Изучение основных характеристик лазерной медицинской терапевтической аппаратуры на основе полупроводниковых лазеров

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
Г.Н. Змиевской 
 
 
ИЗУЧЕНИЕ  
ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 
ЛАЗЕРНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ  
ТЕРАПЕВТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ 
НА ОСНОВЕ  
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ 
 
 
 
Под редакцией  И.Н. Спиридонова 
 

Методические указания к выполнению лабораторной работы  
по курсу «Лазерные медицинские системы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.375.826+615.849.19 
ББК 53.54+32.86.5  
         З-69 
 
Рецензент С.Б. Одиноков 
     
Змиевской Г.Н. 
Изучение основных характеристик лазерной медицинской терапевтической аппаратуры на основе полупроводниковых лазеров : метод. указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Лазерные медицинские системы»  
/ Г.Н. Змиевской ; под. ред. И.Н. Спиридонова. – М. : Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 29, [3] с. : ил. 
 
Кратко изложены основные принципы работы  лазеров, дан обзор их возможных медицинских применений, приведены сведения 
из теории полупроводниковых лазеров. Рассмотрены перспективы 
применений полупроводниковых и волоконных лазеров в медицине 
ближайшего будущего, их преимущества (высокий КПД, надежность, многофункциональность, малогабаритность, экономичность, 
электробезопасность и т. д.). Практическая часть посвящена исследованию геометрии пучка излучения лазерного терапевтического 
аппарата типа «Узор» и волоконно-диодного модуля ДЛ-1. Предложена методика измерения поперечных размеров излучающей 
площадки полупроводникового активного элемента и числовой 
апертуры волоконного световода. Даны контрольные вопросы для 
закрепления знаний и навыков, полученных в процессе выполнения 
лабораторной работы. Приведен список литературы для более углубленного изучения затронутых вопросов. 
Для студентов старших курсов биомедицинских специальностей. 
                              УДК 621.375.826+615.849.19 
  ББК 53.54+32.86.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

З-69 

ВВЕДЕНИЕ 

Лазер – генератор когерентного электромагнитного излучения 
оптического диапазона. Лазеры, в отличие от обычных источников 
света, излучают световые волны исключительно высокой пространственно-временной когерентности, позволяющей добиться 
уникальной пространственной направленности и монохроматичности, поскольку для генерации света в лазерах используется эффект индуцированного излучения.  
Для работы лазера необходимо наличие: 
 активной среды, т. е. совокупности атомов, молекул или 
других микрочастиц, обеспечивающих преобладание индуцированного излучения над остальными излучательными процессами 
за счет создания инверсной населенности выбранных квантовых 
состояний (рабочих уровней). Это означает, что лазер представляет собой термодинамически неравновесную систему; 
 положительной обратной связи, т. е. фактора, обеспечивающего умножение актов индуцированного излучения в активной 
среде и создание стационарного превышения излучательных процессов над поглотительными. Это означает, что лазер является автоколебательной системой; 
 внешнего источника энергии, обеспечивающего ее поступление в активную среду и поддерживающего квазистационарное 
состояние активной среды с возможностью преобразования поступающей извне энергии в энергию индуцированного излучения. 
Диапазон активных сред к настоящему времени достиг огромных размеров. По-видимому, легче назвать среды, в которых не 
возбуждалось лазерное излучение, чем таковые, где оно уже было 
получено. Весьма условно лазеры можно разделить по типу активной среды сообразно исходному агрегатному состоянию на твердотельные, жидкостные и газовые. Количество способов создания 
инверсной населенности рабочих уровней (или, по устоявшейся 
терминологии квантовой электроники, накачки) также велико.  

Важно подчеркнуть следующее: для создания инверсии населенностей затраты энергии, как правило, значительны, из-за чего 
КПД подавляющего большинства лазеров мал. Очень грубо можно 
отследить тенденцию некоторого роста КПД по мере повышения 
концентрации активных частиц. Однако степень монохроматичности и пространственной когерентности мощных лазеров существенно ниже, чем низкоинтенсивных, т. е. в зависимости от поставленной цели потери энергии при накачке компенсируются уникальностью свойств получаемого излучения.  
Чтобы возникла генерация, активная среда должна быть помещена в резонатор, т. е. в систему, заставляющую излучение многократно проходить через один и тот же объем активной среды и тем 
самым осуществляющую положительную обратную связь. 
Простейший оптический резонатор можно представить себе в 
виде двух плоских зеркал, отражающие поверхности которых поставлены навстречу друг другу, расположены перпендикулярно 
оптической оси системы и удалены друг от друга на заданное расстояние 
(
).
L L


 Здесь   – длина волны излучения, соответствующего разности энергий рабочих уровней ΔΕ = h. 
Размеры зеркал обычно также велики – по сравнению как с 
длиной волны, так и с поперечными размерами активной среды. 
Поэтому можно приближенно полагать, что в пространстве между 
ними возбуждается плоская стоячая волна, но амплитуда поля в 
этой волне не постоянна, а спадает при удалении от оптической 
оси. В таком приближении можно говорить об устойчивых типах 
колебаний (модах) резонатора. Обычно значение коэффициента 
отражения зеркал по энергии выбирается близким к единице. 
Если при однократном прохождении сквозь активную среду 
интенсивность излучения увеличивается в K раз, то при условии 
выхода наружу (1 – R)-й доли этой интенсивности (R – энергетический коэффициент отражения от зеркала) компенсация потерь 
энергии означает выполнение требования RK = 1. Но это есть не 
что иное, как аналогичное радиофизике условие самовозбуждения 
генератора. 
Следует учесть, что потери за проход определяются не только 
пропусканием зеркала, а еще поглощением и рассеянием в самой 
среде и на элементах оптической схемы резонатора. Имея в виду, 
что фазовые набеги при распространении излучения внутри резонатора должны быть кратны 2, получим пороговое условие самовозбуждения генератора в виде двух известных уравнений – уравнения баланса амплитуд и уравнения баланса фаз. Отличие от 

классической радиофизической колебательной задачи заключается 
в том, что физический смысл усиления необходимо увязать с квантовой природой активной среды и адекватно описать механизм 
индуцированного излучения.  
Впервые самосогласованная теория лазера как автоколебательной системы была предложена У. Лэмбом в 1964 г. на основе полуклассической модели, описание поля в резонаторе было дано 
через уравнения Максвелла, а среды – через формализм матрицы 
плотности. В дальнейшем радиофизическая концепция лазера была развита многими авторами и стала преобладающей. 
В 70-е годы XX в. появилась новая концепция лазера – синергетическая, в которой лазер было предложено рассматривать как 
диссипативную (стационарную, но далекую от равновесного состояния) систему (Г. Хакен). Эта концепция позволила установить 
глубокие системные аналогии между квантовой электроникой и 
биофизикой, обогатившие обе области знания.  
В настоящее время развивается гомеостатическая концепция 
лазера, объединяющая синергетическую и информационную модели с привлечением достижений теории оптимального управления. Это говорит о том, что наука о лазерах никоим образом не 
может считаться завершенной, а использование тех принципов, 
которые были заложены в основу квантовой электроники, исключительно плодотворно для развития смежных научных направлений, причем, что особенно существенно для наших целей, можно 
специально выделить из них биомедицинское. 

 

1. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ 

При применении лазеров люди столкнулись с воздействием на 
биообъект, не имевшим ранее прецедентов в природе. Самый 
мощный природный источник излучения – Солнце – обладает квазисплошным спектром, и развитие всех форм жизни происходило 
под его непосредственным воздействием. Поэтому естественно 
считать характеристики солнечного излучения (с учетом его 
фильтрации в атмосфере Земли) базовыми с точки зрения взаимодействия излучения с биотканью. Соответственно и выделение 
самого оптического диапазона длин волн электромагнитного излучения связано именно с воздействием его на биоткань, точнее, на 
живой организм.  
К оптическому диапазону принято относить электромагнитные 
волны с длиной от 100 нм до 1000 мкм (или, в единицах частот,  
от 1012 до 1016 Гц). Этот диапазон подразделяется на видимый спектр 
(400…760 нм), ультрафиолетовый (менее 400 нм) и инфракрасный 
(более 760 нм) диапазоны. Ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный 
(ИК) диапазоны дробятся на вакуумный УФ (100…280 нм), жесткий 
УФ (280…315 нм) и мягкий УФ, ближний ИК (760…1400 нм); средний ИК (1400…3000 нм) и дальний ИК (более 3000 нм). По международной классификации их обозначают: UV-C (100…280 нм);  
UV-B (280…315 нм); UV-A (315…400 нм); vis (400…760 нм); near  
IR (760…1400 нм); mean IR (1400…3000 нм); far IR (более 3000 нм). 
Установленные границы диапазонов в основном определяются поглощением электромагнитного излучения тканями организма, обусловленным поглощением главным образом водой и гемоглобином 
крови. С точки зрения электромагнитного излучения мягкие биоткани можно качественно трактовать как смесь крови с водой, содержащей ряд растворенных веществ.  
За пределами видимого диапазона поглощение излучения биотканями возрастает: в УФ-области – из-за фактора гемоглобина, в 
ИК-области – из-за воды (рис. 1). Наиболее «прозрачен» живой 

организм в области, захватывающей длинноволновый «хвост» видимого диапазона и ближний ИК-диапазон. Это имеет принципиальное значение с точки зрения терапевтического действия лазерного излучения. 

Рис. 1. Спектры поглощения излучения оптического диапазона протеина, 
оксигемоглобина, гемоглобина, меланина и воды. Вертикальными линиями обозначены длины волн наиболее распространенных медицинских  
                                                       лазеров 

Особенности лазерного излучения заставляют пересмотреть 
классические представления о взаимодействии электромагнитного 
излучения с биотканью. Как уже указывалось во введении, впервые появилась возможность концентрации энергии в чрезвычайно 
узком спектральном (как пространственном, так и временном) 
диапазоне. Кроме того, никакой ранее известный источник не давал столь хорошо сохраняющего фазовые соотношения излучения, 
что позволило обнаружить целый ряд особенностей в его взаимодействии с различными средами и тем самым создать новый раздел оптики – когерентную биомедицинскую оптику.  
Наконец, особенности работы лазера позволяют создавать импульсы излучения с рекордно малыми длительностями (до 10–15 с), 
что наряду с упомянутым выше дает возможность воздействовать 
на биопроцессы не только на уровне отдельных клеток, но и на 
уровне их ядер, т. е. непосредственно влиять на жизнедеятельность на всех уровнях. Все это означает, что с появлением лазеров 
неизмеримо раздвигаются границы возможностей воздействия излучения на процессы в живом организме.  

Принято классифицировать воздействие лазерного излучения 
на биоткань по трем параметрам: длине волны, плотности энергии 
(или мощности) и длительности воздействия.  
Воздействие лазерного излучения на биообъект осуществляется 
как в  лечебных целях, так и для решения диагностических задач. 
Задача диагностики – возможно более достоверное извлечение информации о состоянии организма и патологических изменениях в 
нем. С этой точки зрения любое воздействие извне, влияющее на 
процессы в организме, нежелательно, поскольку оно искажает истинную картину происходящего. Однако без воздействия нет и отклика организма, который является единственным источником  
необходимой информации. В любом случае при диагностическом 
воздействии следует соблюдать условие малости энергии взаимодействия по сравнению с запасенной в объекте энергией и возможно 
более высокой локальности воздействия. Лазерное воздействие 
удовлетворяет этому условию в значительно большей степени, чем 
ряд других диагностических методов. Однако в каждом практическом случае возникают существенные трудности при реализации 
данного метода воздействия. Это является основной причиной того, 
что на долю лазерной диагностики до сих пор приходится ничтожно 
малый процент от всех применений лазеров в медицине.  
Лечебное воздействие лазерного излучения принято подразделять на терапевтическое и хирургическое.  
Терапевтическим (с системной точки зрения) следует считать 
такое воздействие, результатом которого является нормализация 
хода метаболических процессов в организме (подавление патологических и стимуляция репаративных). Задача, решаемая при терапии, является тем самым задачей управления процессами в организме.  
В отличие от нее при хирургическом воздействии решаемая задача есть задача деструкции патологических тканей с удалением 
их из организма. Граница между терапевтическим и хирургическим воздействиями не может быть четко обозначена, поскольку 
различные ткани – и даже одни и те же ткани в различном состоянии – по-разному реагируют на воздействие. При аналогичных 
характеристиках падающего излучения в одних случаях возможна 
компенсация воздействия (терапевтический эффект), в других – 
деструкция (необратимые изменения).  
Рассматривая в качестве обобщенной количественной характеристики падающего излучения его поверхностную плотность 

мощности, измеряемую в ваттах на сантиметр в квадрате (Вт/см2), 
обозначают границу между терапией и хирургией в пределах двух 
порядков – от 0,1 до 10 Вт/см2 («пограничный» диапазон). Более 
определенно устанавливают нижнюю границу терапевтического 
действия (приблизительно 10–3 Вт/см2) и верхнюю границу хирургического (приблизительно 108 Вт/см2). В последние десятилетия 
для определения воздействия в «пограничном» диапазоне значений плотностей мощности часто используют не слишком удачный 
термин «силовая терапия», обобщенно означающий высокоинтенсивное тепловое воздействие с существенным изменением характеристик биоткани, но без видимой деструкции и удаления продуктов разрушения непосредственно в процессе операции.  
Характерные значения плотностей мощности сильно изменяются при перемещении по шкале длин волн, что еще более подчеркивает условность указанных границ. Но количественные изменения, связанные с зависимостью коэффициента поглощения 
тканей от длины волны, не исчерпывают трудностей в классификации воздействий.  
Преобладание термического действия, вызывающего наиболее 
заметные деструктивные изменения в видимой и ИК-областях, постепенно исчезает в УФ-области по мере уменьшения длины волны и вытесняется фотохимическим действием (разрыв химических 
связей в органических молекулах и превращение их в другие молекулы вплоть до распада на фрагменты). Граница между мягким 
и жестким ультрафиолетом устанавливается как граница преобладания фотохимического действия. В силу этих обстоятельств  
однозначно определить, какое же действие производит лазерное 
излучение УФ-диапазона при явных необратимых изменениях в 
химическом строении и составе биотканей, но без видимого их 
разрушения, представляется крайне затруднительным. Поэтому 
лазеры, излучающие в жестком ультрафиолете, пока не нашли широкого применения в медицине вследствие недостаточной изученности механизмов их воздействия на биоткань и ограниченного 
выбора самих лазеров, излучающих в этом диапазоне. 
Лазеры видимого диапазона обладают серьезным преимуществом, поскольку работа с ними допускает непосредственный визуальный контроль. С другой стороны, в видимом диапазоне поглощение излучения мягкими биотканями меняется в весьма широких 
пределах, что является основой для решения широкого круга биомедицинских задач (см. рис. 1).  

Отмечая, что наибольшей прозрачностью мягкие биоткани обладают в диапазоне 0,6…1,4 мкм, где поглощение излучения гемоглобином резко падает, а поглощение внутритканевой водой мало 
отличается от поглощения в видимом диапазоне, можно специально выделить указанный диапазон как наиболее предпочтительный 
для терапевтических применений. В самом деле, при высокой прозрачности можно подвергнуть воздействию максимальный объем 
биоткани и тем самым усилить лечебный эффект при заданном 
уровне мощности. Кроме того, прозрачность оптических материалов (в первую очередь, плавленого кварца) в указанном диапазоне 
также близка к максимальной, поэтому излучение можно передавать по световодам во внутренние полости организма с малыми 
потерями. Для хирургических применений рассматриваемый диапазон наименее удобен, поскольку воздействию подвергается 
слишком большой объем ткани и для его нагрева и испарения требуется гораздо большая энергия, чем в остальных спектральных 
областях. 
В среднем и дальнем ИК-диапазонах резко возрастает поглощение излучения водой и падает прозрачность большинства оптических сред. Это, с одной стороны, определяет выбор лазеров для 
хирургических применений (наиболее характерный из них – лазер 
на СО2), с другой – резко затрудняет передачу излучения по световодам (световоды, обладающие приемлемыми потерями в этом 
диапазоне, не удовлетворяют медицинским требованиям). В настоящее время лазерные хирургические установки на базе СО2лазеров (так называемые лазерные скальпели) составляют большинство промышленно выпускаемых лазерных медицинских  
установок, однако можно отметить две явно обозначившиеся тенденции: быстрый рост выпуска и продаж аппаратуры на базе  
полупроводниковых инжекционных лазеров и вытеснение классических лазерных скальпелей на СО2-лазерах хирургическими аппаратами на базе твердотельных, полупроводниковых и в особенности волоконных лазеров.  
Последние наиболее быстро совершенствуются и достигают по 
уровню выходной мощности значений, аналогичных значениям 
мощности лазеров на СО2, в то же время обладают безусловными 
преимуществами со всех остальных точек зрения (в частности, надежность, экономичность, простота эксплуатации). Учитывая, что 
поглощение излучения водой в области 2 мкм (см. рис. 1) сравнимо с поглощением в области 10 мкм, а световоды из обезвоженно