1. Обычный свет «Обычный» свет относится к близкому диапазону длин волн в электромагнитном спектре,...
2. Свет лазера
3. Стоматологические лазерные волны
4. Компоненты типичного лазера ( Рис. 18 )
5. Диодные лазеры
6. Обмен энергией и длина волны излучения
7. Динамика лазерного луча
8. Режимы излучения лазера

Обычный свет

«Обычный» свет относится к близкому диапазону длин волн в электромагнитном спектре, который виден человеческой сетчатке. В природе его происхождение происходит из космического потока из космоса, а обычным источником искусственного обычного света является лампа накаливания в лампочке. «Белый» свет - это сумма всех составляющих длин волн визуального спектра. Форма волны обычного света не является когерентной, так как имеет место запутанное наложение последовательных волн. Распространение таких волн приводит к рассеянию света на расстоянии, а разнонаправленность и интерференция последовательных волн приводят к расхождению и затемнению с расстоянием. Длина волны любого светового луча измеряется в метрах, а типичные значения выражаются в нанометрах (10-9 метров).

Единицей световой энергии является фотон, а соотношение энергии с частотой можно выразить как:

где v = частота (число колебаний волны со временем) и h = постоянная Планка.

Кроме того, отношение частоты к длине волны λ может быть выражено как:

где с - скорость света (постоянная).

Подставляя длину волны на частоту:

Таким образом, эта связь устанавливает обратную связь между длиной волны и фотонной энергией. Что касается электромагнитного спектра, это объясняет, почему рентгеновские лучи на конце спектра с ультракороткой длиной волны имеют глубокую проникающую энергию, в то время как для длинноволновых радиоволн требуется специальный приемник.

Квантовая природа света - поглощение и излучение

Выражение квантовой физики в терминах атомной структуры было определено Бором в 1922 году. 8 Энергия падающего света, поглощенная атомом-мишенью, приведет к перемещению электрона в оболочку с более высокой энергией. Это нестабильное состояние приведет к излучению фотонной энергии относительно стабильного энергетического состояния цели, при этом избыточная энергия вырабатывается в виде тепла. Это известно как спонтанное излучение. Если уже заряженный атом бомбардируется вторым фотоном, это приведет к излучению двух когерентных фотонов с одинаковой длиной волны. Это было постулировано Эйнштейном как стимулированное излучение 2 ( Рис. 16 ).

Рисунок 16

Фотонная эмиссия, показывающая спонтанную (модель Бора, вверху) и стимулированную эмиссию (модель Эйнштейна, внизу)

Простой процесс, представленный Рисунок 16 демонстрирует трехуровневую концепцию значений энергии, то есть основное состояние → возбужденное состояние → основное состояние.

Свет лазера

Лазерное излучение происходит за счет усиления вынужденного излучения. Поскольку энергия излучения уникальна относительно своего источника и известной измеряемой величины, свет будет иметь одну длину волны (монохроматическую). Высокоэнергетический свет с единственной длиной волны производится в пространственно стабильной форме (коллимированной или не расходящейся) с последовательными формами волны, которые находятся в фазе (когерентно). Как следствие, когерентность и коллимация света приводят к высокой плотности энергии, а монохроматическая длина волны будет определять удельное поглощение цели. Эти фундаментальные качества будут рассмотрены в статье о лазерно-тканевом взаимодействии.

Стоматологические лазерные волны

Что касается монохроматической природы лазерного света, был разработан ряд длин волн излучения, которые для целей современной клинической стоматологии охватывают видимые до дальнего инфракрасного диапазона части электромагнитного спектра (приблизительно 400–10 600 нм) ( Рис. 17 ).

Рисунок 17

Электромагнитный спектр и длина волны зубного лазера

Компоненты типичного лазера ( Рис. 18 )

Схема типичного лазерного резонатора. Фотоны отражаются взад и вперед, повышая энергетические уровни атомов активной среды

Составными частями типичного лазера являются:

1. Активная среда

Материал естественного или искусственного происхождения, который при стимуляции излучает лазерный свет. Этот материал может быть твердым, жидким или газообразным. Первый «стоматологический» лазер использовал в качестве активной среды кристалл иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (Nd: YAG). «YAG» - сложный кристалл с химическим составом Y3Al5O12. Во время роста кристалла 1% ионов неодима (Nd3 +) легируются в кристалл YAG ( Рис. 19 ).

Стержень из кристаллической активной среды Nd: YAG, по сравнению с монетой, чтобы отразить размер

Другие важные в стоматологии лазеры используют ионы редкоземельных элементов и других металлов в «легированной» кристаллической решетке YAG, например эрбий (Er: YAG) и гольмий (Ho: YAG), вместе с другим эрбиевым и хромовым гранатом иттрия, скандия и галлий (Er, Cr: YSGG).

Активная среда расположена внутри резонатора лазера, внутри полированной трубки, с зеркалами, коаксиально расположенными на каждом конце и окруженными входом внешнего возбуждения или механизмом накачки.

«Активная среда», например, CO2, Nd: YAG, определяет тип лазера и длину волны излучения лазера (10 600 нм и 1064 нм соответственно). Атомы активной среды поглощаются в процессе эмиссии света.

2. Насосный механизм

Это представляет собой искусственный источник первичной энергии, которая возбуждает активную среду. Обычно это источник света, либо фонарик, либо дуговой, но это может быть диодный лазер или электромагнитная катушка. Энергия от этого первичного источника поглощается активной средой, что приводит к образованию лазерного света. Этот процесс очень неэффективен, и лишь около 3-10% падающей энергии приводит к лазерному излучению, 9 остальное превращается в тепловую энергию.

Динамика падающей энергии во времени имеет фундаментальное значение для характеристик режима излучения данного лазера. Непрерывная подача электрического разряда приведет к аналогичной непрерывной подаче излучения лазерного света (см. Ниже, режимы излучения лазерного света).

3. Оптический резонатор

Лазерный свет, генерируемый стимулированной активной средой, отражается назад и вперед через ось лазерного резонатора, используя два зеркала, размещенные на обоих концах, таким образом усиливая мощность. Дистальное зеркало является полностью отражающим, а проксимальное зеркало частично пропускающим, так что при заданной плотности энергии лазерный свет будет выходить для передачи на целевую ткань ( Рис. 20 ).

Рисунок 20

Лазерная машина «раздетая», показывающая лазерный резонатор (активная среда, оптический резонатор). Окружающее оборудование включает в себя насосный механизм, систему охлаждения и другие схемы

4. Система доставки

В зависимости от длины излучаемой волны система доставки может представлять собой кварцевое оптоволокно, гибкий полый волновод, шарнирный рычаг (с зеркалами) или ручную насадку, содержащую лазерный блок (в настоящее время только для лазеров с малой мощностью). Ранние попытки создания систем доставки основывались на использовании фиксированного зеркала и / или объектива. Вскоре стало очевидно, что использование тонкого волоконно-оптического кабеля из кварцевого кварцевого волокна максимально повысило вероятность того, что медицинские и стоматологические лазеры смогут достичь своего целевого участка. Однако пригодность этой системы доставки обусловлена ​​тем, что длина волны излучения плохо поглощается водой (гидроксильные группы), присутствующей в кварцевом волокне. Следовательно, более короткие длины волн, такие как аргон, диоды и Nd: YAG, могут обеспечивать такую ​​доставку волокна, тогда как более длинные волны (Er, Cr: YSGG, Er: YAG и диоксид углерода) вызывают серьезные потери мощности через кварцевое волокно и, следовательно, требуют альтернативной доставки. системы ( Рис. 21 ).

Рисунок 21

Примеры различных систем лазерной доставки, показывающие кварцевое волокно (а), шарнирный рычаг (б) и полый волновод (с, г)

Примерами таких альтернатив являются шарнирные рычаги, включающие внутренние зеркала и призмы, и полые волноводы, в которых свет отражается по внутренним полированным трубам. Для решения этой проблемы разрабатываются новые безводные волокнистые соединения, например фторид циркония. 10 , 11 , 12 , 13

5. Система охлаждения

Производство тепла является побочным продуктом распространения лазерного излучения. Он увеличивается с выходной мощностью лазера и, следовательно, в мощных лазерах для резки ткани система охлаждения представляет собой самый большой компонент. Коаксиальные системы охлаждения могут быть воздушными или водяными.

6. Панель управления

Это позволяет варьировать выходную мощность во времени, превышающем частоту, определяемую насосным механизмом. Другие средства могут позволить изменение длины волны (мульти-лазерные инструменты) и распечатывать доставленную лазерную энергию во время клинического использования.

Диодные лазеры

Разработка микроструктурных диодных ячеек, способных генерировать лазерное излучение, значительно сократила объем лазерных станков ( Рис. 22 ).

Рисунок 22

Пример «настольного» диодного лазерного станка. Обычными длинами волн являются КТР (532 нм), диод (810 нм) и диод (980 нм).

Ограничение рассматриваемой физики ограничило диапазон спектральных излучений до относительно узкой полосы (приблизительно 400-1000 нм) в настоящее время. В этих лазерах используются только твердые материальные активные среды.

В диодном лазере активная среда зажата между кремниевыми пластинами ( Рис. 23 ). Вследствие кристаллической природы активной среды, например GaAlAs, можно избирательно полировать концы кристалла относительно внутренних показателей преломления, чтобы получить полностью и частично отражающие поверхности, таким образом, воспроизводя оптические резонаторы более крупных лазеров. Разряд тока от одной кремниевой пластины к другой через активную среду высвобождает фотоны из активной среды. Отдельные диодные «микросхемы» вырабатывают относительно низкое энергопотребление, поэтому современные диодные лазеры, соответствующие хирургическим требованиям, используют группы отдельных диодных микросхем параллельно для достижения желаемой мощности.

Рисунок 23

Принципиальная схема типичного диодного лазера. Оптические отражающие зеркала заменяются полировкой соответствующих концов кристаллов для обеспечения внутреннего отражения.

Обмен энергией и длина волны излучения

Как было показано ранее, идеальный квантовый обмен в системе поглощения / эмиссии осуществляется через трехуровневый перенос (земля - ​​возбуждение - земля). Хотя это проявляется во многих лазерах (например, HeNe, N2), некоторые важные стоматологические лазерные активные среды испытывают некоторую временную задержку, в результате чего происходит затухание энергии в диапазоне значений, что приводит к увеличению верхнего и нижнего уровня излучения лазера. Это подвергает активную среду многоволновому спектру излучения. Таким образом, эти лазеры известны как четырехуровневые лазеры ( Рис. 24 ) и их актуальность такова, что существует потенциал для неспецифического, многоволнового излучения. Однако благодаря выбору отражающих зеркал в качестве оптических резонаторов (плоских, вогнутых, выпуклых) можно создавать помехи и подавление волн в резонаторе лазера, чтобы оставить желаемое излучение на одной длине волны. Это объяснение объясняет существование, например, СО2-лазера с длиной волны 9300, 9600 и 10600 нм ( Рис. 25 ).

Рисунок 24

Четырехуровневый энергообмен

Активная среда СО2-лазера представляет собой смесь газов CO2, гелия и азота в пропорции 8: 7: 1. Накачка происходит через электрический разряд катушки. Первоначально большая часть энергии электрического разряда поглощается газообразным азотом, и только небольшая часть энергии поглощается молекулами CO2 непосредственно, чтобы поднять их из основного состояния на верхний уровень генерации. Большие количества молекул СО2 сталкиваются с молекулами азота и получают энергию возбуждения. Спад энергии происходит с течением времени до более низкого уровня генерации, тем самым испуская лазерный свет на частоте 9 300 нм, 9600 нм или 10 600 нм соответственно. Оставшийся распад в основное состояние будет рассеивать энергию в виде тепла вместо света.

Динамика лазерного луча

Коллимация, одно из основных свойств лазерного света, на практике является теоретической концепцией, поскольку ее принятие основано на пропускании через вакуум. Прохождение лазерного света через любую другую среду приведет к некоторому расхождению с расстоянием, которое может составлять порядка 15-30 градусов при использовании системы доставки оптического волокна или диодной активной среды. 14 По существу, для того, чтобы его можно было контролировать, излучающий луч часто пропускают через фокальную среду, например, двухпуклую линзу.

Если первичный выходной лазерный луч пересекается и поперечное сечение луча изучается, интенсивность света может быть разного распределения (структуры), что согласуется с отражательной динамикой оптических резонаторов. Это так называемые поперечные электромагнитные моды (ТЭМ). Три индекса используются для обозначения мод - TEM plq , где p - число полей радиального нуля, l - количество полей углового нуля и q - количество продольных полей. Первые два индекса обычно используются для указания режима TEM, например, TEM00, TEM10 и т. Д. Очевидно, что чем выше порядок режимов, тем сложнее сфокусировать луч в точном месте. Режим TEM00, или гауссов луч, как его обычно называют, предпочтителен для достижения желаемой точности процедур лечения. Способность генерировать сфокусированный луч вместе с контролируемым приложением силы света на небольшой площади имеет фундаментальное значение для концепции доставки энергии абляции к ткани-мишени.

Режимы излучения лазера

Часто клинический лазер называют «непрерывной волной» (CW), «импульсным стробированием» (GP) или «пульсирующим импульсом» (FRP). Хотя это может показаться запутанным, это относится к скорости излучения лазерного света со временем. Неотъемлемое преимущество концепции импульсного потока над средним непрерывным потоком состоит в том, что, предполагая, что средняя доставка энергии со временем может быть низкой, пиковая энергия каждого «импульса» может быть значительно выше. В стоматологии это видно, когда для резки эмали используется Er: YAG-лазер; средняя мощность (скорость энергии со временем) мала, но пиковые уровни мощности достаточно высоки, чтобы вывести кристаллы гидроксиапатита из-за мгновенного взрывного испарения промежуточной воды. 15 Коммерческие лазеры для хирургического стоматологического использования обычно обозначаются как «5 Вт», «10 Вт» и т. Д. - это относится к максимальной средней выходной мощности. Эпитет режима излучения, например, «CW», «FRP», предупредит врача о потенциальной пиковой мощности лазера.

На практике режим излучения для любого данного лазера может быть либо «внутренним», либо «приобретенным». Собственные режимы излучения связаны с природой источника возбуждения:

1. Свободный импульсный, где лазерное излучение происходит в течение длительности импульса 100-200 микросекунд

2. б

   Непрерывная волна

Приобретенные режимы излучения обусловлены модифицирующим эффектом (электрическим, механическим, электрооптическим или акустооптическим), действующим на внутреннюю доставку:

1. Рубленый или стробированный CW, где лазерное излучение происходит за десятые доли (0,1-0,5) секунды

2. б

   С модуляцией добротности, с синхронизацией мод (не применяется в стоматологических лазерах)

3. с

   Суперимпульсный, где лазерное излучение происходит в течение 300-400 микросекунд.

Что касается клинического применения любого лазера с любой целевой тканью полости рта, важно учитывать потенциальную передачу энергии от лазерного луча, преобразуемой в тепловую энергию в мишени, для того, чтобы только достаточная передача для выполнения назначенного изменения ткани Достигнут. Для простого CO2-лазера малой мощности среднюю выходную мощность CW-машины легко понять - четыре ватта CW-мощности = четыре ватта средней мощности. При использовании лазера FRP, например Er: YAG, выходная мощность часто выражается в виде энергии на импульс, и оператор может определить количество импульсов. Таким образом, энергию на импульс, например, 200 мДж, нужно умножить на количество импульсов, например, 20 импульсов в секунду (0,2 Дж × 20), чтобы получить среднюю мощность, равную четырем ваттам (джоулям в секунду). Основным преимуществом режима импульсной доставки будет способность ткани-мишени охлаждаться между последовательными импульсами. Однако при рассмотрении FRP-лазера пиковая мощность на импульс может быть значительной. Значение энергии на импульс 200 мДж (200 × 10–3 Дж) с длительностью импульса 100 мкс (100 × 10–6 с) может привести к пиковой мощности 2000 Вт для этой доли времени (Дж ÷ с).

Электромагнитные силы, возникающие во время разряда энергии пиковой мощности, могут быть достаточными для создания плазменного шара энергии, 16 достаточно, чтобы разрушить молекулярную структуру в ткани-мишени.

Большинство коммерческих лазеров для использования в клинической стоматологии содержат такую ​​информацию на дисплее панели управления. Что вызывает беспокойство, так это то, что многие лазеры, используемые в стоматологической практике, являются производными от машин, которые предназначены главным образом для общего хирургического применения и, как таковые, обладают параметрами мощности, которые можно считать потенциально опасными для использования во внутриротовом режиме.

Таким образом, режим эмиссии будет иметь прямое влияние следующими способами:

1. Средняя мощность (скорость энергии со временем) доставляется к цели

2. б

   Пиковое значение мощности лазерного света, доставляемого к цели (наблюдается в режимах FRP)

3. с

   Эффект тепловой релаксации (способность к охлаждению) цели.

Потенциал тепловой релаксации наибольший в излучении FRP и наименьший в излучении CW. Это имеет большое значение для управления тканями во время взаимодействия лазера с тканью.