Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения. 1 страница

На рис. 24.10 приведены спектры поглощения и флуоресцен­ции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего ко­лебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16). При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в теп­ло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного элек­тронного состояния. Излучение происходит только с такого уров­ня на любые колебательные подуровни основного состояния. Дли­на стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул:

Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции. Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колеба­тельного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбуждена после поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпада­ет со спектрами других типов люминесценции данного вида моле­кул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа воз­буждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длин­новолновой полосы поглощения) зависит от длины системы со­пряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции l_mах. Кроме того, на положение l_mах (а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (ди­электрическая проницаемость гептана e = 1,9) l_mах = 436 нм, а в воде (e = 81) l_mах = 560 нм. Чувствительность параметров флу­оресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической про­ницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, использу­ется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в со­ответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называют флуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривен­ное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токси­чен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции (около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают не­видимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

 

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в иссле­дуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуорес­центно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспен­зии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному анти­телу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенных клонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электри­ческий разряд в парах ртути при низком давлении (электролю­минесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

 

Изменяя состав люминофора, мож­но подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. -24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соот­ветствуют спектру паров ртути, излу­чение которых частично проходит че­рез люминофор.

 

 

§ 24.7. Хемилюминесценция

Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождаю­щее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбуж­денном состоянии (обозначается звездочкой):

А + В -> Р* + другие продукты

Р* -> Р + hv (хемилюминесценция)

Среди огромного разнообразия химических реакций лишь еди­ничные сопровождаются излучением в видимой или ультрафиоле­товой областях спектра, которое удается измерить. Наиболее изу­чены следующие типы процессов, сопровождающихся свечением.

Биолюминесценция — яркое, видимое простым глазом свече­ние некоторых бактерий, простейших, ракообразных, червей, моллюсков, рыб. Хорошо известна биолюминесценция светляков. Биолюминесценция обусловлена определенными ферментативны­ми реакциями.

Хемилюминесценция в системах, содержащих активные фор­мы кислорода: пероксид водорода, супероксидный и гидроксидный радикалы, синглетный (электронно-возбужденный) кислород.

Хемилюминесценция сопровождает реакции цепного (свободнорадикального, пероксидного) окисления органических соедине­ний. Основной вклад в слабую хемилюминесценцию (раньше ее называли сверхслабым свечением) тканей, гомогенатов, раство­ров и суспензий полиненасыщенных жирных кислот дает свече­ние, сопровождающее пероксидное окисление липидов.

Хемилюминесценция при реакциях свободных радикалов, об­разовавшихся при действии физических факторов подразделя­ется на следующие виды: радиохемилюминесценция (при воздей­ствии ионизирующего излучения); фотохемилюминесценция (после облучения видимым или УФ-светом); электрохемилюми-несценция (при пропускании электрического тока через раство­ры); сонолюминесценция (при воздействии ультразвука); трибо-люминесценция (при перемешивании растворов) и др.

При облучении (или освещении) веществ в твердой фазе (как ча­стный случай — при облучении биологических объектов, суспен­зий или растворов, замороженных жидким азотом) подвижность свободных радикалов резко ограничивается. Их реакции и сопутст­вующая хемилюминесценция активируются при нагревании и раз­мягчении среды. Такое свечение называют термолюминесценцией.

Измерение характеристик хемилю-минесценции — удобный метод конт­роля за течением химических реак­ций, сопровождающихся свечением, и, следовательно, может использо­ваться для изучения кинетики и меха­низма реакций. Регистрация хемилю-минесценции в ряде случаев является наиболее чувствительным методом об­наружения свободных радикалов.

На рис. 24.13 показана хемилюминесценция плазмы крови при выведении в нее ионов двухвалент­ного железа. Железо инициирует пероксидное окисление липидов. Кванты хемилюминесценции излучаются триплетными возбуж­денными кетонами, образующимися при рекомбинации пероксид-ных свободных радикалов (обозначены жирными точками)

Хемилюминесценция фагоцитирующих клеток крови при до­бавлении к ним различных образцов промышленной пыли значи­тельно различается: по характеру кривых свечения клеток можно оценивать токсичность пыли. Токсичная пыль активирует фер­ментативную систему клеток, вырабатывающую супероксидные О^*₂ и гидроксильные ^*ОН радикалы и другие активные формы кислорода. Активность фагоцитирующих клеток также резко ме­няется при ишемической болезни сердца, инфаркте и других за­болеваниях, поэтому хемилюминесценция этих клеток использу­ется как диагностический метод.

 

 

§ 24.8. Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике.

Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом (рис. 24.14, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное (рис. 24.14, б) — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии (23.31). При вынужденном (индуцированном) излучении число пе­реходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попа­дающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

 

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию (Е_о — основное состояние, Е _1, Е₂,..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, N_i — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система нахо­дится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее час­то встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, глав­ным образом, с невозбужденными молекулами и будет происхо­дить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном со­стоянии (рис. 24.14, в), и вынужденное излучение, если частица возбуждена (рис. 24.14, б). Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера (24.3) kl < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положи­тельной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируе­мого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми воз­бужденными атомами. Для реализации такого процесса актив­ную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обыч­но из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превра­щая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.¹. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер² с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазе­ра. Рубин — это кристалл окиси алюминия А1₂О₃, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг³⁺. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с по­мощью импульсных источников света большой мощности.

 

В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, располо­женные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 24.16). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хоро­шо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптиче­ского отражателя заключается в том, что свет, вышедший из од­ного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, по­падает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 24.17, а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с ос­новного уровня 1в короткоживущее возбужденное состояние З³. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанно­го излучательного перехода относительно мала. Поэтому происхо­дит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных усло­виях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и со­провождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резо­наторе лазера есть два зеркала (см. рис. 24.16), одно из которых имеет коэффициент отражения интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), дру­гое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на не­го излучения (R < 100%).

 

 

Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверх­ности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отра­жаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь на­ибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зер­кало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, са­марий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24.17, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживу-щим уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-не-оновАй, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в со­отношении 10: 1 и давлении около 150 Па. Излучающими явля­ются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24.17, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населен­ность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. За­селение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При элект­рическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни око­ло 10^-3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с не­возбужденным атомом неона происходит передача энергии, в ре­зультате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона вре­мя жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного пере­хода его атомов в основное состояние при соударениях со стенка­ми разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверс­ная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис. 24.18) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера (§ 20.2) расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зер­кала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупроз­рачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пу­чок вынужденного излучения выходит наружу через полупроз­рачное зеркало. Это лазер непрерывного действия. Так как уровни 2 и 3 неона обладают сложной структурой (на рис. 24.17, в не показано), то гелий-неоновый лазер может работать на 30 дли­нах волн в области видимого и инфракрасного диапазонов.

Зерка­ла резонатора делают с многослойными покрытиями, и вслед­ствие интерференции создается необходимый коэффициент отра­жения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной вол­ны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превы­шает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: вы­сокая монохроматичность (Dl»0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), ско­рости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их примене­ние в голографии (см. § 19.8). На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изо­бражение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атома­ми и молекулами (см. § 24.3).

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматоло­гии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологиче­ского материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделя­ются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превыша­ет 10 Вт/см², чаще всего составляет около 0,1 Вт/см²) — тера­певтические и высокоинтенсивные — хирургические. Интенсив­ность наиболее мощных лазеров может достигать 10¹⁴ Вт/см², в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10²— 10⁶ Вт/см².

Низкоинтенсивные лазеры — это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спект­ра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим све­том, полученным от обычных, некогерентных источников (см. § 24.9). В этих случаях лазеры являются просто удобными моно­хроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лече­ния трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обыч­ными источниками света, а также в природе при действии солнеч­ного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии⁴, сформулирован­ном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически не­возможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осу­ществилось, то выражение (23.31) приобрело бы вид:

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехо­да молекулы из энергетического состояния Е_к в состояние с энер­гией E_t. He происходит также поглощения фотонов электронно-воз­бужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики.

Поэтому кон­центрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглоще­ние ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится воз­можным двухфотонное поглощение. Например, облучение рас­творов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излуче­нием с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации мо­лекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импуль­са 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10⁶ Вт/см² приводило к электронным переходам, пока­занным на рис. 24.19, завершавшимся ионизацией молекул.

При пикосекундных импульсах (рис. 24.19, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме

а при наносекундных (рис. 24.19, б) — по схеме

В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при l < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кис­лоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсив­ным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в элек­тронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 24.20).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некото­рого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от воз­бужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в ос­новном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсив­ных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное теп­ловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интен­сивностью от 1 до 10⁷ Вт/см² и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, напри­мер, газовый СО₂-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазер (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лaзep — наиболее широко исполь­зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осу­ществляется на переходах ионов неодима (Nd³⁺), введенных в кристаллы Y₃A1₅O₁₂ иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С необратимые повреждения не наблюда­ются. При температурах 60 °С и выше начинается денатурация белков, ко­агуляция тканей и некроз. При 100— 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свы­ше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высоко­интенсивного сфокусированного лазе­ра, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температур­ный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обуглива­ние и коагуляция (рис. 24.21). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуля­ции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного СО₂-лазера (l = 10,6 мкм) с мощностью около 2 • 10³ Вт/см² пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10^-9—10^-6 с) и уве­личивать интенсивность (выше 10⁶ Вт/см²), то размеры зон обуг­ливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01—100 Дж/см².