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