Лазер как генератор света невозможно было себе представить до начала развития учения о квантовой природе света, заложенной в начале XX века целой плеядой выдающихся ученых физиков.
В конце XIX века казалось, что картина мира может быть полностью объяснена имеющимися на тот момент физическими представлениями. Известно было лишь о нескольких фактах, труднообъяснимых на основании классических физических представлений. Одним из них была зависимость спектра излучения света от температуры «абсолютно черного» тела. Теоретическое объяснение этого явления, хорошо согласующееся с реальными экспериментами, в 1900 г. смог дать немецкий ученый Макс Планк. Его теория основывалась на парадоксальном на тот момент предположении, что световая энергия может излучаться отдельными порциями — квантами, кратными частоте излучения. Открытие Планка привело в последующем к развитию нового направления научной мысли - квантовой физике.
К 20-м годам XX века в физике произошло множество открытий, так, усилиями британского физика Эрнеста Резерфорда и датского ученого Нильса Бора создана планетарная квантовая теория атома, дается квантово-механическое объяснение эффектов спектрального поглощения и излучения света веществом. В 1924 г. индийский физик Шатьендранат Бозе, работая в Париже у Марии Склодовской-Кюри, на основании квантовых представлений формулирует статистическую теорию распределения фотонов по энергетическим уровням, которая в 1924-1925 гг. была обобщена Альбертом Энштейном для систем атомов и частиц с целым спином. Одним из следствий, вытекающих из статистики Бозе-Эйнштейна, была возможность как спонтанного, так и вынужденного излучения кванта света атомом.
В 1927-1930 гг. английский физик Поль Дирак сформулировал теоретическое обоснование явления вынужденного излучения в рамках квантовой механики. В 1938 г. советский ученый Валентин Александрович Фабрикант обращает внимание на возможность создания среды, усиливающей излучение (отрицательная абсорбция). В 1945 г. Феликс Блох формулирует принципы популяционной инверсии энергетических уровней и ее влияния на излучение. В 1953 г. независимо друг от друга две группы ученых в США и СССР высказывают предположение о возможности существования квантового усилителя излучения.
Найденный способ усиления излучения советским физикам удалось реализовать на практике в 1954 г.. В Физическом институте им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР был создан усилитель излучения в диапазоне сверхвысоких частот, названный «молекулярным генератором». В этом же году группа под руководством Таунза создает работающий образец квантового усилителя-генератора микроволнового излучения на аммиаке - мазер (microwave amplification by Stimulated emission of radiation). В 1960 г. Теодор Майман создает работающий образец квантового генератора видимого света на кристалле искусственного рубина - лазер (light amplification of stimulated emission of radiation). Созданный им лазер излучал красный свет (длиной волны 694,3 нм) с мощностью, остаточной для создания небольших ожогов разной степени выраженности.
В 1963 г. на международной конференции в Париже американские исследователи П. Мейкер, Р. Терхун и Р. Сэвидж сообщают о достаточно неожиданном эффекте - лазерном оптическом пробое. Обнаружение этого эффекта открыло новую сторону практического использования лазерной энергии - локальное разрушение практически без нагрева.
Устройство и типы лазеров
Со времени своего создания в 1960 г. все лазеры состоят из трех основных частей: активной среды (рабочего тела), системы накачки и оптического резонатора.
В зависимости от вида и агрегатного состояния активной среды бывают твердотельные (рубиновый, на неодимовом стекле), полупроводниковые, жидкостные (в том числе на красителях) и газовые (аргоновый, криптоновый, гелий-неоновый, эксимерный, углекислый) лазеры.
Основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения в активной среде. Суть явления состоит в том, что возбужденная каким-либо образом молекула способна излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, в случае если энергия последнего равняется разности энергий молекулы до и после излучения. Излученный фотон будет близнецом первого по поляризации, длине волны и направлению движения. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны распространяются в случайном направлении, имеют произвольную поляризацию и фазу. Для возникновения лавинообразного процесса усиления света в среде необходимо, чтобы большинство молекул находилось в возбужденном состоянии — т.н. инверсия населенности энергетических уровней. Это состояние нестабильно, без постоянного притока энергии сохраняется очень короткое время.
Инверсия заселенности создается с помощью системы накачки энергии в активную среду. Это может быть газоразрядная лампа-вспышка, электрический разряд в среде, химическая реакция, протекание тока через р-n переход полупроводникового лазера или даже излучение другого лазера.
Лазерная генерация начинается с излучения одной из возбужденных молекул случайного фотона, вызывающего лавинообразный процесс его умножения по направлению его распространения. Однако активная среда не бесконечна, и фотонный пучок быстро выходит за ее пределы, унося лишь малую часть энергии. Активная среда играет лишь роль усилителя, но не способна сама по себе генерировать излучение серьезной мощности. Для того чтобы сделать из усилителя генератор - необходима положительная обратная связь. Мы это хорошо знаем на примере электронного усилителя звука. Достаточно поднести микрофон к динамикам - и раздается неприятный писк автогенерации.
Положительная обратная связь в лазере реализуется с помощью резонатора. В самом простом случае это два параллельных зеркала, между которыми находится активная среда. Теперь случайный фотон, вылетевший перпендикулярно плоскости зеркал, отражаясь от них, будет многократно усиливаться, проходя через активную среду.
Кроме обеспечения положительной обратной связи резонатор играет роль своеобразного камертона, поскольку наиболее эффективно он будет усиливать фотоны с длиной полуволны, целое количество раз укладывающейся между зеркалами - собственную длину волны резонатора и его «обертоны». Регулируя расстояние между зеркалами, можно усиливать разные спектральные линии излучения резонатора, получая лазер с разной длиной волны на одном и том же рабочем теле.
При использовании некоторых схем оптических резонаторов (например, большой поверхности зеркал плоскопараллельного резонатора) кроме осевого пучка фотонов начинают эффективно усиливаться и излучения, распространяющиеся под небольшим углом к оси. Из-за взаимной интерференции интенсивность пучка лучей становится различной в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Наблюдается система светлых пятен, разделенных темными узловыми линиями — поперечные моды.
Линии в спектре излучения в силу различных причин всегда имеют определенную ширину. Поэтому могут возникать ситуации, когда в ширину спектральной линии укладывается несколько «обертонов» собственной частоты резонатора. Резонатор начинает усиливать немного различные по длине волны световые пучки. При их интерференции возникают «биения» интенсивности электромагнитных колебаний - продольные моды. Если каким-либо образом добиться синхронизации этих мод по фазе, в результате их суперпозиции излучение будет представлять собой последовательность очень коротких, но мощных импульсов. Такой режим работы лазера называют режимом синхронизации мод.
Если мы возьмем камертон и пока не затухли его колебания будем слегка придерживать пальцем один из его рогов — камертон будет звучать намного меньше обычного. Палец, частично поглощая энергию колебаний камертона, снизил его способность поддерживать колебания - его добротность. Точно так же снизить добротность резонатора в лазере можно поместив между его зеркалами какой-нибудь объект, поглощающий излучение (или уводящий его из активного тела). Процесс генерации при этом значительно замедлится, но снизится и утечка потенциальной энергии из рабочего тела. В результате через некоторое время активная среда максимально заполнится энергией. Если в этот момент быстро повысить добротность резонатора, например, резко убрав мешающий объект, практически вся энергия рабочего тела выделится в одном гигантском лазерном импульсе. Такой режим работы лазера называют режимом модуляции добротности.
И, наконец, мы можем подобрать прозрачность одного из зеркал резонатора таким образом, чтобы не сильно сказываясь на добротности малая часть излучения отводилась из активной среды. В этом случае при наличии постоянной накачки лазер может давать излучение в непрерывном режиме.
В офтальмологической практике нашлось применение лазерам с различными режимами генерации излучения. Так, для лазерной коагуляции сейчас чаще всего используются лазеры с непрерывным режимом генерации. Лазерные «деструкторы» (применяемые для разрушения вторичной катаракты или формирования отверстий в радужке) для генерации гигантского импульса, необходимого для оптического пробоя, используют режим модуляции добротности. Популярные сейчас приборы с очень короткой длительностью импульса - фемтосекундные лазеры — используют для генерации излучения режим синхронизации мод.
История применения лазеров в офтальмологии
С давних времен известно, что прямое воздействие солнечных лучей на глаза может вызвать различные повреждения. В трактате Платона «Фаэтон» Сократ советует при наблюдении солнечного затмения избегать прямого взгляда на солнце, вместо этого рассматривая его отражение в воде. Первое описание центральной скотомы в результате солнечного ожога сетчатки сделано Теофилем Бонетом (1620-1689).
Начиная с XIX века проводились попытки сконцентрировать солнечный свет или излучение дуговой лампы на сетчатке с терапевтической целью. Д. Коган с соавт. в 1950 г. опубликовали работу, посвященную многочисленным случаям повреждения сетчатки после атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки.
Однако первым человеком, успешно применившим световое излучение для лечения глазных болезней, был немецкий офтальмолог Герхард Мейер-Швиккерат. Будучи еще студентом, в 1946 г., он наблюдал последствия солнечных ожогов сетчатки в результате наблюдения полного солнечного затмения 9 июля 1945 г., тот факт, что свет может вызывать образование рубцов, произвел на молодого специалиста неизгладимое впечатление, и он начал искать способы использования этого эффекта для лечения заболевании сетчатки. Сначала он экспериментировал с солнечным светом, пытаясь сфокусировать его на сетчатке с помощью гелиостата, затем с дуговыми лампами на угольных электродах. Позднее фирмой Цейс по его заказу был разработан фотокоагулятор на ксеноновой газоразрядной лампе большой мощности.
В СССР пионером использования фотокоагуляции считается Леонид Андреевич Линник, который под руководством Владимира Петровича Филатова в 1954 г. приступил к изучению возможностей фотокоагуляции сетчатки. В том же году был создан первый отечественный фотокоагулятор «Зайчик» на основе мощного кинопроектора. В 1956 г. разработан, прошел клинические испытания на животных и стал применяться в клинической практике серийно производимый отечественный офтальмокоагулятор ФКС-1.
Созданный Теодором Майманом в 1960 г. рубиновый лазер вызвал существенный интерес у клиницистов. Уже 1961 г. начались экспериментальные работы с лазерной фотокоагуляцей на глазах кроликов.
В то время фотокоагуляция сетчатки с использованием ксеноновой лампы была широко распространенной процедурой. Использовалась мощная 1000-ватная ксеноновая дуговая лампа и оптическая передающая система, впечатляющая по своему дизайну, размеру и конструкции. Обычно пациента усаживали в кресло с откидывающейся спинкой, и окуляр передающей системы лазера подносился к глазу пациента. Время экспозиции составляло приблизительно одну секунду, процедура часто сопровождалась дискомфортом.
Для работы рубинового лазера также требовалось высокое энергообеспечение и мощная импульсная лампа. Выходной импульс лазера по продолжительности составлял всего 1 мс, в связи с чем лазерный луч сам по себе не мог быть использован в качестве пилота. Кроме этого, выходная мощность первого рубинового лазера составляла всего четверть от энергии, необходимой для фотокоагуляции сетчатки глаза человека.
Эксперименты на животных проводились Кемпбелом в исследовательской лаборатории американской оптической компании. Ему удалось определить величину мощности, необходимой для фотокоагуляции. Когда лазер и система наведения были готовы для клинического применения, лазер вместе с блоком питания и большой конденсаторной батареей был отправлен в Институт глаза Колумбийского Университета (США). Доктор Кэмпбел произвел первую фотокоагуляцию у пациента 22 ноября 1961 г. Его презентация была представлена на съезде Американского оптического общества в марте 1962 г. На том же съезде доктор Зарет сообщил о результатах экспериментального применения рубинового лазера на кроликах.
Всего через четыре года после изобретения лазеров в СССР был создан первый лазерный офтальмокоагулятор «ОК-Р» (Рыбальский В.И и др., 1965), а затем в 1971 г. и более совершенные модели «ОК-2» и «ОК-2Н». Приборы представляли собой твердотельные импульсные лазеры с излучателями в виде кристалла рубина или обогащенного неодимом стекла в комбинации с офтальмологическим прибором типа большого безрефлексного офтальмоскопа.
В начале 1965 г. в США был создан первый офтальмокоагулятор непрерывного излучения на аргоне, что стимулировало дальнейшие поиски отечественных конструкторов и привело к созданию отечественного лазерного офтальмологического комбайна «Лиман».
Большой вклад в изучение и систематизацию обширных о принципах и возможностях лазерной коагуляции в офтальмологии внес американский исследователь L'Esperance. Так, например, он предложил классификацию видимых коагулятов сетчатки, которая используется до сих пор.
В отличие от применения термического действия лазерного излучения, фотодеструкция нашла свое применение в офтальмологии только через 10 лет после открытия эффекта оптического пробоя. Использовать разрушающее действие короткоимпульсных лазеров в офтальмохирургии впервые предложил Михаил Михайлович Краснов в 1972 г.. Пионерами в использовании фотодеструкторов были также D.S. Aron-Rosa во Франции и F. Fankhauser в ФРГ. Внедрение этих «холодных» лазеров в медицинскую практику было поистине революционным. Сейчас «перфоратор» (как правило, Nd:YAG-лазер с модуляцией добротности) является стандартным оснащением офтальмохирургического учреждения.
В начале 70-х годов публикуется ряд работ, посвященных применению лазеров в лечении глаукомы. В первую очередь, это работы по исследованию лазерного воздействия на трабекулу. Пионерской работой в этом направлении можно считать исследования группы отечественных ученых под руководством М. М. Краснова. В это же время проводят свои первые опыты по трабекулопунктуре Н. Hager в ФРГ, Ph. Demailly во Франции, а также D.M. Worthen и M.G. Wickham в США. Первоначально подразумевалось создание с помощью лазерной энергии отверстий в трабекуле - т. н. трабекулопунктура, но существовавшая на тот момент техника не всегда позволяла добиться необходимого эффекта. Однако оказалось, что даже в случае «неудачи» (без образования отверстий в трабекуле) отток внутриглазной жидкости облегчался. Это наблюдение впоследствии привело к формированию концепции новой лазерной операции в углу передней камеры — лазерной трабекулопластике.
В 1981 г. исследователи из компании IBM, в процессе работы с эксимерным лазером (изучалось его применение для гравировки надписей на микросхемах) решили в свободное от основной работы время изучить его воздействие на биологические ткани. Объектом исследования стали остатки праздничной индейки. Результаты эксперимента были поразительны — лазерное излучение легко «испаряло» кожу, сухожилия и даже кость, оставляя чистый срез без видимого повреждения окружающих тканей. Чтобы максимально подчеркнуть прецизионность полученного эффекта и привлечь внимание клиницистов, исследовательская группа опубликовала фотографии человеческого волоса с выгравированным на нем логотипом компании IBM. Публикация возымела ожидаемый эффект, уже в 1983 г. американскиq офтальмолог Стивен Трокел инициирует исследования применения эксимерного лазера в офтальмологии.
В последнее десятилетие наблюдается вытеснение дорогостоящих, громоздких, потенциально опасных (для возбуждения обычно использовался высоковольтный газовый разряд) аргоновых и криптоновых фотокоагуляторов более компактными и безопасными приборами на основе полупроводниковых и ND:YAG-лазеров с удвоением частоты.
В начале 2000-х годов с целью снижения риска осложнений после лазерной коагуляции в макулярной области получила толчок к развитию концепция так называемой субпороговой лазерной коагуляции. После проведения классической появления видимого ожога) коагуляции сетчатки нередко диагностируются осложнения, среди которых следует выделить парацентральные скотомы, субретинальный фиброз, образование складок сетчатки и бороздок в макуле, посткоагуляционную атрофию пигментного эпителия, нежелательную коагуляцию фовеа, транзиторное снижение остроты зрения и субретинальную неоваскуляризацию. Концепция субпороговой лазерной коагуляции основана на постулате, что полезные эффекты лазерной коагуляции могут произойти при мощностях облучения, не вызывающих появления видимого ожога и связанного с ним риска повреждения. Данный подход получил практическую реализацию как минимум в трех применяемых на практике методиках. Это транспупиллярная термотерапия (ТТТ), субпороговая микроимпульсная лазерная коагуляция (СМИЛК) и собственно субпороговая лазерная коагуляция.
ТТТ впервые была применена J.A. Oosterhuis в начале 90-х годов для лечения хориоидальной меланомы. Энергия доставлялась к сосудистой оболочке и пигментному эпителию через зрачок (транспупиллярно) посредством излучения модифицированного диодного лазера. В последующем данная методика применялась для лечения влажной формы возрастной макулодистрофии. Метод ТТТ базируется на принципе термальной резистентности сетчатки на медленное повышение температуры, которое вызывает внутрисосудистый тромбоз, лейкостаз, склероз сосудов и, как следствие, уменьшение экссудации, прилегание отслойки пигментногo эпителия сетчатки, стабилизацию или улучшение остроты зрения. Обычно используют инфракрасное лазерное излучение (длиной волны 810 нм), пятна большого размера (500-3000 мкм в диаметре), низкую интенсивность и длительную экспозицию (60 с). В результате температура сетчатки в области воздействия должна повышаться примерно на 10°.
При субпороговой микроимпульсной лазерной коагуляции сетчатки используются лазерные установки, генерирующие модулированное лазерное излучение. Один большой импульс (десятые доли секунды) состоит из пачки микроимпульсов (микросекунды). Часто повторяющиеся циклы включения микроимпульсов чередуются с периодами выключения, при этом индукция тепла от пигментного эпителия не успевает распространиться на прилежащие слои нейроэпителия сетчатки и хориокапилляров и повредить их, так как время выключения составляет от 50 до 95% продолжительности всего импульса. В результате этого повреждающее действие лазеркоагуляции сводится к минимуму. Чаще всего используется излучение инфракрасного диапазона (810 нм). СМИЛК нашла применение в лечении центральной серозной хорйоретинопатии и сливных макулярных друз. Популяризация данной методики лечения в нашей стране тесно связана с именем И. Ю. Мазунина.
Собственно субпороговая лазерная коагуляция сетчатки в разных модификациях подразумевает уменьшение времени и/или мощности излучения как минимум на треть по сравнению с параметрами излучения, необходимыми для формирования классического видимого коагулята 1-й степени. Наиболее важным и ответственным этапом субпороговой коагуляции является тестирование коагулята при выборе уровня энергии лазерного излучения. Недостаточная мощность может не оказать необходимого терапевтического действия, а передозировка - привести к излишнему повреждению пигментного и нейроэпителия сетчатки.
Другим подходом к повышению безопасности лазерной коагуляции сетчатки (и сокращению времени процедуры) является частичная автоматизация этого процесса. Пионером в этой области является прибор PASCAL (Pattern Scan Laser) Photocoagulator, представленный американской фирмой Optimedica в 2006 г.. Основным отличием установки PASCAL от традиционно используемых лазерных офтальмокоагуляторов является возможность практически одномоментного нанесения (однократным нажатием педали прибора) нескольких лазерных ожогов одинакового размера и интенсивности. Коагуляты располагаются согласно выбранной хирургом на дисплее прибора программе. Паттерны могут иметь форму квадрата, круга, дуги или решетки. В случае использования программы для выполнения вмешательства в макулярной зоне дополнительно генерируется пятно для фиксации взора пациента во время процедуры.
Другим представителем «интеллектуальных» лазерных фотокоагуляторов является представленный в 2010 г. германской фирмой OD-OS прибор Navilas. В отличие от PASCAL в этом приборе вся визуальная информация о процессе лечения фиксируется цифровой камерой и отображается на дисплее прибора без необходимости непосредственного наблюдения сетчатки. Перед коагуляцией производится фотографирование глазного дна, флюоресцентная ангиография посредством встроенной камеры. После чего врач имеет возможность запланировать необходимые локусы для нанесения лазерных коагулятов. Само же лазерное вмешательство проводится в автоматическом режиме.
