Инновационное оборудование в медицине. Лазерная техника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 

О. А. Коновалова, К. Ю. Нагулин, А. К. Загрутдинова 

ИННОВАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В МЕДИЦИНЕ 

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА

Учебное пособие 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2019 

УДК 615.47(075) 
ББК 34.7я7 

К64

К64

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. А. И. Горунов 
канд. мед. наук Р. Ф. Закиров 

Коновалова О. А. 
Инновационное оборудование в медицине. Лазерная техника : учебное пособие / О. А. Коновалова, К. Ю. Нагулин, А. К. Загрутдинова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 96 с. 

ISBN 978-5-7882-2777-1 

Рассмотрены физические основы лазерного излучения, устройство и типы 
лазеров, применяемых в медицине.  
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 12.03.04 
«Биотехнические системы и технологии» (профиль «Инженерное дело 
в медико-биологической практике»), изучающих дисциплину «Инновационное оборудование в медицине».
Подготовлено на кафедре медицинской инженерии. 

Ответственный за выпуск И. Н. Мусин 

Подписано в печать 29.12.2019 
Формат 60´84 1/16

Бумага офсетная
Печать ризографическая
5,58 усл. печ. л.

6,0 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз.
Заказ 298/19

Издательство Казанского национального исследовательского 

технологического университета 

Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального 

исследовательского технологического университета 

420015, Казань, К. Маркса,  68

ISBN 978-5-7882-2777-1 
© Коновалова О. А., Нагулин К. Ю., 

Загрутдинова А. К., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 615.47(075) 
ББК 34.7я7

Введение

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися 

достижениями науки и техники XX в. Первый лазер появился в 1960 г. 
И с этого момента началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных 
устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во 
многих отраслях народного хозяйства. Что же такое лазер, чем он интересен и полезен? 

Один из основоположников науки о лазерах – квантовой элек
троники – академик Н. Г. Басов отвечает на этот вопрос так: «Лазер – 
это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, 
электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное 
пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить 
плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже 
удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, 
магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым емким 
носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки». 

Широкое применение лазеров в современной науке и технике 

объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. 

Раздел 1. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРОВ 

О возможности использования света для лечения болезней было 

известно еще тысячи лет назад. Древние греки и египтяне применяли 
солнечное излучение в терапии, и это нашло отражение в мифологии – 
греческий бог Аполлон был богом солнца и исцеления. Авиценна 
(980–1037 гг.) в своем «Каноне медицины» рассматривал свет как 
важный фактор диагностики и терапии. По мере развития науки понимание природы физики света возродило интерес к его медицинскому 
применению в XIX столетии. Невозможно в дальнейшем говорить о 
лазерном излучении без напоминания об оптическом диапазоне излучения (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Шкала электромагнитных волн и виды взаимодействия  
с веществом (УФ – ультрафиолетовое излучение, ВС – видимый свет, 
ИК – инфракрасное излучение, ТГц – терагерцовый диапазон частот, 
КВЧ – крайне высокие частоты радиодиапазона, СВЧ – сверхвысокие 
частоты радиодиапазона 

Основные медицинские лазеры работают именно в оптическом 

(ультрафиолетовом, видимом и  инфракрасном) диапазоне длин волн. 
И только после изобретения источника когерентного излучения более 
50 лет назад действительно был выявлен потенциал использования 
света в медицине.  Революционный скачок в развитии фотомедицины 
произошел с созданием лазеров, открывших новые возможности воздействия оптического излучения на биоткани. За последние полвека 
лазеры нашли широкое применение во многих областях медицины и 

медико-биологических исследованиях, таких как офтальмология, онкология, пластическая хирургия. Благодаря особым свойствам, лазеры 
гораздо эффективнее, чем радиация солнца или других источников. 
Каждый квантовый генератор работает в очень узком диапазоне длин 
волн и излучает когерентный свет. 

Также лазеры в медицине позволяют создавать большие мощно
сти. Пучок энергии может быть сосредоточен в очень маленькой точке, благодаря чему достигается ее высокая плотность. Эти свойства 
привели к тому, что сегодня лазеры используются во многих областях 
медицинской диагностики, терапии и хирургии. 
Термин «лазер» образован из начальных букв предложения на 
английском языке, которое описывает физический принцип его работы: 
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. 
Или по-русски:  
Усиление света посредством вынужденного излучения. 
Иногда вместо термина «лазер» применяется «оптический квантовый генератор», или ОКГ. 
В далеком 1917 г. А. Эйнштейн опубликовал статью, посвященную спонтанному, вынужденному излучению и поглощению электромагнитного излучения (рис. 1.2). В этой статье Эйнштейн впервые 
теоретически указал на принципиальную возможность усиления света 
в оптической среде за счет вынужденного излучения.  

А. Эйнштейн
П. Дирак
В. А. Фабрикант

Рис. 1.2. Основоположники теории вынужденного излучения 

В 1927 г. Поль Дирак создает квантовую теорию вынужденного 
излучения. 
В 1940 г. советский ученый В. А. Фабрикант экспериментально 
доказал возможность усиления света и предложил использовать в ка

честве усиливающей среды термодинамически неравновесные системы. В 1951 г. В. А. Фабрикант с сотрудниками экспериментально получают усиление электромагнитного излучения в газах с помощью 
вынужденного излучения. 

На базе этих фундаментальных принципов в 1954 г. был создан 

первый в мире микроволновый квантовый генератор на парах аммиака – мазер. Это открытие, высоко оцененное мировым сообществом, 
послужило толчком для революционного прорыва в квантовой электронике и открыло новую эпоху – эпоху лазеров. 

 

 
 
 

                           а        
           б 
  
              в 

 

г 

Рис. 1.3. Изобретатели мазера: Н. Г. Басов (а), А. М. Прохоров (б) 

и Ч. Таунс (в); первый мазер на парах аммиака (г) 

 
Эта эпоха ознаменовалась весьма бурным стартом. Каждый год 

приносил новые достижения, новые типы активных сред и лазеров.    
В 1959 г. изобретатели мазера А. М. Прохоров и Н. Г. Басов были 

награждены Ленинской премией, а в 1964 г. совместно с Ч. Х. Таунсом – Нобелевской премией по физике (рис. 1.3). После Нобелевской 
премии 1964 г. эту премию еще 12 раз присуждали за использование 
лазера и мазера в различных научных открытиях. 
В 1960-м г. были впервые созданы твердотельный лазер на кристалле рубина Т. Меймана (рис. 1.4) и газовый гелий-неоновый лазер 
Д. Херриотт, А. Джаван и У. Беннетт (рис. 1.5).  

а 

   б 

Рис. 1.4. Устройство первого рубинового лазера (а) 
и его создатель Т.  Мейман (б) 

Рис. 1.5. Д. Херриотт, А. Джаван и У. Беннетт (слева направо) 
настраивают разработанный ими первый гелий-неоновый лазер 
в лаборатории Белла 

Рис. 1.6. Ж. Алферов 

Через год создаются лазер на стекле, активированном неодимом, 
и первый химический лазер, в котором энергия накачки получается за 
счет протекающей химической реакции. В 1962 г. создается первый 
полупроводниковый лазер на арсениде галлия. 1963 г. богат на открытия: создание лазеров на ионах переходных металлов с перестраиваемой длиной волны излучения, азотного лазера.  
Ж. Алферовым, Г. Кромером и Р. Казариновым выдвинуты идеи 
применения двойных гетероструктур для лазерной генерации и лазерной 
диодной накачки (рис. 1.6). Кстати, большинство современных технологических лазеров используют сейчас именно такой вид накачки.  

В 1964 г. созданы твердотельный лазер на кристалле иттрийалюминиевого граната, активированного неодимом, и газовые лазеры 
на CO2, аргоне, ксеноне и криптоне (рис. 1.7).  
В 1965 г. был создан химический лазер на HCl и лазер на центрах окраски с KCl. В 1966 г. был разработан первый в мире газодинамический лазер на CO2 (рис. 1.8), лазеры на парах металлов цинккадмий и меди, импульсный лазер на красителях. Появление лазеров 
на красителях открыло значительные перспективы получения когерентного излучения в широком диапазоне длин волн.  

Рис. 1.7. Первый аргоновый лазер, созданный в лаборатории Белла 

Рис. 1.8. Газодинамический лазер на 135 кВт 
Avco Everett Research Lab, Inc., США  

В 1967 г. созданы лазеры на фтороводороде и циановодороде. 
В 1968 г. впервые разработан действующий лазер на двойной гетероструктуре, лазер на парах золота. 
В 1969 г. создан лазер на CO2 киловаттного диапазона мощности, пригодный для применения в обработке материалов (рис. 1.9).  
В 1970 г. получены непрерывная генерация в лазерах на красителях, генерация на двойных гетероструктурах при комнатных температурах и создан эксимерный лазер.  

Рис. 1.9. Первый мощный CO2 лазер проточного типа (2 кВт) 

Рис. 1.10. Диапазон длин волн, генерируемых современными лазерами