Квантовая теория лазера - взаимодействия света и материи
Для того чтобы понять, как электромагнитные поля световой энергии взаимодействуют с электромагнитными полями атомов и молекул, мы должны изучить структуру материи на неведомом нашим органам чувств субмикроскопическом уровне (менее 10-10 м).
Для путешествия в эту субмикроскопическую реальность мы покинем наш знакомый мир твердой, стабильной материи и войдем в яростный мир заряженных частиц, вибрирующих и вращающихся с невообразимой скоростью, создающих мощные электромагнитные силы, обладающие кинетической энергией. Именно здесь, за рамками нашего воображения, и происходит взаимодействие света с материей.
Атомы и молекулы находятся в постоянном движении (обладают кинетической энергией). Выделяют пять уровней кинетической энергии в каждой молекуле:
1. Ядерный
2. Орбиты электронов
3. Вибрация атомов относительно «ядерного атома» в молекуле
4. Вращение всей молекулы
5. Трансляционное движение — броуновское движение
Сохранение стабильности внутри молекулы возможно лишь при существовании в определенных дискретных энергетических состояниях на каждом из первых четырех перечисленных уровней кинетической энергии. Эти энергетические уровни определяются законами квантовой механики. Заряженные частицы в движении создают электромагнитные поля.
Когда определенное энергетическое состояние (например, орбита электрона) переходит на более низкий допустимый энергетический уровень, молекула излучает фотоны электромагнитной энергии, которые в точности равны потерянной энергии. И наоборот, каждая молекула может поглотить только те фотоны, которые несут в себе ровно столько электромагнитной энергии, сколько необходимо для перехода с более низкого на более высокий «допустимый» квантовый уровень.
Таким образом, каждая молекула может поглотить только определенные фотоны (определенных длин волн и частот) — поглощение лазерной электромагнитной энергии зависит от длины волны.
Энергия лазера взаимодействует с четырьмя из пяти уровней кинетической энергии в молекуле:
1. Ядерная кинетическая энергия. Сильные энергетические поля протонов, нейтронов и мощная ядерная сила намного превосходят энергию лазера, и поэтому лазеры не способны изменять ядро.
2. Орбиты электрона (электромагнитная сила). Электроны притягиваются положительно заряженными протонами на специальные «квантовые орбиты». Существует относительно небольшое число разрешенных орбит. Поэтому длина волны лазера (например, ультрафиолетовая или видимая), взаимодействующая с электронными орбитами будет специфична для атомов и молекул ткани-мишени.
3. Колебательная кинетическая энергия. Атомы объединяются в молекулы путем соединения орбитальных (внешних) электронов. Эти ковалентные и ионные связи «эластичны», и все атомы вибрируют относительно центрального ядра молекулы. Молекулы могут существовать на большом количестве близко расположенных уровней колебания энергии, поэтому лазеры, взаимодействующие с этими уровнями (например, среднего инфракрасного диапазона), поглощаются большинством молекул.
4. Кинетическая энергия вращения. Вся молекула вращается как единое целое. Существует большое количество близко расположенных допустимых частот вращения. Волны дальнего ПК диапазона и микроволны взаимодействуют с этим уровнем кинетической энергии.
5. Поступательная (трансляционная) кинетическая энергия. Движение всей молекулы в трехмерном пространстве относительно соседних молекул (броуновское движение) возникает как результат суммы всей кинетической энергии, содержащейся внутри молекулы. Среднее количество поступательной энергии внутри системы называется «тепловой энергией», чем сильнее броуновское движение, тем больше ее уровень.
Количество энергии поступательного движения определяет, будет ли данная группа молекул существовать в виде твердого вещества (наименьшее количество энергии), жидкости или газа (наибольшее количество энергии). Используя фототермический эффект лазеров, мы поднимаем уровень кинетической энергии молекул-мишеней путем добавления электромагнитной энергии лазера к электронным орбитам (ультрафиолетовая и видимая части спектра), колебательным (ближний и средний инфракрасный диапазон) и вращательным (микроволны) кинетическим энергетическим состояниям.
В таблице ниже перечислены четыре уровня кинетической энергии, содержащейся внутри молекулы, и типы фотонов, которые могут поглощаться или излучаться на каждом из энергетических уровней.
Свет — это форма электромагнитного энергетического поля, состоящего из фотонов — квантованных единиц энергии. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона. Количество энергии внутри фотона прямо пропорционально его частоте и обратно пропорционально длине волны. Электромагнитный спектр представлен на рисунке ниже, который показывает длины волн в метрах и частоты в герцах. Наименьшие частоты (наибольшие длины волн) расположены слева.
Если двигаться по графику вправо, количество энергии, содержащейся в каждом фотоне, будет возрастать вместе с увеличением частоты и уменьшением длины волны.
Законы квантовой механики обусловливают селективность поглощения фотонов лазера молекулами. Фотоны высокой энергии (например, УФ и видимой части спектра) имеют ограниченную способность к абсорбции, так как они могут быть поглощены только теми молекулами, которые могут прибавить в точности такое количество электромагнитной энергии и поднять орбиты электронов на один из небольшого числа допустимых более высоких энергетических уровней. И наоборот, лазерные фотоны более низкой энергии (например, средней инфракрасной части спектра) добавляются к большому числу близко расположенных уровней колебательной кинетической энергии атомов, поэтому могут быть поглощены большинством молекул.
а) Микроволны. Фотоны низкой энергии микроволн (10-4-10-3) излучаются и поглощаются на уровне кинетической энергии вращения молекул. Хотя молекулы способны вращаться в большом диапазоне близко расположенных частот, существуют идеальные «резонансные» частоты, на которых электромагнитные поля молекул приходят в равновесие. Идеальная вращательная кинетическая энергия воды — 2450 МГц, что соответствует длине волны в 11,8 см.
Микроволновые печи излучают микроволны длиной 11,8 см, так как вода избирательно поглощает эти электромагнитные волны, поэтому большая часть электромагнитной энергии будет нагревать воду в нашем кофе, а не чашку.
б) Инфракрасный диапазон. Инфракрасный диапазон включает дальний ИК (1000— 50 мкм), средний ИК (50-2,5 мкм) и ближний ИК(2,5-0,76 мкм). Фотоны дальнего ИК диапазона излучаются и поглощаются поступательным движением и вращением молекул. Каждый объект, который теплее окружающих его предметов, излучает длинные ИК волны. Оптические приборы «ночного видения» содержат в себе фотоэлектрические элементы, воспринимающие этот дальний ИК спектр. Дальних ИК лазеров не существует.
СО2 (10,6 мкм) и эрбиевый (2,9 мкм) лазеры относятся к среднему ИК диапазону. Кинетическая энергия колебаний атомов излучает и поглощает волны среднего ИК диапазона. Атомы способны колебаться на большом количестве близко расположенных частот, которые, однако, зависят от характера связей внутри молекулы. Существуют особые резонансные частоты, чьи квантовые состояния идеальны. Атомы водорода в молекуле воды идеально резонируют на частоте приблизительно 1014 Гц, что соответствует частоте эрби-евого лазера (2,9 мкм), поэтому фотоны эрбиевого лазера лучше всего поглощаются водой. Излучение средних ИК лазеров поглощается большинством молекул и, до недавнего времени, не могло быть передано по оптическому волокну.
В 2007 году компания Omniguide® представила гибкое волокно для доставки энергии СО2-лазера. Продукт первого поколения для ушной хирургии имел наружный диаметр 0,9 мм.
Фотоны ближнего ИК диапазона поглощаются наружными орбитами электронов, а также на некоторых уровнях колебаний атомов. Излучение лазера на гольмиевом стекле Ho YAG (2,1 мкм) и лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом NdYAG (1,06 мкм) может быть эффективно передано по оптическим волокнам. Эти лазеры используются в некоторых медицинских специальностях: гинекологии, ортопедии, кардиологии. Так как они обладают более высокой энергией и меньшее количество молекул способны поглотить их, излучение этих лазеров может быть проведено по оптическим волокнам, однако оно глубже проникает в ткани и более склонно к рассеиванию, в отличие от средних ИК лазеров.
Электромагнитный спектр, показывающий длины волн (метры) и частоты (Герц).
Энергия фотона пропорциональна частоте. Фотоны с низкой энергией (низкая частота, большая длина волны) находятся в левой части,
а высокоэнергетические (высокая частота, короткая длина волны) — в правой.
в) Видимый свет. Видимый спектр (380-760 нм) включает в себя те фотоны, которые поглощаются и активируют фотохеморецепторы человеческого глаза. Фотоны видимого света поглощаются или излучаются наружными электронными орбитами атомов при повышении или понижении их энергетических уровней. Усовершенствованные методики изучения видимого спектра являются важными средствами спектроскопического анализа электронной структуры атомов и молекул. Фотоны сине-зеленого аргонового лазера (488 и 514 нм) не поглощаются молекулами воды и легко проходят через большую часть молекул нашей атмосферы. Красный гемоглобин селективно поглощает эти сине-зеленые длины волн.
Объект выглядит красным в видимом свете, так как он отражает красную составляющую спектра, поглощая при этом остальные фотоны видимого света.
г) Ультрафиолетовый диапазон. Ультрафиолетовый спектр (1-380 нм) возникает в результате крупных переходов между допустимыми наружными электронными орбитами. Фотоны ультрафиолета содержат больше энергии, чем спектр видимого света и потому полезны для фотодиссоциации специфических молекулярных связей без разогрева молекул. Двойные межуглеродные связи в коллагене способны специфически поглощать 198 нм фотоны (аргон-фтор ArF эксимерный лазер). Этот лазер используется с большим успехом в разделении коллагена и ремоделировании роговицы без разогрева тканей (кератомилез с помощью лазера [LASIK]).
Ультрафиолетовые фотоны также могут нести энергию, достаточную для преодоления электроном силы притяжения своего ядра, тем самым «ионизируя» атом. ДНК и РНК очень чувствительны к 248 и 312 нм волнам. Эти ультрафиолетовые длины волн потенциально канцерогенны, так как они способны изменить химическую структуру цепочек ДНК и РНК внутри клеток. В верхних слоях нашей атмосферы озон поглощает большую часть УФ спектра, защищая нас от потенциально опасных фотонов.
Лазерное излучение является уникальной формой электромагнитной энергии, так как оно монохроматично (одна длина волны), когерентно (имеет фиксированную фазу) и коллимировано (параллельные волны). В зависимости от длины волны лазера, фотоны будут взаимодействовать с молекулами ткани-мишени и вызывать:
1. Фототермические эффекты (например, «нагревание» для коагуляции и вапоризации).
2. Фотодиссоциацию (например, эксимерный лазер для LASIK).
3. Фотоакустические эффекты (например, лазер на алюмо-иттриевом гранате для литотрипсии).
4. Фотохимические эффекты (например, УФ лазеры для фотодинамической терапии).
Лазеры используют в отохирургии из-за их термических эффектов для вапоризации кости (при стапедотомии), соединительной ткани (ревизионной стапедопластики), опухолей (акустическая невринома, тимпанальная гломусная опухоль, холестеатома, грануляционная ткань) или для коагуляции кровеносных сосудов. Электромагнитная энергия лазера поглощается электромагнитными полями, тем самым повышая энергию поступательного движения электронных орбит, колебаний атомов и молекулярного вращения. Так как поступательное движение молекул возрастает, изменяется и физическое состояние этих молекул от твердого, до жидкого и газообразного.
Коагуляция кровеносных сосудов возникает тогда, когда трансляционная энергия коллагена повышается настолько, что коллаген переходит в жидкое состояние, затем, по мере остывания, он превращается в твердую массу, облитерирующую просвет. Испарение происходит при повышении энергии поступательного движения молекулы до значений, достаточных для ее перехода из жидкого в газообразное состояние.
