Принцип работы рубинового лазера кратко
Обновлено: 02.07.2024
Оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: активной среды и резонатора.
В первых лазерах активной средой был кристалл рубина с примесью около 0,05% хрома (рис. 104). Этот основной элемент лазера обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,4-2 см и длиной 3—20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны, и на них нанесен слой серебра. Одна из зеркальных поверхностей частично прозрачна: 92% светового потока отражается от нее и около 8% пропускается ею.
Рубиновый стержень помещен внутри импульсной ксеноновой спиралевидной лампы 2, питаемой импульсами высокого напряжения от батареи конденсаторов электроемкостью до заряжаемой до напряжения в несколько тысяч вольт. При разряде через лампу конденсаторы батареи отдают энергию в сотни тысяч джоулей. Длительность вспышки составляет , а мощность лампы превышает 107 Вт. Лампа является источником возбуждающего излучения. Инверсная населенность уровней в рубине создается использованием трех уровней энергии атомов хрома.
Атомы хрома, поглощая излучение с длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре ксеноновой лампы, переходят с основного уровня на возбужденный уровень Поглощение рубином излучения лампы с
другими длинами волн вызывает его нагревание. Для предохранения от теплового разрушения рубин охлаждается жидким азотом.
Время жизни атомов хрома на возбужденном уровне мало. Для перехода с уровня на основной оно составляет , а для перехода оно меньше с. Поэтому большая часть атомов, возбужденных на уровень совершает переходы на второй возбужденный уровень
Время жизни атома хрома на уровне сравнительно велико — порядка с. Этот уровень является метастабильным: Если мощность лампы-вспышки достаточно велика, то населенность метастабильного уровня окажется больше, чем населенность основного уровня. При достижении инверсной населенности уровней кристалл рубина становится активной средой.
Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой. Соответственно используемую для этого импульсную ксеноновую лампу называют лампой накачки.
Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня на основной с испусканием фотона с частотой которой соответствует длина волны красного света 694,3 нм, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление вылета первичного фотона было перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то из полупрозрачного зеркала резонатора вырывается монохроматическое, когерентное и остронаправленное излучение с длиной волны 694,3 нм.
Процессы, протекающие в кристалле рубина, схематически представлены на рисунке V цветной вклейки.
Кристалл рубина изображен на этой вклейке прямоугольником; штриховкой слева обозначено зеркало; более редкой штриховкой справа обозначено частично прозрачное зеркало, являющееся и выходным окном для луча лазера. Атомы кристаллической решетки рубина на рисунке не показаны; кружками обозначены атомы хрома, распределенные внутри кристалла хаотически.
До воздействия света все атомы хрома в кристалле находятся в основном состоянии, они обозначены светлыми кружками (см. рис. V, а на цветной вклейке). Под воздействием фотонов света различной частоты, испускаемых лампой накачки, большинство атомов хрома переходит в возбужденное метастабильное состояние. Возбужденные атомы хрома обозначены темными кружками (см. рис. V, б на цветной вклейке).
Возбужденный атом хрома при переходе в основное состояние испускает фотон света. Все направления для спонтанного излучения фотонов равновероятны, и поэтому сначала большинство излученных фотонов покидает кристалл, вылетая из него по различным направлениям. Только фотоны, летящие вдоль оси
рубинового стержня, не могут быстро его покинуть, испытывая многократные отражения от зеркал на торцах кристалла (см. рис. V, в на цветной вклейке). Пролетая вблизи возбужденных атомов хрома, эти фотоны вызывают вынужденное излучение таких же фотонов, летящих в том же направлении. Этот процесс развивается лавинообразно, и за короткий интервал времени в него оказывается вовлеченной большая часть возбужденных атомов хрома: сквозь частично прозрачное зеркало на правом торце кристалла вырывается мощный пучок когерентного света (см. рис. V, г на цветной вклейке).
Описанный режим работы лазера называют режимом свободной генерации. Свободная генерация начинается после вспышки лампы накачки и длится около 1 мс. В этом режиме получены рекордные значения энергии излучения, достигающие 1000 Дж в импульсе при мощности около Вт.
КПД рубинового лазера невелик: он составляет всего около 1%. Столь низкий КПД обусловлен многими причинами. Основными из них являются следующие: не весь запас электрической энергии, накапливаемой в конденсаторе, превращается в световую энергию; лишь часть светового потока лампы накачки поглощается рубином.
Приборы, основанные на генерации лазерного излучения, применяются для удаления волос на теле. Из существующих видов таких устройств рубиновый лазер для эпиляции используется реже, чем диодный и александритовый.
Рубиновый лазер: что это такое
Рубиновый кристалл является активной средой устройства. Он представляет собой цилиндр с отполированными торцами, покрытыми диэлектрической пленкой или серебром.
Действие прибора основано на генерации лазерного луча, который поглощается меланином и пигментами тёмного цвета. Поэтому он эффективен для удаления татуировок, пигментных пятен и нежелательных волос.
Схема его работы простая. Под воздействием импульсной лампы происходит возбуждение источника излучения, т. е. кристалла. Вследствие этого он начинает лавинное испускание фотонов. На другом составном элементе лазера — резонаторе в виде системы зеркал — происходит обратное действие, что обеспечивается торцами кристалла. Так генерируется длина волны лазерного излучения, идеальная для поглощения меланином.
Технические характеристики лазера
Рубиновый лазер способен работать в непрерывном или импульсном режиме. Первый имеет низкий КПД и неэкономичен, потому исключается. Второй имеет пиковый характер генерации импульсов в виде вспышек короткой длительности. При их правильной селекции обеспечивается послойное проникание излучения на глубину до 3 мм без повреждений кожи. Основные характеристики прибора — это мощность и длина волны рубинового лазера.
Длина волны
Чем короче длина волны, тем она сильнее поглощается пигментом. Поэтому эффективнее удаляют волоски с тела человека приборы, генерирующие большую длину волны. У рубинового лазера она составляет составляет 694 нм, в сравнении с александритовым 725-755 нм, неодимовым 1064 нм.
Частота повторения импульсов тоже небольшая и составляет от 1 Гц, что соответствует максимум 1 импульсу в секунду. Такая величина устанавливается в приборах с целью предупредить сильный нагрев участка кожи в месте воздействия излучения. От частоты повторения импульсов прямо зависит скорость перемещения лазерной манипулы по эпилируемой области.
Мощность прибора
Средняя мощность излучения устройства в пиковых режимах, которые характеризуются импульсами, составляет примерно 40 Дж/см 2 на один импульс. Максимальная мощность рубинового лазера не превышает 10 Вт. Но такая сила излучения не нужна для эпиляции, так как пигмент хорошо поглощает лазерный свет.
Применение рубинового лазера
Также используется в медицине как скальпель для микрохирургических операций, а в косметологии — для удаления пигментных пятен и татуировок с кожи.
Для эпиляции
Строение волоса такое, что полностью удалить его с кожи — это значит уничтожить луковицу и питающий сосуд. Но механическим способом это сделать нельзя. Необходимо воздействовать на луковицу излучением с определенной длиной волны.
Для этого применяются устройства, генерирующие лазерные волны, и рубиновый лазер — один из первых типов подобных приборов.
При лазерной эпиляции излучение:
- Поглощается меланином, который даёт цвет волосу;
- Световая энергия преобразуется в тепловую и поглощается корнем;
- Нагревает стержень волоса, что вызывает его гибель.
Рубиновый лазер хорошо удаляет черные волосы на светлой кожи и применяется для эпиляции кожи только 1-го и 2-го фототипов. На темной или загорелой коже он может оставлять ожоги.
Процедура имеет противопоказания. Поэтому консультация перед лазерной эпиляцией поможет выявить возможные ограничения.
Отзывы
Обычно отзывы о рубиновом лазере для эпиляции негативные или нейтральные. Это устройство уже морально устаревшее, потому используется редко. Существуют более эффективные лазеры с рабочей средой другого типа, например, эпиляция александритовым лазером.
Обычно тем, кто делал лазерную эпиляцию рубиновым лазером, не нравится болезненность процедуры и медленная скорость работы в сравнении с эпиляцией на диодном лазере. Также у некоторых после воздействия излучения на коже появлялись ожоги, которые со временем не сходили бесследно, а оставляли рубцы. Еще одно неприятное последствие — появление пигментации на коже. По этим причинам рубиновый лазер почти не применяется сейчас.
Положительные отзывы дают люди, воспользовавшиеся рубиновыми установками для удаления пигментных пятен, веснушек и татуировок. Процедура медленная и неприятная, но сильной боли обычно нет. Возникают ощущения как при легком ожоге кожи, но максимум через 20 минут они проходят. Места, где были веснушки и пигментные пятна, после воздействия сначала выглядят покрасневшими, потом темнеют, а примерно через 5 дней тон кожи выравнивается. При большом количестве пятен нужно несколько сеансов.
А рубиновый лазер это твердотельный лазер который использует синтетический рубин кристалл как его получить средний. Первый рабочий лазер был рубиновый лазер, сделанный Теодор Х. "Тед" Майман в Исследовательские лаборатории Хьюза 16 мая 1960 г. [1] [2]
Рубиновые лазеры производят импульсы когерентного видимый свет в длина волны из 694,3нм, который имеет темно-красный цвет. Типичная длительность импульса рубинового лазера составляет порядка миллисекунда.
Содержание
Дизайн
Рубиновый лазер чаще всего состоит из рубинового стержня, который должен быть накачанный с очень высокой энергией, обычно от вспышка, чтобы достичь инверсия населения. Стержень часто помещают между двумя зеркалами, образуя оптический резонатор, которые колеблют свет, излучаемый рубиновым флуоресценция, вызывая стимулированное излучение. Рубин - один из немногих твердотельных лазеров, которые излучают свет в видимом диапазоне спектра, генерируя на 694,3 нм лазера темно-красного цвета с очень узкой шириной линии 0,53 нм. [3]
Рубиновый лазер - это трехуровневый твердотельный лазер. В активная лазерная среда (усиление лазера /усиление средний) является синтетический рубин стержень, который питается через оптическая накачкаобычно ксенон вспышка. Рубин имеет очень широкие и мощные полосы поглощения в визуальном спектре при 400 и 550 нм и очень долгое время жизни флуоресценции, составляющее 3 миллисекунды. Это позволяет накачивать очень высокую энергию, поскольку длительность импульса может быть намного больше, чем при использовании других материалов. Хотя рубин имеет очень широкий профиль поглощения, его эффективность преобразования намного ниже, чем у других сред. [3]
В ранних примерах концы стержня нужно было отполировать с большой точностью, чтобы концы стержня были плоскими с точностью до четверти длины волны выходящего света и параллельны друг другу в пределах нескольких угловых секунд. Тонко отполированные концы стержня были посеребренный; один конец полностью, другой только частично. Стержень с его отражающими концами затем действует как Эталон Фабри – Перо (или Эталон Жира-Турнуа). В современных лазерах часто используются стержни с антиотражающие покрытия, или с концами, обрезанными и отполированными на Угол Брюстера вместо. Это устраняет отражения от концов стержня. Внешний диэлектрические зеркала затем используются для формирования оптического резонатора. Изогнутые зеркала обычно используются для уменьшения допусков на центровку и для создания стабильного резонатора, часто компенсирующего тепловое линзирование стержня. [3] [4]
Пропускание рубина в оптическом и ближнем ИК спектрах. Обратите внимание на две широкие синие и зеленые полосы поглощения и узкую полосу поглощения при 694 нм, которая является длиной волны рубинового лазера.
Рубин также поглощает часть света на своей длине волны генерации. Чтобы преодолеть это поглощение, необходимо прокачать стержень по всей длине, не оставляя затемненных участков возле креплений. Активная часть рубина - это присадка, который состоит из хром ионы, взвешенные в синтетический сапфир кристалл. Легирующая добавка часто составляет около 0,05% кристалла и отвечает за все поглощение и испускание излучения. В зависимости от концентрации допанта синтетический рубин обычно бывает розового или красного цвета. [3] [4]
Приложения
Одно из первых применений рубинового лазера было в дальномере. К 1964 году рубиновые лазеры с вращающейся призмой q-переключатели стал стандартом для военных дальномеры, до внедрения более эффективных Nd: YAG дальномеры десять лет спустя. Рубиновые лазеры использовались в основном в исследовательских целях. [5] Рубиновый лазер был первым лазером, который использовался для перестраиваемой оптической накачки. лазеры на красителях и особенно хорошо подходит для возбуждения лазерных красителей, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне. [6] Рубиновые лазеры редко используются в промышленности, в основном из-за низкой эффективности и низкой частоты повторения. Одно из основных промышленных применений - просверливание сквозных отверстий. алмазпотому что мощный луч рубина точно соответствует широкой полосе поглощения алмаза (полоса GR1) в красном цвете. [5] [7]
Рубиновые лазеры отказались от использования с открытием лучших лазерных сред. Они все еще используются в ряде приложений, где требуются короткие импульсы красного света. Голографы по всему миру производят голографический портреты с рубиновым лазером размером до квадратного метра. Из-за высокой импульсной мощности и хорошей длины когерентности красный лазерный свет 694 нм предпочтительнее зеленого света 532 нм. удвоенная частота Nd: YAG, что часто требует нескольких импульсов для больших голограмм. [8] Много неразрушающий контроль лаборатории используют рубиновые лазеры для создания голограмм крупных объектов, таких как авиационные шины, для поиска слабых мест в облицовке. Рубиновые лазеры широко использовались в татуировка и Удаление волос, но заменяются на александрит и Nd: YAG лазеры в этом приложении.
История
Также на конференции присутствовали Гордон Гулд. Гоулд предположил, что с помощью импульса лазера можно получить максимальную мощность в мегаватт. [11]
Оригинальный рубиновый лазер Теодора Маймана все еще работает. [14] Он был продемонстрирован 15 мая 2010 г. на симпозиуме, организованном в г. Ванкувер, Британская Колумбия Мемориальным фондом доктора Теодора Маймана и Университет Саймона Фрейзера, где доктор Майман был адъюнкт-профессором Школы инженерных наук. Оригинальный лазер Маймана был направлен на экран проектора в затемненной комнате. В центре белой вспышки (утечка из ксеноновой лампы-вспышки) на короткое время было видно красное пятно.
Рубиновые лазеры не выдавали одиночный импульс, а давали серию импульсов, состоящую из серии нерегулярных всплесков в пределах длительности импульса. В 1961 году Р. В. Хеллварт изобрел метод добротность, чтобы сконцентрировать выходной сигнал в виде одиночного импульса. [15]
Рубиновый лазерный пистолет, сконструированный Стэнфордским университетом. профессор физики в 1964 году для демонстрации лазера своим классам. Пластиковый корпус, переработанный из игрушечного лучевого ружья, содержал рубиновый стержень между двумя импульсными лампами. (верно). Импульс когерентного красного света был достаточно сильным, чтобы лопнуть синие шары (показано слева) но не красные шары, которые отражали свет.
В 1962 г. Уиллард Бойл, работая в Bell Labs, произвел первый непрерывный выход из рубинового лазера. В отличие от обычного метода боковой накачки, свет от ртутной дуговой лампы накачивался на конец очень маленького стержня, чтобы добиться необходимой инверсии населенности. Лазер не испускал непрерывная волна, а скорее непрерывная последовательность импульсов, дающая ученым возможность изучить пиковый выход рубина. [16] Рубиновый лазер непрерывного действия был первым лазером, который использовался в медицине. Его использовал Леон Гольдман, пионер в лазерная медицина, для таких процедур, как удаление татуировок, лечение рубцов, а также для ускорения заживления. Из-за его ограничений по выходной мощности, возможности настройки и сложностей в эксплуатации и охлаждении устройств рубиновый лазер непрерывного действия был быстро заменен на более универсальный. краситель, Nd: YAG, и аргоновые лазеры. [17]
Рубиновый лазер относится к самым первым приборам, которые и заложили основу всей лазерной терапии. Несмотря на то, что в последнее время появилось множество современных аппаратов с новыми функциями, рубиновый лазер все еще не утратил свои позиции.
Рубиновый лазер получил такое название от драгоценного камня, из которого и изготовлен стержень. Искусственный рубин является отличным проводником для лазерного луча. На этом и базируется принцип действия прибора. Несмотря на то, что сфера его деятельности несколько ограничена, поскольку с помощью прибора можно удалить только нежелательную растительность темного цвета, ему нет равных по эффективности и безопасности.
Особенности рубинового лазера
Рубиновый лазер положил основу такой современной и востребованной процедуре как лазерная эпиляция. Поскольку длина его луча небольшая, удаляет нежелательную растительность он очень медленно и, как отмечают многие, достаточно болезненно.
В последнее время в салонах красоты и клиники используются более современные аппараты – александритовый и диодный, но сфера их деятельности также ограничена.
Среди особенностей прибора еще можно выделить небольшую стоимость самой процедуры по сравнению с удалением волос другими лазерными установками. К тому же его можно использоваться на любых участках кожи.
Принцип действия прибора
Считается, что по интенсивности и тепловому эффекту нет равных рубиновому лазеру. Возможно, именно поэтому он используется строго индивидуально и удаляет только темные волоски, поскольку высока вероятность развития сильного ожога.
Сфера применения рубинового лазера
Рубиновый лазер изначально применялся для удаления пигментных пятен, так как лучи отлично поглощаются меланином, хотя сам этот процесс имеет как свои плюсы, так и минусы. При неправильно подобранной длине лазерного луча эффект может быть совершенно противоположным, вместо отсутствия пигментных пятен человек получает гиперпигментацию. Возможно, по этому причине он стал использоваться все реже в последнее время.
На данный момент специалисты доказали, что с помощью прибора можно также эффективно удалить татуировки, но только на светлой коже. И для того, чтобы удалить именно пигмент и не задеть здоровые ткани стоит выбирать минимальную длину лазерного луча. В противном случае могут остаться следы от удаления татуировки в виде шрамов и рубцов. Поэтому данный аппарат не подходит для удаления тату, которые были нанесены слишком глубоко под кожу.
Также недавно рубиновый лазер стал применяться для удаления веснушек и невусов, что свидетельствует о том, что потенциал данного прибора пока не изучен до конца
Плюсы и минусы рубинового лазера
Рубиновый лазер имеет свои плюсы хотя это и первый прибор, что начал применяться в лазерной косметологии.
Преимущества рубинового лазера:
- эффект от удаления волос сохраняется надолго
- процесс проходит хотя и длительно, но безболезненно (все зависит от зоны удаления нежелательной растительности)
- подходит для лиц со светлой кожей
- волосы, которые отрастают со временем, становятся заметно светлее и тоньше
Недостатки рубинового лазера
К минусам прибора можно отнести то, что это самый первый аппарат, который начал использоваться в лазерной терапии. В последнее время появилось множество новых и высокоточных приборов для удаления волос, тату, перманентного макияжа, которые не приводят к последствиям на коже.
К недостаткам можно также отнести длительность процедуры при удалении волос рубиновым лазером. Но несмотря на то, что манипуляция лазером длительная, стоит она гораздо дешевле, чем на аппаратах нового поколения.
Читайте также: