Лазерная коррекция зрения

Квантовая механика дала людям огромный толчок развитии, сделав возможными казавшиеся ранее нереальными технологии: квантовые компьютеры, томографы, рентгеновские приборы и лазеры. На сегодняшний день лазерные технологии — самое перспективное направление развития, опережающее своё время. Сейчас бурно развивается квантовая и оптическая электроника — люди пытаются заменить светом электрический ток. Так созданы оптические провода — оптоволоконные кабели, сверхвысокочастотные оптотранзисторы, фотоэлементы. Лазеры используются на производстве в качестве приборов диагностики, охлаждения, нагрева, резки, распыления или скрайбирования. Вместе с этим лазеры используются в медицине и одно из этих направлений — лазерная коррекция зрения. Как ни странно, но принцип работы лазеров в медицине принципиально не отличается от резки полупроводников и металлов, но имеет свои особенности. Давайте сегодня вместе проследим путь от разрушающего действия лазеров к восстанавливающему)

Как работают лазеры?

Инверсия населённости — сложное понятие с простым смыслом!

Со школы вы, конечно, помните атом Бора, изображённый на рис. 1. На сегодняшний день в квантовой механике существует куда более сложная и точная модель строения атома, но ввиду принципиальной сложности самих технологий приходится пользоваться упрощёнными, но работающими моделями)

У электронов, живущих в атоме, есть три варианта судьбы: он может переместиться на высший уровень (атом возбудится), он может оторваться (атом ионизируется), а может вернуться обратно (релаксировать/рекомбинировать). Процессы релаксации и рекомбинации приводят к возникновению излучения, которое легко рассчитать по формуле Бора:

Если энергия E(m) — это энергия вышележащих уровней, то происходит релаксация, а если E(m) больше или равна энергии ионизации, то рекомбинация.

Данная формула утверждает, что любое вещество способна к излучению, лишь бы мы смогли закинуть электроны на верхние уровни и в принципе оно так и есть — это называется люминесценцией.

Рассмотрим такой случай: допустим, что у нас есть фотон, который летит в атом и его энергия равна энергетическому зазору. Спрашивается, а с какой вероятностью он сможет перекинуть электрон на верхний уровень? На самом деле фотон, даже если его энергия позволяет, не всегда может перекинуть электрон (вдруг у электрона семья или он просто футбольчик смотрит). Очевидно, что чем больше электронов на нижнем уровне, тем вероятнее фотон сможет перекинуть электрон. У меня класс был не самый дружный, но зато очень большой, поэтому когда учитель предлагал какую-то не очень идею, все отказывались, но всегда находились люди, которые поддержат начинание. И чем больше людей в классе, тем больше таких людей) Таким образом можно сказать, что чем больше электронов внизу, тем чаще при облучении они будут переходить наверх и записать это в таком виде:

Количество электронов на уровне будем называть населённостью. Данную формулу можно перекинуть и наоборот — а насколько вероятно происходит самопроизвольный скачок электрона вниз? Тут ровно также — чем больше электронов, тем вероятнее это произойдёт, только коэффициент A₁₂ обретает конкретный смысл. Электроны в прямом смысле слова какое-то время живут на верхнем уровне, и чем дольше они там живут, тем менее вероятен переход. Значит коэффициент A₁₂ обратен времени жизни: A₁₂ = 1/τ. Такие переходы называют самопроизвольными.

Есть и второй тип переходов. Пролетающий мимо фотон может спровоцировать переход электрона сверху вниз, из-за чего вероятность повысится. Данный тип переходов пропорционален не только населённости уровня, но ещё и спектральной плотности. Действительно, чем сильнее энергия пролетающего фотона отличается от ширины зазора, тем менее вероятен переход, поэтому:

Такое излучение называют вынужденным или индуцированным. Полная же динамика населённости будет слагаться из этих двух факторов:

Коэффициенты A₁₂ и B₁₂ — это первый и второй коэффициенты Эйнштейна.

Что же требуется для хорошей и правильной генерации? Во-первых надо, чтобы тело излучало больше фотонов, чем в него попадает. Кажется, что это нереализуемая задача, но всё становится куда проще, если немного его перефразировать. Нам надо сделать так, чтобы электронов вверху было больше, чем электронов внизу! Говорят, что надо создать инверсию населённости. Только тогда мы можем создать квантовый генератор излучения оптического диапазона или в простонародье ЛАЗЕР (Light Amplifikation by Stimulated Emission of Radiation).

Как создать инверсию населённости?

Для создания инверсии населённости существует множество различных способов, но самый простой способ реализуется в самых технологичных лазерах — твердотельных. На самом деле нам не надо ничего делать — Природа за нас создаст инверсию населённости! Как? Оооо, это происходит генеальным образом)

Для этого стоит разобраться, как же работает лазер. Для описания работы лазера используют энергетические диаграммы. Например 3-уровневая схема работы рубинового лазера приведена на рис. 2.

Мы можем с помощью мощного потока света переместить электроны с уровня 0 на уровень F₁ или F₂, на которых время жизни достаточно большое. Данный процесс называют накачкой, а переходы — каналом накачки. Когда там накопится много электронов, они релаксируют на метастабильные уровни (где им не очень комфортно жить) E₂ (2A и E). С них они сразу же срываются вниз с испусканием фотона — происходит генерация излучения и данные переходы называют каналом генерации. Таким образом электроны просто живут на уровнях F₁ и F₂, пока инверсия не произойдёт сама собой)

Для создания инверсии нужно переместить электроны на верхний уровень — накачать лазер. Сделать это можно оптическим методом — просто посветить мощным источником света на кусок рубина. На деле так и делают — вокруг кристалла (активной среды) ставят много-много светодиодов, которые и накачивают лазер.

Положительная обратная связь — залог успеха!

Пока что мы лишь создали квантовый усилитель. Всякий усилитель можно превратить в генератор, добавив положительную обратную связь. ПОС называют такую связь, что увеличение сигнала на выходе приводит к увеличению сигнала на входе. Звучит как нечто странное и если в электронике ещё можно как-то придумать, как её реализовать, то как же это сделать в лазере? Сразу приходит идея, что часть фотонов генерации надо бы вернуть обратно в активную среду. Тогда они снова пойдут в канал накачки и дополнительно создадут инверсию. Сделать это можно с помощью оптического резонатора. Сейчас будет много умных слов, но на деле оптический резонатор — это просто два зеркала, расположенных друг на против друга (вы ведь смотрели в такую систему, да? :) Я её называю порталом в Ад). Такая система из двух зеркал называется интерферометром Фабри-Перо. Одно зеркало делают полупрозрачным для вывода излучения из активной среды. Коэффициент пропускания такого зеркала обычно несколько более 60% — то, что способно прожигать металл лишь вершина айсберга, внутри лазера излучения куда больше)

Оптических резонаторов существует огромное множество, но мы пока не будем заострять на этом внимание, а поговорим пока о режимах работы.

Импульсный и непрерывный — где, как и зачем?

Существует всего два режима: импульсный и непрерывный. Наиболее понятен непрерывный — лазер просто светит и всё. Импульсный несколько хитрее, но всё ещё поддаётся простому объяснению. Давайте представим, что одно из зеркал мы будем вращать. Тогда в некоторый промежуток времени (пока зеркала параллельны), лазер будет светить, а когда зеркало отворачивается, перестаёт. Получаются импульсы излучения. Можно сказать, что мы имеем в один момент времени хороший резонатор, а в остальные — плохой. Параметр, описывающий крутость резонатора, называют добротностью. Чем добротность выше, тем круче резонатор (в нём меньшие потери). Получается, что мы искусственно меняем добротность резонатора (в данном случае механически) и получаем импульсный режим. Данный процесс называют модулированием добротности. Запомним:

Механическая модуляция добротности может дать длительность импульса порядка мкс, но как же получить более короткие импульсы? Можно, например, подобрать такой материал, в котором излучение происходит только при определённой населённости уровня. Тогда возникает эдакая естественная модуляция.

Схем модуляции существует очень много и все они очень сложные, но очень важные. Если вас заинтересовала данная тема, можно обратиться в интернет, где все возможные схемы модуляции описаны, а пока я вас поздравлю, ведь мы теперь знаем, как работает лазер! Настало время поговорить о его воздействии)

Термическое воздействие лазера — вред или польза?

Взаимодействие лазерного излучения с металлами

Начнём, пожалуй, с того факта, что любым телом лазерное излучение в той или иной степени поглощается. Описывается этот факт законом Бугера-Ламберта-Бэра:

Где R — коэффициент отражения, а μ — коэффициент поглощения. Интенсивность излучения экспоненциально падает по мере продвижения вглубь образца. Стоит ли напоминать, что из-за поглощения излучения тело начинает нагреваться?)

Отметим одну особенность металлов — у них как коэффициент поглощения, так и коэффициент отражения велики, из-за чего для эффективного нагрева надо использовать большие мощности.

Излучение, прошедшее внутрь образца можно рассматривать как источник тепла и решать уравнение телопроводности. Это довольно муторное занятие, но благо умные дяди сделали всё за нас. Итак, температура металла на глубине x определяется выражением:

T(m) — это некоторая начальная температура, а — коэффициент температуропроводности, а ierfc будет сниться вам в ночных кошмарах (внимание, данное заклинание может плохо сказаться на вашем окружении, не рекомендуется произносить в слух: интегральная дополнительная функция ошибок). τ — длительность импульса.

В импульсном режиме во время облучения происходит нагрев, а во время отдыха — остывание. Остывание обычно происходит медленнее нагрева, поэтому можно подобрать скважность так, что каждый последующий импульс всё сильнее нагревал металл. График температуры металла от времени приведён на рис. 4.

Таким образом мы можем подавать короткие импульсы, но очень часто и в итоге довести металл до температуры плавления или же просто держать температуру постоянной. Основное различие импульсного режима от непрерывного заключается в том, что тепло за время импульса не успевает отойти от зоны облучения и нагреть всё тело, а в непрерывном мы спокойно можем хоть до посинения греть кусок вольфрама и ничего ему не станется. Импульсный режим чрезвычайно локален, из-за чего удаётся плавить металл и производить лазерную резку, лазерное скрайбирование и даже лазерную сварку. И именно это свойство крайне важно при нагреве живых тканей. Нам просто необходимо локально нагреть объект, не задев при этом окружающие области, иначе мы просто рискуем всё сжечь. Импульсный режим — наше всё!

TiSa-лазер — верх инженерной мысли!

Для безопасного применения термического свойства лазера на живых тканях надо позаботиться о периоде излучения. Чем он меньше, тем меньше будут нагреваться окружающие ткани, а значит тем безопаснее процедура. Данная проблема поставила задачу о проектировании лазеров сверхкоротких импульсов — фемтосекундных и пикосекундных лазеров. Для создания фемтосекундных лазеров требуется высокая частота модуляции добротности, поэтому также встала задача поиска такого материала, который бы позволил обеспечить сверхвысокочастотную модуляцию. Таким свойством, оказывается, обладают сапфировые лазеры, легированные титаном (титан-сапфировые лазеры или на жаргоне Тиса). Тиса позволяют не только добиться коротких импульсов, но ещё и изменять спектр излучения, что позволяет произвести тонкую настройку лазера под конкретные офтальмологические нужды. Так чем выше частота излучения, тем интенсивнее будет происходить нагрев хрусталика, но при этом будет падать коэффициент поглощения и наоборот. На рис. 5 и 6 вы можете узреть этот гений инженерной мысли)

1 of 2

Методы лазерной коррекции зрения

Пороки зрения, поддающиеся лазерной коррекции связаны с деформацией хрусталика и роговицы. Лазерный нагрев хрусталика и роговицы позволяет исправить форму оных для улучшения фокусирующих свойств. Если просто, то мы должны надрезать роговицу глаза, далее лазером исправить хрусталик, за затем вернуть всё как было. Но, к сожалению, человеческий организм — не электрическая плата, тут существует очень много нюансов, которые надо учесть, поэтому было разработано два основных метода.

ЛАСИК

Метод Lasik связан с исправлением роговицы. Сначала проводится микрохирургический этап, в ходе которого с помощью микрокератома рефракционный хирург формирует поверхностный лоскут роговицы в виде «клапана» около 8 мм диаметром, одинаковой толщины по всей его площади, с сохранением фиксации «ножки» к роговице, и отворачивает его в сторону, что позволяет впоследствии обрабатывать лазером средние слои роговицы.

1 of 4

На втором этапе мы производим непосредственную лазерную коррекцию средних слоёв роговицы с помощью эксимерного лазера или Тисы: по заданному алгоритму испаряются некоторые области. Если же в операции учитываются индивидуальные особенности глаза, то метод называют Супер-ЛАСИК.

После перемоделирования профиля роговицы лоскут роговицы, сформированный на первом этапе, возвращается на место и самостоятельно, без наложения швов, фиксируется за счет связующих свойств коллагена роговицы.

1 of 4

Релакс

Другой метод коррекции — ReLEx-SMILE. Данный метод принципиально отличается от LASIK физическими процессами, происходящими в роговице. Если в Ласике происходило испарение (абляция) роговицы, то в данном случае происходит её разрушение. Фемтосекундным лазером нагревается лентикула то состояния ионизации — образуется плазменный пузырик. Затем лазер смещается и делает ещё такой же пузырик. Каждый такой пузырик образует ударные волны, распространяющиеся по лентикуле. Множество таких ударных волн движутся в одном направлении, образуя кавитационный пузырь. По пути распространения кавитационного пузыря формируется срез. Длительность «микровзрыва» зависит от рабочей частоты фемтосекундного лазера. Сама поверхность роговицы остаётся целой: разрезы идут прямо в толщине прозрачного слоя.

У метода Релакс есть две основные проблемы: это весьма долгое заживление глаза и возможное нарушение иннервации — кваитационные пузыри вполне могут задеть нервы. Тем не менее зрение при данной операции восстанавливается гораздо быстрее — всего через пару дней. Также роговица надрезается до 80% меньше, чем при методе Ласик, а также отсутствует синдром «сухого глаза». На рис. 9 приведено сравнение надрезов при методах LASIK и ReLEx.

Заключение

Мы с вами проделали большой путь от понимания того, как в принципе работают лазеры, до применения их в медицине — галопом по европам покрыли более 50 лет развития лазерных технологий. Надеюсь, что мой маленький экскурс зажёг в ваших умах интерес к лазерным технологиям, поэтому к статье приложены дополнительные материалы для более глубокого изучения. Это лишь один из многих способов применения квантовых технологий в повседневной (ну или почти повседневной) жизни и я надеюсь, что нам ещё доведётся поговорить о лазерах, ну а пока всем спасибо и удачки).