Алюмо-иттриевый лазер с легированием неодимом

(Ох и намучился я 2 года назад с этим материалом, решил вот выложить, закрыть гештальт.)

Мечи джедаев?

Лично я являюсь сторонником естественных способов становиться красивее (спорт, танцы, йога, позитив, нормальное питание и т.д.), но в то же время понимаю, что существуют случаи, когда необходимо быстрое и эффективное вмешательство, поэтому взялся рассказать про лазерный прибор, который помогает сделать «всех румяней и милее», как в сказке. А точнее, про принцип его работы – надеюсь, что после этой публикации процесс взаимодействия лазера и живой ткани станет более понятным.

Во вводной части представлены некоторые материалы из области анатомии, без которых непросто понять назначение лазера. Также во вводной рассматривается вопрос защиты глаз от лазерного излучения. Во второй части идет описание и принцип действия 3-х систем, которые присутствуют в аппарате Synchro Play DEKA.

Содержание

Немного теории

• Типы кожи
• Стадии роста волос
• Типы лазеров, применяемых в косметологии
• Уровни безопасности лазеров и защитные очки
• Механизмы воздействия лазера на органические ткани

Принцип работы Synchro Play DEKA

• Александритовый лазер (BeAl₂O₄)
• Алюмо-иттриевый лазер с легированием неодимом (Nd:YAG, Y₃Al₅O₁₂)
• IPL-система (Intense pulsed light)

Немного теории

Типы кожи

Существует 5 типов кожи, которые врачи разделяют по оптическим характеристикам. В зависимоти от типа кожи выбираются глубина проникновения и тип лазера.

Стадии роста волос

Рост волос человека зависит от множества факторов, таких как возраст, пол, масса тела, обмен веществ, гормоны, этническая принадлежность, прием лекарственных препаратов и др. факторы. Как бы там ни было, рост волос проходит в три стадии:

Типы лазеров, применяемых в медицине

С того момента, когда появилась идея направить лазер на человека в медицинских целях (1960-е) прошло немало времени, и это направление дало значительные результаты и одобрено в кругах врачей и косметологов. Коммерческое использование лазеров в косметологии берет начало в середине 90-х, и этому предшествовали 20 лет экспериментальных исследований в этом направлении. Первая статья была опубликована группой авторов из Massachusetts General Hospital (проводит крупнейшие в мире научно-исследовательские программы в области медицины) в 1998 году.

В косметологии чаще всего используются следующие виды лазеров:

• Рубиновый лазер: воздействует только на светлой коже и темных волосах, абсолютный эффект наступает после многократного использования.
  Первый представленный тип лазера (1960), длина волны – 694,3нм, источник накачки – импульсная лампа.
• Александритовый лазер: по сравнению с рубиновым, отличается высокой скоростью и мощностью, способен удалять волосы и на темной коже за максимально короткий промежуток времени. Длина волны – настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм. Источник накачки – импульсная лампа, лазерные диоды. Для непрерывного режима — дуговая ртутная лампа.
• Диодный лазер: имеет глубокую проникающую способность, что позволяет получать гораздо лучшие результаты после эпиляции, но сама процедура удаления волос проводится на сравнительно невысокой скорости. Диодные лазеры являются самыми распространёнными в мире. Длина волны зависит от материала и структуры активной области: от ближнего УФ до среднего ИК диапазона.
• Неодимовый лазер: действует даже на относительно светлых волосах и темной коже, проникает глубоко в кожный покров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд). Нередко используется в сочетании с удвоителем частоты. Известны конструкции с квазинепрерывным режимом излучения. Длина волны — 1,064 мкм. Источник накачки — импульсная лампа, лазерный диод

Уровни безопасности лазеров и защитные очки

«Папа, а что будет, если я посвечу лазерной указкой в глаз льву, когда дрессировщик засунул голову ему в пасть?»

Лазерной указкой (мощность которых составляет 1-20мВт) прикольно играть с котом, но в глаза светить ей не рекомендуется. Некоторые хулиганы слепят пилотов более мощными (500 мВт) указками. Лазеры на 1-10 Вт прожигают воздушный шарик или колпачок от маркера. Что же будет от лазера мощностью в 125 или 150 Вт?

Во всём мире опасность (или безопасность?) лазеров делят на несколько классов:

Класс 1. Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. Во многих странах к классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса.

Класс 2. Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 милливатта.

Класс 2a. Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено. Данный класс используется лишь в некоторых странах.

Класс 3a. Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 милливатт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования. Международные классы 2 и 3a примерно соответствуют российскому классу 2.

Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 милливатт. В России примерно соответствуют классу 3.

Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы.

У аппарата Synchro Play DEKA, про который сегодня пойдёт речь, 4 класс безопасности, следовательно, нужно быть очень осторожным.

Пруф

Особенность лазерного излучения в том, что оно может попадать в глаз при закрытых веках, даже из-за угла и при этом вы можете его совершенно не заметить. Свет свету рознь, и ниже приводится поведение различных длин волн при попадании в глаз.

Проникновение света с различными длинами волн в глаз:

1. Ультрафиолетовый свет с длиной волны менее 350 нм, падающий на глаз, поглощается роговицей глаза. Последствие воздействия большой мощности света на этих длинах волн – повреждение, приводящее к разрушению роговой оболочки или образованию катаракты.

2. Свет, воспринимаемый сетчаткой глаза, находится в видимом диапазоне длин волн (380 – 780 нм). Т.к. глаз человека чувствителен к свету, у людей развились естественные защитные механизмы. Когда свет кажется слишком ярким, т.е. плотность мощности превышает порог повреждения глаза, мы автоматически отворачиваемся и закрываем наши глаза (т.е ответная реакция или рефлекс моргания). Это автоматическая реакция эффективна для мощности излучения до 1 мВт. При более высоких мощностях, слишком большое количество энергии будет поглощено сетчаткой перед тем как успеем моргнуть, это может привести к необратимому повреждению.

3. Ближний диапазон инфракрасного излучения (780 – 1400 нм) является наиболее опасным для человеческого глаза, потому что мы не имеем естественной защиты от него. Глаз почувствует излучение, падающее на сетчатку, только после того, как непоправимый ущерб уже нанесен.

4. Инфракрасное излучение в диапазоне 1400 – 11000 нм поглощается поверхностью глаза и не доходит до сетчатки. Это приводит к перегреванию ткани и горению, или разрушению роговой оболочки. Однако, это происходит только при значительно больших мощностях, чем те, которые опасны для сетчатки глаза.

Чтобы косметологическая процедура не закончилась у окулиста, используют солнцезащитные очки 80-го левела:

Лазерные вспышки настолько мощные, что проникают даже через опущенные веки. Поэтому пацентам надевают специальные глухие металлические очки.

Очки для оператора. Для каждого типа лазеров подбираются очки с определенным светофильтром, пропускающим максимальное количество видимого света, но блокирующем свет на длине волны лазера. Удобство работы в лазерных защитных очках зависит от параметра VLT (visible light transmission, видимая светопроницаемость).

Ослабление света фильтром в видимом спектре определяется упомянутым VLT. Он определяется отношением к стандартному источнику света и оценивается согласно спектральной чувствительности глаза к дневному свету. Если измеренная VLT-ценность составляет меньше чем 20 %, то пользователь должен убедиться, что на рабочем месте есть дополнительное освещение. С низким VLT и плохим освещением можно ожидать, что наши глаза могут приспособиться к так называемому ночному видению. При этом цветное видение будет ограничено и диапазон чувствительности глаз сместится в сторону более коротких длин волн.

Механизмы воздействия лазера на органические ткани

Лазерная эпиляция основана на принципе «селективного фототермолиза» — избирательном поглощении света различными биологическими структурами: пигмент волоса — меланин, который сосредоточен в стержне и волосяном фолликуле, способен поглощать световые волны определенной длины (оптимальный диапазон 700-800 нм). В результате действия лазерного излучения меланин, поглощая энергию света, нагревается и разрушает соседние клетки матрикса (ростковая зона волоса) и сосуды, питающие волосяной фолликул. Спустя несколько недель стержень волоса с погибшим «корнем» выпадает.

Часть волосяных фолликулов находится в спящем состоянии (около 10-15 %) и 80-90 % находится в активном росте. Для максимального удаления волос (90-100 %), необходима серия процедур эпиляции с интервалом 20-45 дней, в зависимости от индивидуального темпа роста волос. Количество процедур зависит от типа и мощности лазерной системы.

Тип кожи влияет на поглощение волн определенной длинны, поэтому существуют графики и таблицы соответствия фототипа кожи и типа лазера/IPL.

Подробнее о воздействии на различные ткани

IPL испускает волны разной длины, которые рассеиваются. Кончик волоса используется как проводник тепла до волосяной фолликулы.

Александритовый лазер испускает свет определенной длины волны. Он проникает вглубь кожи глубже чем IPL и это позволяет направлять тепло внутрь волоса со всех сторон и поверхностей.

YAG лазер не акцентируется на меланине. Он воздействует на всю площадь, и тем самым разрушает волосяную фолликулу.

Воздействие лазером на излишнюю пигментацию

Избыточное количество меланина приводит к быстрым солнечным ожогам и появлению возрастных пятен. Лазер излучает небольшое количество тепла, которое проникает в кожу. Лишний меланин поглощает тепло и разрушается, возрастные пятна редеют, становятся похожими на россыпь мелких пятнышек. Мелкие частицы меланина распознаются кожей как ненужные и выходят наружу с вместе с потом. Остальные частицы отделяются от кожи, оставляя ее гладкой и чистой.

Воздействие лазером на морщины

С возрастом кожа производит меньше коллагена, в результате чего появляются складки и морщины. Лазер излучает тепло малой мощности на кожу, стимулируя клетки кожи, соответственно, они просыпаются и запускают производство коллагена. Новопроизведенный коллаген начинает двигаться вверх по направлению к поверхности кожи, в результате происходят улучшения. Производство коллагена увеличивается и равномерно распределяется по коже, в результате образуя более плавную текстуру, меньший размер пор, уменьшение размера складок, морщин и уплотнений кожи.

Воздействие лазером на нежелательные вены

Из-за неправильного функционирования вен некоторые кровеносные сосуды становятся видны через кожу. Лазер безопасно проникает в кожу и там поглощается этими сосудами, разрушая их и тем самым приводя в порядок вены и заживляет их. Сосуды, подвергшиеся воздействию, сначала становятся размытыми и могут потемнеть, а потом удаляются естественным путем и кожа приобретает естественный цвет.

Аппарат Synchro Play DEKA

Моё знакомство с медицинскими лазерами началось с этого устройства. Продукт итальянского производства, cочетает в себе три источника:

Александритовый лазер – 755 нм

Неодимовый лазер (Nd:YAG) – 1064 нм

IPL – система импульсного света

Расскажу о них чуть более подробно.

Александритовый лазер

Александри́т — природный камень, наиболее ценная хромсодержащая разновидность минерала хризоберилла (BeAl₂O₄). Стоимость природного александрита варьируется от 5000$ до 37 000$ за карат. Синтезируется в лабораторных условиях методом зонной плавки.

Александритовый лазер принадлежит к классу твердотельных лазеров. Примеси ионы Cr⁺³ составляют 0.01-0.04% в кристале BeAl₂O₄

Структура энергетических уровней схожа со структурой энергетических уровней рубинового лазера.

Впервые был применен в 1973 году с длиной волны 680 нм. Чуть позже придумали способ, как этот лазер можно перестраивать на другие длины волн (720-800 нм).

Александритовый лазер был первым лазером на рынке, который включал перестройку длин волн.

На диаграмме слева – принцип перенастройки лазера.

Длина волны — 755 нм
Частота — 3 Гц
Мощность — 125 Вт

Принцип воздействия александритового лазера

Перед использованием терапии нужно удалить волосы с поверхности. Лазерный луч безопасно проникает через кожу, преобразуясь в тепло в меланине, нагревая волосяной стержень. Тепло разрушает или ослабляет фолликулу и волосяной стержень теряет связь с фолликулой. Волос выпадает, а отсутствие фолликулы означает, что волос заново не вырастет.

Наглядно

Так выглядят насадки для регуляции глубины проникновения лазерного луча:

Алюмо-иттриевый лазер с легированием неодимом (Nd:YAG, Y₃Al₅O₁₂)

Nd:YAG – алюминиево-иттриевый гранат (Y₃Al₅O₁₂) легированный ионами неодима (Nd).

Неодимовые лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Импульсные режимы отличаются характером генерации лазерного излучения. В свободной генерации длительность импульса обычно равна времени жизни верхнего лазерного уровня (около 250 мкс, зависит от концентрации неодима), импульс представляет собой набор пичков с длительностью до сотен наносекунд. В режиме модулированной добротности длительность может варьироваться от единиц наносекунд до микросекунд.

Впервые продемонстрированы в Bell Labs в 1964 году. В данное время применяются в таких направлениях медицины как офтальмология, онкология, дерматология, стоматология и хирургия.

Слева – диаграмма энергетических уровней неодимового лазера)
Длина волны — 1054 нм
Мощность — 150 Вт

Принцип действия

В момент вспышки лампы накачки, атомы активного элемента переходят в возбуждённое состояние и испускают фотоны. Пока атом не перешёл из возбуждённого состояния, влетающий в него фотон выбивает другой фотон, при этом когерентность, длина волны, поляризация, фаза хода у этих фотонов будут абсолютно одинаковыми. Таким образом активный элемент усиливает свет, но это ещё не лазер, для того, чтобы получился лазер необходима генерация.

Чтобы запустить генерацию, необходимо обеспечить обратную связь. Это достигается применением зеркал. Глухое зеркало возвращает более 99 % излучения, выходное зеркало возвращает около 90 % излучения, при этом на выходе будет всего 10 % излучения, КПД получается низким. Это обусловлено тем, что если возвращать меньше излучения, то генерации не будет. В любом автогенераторе, который фактически является усилителем, где сигнал с выхода поступает на вход, необходимо чтобы коэффициент усиления превышал коэффициент потерь, иначе генерации не будет. На примере: когда микрофон подносится к динамику (например в караоке) появляется сильный «вой», это означает, что в системе была обеспечена обратная связь, и усиление превысило потери.

Принцип воздействия неодимового лазера

Перед процедурой поверхность кожи очищают от волос. Лазерный луч проникает глубоко под кожу и нагревает всё пространство. Тепло разрушает или ослабляет фолликулу и ствол волоса теряет с ней связь. Волос выпадает и больше не вырастает.

Наглядно

IPL — Intense pulsed light

IPL – технология, применяемая в медицине для различных процедур по омоложению кожи. Основана на генерации светового пучка с различными длинами волн (515 — 1200 нм) и использовании различных светофильтров для воздействия на определенные ткани. Основное отличие от лазера в том, что IPL использует некогерентное и не монохромное излучение.

Пять сменных светофильтров (спектральный диапазон длин волн: 500-950, 550-950, 650-950 нм)

Площадь рабочего пятна насадки в 6,2 см²

Глубина проникновения луча в зависимости от фильтра:

Заключение

Красота – это очень интересная тема, в которой физический аспект составляет только часть (в зависимости от источника, от незначительной до доминирующей). Есть интересные психологические феномены связанные с восприятием красоты: например, в окружении друзей человек воспринимается более красивым. Еще один пример связан с тем, что мужчины охотнее прощают красивых женщин, а женщины охотнее прощают менее симпатичных женщин. Люди отдают предпочтение при приеме на работу более симпатичным кандидатам.

— Дорогой, я пошла на процедуру, где мне твердотельным алюмо-иттриевым лазером с легированием ионами неодима, с диодной накачкой, в режиме модуляции добротности, квазинепрерывным когерентным светом будут воздействовать на меланин в стадии анагена.
—

ссылка на оригинал статьи https://geektimes.ru/post/234103/