На чем основана работа рубинового лазера

Первый луч эры лазерных технологий (рубиновый лазер)

Всё в нашем мире берёт откуда-то своё начало. Пышноцветущий сад начинается с крошечного зёрнышка. А мир лазерных технологий ознаменовал начало своего расцвета в тот момент, когда из тьмы догадок и предположений вырвался проблеском «аленький цветочек». Проблеск был не что иное, как первый луч вынужденного излучения. А алым цветом озарил мир науки и техники рубиновый лазер.

В 1960 году учёному миру была представлена инновационная разработка – первый генератор оптического излучения. Его работа основывалась на свойствах рубинового кристалла. И хотя конструкция лазера имела явные недостатки – но работал он успешно и, что немаловажно, отличался лёгкостью. А это значит – был практически готов к труду в руках человека.

Позднее рубиновый лазер был доработан, обогатившись ещё одним (четвёртым) энергетическим уровнем перехода атома. Первые шаги практического применения новинки часто сопровождались неудачей. Не хватало знаний и квалификации, ведь это был первый опыт, и учиться приходилось лишь на собственных ошибках. Но это судьба любого открытия. Шли годы исследований лазера на рубиновом кристалле. И постепенно выкристаллизовывались выводы. Появлялись новые поколения генераторов. Волну высоких технологий уже нельзя было остановить. Так началась эра лазеров.

Рубиновый лазер (Cr:Al2O3) – это твердотельный квантовый генератор, рабочей средой которого является искусственно выращенный кристалл рубина, активированный хромом. Именно присутствие ионов хрома придаёт этому прозрачному камню алый цвет. Длина рабочей волны – 694 нм. Малая доля хрома приближает длину импульса к красному спектру излучения. В живой ткани такое излучение лучше всего поглощается меланином (тёмным пигментом, содержащимся в волосах и коже). Лазер работает в импульсном режиме.

Лазерное удаление татуировок и татуажа

Сведение татуировки и перманентного макияжа рубиновым лазером основывается на методе селективного фототермолиза. Красящий пигмент, забитый под кожу, интенсивно поглощает энергию импульса. В то же время, окружающие ткани остаются равнодушны к излучению. Элементы краски раскаляются, что приводит к их разрушению и обесцвечиванию. Обезвреженные частицы попадают в лимфоток – и постепенно выводятся из организма.

Рубиновое излучение наиболее успешно работает с профессиональными (а значит, поверхностно набитыми) татуировками, которые малоконтрастны и ещё не застарели.

Цветовая гамма татуировок, поддающихся выведению рубином, такова:

• зелёный
• синий
• коричневый
• чёрный (монохромные татуировки)

Количество сеансов ощутимо больше, чем при использовании других лазеров. Однако они не должны быть очень долгими, поскольку не только краска – но и меланин кожи непременно среагирует на излучение. В этом случае вероятны осложнения:

• волдыри
• пигментация
• келоидные рубцы

Известным рубиновым лазером для удаления татуировок является модель DeTa2Star (Asclepion, Germany). Она также справляется с пигментными пятнами. Узнайте подробнее о лазерах для удаления татуировок в нашей специальной статье «Богатство волн против богатства красок: лазеры для удаления татуировок».

Лазерное удаление пигментных пятен

Воздействие на них имеет ту же природу, что и при удалении татуировок: избирательное поглощение меланином. Пресытившись тепловой энергией лазера, пигментное пятно усиливает интенсивность своего цвета – и становится коричневым. Некоторое время оно будет сохраняться в таком виде. И только потом начнутся процессы осветления – и отшелушивания.

В чём рубин не уступает другим лазерам – так это в эффективности удаления лишних волос. Просто волосы и кожа, с которыми он работает, должны находиться в рамках определённой цветовой насыщенности. Учитывая параметры излучения лазеров и типы человеческой внешности, дерматокосметология и провела подбор: каждому пациенту – свой лазер. Это позволяет добиться достижения двух важнейших целей:

• максимальной эффективности
• минимизации осложнений вплоть до полного их отсутствия

Рубиновый лазер используется для эпиляции волос у пациентов I и II цветотипа внешности по Фитцпатрику. Это значит, что он наиболее подходящий для удаления тёмных волос со светлой кожи. А вот у пациентов III-VI типов рубиновая лазерная эпиляция может спровоцировать возникновение гипопигментации: обесцвечивания отдельных участков кожи.

Из-за своей медлительности, рубиновый лазер увеличивает количество необходимых для прохождения процедур.

Важно отметить, что при работе с пушковыми, седыми и чересчур светлыми волосами ни один из существующих лазеров не даст результата. Ведь в таких волосах напрочь отсутствует меланин, способный поглотить энергию импульса.

Прошлое, настоящее – будущее!

В наши дни рубиновый лазер считается устаревшим. Он не столь распространён как другие лазеры, и встретить его можно не в каждой клинике. Эпиляторные обязанности рубина нередко выполняет александритовый лазер, о котором подробнее можно прочитать в статье «Александритовый лазер: лучезарный защитник здоровья кожи».

Но есть ещё порох в пороховницах! Иначе отчего бы немецкая компания с мировой славой Asclepion Laser Technologies создала на его основе лазерную систему TattooStar Ruby? Она работает в режиме Q-Switched (режим модуляции добротности). Он позволяет производить сверхкороткие импульсы высочайшей мощности. Лазеры семейства Q-Switched признаны одной из передовых разработок современности, и пользуются большим спросом на мировом рынке медицинского оборудования. Лазер TattooStar R с блеском очищает кожу от татуировок, татуажа и пигментных пятен. Фракционная насадка способна работать с большими участками кожи. Лазер устроен так, что его работа сводит к минимуму рубцевание тканей на обрабатываемой поверхности.

«Старичок» рубин достойно пережил очередное усовершенствование. Ведь, как известно, старый конь борозды не портит. Главное – знать предел его возможностей, и не поручать того, что окажется ему не по силам.

На каких физических принципах основана работа рубинового лазера?

Рубиновые лазеры основаны на явлении светового усиления в активной среде, состоящей из кристаллического рубина (алюмооксида, содержащего примеси хрома). Рубиновый лазер работает по следующему принципу:

1. Обратное заселение: В активной среде рубинового лазера атомы хрома находятся в возбужденном состоянии и готовы переходить в основное состояние. При этом большинство атомов находятся в основном состоянии, а лишь небольшая часть находится в возбужденном состоянии.

2. Световое возбуждение: Внешний источник энергии, такой как фотон или электрическая дуга, поступает в активную среду рубинового лазера. Это приводит к переводу атомов хрома из основного состояния в возбужденное состояние. Энергия фотонов или электрической дуги передается атомам, они поглощают ее и переходят в возбужденное состояние.

3. Стимулированное излучение: При наличии атомов, находящихся в возбужденном состоянии, происходит стимулированное излучение. Атомы, находясь в возбужденном состоянии, спонтанно переходят в основное состояние, излучая фотон. При этом каждый излучаемый фотон имеет одинаковую фазу, направление и энергию с фотоном, который его стимулировал. Это приводит к усилению световых волн.

4. Оптическая обратная связь: Рубиновый лазер содержит отражатель на одном конце и частично пропускающий зеркало на другом конце. Отражатель отражает световые волны, создавая оптическую обратную связь. Фотоны, излучаемые стимулированным излучением, многократно проходят через активную среду рубинового лазера, усиливаясь на каждом проходе. Это создает условия для генерации когерентного лазерного излучения.

Таким образом, рубиновые лазеры работают на основе светового усиления в активной среде, где стимулированное излучение и оптическая обратная связь играют ключевую роль в генерации лазерного излучения рубинового спектра.

Рубиновый лазер. Принцип работы и применение

Рубиновый лазер — это твердотельный лазер, в котором в качестве лазерной среды используется кристалл синтетического рубина. Активная среда лазера (среда усиления) — это стержень из синтетического рубина, на который подается энергия через оптическую накачку (обычно через ксеноновую трубку).

Длина волны лазера измеряется в нанометрах (нм). Рубиновые лазеры производят импульсы видимого света насыщенного красного цвета с длиной волны 694,3 нм. Типичная длительность импульса рубинового лазера составляет миллисекунду.

Как работает рубиновый лазер?

Рубиновый лазер с Q-переключением (Q-switching), используется для лазерной косметологии, работает по принципу селективного термолиза. Q-switching относится к технике получения лазерных лучей высокой интенсивности в очень коротких импульсах.

Активная среда (кристалл рубина) обеспечивает высокую выходную энергию (100-200 МВт) при очень коротком времени импульса (20-80 наносекунд) на длине волны 694 нм.

Рис. 1. Накачка рубинового лазера

Выбранная длина волны лазерного излучения поглощается в высокой степени целевой структурой (называемой хромофором) по сравнению с окружающими тканями. Продолжительность импульса лазерной энергии короче, чем время термической релаксации структуры-мишени. Это время, необходимое для охлаждения мишени на 50% от ее пиковой температуры после облучения.

Хромофорами кожи являются меланин — пигмент эпидермиса — и гемоглобин — красный пигмент крови.

Данная длительность импульса гарантирует, что воздействие тепловой энергии ограничивается целевой структурой и не влияет на окружающие ткани.

Когда свет рубинового лазера попадает на кожу, он может отражаться, передаваться или поглощаться. Поглощенная энергия отвечает за клинический эффект, поскольку она преобразуется в тепловую энергию (тепло) хромофорами, убивая таким образом больные клетки. Хромофоры кожи, на которые обычно нацелен рубиновый лазер, — это гемоглобин, меланин и чернила для татуировок, каждый из которых имеет свой уникальный спектр поглощения лазерного излучения.

Осложнения возникают, когда энергия, предназначенная для целевого хромофора, неселективно распространяется и поглощается окружающими тканями и структурами.

Для чего используется рубиновый лазер?

С помощью лучей рубинового лазера можно лечить различные заболевания кожи и выводить татуировки:

Пигментные поражения

С помощью рубинового лазера можно избавиться от различных кожных заболеваний и пятен:

• Возрастные пятна (солнечные лентигины);
• Веснушки / эфелиды;
• Невус Ота/Ито;
• Плоские врожденные меланоцитарные невусы;
• Невус спилус (крапчатый лентигинозный невус);
• Гиперпигментированные пятна.

Световые импульсы (694 нм) воздействуют на меланин (коричневый пигмент) на различной глубине на коже или под ней.

Результативное лечение пигментных пятен на коже может быть достигнуто примерно после 1-6 сеансов рубинового лазера при уровне флюенса 8-10 Дж/см2. Лечение можно повторять каждые 8 недель.

Рис. 2. Устройство рубинового лазера

Удаление волос при гипертрихозе (избыточное оволосение тела)

Рубиновый лазер (длина волны 694 нм, длительность импульса 3 мс, поток энергии 46,5 Дж/см2) в режиме без Q-переключения был испытан в качестве устройства для эпиляции (удаления волос) у пациентов с гипертрихозом.

Световые импульсы направлены на волосяной фолликул, что приводит к выпадению волос и сводит к минимуму их дальнейший рост. Процент удаленных пушковых волос за сеанс зависит от места на теле, при этом участки с более тонкой кожей (например, подмышки и зона бикини) обычно реагируют лучше, чем участки с толстой кожей (например, спина и подбородок).

Как правило, для достижения постоянного сокращения роста волос требуется 3 или более процедур. Процедуры повторяются каждые 4-8 недель. Лазерное лечение обычно неэффективно для волос светлого цвета (светлых/серых), но эффективно для лечения темных (коричневых/черных) волос у пациентов с типами кожи I — III по Фицпатрику и, возможно, светлой кожей IV типа.

Крайняя осторожность рекомендуется пациентам с загорелой или темной кожей, поскольку лазер может разрушить меланин, что приводит к появлению белых пятен на коже.

После процедуры пациенты должны избегать пребывания на солнце и пользоваться солнцезащитными кремами широкого спектра действия с фактором защиты от солнца (SPF) 50 или выше.

Удаление татуировок

Результат выведения татуировок и перманентного татуажа рубиновым лазером с переключением добротности во многом зависит от используемых чернил или красителя. Пигмент из кожи выводится с помощью процедуры селективного фототермолиза. Рубиновый лазер применяется для определенной цветовой гаммы:

• Синие и черные татуировки хорошо реагируют на удаление рубиновым лазером, поскольку они поглощают красный лазерный свет;
• Результат удаления зеленых чернил для татуировок варьируется;
• Желтые и красные татуировки обычно плохо реагируют на рубиновый лазер.

Рис. 3. Удаление татуировок рубиновым лазером

При исследовании эффективности лазерного удаления татуировок рубиновый лазер с Q-переключением имел самый высокий уровень очищения синих и черных тату по сравнению с Nd:YAG лазером с Q-переключением (1064 нм, 10-20 наносекунд, размер пятна 3,0 мм, 5-10 Дж/см2) и александритовым лазером с Q-переключением (755 нм, 50-100 наносекунд, размер пятна 3,0 мм, 6-8 Дж/см2).

Типичные настройки рубинового лазера с Q-switched для удаления татуировок: длина волны 694 нм, импульс 25-40 наносекунд, размер пятна 5,0 мм и поток 4-10 Дж/см2.

Для полного удаления любительских татуировок необходимо от четырех до шести процедур с интервалом в 3 недели. Обезвреженные частицы попадают в лимфоток – и постепенно выводятся из организма. Из-за большей плотности пигмента для полного удаления профессионально нанесенных (машинных) татуировок обычно требуется больше сеансов лечения (около 6-10 сеансов).

Пациенты с кожей IV-VI типов медленнее реагируют на рубиновый лазер, чем светлокожие пациенты. Это связано с тем, что эпидермальный меланин, расположенный над чернилами татуировки, поглощает значительную часть лазерного излучения.

Лазерное косметологическое лечение включает избирательное разрушение молекул чернил, которые затем поглощаются макрофагами (иммунными клетками) и выводятся из организма. При использовании рубинового лазера для удаления татуировок могут возникнуть некоторые осложнения:

• волдыри;
• гипопигментация;
• келоидные рубцы.

Мелазма

Мелазма — это приобретенное пигментное расстройство, характеризующееся появлением коричневых и гиперпигментированных пятен, которые обычно появляются на лице. Роль рубинового лазера в лечении мелазмы противоречива, поскольку исследования показывают разную эффективность результатов. Однако одно исследование показало, что 6 сеансов низкодозового фракционного QSRL (694 нм) с интервалом в 2 недели при флюенсе 2-3 Дж/см2 и длительности импульса 40 наносекунд эффективны в лечении пациентов с мелазмой.

Что включает в себя лазерная процедура?

Очень важно, чтобы дерматокосметолог поставил правильный диагноз до начала лечения, особенно при пигментных поражениях, чтобы избежать ошибочного лечения рака кожи, такого как меланома. В течение всего сеанса лечения пациент должен носить защиту для глаз, состоящую из непрозрачного покрытия или очков.

На область воздействия может быть нанесен местный анестетик, но обычно в этом нет необходимости. Во время всех процедур удаления волос применяется охлаждающая насадка. Некоторые лазеры имеют встроенные охлаждающие устройства.

Сразу после процедуры можно приложить пакет со льдом, чтобы успокоить обработанную область.

В первые несколько дней после процедуры следует избегать расчесывания зоны и/или использования абразивных средств для очистки кожи. Повязка или пластырь могут помочь предотвратить истирание обработанной области. Во время курса лечения пациенты должны защищать область от воздействия солнца, чтобы снизить риск поствоспалительной гиперпигментации.

Рис. 4. Длина волны рубинового лазера

Есть ли побочные эффекты от лечения рубиновым лазером?

Побочные эффекты от лечения рубиновым лазером обычно незначительны и могут включать в себя:

• Боль во время лечения (уменьшается контактным охлаждением и, при необходимости, местной анестезией);
• Покраснение, отек и зуд сразу после процедуры могут сохраняться несколько дней после лечения;
• В редких случаях пигмент кожи может поглотить слишком много световой энергии, что может привести к образованию волдырей (лазерный ожог). Ожог проходит со временем без специального лечения;
• Изменения в пигментации кожи. Иногда пигментные клетки (меланоциты) могут быть повреждены, оставляя более темные (гиперпигментация) или более бледные (гипопигментация) участки кожи. Как правило, косметические лазеры с меньшей вероятностью приведут к таким последствиям у людей со светлым, а не темным оттенком кожи;
• Синяки возникают у 10% пациентов. Исчезают самостоятельно спустя пару дней;
• При несоблюдении правил проведения процедуры можно занести бактериальную инфекцию.

В чем разница рубинового лазера и других типов?

Особенностью рубинового лазера является самая короткая длина волны 694 нм. Мощность составляет 40-60 Дж/кв. см. Частота импульсов 1 Гц.

Его не рекомендуется использовать на темной коже и светлых волосах, так как могут остаться шрамы и ожоги. Здесь стоит обратить внимание на диодный лазер , который не имеет таких ограничений (александритовый лазер также не используется на светлых волосах). К положительным сторонам рубинового лазера можно отнести низкую стоимость процедуры, возможность использования на всех участках тела.

Рубиновый лазер

Рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором света (1960г.). Рабочим веществом является рубин — кристалл оксида алюминия Al₂O₃ (корунд), в который при выращивании введена примесь — оксид хрома Cr₂O₃. Красный цвет кристалла рубина обусловлен излучением иона хрома Cr 3+ , который в кристаллической решетке замещает ион Al 3+ . Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Cr 3+ , в темно-красном рубине концентрация Cr 3+ достигает 1%.

Кристалл рубина имеет две полосы поглощения: в зеленой и в голубой части спектра. Помимо этих полос имеются два узких энергетических уровня E₁ и E ‘ ₁, при переходе с которых на основной уровень атом излучает свет с длинами волн Ширина этих линий , вероятность вынужденных переходов для линии больше, чем (т.к. эта вероятность обратно пропорциональна частоте в кубе v -3 ).

При комнатной температуре разность энергий основного и возбужденного состояний в несколько раз превосходит , поэтому уровень практически пуст. С помощью лампы накачки ионы неодима возбуждаются, переходя в состояние, характеризуемое широкой энергетической полосой , образованной близко лежащими энергетическими уровнями.

Время жизни иона в состоянии очень мало, так как существует большая вероятность безызлучательного перехода иона в метастабильное состояние . Инверсная населенность уровней и достигается легко, поскольку нижний уровень , по причинам указанным выше, практически не заселен.

Лазер на неодимовом стекле генерирует излучение на длине волны в виде импульсов с очень большими ( ) энергиями.

По четырехуровневой схеме работает лазер непрерывного действия на кристалле иттрий-алюминиевого граната ( ) с примесью неодима с выходной мощностью до .

Газовые лазеры по многим характеристикам превосходят лазеры других типов. Они перекрывают широкий (от субмиллиметрового до ультрафиолетового) спектральный диапазон. Именно газовые лазеры могут обладать такими качествами как высокая степень монохроматичности излучения, малая расходимость пучка (вплоть до дифракционного предела), предельные значения мощности в непрерывном режиме, высокий КПД.

Устройство наиболее распространенного гелий-неонового лазера иллюстрирует рис.

Гелий-неоновый лазер

В гелий-неоновом He-Ne лазере активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется при переходах между энергетическими уровнями Ne, а He играет роль посредника, через который энергия накачки передается атомам Ne.

Атом Ne может генерировать в результате более 130 различных энергетических переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии излучения . При пропускании тока через смесь He-Ne атомы гелия в результате электронных ударов возбуждаются до состояний , которые являются метастабильными, т.к. переход с них в основное состояние запрещен квантово-механическими правилами отбора. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, то энергия переходит от He к Ne. Этот переход происходит весьма эффективно, т.к. уровни 3S и 2S атома Ne совпадают с соответствующими энергетическими уровнями атома He. В следствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная населенность относительно уровней 3P и 2P.

He-Ne лазер работает в непрерывном режиме. На торцы лазерной трубки наклеены многослойные зеркала под углами Брюстера к оси. Это и беспечивает линейную поляризацию излучения. Давление He-332Па, Ne-66Па в трубке, постоянное напряжение на электродах в

трубке 4кВ, коэффициенты отражения зеркал 0,999 и 0,990.

Газоразрядная трубка с внутренним диаметром и длиной от нескольких десятков сантиметров до имеет торцевые плоскопараллельные стеклянные или кварцевые окна, установленные под углом Брюстера к её оси. Для линейно поляризованного излучения с вектором напряженности электрического поля волны, лежащим в плоскости падения, коэффициент отражения от таких окон равен нулю. Поэтому брюстеровские окна обеспечивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают потери энергии при распространении света из активной среды к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала обладают очень высоким коэффициентом отражения в используемом спектральном интервале и практически не поглощают свет. Пропускание зеркала, через которое выводится пучок, составляет , другого – менее . Особенно удобно использовать резонатор, близкий к конфокальному, поскольку он вносит малые дифракционные потери и легко поддается юстировке.

Разрядная трубка заполнена смесью гелия и неона в молярном соотношении при давлении . На электроды подается напряжение несколько киловольт. Сила тока в разряде составляет десятки миллиампер.

Упрощенная схема энергетических уровней атомов неона и гелия приведена на рис.

Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей в атоме неона. Гелий используется лишь для резонансного возбуждения атомов неона. При столкновениях с электронами плазмы атомы гелия возбуждаются в метастабильные состояния и . Из-за большого времени жизни концентрация возбужденных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии состояний и атома гелия близки к энергиям возбужденных состояний и атома неона, что при столкновении способствует передаче энергии возбуждения от атома гелия атому неона. В результате населенность уровней и неона возрастает и возникает инверсия населенностей на переходах , и . Т.о., на этих переходах возможна генерация лазерного излучения.

Для получения генерации на одной из указанных длин волн используют зеркала с высоким коэффициентом отражения в соответствующей спектральной области. Высокая оптическая однородность газовой активной среды позволяет получать излучение с высокой степенью временной и пространственной когерентности.