Райзер Ю. П., Пробій і нагрівання газів під дією лазерного променя, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 87, ст 1, с. 29; Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969; Дії випромінювання великої потужності на метали, під ред. А. М. Бонч-Бруєвіча і М. А. Ельяшевіча, М., 1970; Басів Н. Р., Крохин О. Н., Крюків П. Р., Лазери і керована термоядерна реакція, «Природа», 1971 № 1; Дія лазерного випромінювання. Сб. ст., пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. Ю. П. Райзера, М., 1968; Басів Н. Р. [і ін.], Лазери в хімії, «Природа», 1973 № 5.
Ст Би. Федоров, С. Л. Шапіро.
Лазерне випромінювання в біології . Майже одночасно із створенням перших лазерів почалося вивчення біологічної дії Л. і. Деякі можливі медичні для біологотипу аспекти його використання були намічені Ч. Таунсом (1962). У подальшому виявилось, що можлива сфера вживання Л. і. ширше. Медичні для Біологотипу ефекти Л. і. зв'язані не лише з високою щільністю потоку випромінювання і можливістю фокусування світивши на найменших площах, але, мабуть, і з ін. його характеристиками (монохроматичністю, довжиною хвилі, когерентністю, мірою поляризації), а також з режимом випромінювання. Одне з важливих питань при використанні Л. і. у біології і медицині — дозиметрія Л. і. Визначення енергії, поглиненою одиницею маси біооб'єкту, пов'язане з великими труднощами. Різні тканини неоднаково поглинають і відображають Л. і. Крім того, Л. і. у різних областях спектру надає не однакове, а часом і антагоністична дія на біооб'єкт. Тому і неможливо ввести при оцінці ефекту Л. і. коефіцієнт якості. Характер ефекту Л. і. визначається перш за все його інтенсивністю, або щільністю потоку випромінювання. В разі імпульсних випромінювачів важливі також тривалість імпульсів і частота їх дотримання. Із-за вибірковості поглинання Л. і. біологічна ефективність може не відповідати енергетичним характеристикам Л. і. Умовно розрізняють термічні і нетермічні ефекти Л. і.; перехід від нетермічних до термічних ефектів лежить в діапазоні 0,5—1 вт/см 2 . При щільності потоку випромінювання, що перевищує вказані, відбувається поглинання Л. і. молекулами води, що приводить до їх випару і подальшої коагуляції молекул білка. Спостережувані при цьому структурні зміни аналогічні результатам звичайного термічного дії. Проте Л. і. забезпечує строгу локалізацію поразки, чому сприяє та, що сильна обводнює біооб'єкту і поглинання енергії, що розсівається, в пограничних областях, суміжних з опромінюваною. При імпульсних термічних діях зважаючи на дуже короткий час дії і швидкого випару води спостерігається так званий вибуховий ефект: виникає султан викиду, що складається з часток тканини і пари води; цьому супроводить виникнення ударної хвилі що впливає на організм в цілому.
Л. і. з меншою щільністю потоку випромінювання викликає в біооб'єкті зміни, механізм яких не повністю з'ясований. Це зрушення в активності ферментів, структурі пігментів, нуклеїнових кислот і ін. важливих в біологічному відношенні речовин. Нетермічні ефекти Л. і. викликають складний комплекс вторинних фізіологічних змін в організмі, чому, можливо, сприяють резонансні явища, що протікають в біосубстраті на молекулярному рівні. Нетермічні ефекти Л. і. супроводяться реакціями з боку нервової, кровеносной і ін. систем організму. Вибірковість поглинання Л. і. і можливість фокусування світивши на площах порядка 1 мкм 2 особливо зацікавили дослідників внутріклітинних структур і процесів, що використовують Л. і. як «скальпель», що дозволяє вибірково руйнувати ядро, мітохондрії або ін. органели клітки без її загибелі. Як при термічних, так і при нетермічних діях Л. і. найбільш вираженою здібністю до його поглинання володіють пігментовані тканини. Прижиттєве фарбування специфічними фарбниками дозволяє руйнувати і прозорі для даного Л. і. структури. У установках для внутріклітинних дій використовують Л. і. з довжиною хвилі як видимого спектру, так і ультрафіолетового і інфрачервоного діапазонів, в безперервному і імпульсному режимах.
Фотографування біооб'єктів в Л. і. з метою здобуття просторового зображення кліток і тканин стало можливим із створенням лазерних голографічних установок для мікрофотографірованія. У зв'язку з можливістю концентрації енергії Л. і. на дуже малих площах відкрилися нові можливості для спектрального ультрамікроаналізу окремих ділянок клітки, життєдіяльність якої при цьому тимчасово зберігається. З цією метою коротким імпульсом Л. і. викликають випар речовини з поверхні досліджуваного об'єкту і в газоподібному вигляді піддають спектральному аналізу. Маса зразка при цьому не перевищує доль мкг.
Встановлене, що ряд фізіологічних змін відбувається в організмі тварин під дією випромінювання неонових для гелію лазерів малої потужності. При цьому наголошуються стимуляція кровотворення, регенерація сполучної тканини, зрушення артеріального тиску зміни провідності нервового волокна і ін. Як при безпосередньому опроміненні неоновими для гелію лазерами рослинних тканин, так і при передпосівному опроміненні насіння виявлений стимулюючий вплив Л. і. на ряд біохімічних процесів, зростання і розвиток рослин.
Н. Н. Шуйський.
Лазерне випромінювання в медицині . Медичне вживання Л. і. обумовлено як термічними, так і нетермічними ефектами. У хірургії Л. і. використовують як «світловий скальпель». Його переваги — стерильність і безкровність операції, а також можливість варіювання ширини розрізу. Безкровність операції пов'язана з коагуляцією білкових молекул і закупоркою судин по ходу променя. Цей ефект наголошується навіть при операціях на таких органах, як печінка, селезінка, нирки і ін. На думку ряду дослідників, післяопераційне загоєння при лазерній хірургії йде швидше, ніж після вживання електрокоагуляторів. До недоліків лазерної хірургії слід віднести деяку обмеженість рухів хірурга в операційному полі навіть при використанні светопроводов різної конструкції. Як «світловий скальпель» найширше застосовують СО 2 -лазери з довжиною хвилі 10 590 і потужністю від декількох Вт до декількох десятків Вт.
В офтальмології за допомогою лазерного променя лікують відшаровування сітківки, руйнують внутрішньоочні пухлини, формують зіницю. На основі рубінового лазера сконструйований офтальмокоагулятор.
При використанні Л. і. у онкології для видалення поверхневих пухлин (до глибини 3—4 см ) частіше застосовують імпульсні лазери або лазери на склі з домішкою Nd з потужністю імпульсу до 1500 Вт. Руйнування пухлини відбувається майже миттєво і супроводиться інтенсивним паротворенням і викидом тканини з області опромінення у вигляді султана. Щоб попередити розкидання злоякісних кліток в результаті «вибухового» ефекту, застосовують повітряні відсмоктування. Операції із застосуванням Л. і. забезпечують хороший косметичний ефект. Перспективи використання лазерного «скальпеля» в нейрохірургії пов'язані з операціями на голому мозку.
Терапія Л. і. заснована переважно на нетермічних ефектах і є светотерапію з використанням як джерела монохроматичного випромінювання неонових для гелію лазерів з довжиною хвилі 6328 Терапевтична дія на організм здійснюється Л. і. з щільністю опромінення в декілька мвт/см 2 , що повністю унеможливлює прояву теплового ефекту. На уражений орган або ділянку тіла впливають як місцево, так і через відповідні рефлексогенні зони і точки (див. Голкотерапія ) . Л. і. застосовують при лікуванні виразок, що тривало не гояться, і ран; вивчається можливість його вживання і при ін. захворюваннях (ревматоїдний поліартрит, бронхіальна астма, деякі гінекологічні захворювання і так далі). З'єднання лазера з волоконною оптикою дозволяє різко розширити можливості його вживання в медицині. По гнучкому світлопроводу Л. і. досягає порожнин і органів, що дозволяє провести голографічне дослідження (див. Голографія ) , а при необхідності і опромінення ураженої ділянки. Досліджується можливість просвічування і фотографування за допомогою Л. і. структури зубів, стани судин і ін. тканин.
Робота с Л. і. вимагає строгого дотримання відповідних правил техніки безпеці. Перш за все необхідний захист очей. Ефективні, наприклад, тіньові захисні пристрої. Слід оберігати від поразки Л. і. шкірні покриви, особливо пігментовані ділянки. Для захисту від поразки відбитим Л. і. з можливої дороги променя видаляють блискучі (дзеркальні) поверхні. Припущення про можливість виникнення іонізуючого випромінювання при роботі високоінтенсивних лазерів не підтвердилися.
Ст А. Думчев, Н. Н. Шуйський.
Літ.: Файн С., Клейн Е., Біологічна дія випромінювання лазера, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Лазери в біології і медицині, До., 1969; Гамалея Н. Ф., Лазери в експерименті і клініці, М., 1972; Деякі питання біодинаміки і біоелектроніки організму в нормі і патології, біостимуляція лазерним випромінюванням. (Матеріали Республіканської конференції 11—13 травня 1972 р.), А.-А., 1972.
