日常生活の中で私たちを取り巻く23のレーザー再生

カットの下には、レーザーの現代的な使用法とレーザー装置の原理に関する人気のある科学講義があります。これは、癌を打ち負かし、コロナウイルスを識別し、組織の構造を決定し、データを転送し、都市を構築し、入れ墨を減らし、マウスを幸せにするのに役立ちます。







さて、VNIIEFのサロフに設置された長さ130メートルの世界最大のレーザー設備をすでにご覧になったと思います。とりわけ、熱核（！）融合を研究することを目的としています。



この記事は、サマラ大学のレーザーおよび生物工学システム学部の上級講師であり、若手研究者であるドミトリー・アルテミエフによる講演の写しです。研究所「フォトニクス」。ドミトリーは、一般的な自己隔離体制が導入される直前に、サマラボイリングポイントでこの講演を行いました。

光とは

全体像を完成させるために、基本から始めましょう。物理学のコースから、光は電磁波または光子の流れであることが知られています。電磁波の特徴の一つは波長であるため、光（放射）とは、1ナノメートルから数センチメートルの長さの電磁波を意味します。したがって、私たちの定義は、X線から赤外線放射までの範囲をカバーしています。







私たちの目に見える範囲は非常に小さく、約300ナノメートルです。



X線などの風変わりな範囲について言えば、たとえば、昨年、X線範囲で機能するフリー電子レーザーの作成が主要なトピックの1つになり、ノーベル物理学賞にノミネートされました。興味深いことに、このノミネートの勝者はレーザー技術にも関連していました。この賞は、超短で超強力なパルスの作成に対して授与されました。ちなみに、研究の一部はロシアのニジニー・ノヴゴロド総合物理研究所で行われました。

レーザーと従来の電球との違い

写真は主な特徴の比較です。最大レーザー出力は、ランプで使用される光源の出力よりも何倍も高いことに特に注意する必要があります。しかし、すべてのレーザーがこれを必要とするわけではありません。多くの場合、アプリケーションが特定の放射を取得するには、数分の1ワット、ミリワット、またはマイクロワットで十分です。







可視放射範囲の幅は約400ナノメートルであることを思い出してください。白熱灯の幅はほぼ同じなので、色を混ぜると白色光が見えます。同様に、レーザー範囲の幅は0.1ナノメートルにすることができます。レーザーのこのユニークな特性は、いくつかのスペクトル研究と正確な精度測定で使用されます。



部屋の片側から反対側にレーザーポインターを当てると、反対側の壁に小さなスポットしか見えず、放射の指向性が狭く、レーザービームの発散が小さいことがわかります。そして、蛍光灯または白熱灯では、放射は実質的に等方性です。すべての方向に向けられた。



自然光は電界ベクトルの特定の方向性を欠いています。つまり、光は偏光されていません。つまり、通常の電球の光の場合、ベクトルE（強度）はさまざまな方向に向けられます。レーザー放射の場合、ベクトルEは明確な方向を持ち、振動は1つの平面で発生します。この分極により、レーザー放射もやや独特になります。

プロセス物理学

レーザーは前世紀の50年代の終わりに発明されました。 1964年、アメリカのチャールズタウンズとソビエトの科学者アレクサンダーミハイロビッチプロホロフとニコライゲナディエビッチバソフは、レーザー放射の発見でノーベル賞を受賞しました。さらに、ProkhorovとBasovは、レーザーではなく、光の増幅ではなく、マイクロ波範囲の放射の増幅、いわゆるメーザーを発見しました。







Laserは、ラテン語の5文字の略語です。シミュレートされた放射の放出による光の増幅。英語から翻訳すると、これは「刺激された放射による光の増幅」を意味します。以下は3つの図です。まず、放射線が発生するためには、電子または粒子が励起状態に移行する必要があります。このため、粒子はエネルギーを受け取る必要があります。その後、彼女はより高いエネルギーレベルに移動します。







さらに2つのシナリオが可能です。粒子がランダムに低いエネルギーレベルに移動すると、自発的に放出されます。ただし、高エネルギーレベルにある粒子が特定の光子の影響を受ける場合、つまり特定の波長の光をその粒子に向ける場合、強制放射はすでに発生します。そして、そのような外部の影響の結果として生まれた光子は、それが相互作用した光子と同一になります。これは、波が互いに等しいコヒーレント放射が得られる方法です。

レーザーのしくみ

これが最初のレーザーの図です。これは、1960年にアメリカの科学者セオドアマイマンによって作成された古典的なルビーレーザーです。デバイスには、アクティブなメディア（この場合はルビークリスタル）と2つのミラーが必要です。 1つのミラーは耳が聞こえず、反射係数は1に近いです。 2つ目は半透明で、レーザーの種類に応じて、反射ミラーと比較して、その反射係数が数分の1パーセントまたは数十パーセント異なる場合があります。







ソリッドステートレーザーの光ポンピングとして、原則として、他の光放射が使用されます。最初のルビークリスタルレーザーは、青と緑のスペクトルを含む白色光ランプを使用しました-ルビークリスタルが最もよく吸収するのはこれらです。



つまり、レーザーの古典的なスキームです。これは、活性物質（ルビー）、共振器（2つのミラー）、およびポンプシステムです。他のスキームでは、ポンピングは、光放射からだけでなく、例えば、放電を使用して（ガスレーザーで）発生する可能性がある。しかし、まず第一に、レーザーは活性媒体のタイプが異なります：固体レーザー、ガスレーザー、金属蒸気レーザー。上記でフリーエレクトロンレーザーについて触れましたが、現在は活発に開発され、近代化されています。また、光ファイバを活媒体とするダイオード（半導体）レーザーやファイバーレーザーも普及しています。

レーザー放射はどこで使用されますか

レーザー放射は、医学、産業、通信、軍事、科学で使用できます。下の写真は医療機器の例です。そのため、現在、視力矯正用のレーザースカルペルが非常に人気があります。それらは、レンズの形状を修正して、ミオピアまたはハイパーオピアを取り除き、非点収差を修正するのに役立ちます。レーザーはビームのサイズが非常に小さいため、目の手術に理想的です。このようなスカルペルでの露光時間をフェムト秒に短縮できることも重要です。美容整形にはさまざまな種類の放射線が使用されます。そして歯科では、紫外線は歯科用接着剤を硬化させるために使用され、それはそれを非常によく吸収します。







業界では、鋼の最も正確な処理はレーザーを使用して実行されます：彫刻、非常に薄くてきれいなエッジで穴を開けます。レーザー放射の特性は、いくつかの金属を硬化させるために使用されます。現代の産業で最も一般的に使用されているファイバーレーザー。







建設業界では、レーザーを使用して距離を決定したり、ジオメトリを構築したりします。現在、レーザーレベルはすべてのハードウェアストアで販売されており、安価です。







軍隊とハンターは長い間レーザーサイトを使用してきました。同時に、レーザーが直接的な損傷に使用されることはめったにありませんが、そのようなデバイスは大きすぎます。たとえば、米軍はレーザーシステムを航空機に設置する実験を実施しました。飛行機全体は何のためにありましたか？エミッターのサイズが小さいにもかかわらず、ポンプシステムは大量の電力を消費し、活性媒体は非常に高温でした。そのため、飛行機のスペースのほとんどすべてがレーザー出力と冷却システムによって占められていました。







同様のシステムが我が国でも開発されています。数年前、私たちはペレスベットレーザー兵器を発表しました。これまでのところ、それについて知られている唯一のことは、それがモバイルプラットフォーム、トラックに配置されているということです。残りは、悲しいかな、国家機密です。

これとは別に、科学研究におけるレーザーの使用についても言及する必要があります。たとえば、サロフの科学者は、熱核融合の過程でレーザーを使用します。ターゲットを照射するために、高出力の放射が最小サイズのスポットに集束されます。

このようなレーザーは大きなスペースを占める可能性があります。熱核反応には深刻な放射源が必要であり、そのサイズは数百メートルに達する可能性があります。

サロフのレーザー施設UFL-2M



フットボールスタジアムに匹敵する大きさのこのような巨人とともに、いわゆるナノ構造に基づくミニチュアレーザーが最近人気を集めています。

レーザーは、衛星を含む通信システムで積極的に使用されています。通信作業者にとって最も有用な特性の1つは、光ファイバ内の放射の伝播です。光ファイバシステムでは、長距離にわたって1秒あたり最大数百ギガバイトを送信できます。

ファイバーのしくみ

光ファイバの動作原理は、内部全反射の影響に基づいています。下の写真を見てください。水の流れがあり、入力に放射が適用された場合、流れが曲がると、流れは出ず、内部に広がります。







これは、放射線がそのシェルに比べてより高い屈折率を持つ媒体を通って伝播する方法です。この原則により、最小限の損失で数十、数百、数千キロメートルにわたってデータを転送できます。



LEDまたはレーザーダイオードのいずれかが光放射源として使用されます。レーザーダイオードの方が性能は優れていますが、コストも高くなります。







電気通信技術では、原則として、1.3または1.55マイクロメートルの波長の半導体レーザーが使用されます。これらの波長は、ファイバーに存在するさまざまなヒドロキシル基の吸収帯域に含まれません。したがって、信号は何キロメートルにもわたって吸収または減衰されません。



フォトダイオード、PINダイオード、アバランシェフォトダイオードを検出器として使用できます。それらは感度が異なります。非常に弱い信号を登録したい場合は、なだれ型フォトダイオードを使用してください。信号が数十から数百ワットの場合、他のタイプのフォトダイオードを使用できます。

レーザー放射と生物

レーザービームが生体組織に当たると、この放射の吸収、ならびに透過、散乱、または蛍光が発生する可能性があります。別の可能なオプションは、組織の上層の切除、燃焼です。この場合、内層は損傷していません。

吸収中に、さまざまな粒子の凝固、つまりそれらの付着が起こります。この効果は、手術でレーザーを使用する場合に適用されます-レーザースカルペルとして。機械的な頭蓋骨とは異なり、血管や組織はほとんど無血で切断されます。さらに、レーザービームは金属製の頭蓋骨の先端よりも大幅に細くすることができます。

下のグラフは、血管、血液、皮膚組織に見られる要素を示しています。ご存知のように、人の70％以上が水で構成されています。水はすべての生体組織にも存在します。私たちの組織を汚すメラニンがあります。夏に日焼けすると、皮膚組織のメラニンが大幅に増えます。そして、私たち全員が持っているヘモグロビンは、酸素で飽和している状態（オキシヘモグロビン）と酸素がない状態（デオキシヘモグロビン）の2つの状態にあります。







グラフは、さまざまな要素がさまざまな波長の放射をどの程度積極的に吸収するかを示しています。このように、特定の波長のレーザーを使用することにより、選択的な吸収を実現することができます。



または、たとえば、波長の異なる2つの放射源を取り上げましょう。1つは吸収の最大値に達し、もう1つは最小値に達します。コントラスト差により、特定の物質の濃度を得ることができます。オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンのスペクトルの最大値が離れていることがわかります。したがって、例えば、オキシヘモグロビンの濃度を決定することができます。



これは、外科手術を行うときに非常に重要です。現在、どの外科部門にも、血中酸素飽和度を監視する装置があります。このセンサーを使用すると、適切な場所で患者の組織に何が起こっているかをリアルタイムで判断できます。

診断、イメージング、癌治療..。

一部の診断システムは、異なる波長の複数のレーザーを使用します。それらは、さまざまな細胞構造に関する研究の実施を支援します：それらがどのように振る舞うか、どのように薬物に反応するか。







レーザーは皮膚の最上層を剥がすことができることは前述した。特に入れ墨の除去に使用されます。ビューティーサロンでは、波長1064ナノメートルのソリッドステートレーザーを使用して入れ墨をしています。



レーザーのもう1つの一般的な用途は、癌の治療によく使用される光力学的療法です。まず、光増感剤がヒトの組織に導入されます。これは、攻撃的な癌細胞に蓄積する物質です。その後、腫瘍（通常は健康な組織に囲まれている）が、光増感剤の最大吸収範囲内にある波長のレーザーにさらされます。その結果、放射線は癌細胞によってのみ吸収されます。したがって、健康な組織に影響を与えることなく、癌を焼き尽くします。







レーザーはイメージングのための医学で使用されます。たとえば、光学トモグラフィーでは、光源として機能します（図を参照）。超発光ダイオードは光源としても使用できます。刺激された散乱によって発光しますが、この程度のコヒーレンスはありません。







光源はビームスプリッターに向けられています。放射の一部はミラーで反射され、もう一方はオブジェクトに向けられ、反射されて両方の波が相互に作用します。 2つのコヒーレント波長が相互作用すると、干渉が発生します。そして、検出器に干渉縞のセットを登録し、処理後に組織切片の写真を取得できます。



原理を図に示した光コヒーレンストモグラフは、すべての主要都市で利用できます。このテクノロジーを使用すると、オブジェクト（この場合は目）の3次元画像を作成できます。また、あるピクセルを別のピクセルから分離できる空間解像度は、数ミクロンになる可能性があります。この技術の類似物は超音波です。超音波の場合のみ、光放射ではなく超音波が使用されます。超音波は浸透深さが深く、精度については言えません。空間分解能はミクロンではなくミリメートルで測定されます。

メソッドを組み合わせる必要がある理由

サマラ大学では、このアプローチを使用して、腫瘍形成を伴う皮膚および肺組織を研究しました。左の写真は、肺組織の再構成された3D画像です。そして右側は信号が記録されたエリアの写真です。







左の写真は構造の違いを示しています。黒は空気で、そこから信号は来ませんでした。スポンジのような多孔質構造は健康な肺組織です。右に移動すると、レイヤーがどのように形成されているかがわかります。それらはより密度が高く、肺組織の腫瘍性新生物の特徴である特定の構造を持っています。これは、サマラがんセンターでの手術の結果として除去された扁平上皮癌の例です。



同じアプローチが皮膚組織の研究に使用されました。基底細胞癌の特定は容易ですが、他の種類の癌は類似していることが多く、特定の種類の疾患を診断することができなくなります。したがって、光学的研究方法はスペクトル的研究方法で補足されなければなりません。



次の図は、ラマン（非弾性）光散乱、いわゆるラマン散乱の図を示しています。ここでも、刺激された散乱を検討するときに知ったエネルギーレベルを観察します。







写真は、レーザー放射が分子の振動をどのように励起するかを示しています。さらに、この放射の99.999％は波長を変更しません。しかし、分子と相互作用した後の放射線の一部は変化する可能性があります。エネルギー変化のこの部分は、レーザー放射が向けられた結合の振動に対応します。



光のラマン散乱の結果として、一連のバンドが得られ、その位置はオブジェクトの特定の振動に関連付けられています。このデータを使用して、どのような変動があるかを判断できます。次に、これらの成分の定量的組成は、振動強度によって決定されます。



写真はサマラがんセンターでの研究の瞬間を示しています。これは、そこで開発された皮膚鏡を使用して組織サンプルを視覚化する方法です。







次のスライドは、皮膚と新生物のラマンスペクトルの特徴的なグラフを示しています。スペクトルの特定の帯域では、強度が増減する可能性があります。したがって、レーン2では、悪性黒色腫の強度が100％増加します。そして、この領域の成分組成の変化は、この強度の増加の原因です。特に、組織の生化学的変化について話している場合、細胞内のDNAとRNAの比率が変化します。組織内の脂質に対するタンパク質の比率も変化する可能性があります。







同様の研究が肺組織に対して行われた。悪性腫瘍と良性腫瘍を区別することが可能であることがわかります。また、さまざまな数学的アプローチをデータ分析に使用できます。たとえば、回帰モデルを使用すると、大規模なデータセットのスペクトルの違いをすばやく見つけることができます。







したがって、レーザーとスペクトル技術を使用して生物物体を研究することで、膨大なデータセットを取得できます。それらを処理するには、数学的な方法に頼る必要があり、その方法は、特別なソフトウェアを使用してコンピューターに実装する必要があります。

まとめましょう

バイオフォトニクスは、組織の状態をリアルタイムで診断するための十分な機会を提供し、レーザーアブレーションを可能にします-皮膚の上層を洗浄します。レーザースカルペルは、手術で広く使用されています。また、レーザーが体内に照射されると、血管や組織での酸素の生成など、いくつかのプロセスが加速される可能性があります。または、必要に応じて速度を落とします。



すべての光学技術は、機器が組織に直接接触することなく、非侵襲的な研究に使用されます。さまざまな範囲でより正確な調査を行うには、一度に複数のレーザーを使用できます。しかし、これらはすべての可能性ではありません。オプトジェネティクスのような興味深い方向性、つまり認知機能に対するレーザーまたは光放射の影響については触れませんでした。研究者は、気分を改善したり、ホルモン産生を刺激したりするために、脳の特定の領域のニューロンを標的にします。そのような実験が動物で行われている間。写真は、適切な研究のために頭蓋骨に光ファイバーが埋め込まれたマウスを示しています。







現在のパンデミックに関連して、前述のラマン分光法がウイルスの研究に使用できる技術であることは注目に値します。ここでもまた、学際的なアプローチがあります。ウイルスはサイズが20〜200ナノメートルの粒子であるため、何らかの方法でそれらを捕らえる必要があります。ウイルスは、特定の毛細血管を通って移動する血液に含まれています。したがって、特別なナノトラップがキャピラリーに取り付けられています。これは、特定のサイズの粒子をトラップして捕捉できるナノ構造です。粒子が捕捉された後、レーザー照射とラマン散乱の登録を実行します。これで、それが何であるかを確実に言うことができます。この場合の光学技術の利点は、ウイルスが最小濃度でも検出されることです。



***



私たちの意見では、レーザーアプリケーションの最も興味深い分野のほとんどをリストアップしました。彼らはおそらく何かを忘れていたかもしれませんが。ですから、誰かがコメントに興味深い事実を投げ込んだら、私たちは喜んで飛び出します。