«Гиперболоид» советских радиофизиков: как лазер изменил мир

Сегодня о лазерах не слышал только ленивый. Уже много десятилетий подряд они прочно укоренились в разных сферах нашей жизни. Архитектура и строительство, космические разработки, наука, медицина и косметология — лазер применяется во многих областях. Гении, которые изобрели его полвека назад, не подозревали, насколько значимым станет это устройство практически для каждого жителя планеты.

От фантастики до нобелевского открытия

Когда известный писатель Алексей Толстой писал свой фантастический роман «‎Гиперболоид инженера Гарина» (вышел в 1927 году), он даже не догадывался, насколько его авторская фантазия увлечет за собой советских и американских ученых-физиков в будущем. По замыслу автора, талантливый инженер Петр Гарин изобрел мощное оружие — гиперболоид. Тепловые лучи этого агрегата были такой силы, что прожигали все насквозь. К сожалению, гениальное творение не принесло пользы его создателю и стало причиной полного фиаско Гарина.

Но так было в романе. А наяву человечество еще с древних времен размышляло о природе световых лучей, их появлении и значении в жизни людей. Именно древнегреческому философу Демокриту приписывают идеи по преломлению световых лучей. Они могут отражаться и поглощаться только в виде квантов (порций энергии), при этом усиливая или ослабляя друг друга, и в конечном счете обходят любые препятствия на своем пути — считал грек.

Спустя тысячелетия размышления Демокрита перерастут в основательную квантовую теорию света, которая даст начало развитию квантовой электроники. Тот самый лазер, о котором уже было упомянуто, как раз и есть одно из ее лучших творений.

Открытию лазера человечество обязано не только его непосредственным создателям, но и… Альберту Эйнштейну.

Как известно, знаменитого ученого интересовали разные области теоретической физики, в том числе и квантовая теория. С молодости Эйнштейн изучал особенности движения мельчайших частиц света — фотонов. По его наблюдениям, фотоны и атомы могут взаимодействовать друг с другом определенным образом. Например, при их столкновении фотон может выбить с орбиты атома один электрон, который тут же приобретает физические свойства фотона и навсегда покидает оболочку атома. В результате «перерождения» атомов в фотоны и создается эффект вынужденного излучения — другими словами, это и есть основной принцип действия лазера.

Но чтобы этот эффект был максимально устойчивым, а не кратковременным, нужна была особая среда, которая позволила бы фотонам выбивать из атома электроны. Именно такую среду удалось получить в лабораторных условиях на базе ФИАН (Физический институт Академии наук имени П.Н. Лебедева) двум советским физикам — Александру Прохорову и его ученику Николаю Басову. Еще будучи студентом, Прохоров увлекся идеями Эйнштейна о вынужденном излучении. Что-то подсказывало молодому ученому, что за этой теорией — великое будущее.

Начались годы упорной работы и многочисленных экспериментов. И вот в 1952 году на Всесоюзной конференции по спектроскопии в Москве радиофизики впервые представили свой экспериментальный прибор — молекулярный генератор. Как объяснял Александр Прохоров, чтобы получить устойчивое микроволновое излучение в приборе, была использована аммиачная среда, которая наилучшим образом подходила для взаимодействия атомов и фотонов.

Александр Прохоров, нобелевский лауреат по физике: «Нам приходилось принимать во внимание эффект Эйнштейна, который в 1916 году показал: если возбужденную молекулу облучать светом определенной частоты, то, переходя в нижнее энергетическое состояние, она будет излучать квант той же частоты. Это и есть вынужденное излучение. Тогда и пришла идея молекулярного генератора (мазера). Мы его сделали в СВЧ-диапазоне, так как именно он использовался в радиоспектроскопии».

Примечательно, что в 1950-е годы параллельно с советскими учеными над созданием похожего устройства в Колумбийском университете работала команда американских физиков во главе с амбициозным Чарльзом Таунсом. Лазерный прибор, который они изобрели, был назван мазером — по первому слову аббревиатуры Microwave Radiation, что означает «микроволновое усиление». Через много лет в научных кругах слово «мазер» заменят на лазер — более соответствующее предназначению устройства, работающего на световых фотонах.

Возвращаясь к нашим физикам-изобретателям… Стоит отметить, что с их гениальной разработкой смирились в научном сообществе далеко не сразу и не все признанные авторитеты того времени. Даже великий Лев Ландау, нобелевский лауреат, напрочь отрицая теорию подвижных фотонов в генераторе, сокрушался: «Этого не может быть, так как не может быть никогда!»

Однако спустя десятилетие сообществу все же пришлось признать: лазерный прибор — это выдающееся открытие, которое в ближайшем будущем значительно повлияет на многие сферы человеческой жизни и более глобально — на технологический прогресс.

И да, заслуженная награда нашла своих героев. В 1964 году Прохоров, Басов и Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой «За фундаментальные работы в области квантовой электроники».

С лазером в космосе и… эстетической медицине

В современном мире трудно найти сферу, где бы не использовались лазеры. Уже более 60 лет лазерные технологии применяются в машиностроении, сельском хозяйстве, информационных технологиях, науке и медицине. И это далеко не полный перечень отраслей, где лазеры играют ключевую роль, делая нашу жизнь более эргономичной, мобильной и комфортной.

Пожалуй, самые востребованные области, где лазерные технологии освоены по максимуму, — это космическая отрасль и медицина.

Сегодня лазерными установками на космических кораблях уже мало кого удивишь. Другое дело – скоростная лазерная связь в глубоком космосе. Над этой амбициозной задачей работают разные страны мира, включая Россию, США и Китай. Смысл таких ноу-хау разработок — в передаче данных с космических аппаратов на Землю на межпланетных расстояниях. Первый успешный опыт в этом направлении случился в прошлом году в NASA (США). Специалистам космического агентства с помощью лазерной установки Laser-Thermal Propulsion удалось послать сигнал с аппарата «Психея», который в это время пролетал между Марсом и Юпитером. И это на расстоянии 31 млн км — в 80 раз дальше Луны!

А теперь переместимся с космического корабля в уютное кресло косметолога и посмотрим, чем нас удивят лазерные аппараты нового поколения. К слову, сейчас в эстетической косметологии и других направлениях медицины происходит настоящая революция. Применение лазерных аппаратов позволяет специалистам максимально расширить спектр косметологических процедур, которые раньше были недоступны для многих.

Комплекс антиэйдж-методик с WOW-эффектом (мгновенное омоложение без операции), устранение эстетических недостатков кожи, как, например, выраженная пигментация или купероз на лице, удаление невусов на теле и многое другое, что связано с эстетикой, — большинство из этих процедур выполняется на новейших лазерных аппаратах.

Сегодня спектр лазерных установок во многих косметологических центрах максимально широкий. Например, специалисты «СМ-Косметология» используют лазер с самыми разными целями — для омоложения кожи лица, удаления шрамов и рубцов на теле, во время пилингов и эпиляции волос.

Лазерная революция в хирургии

Современная медицина многое потеряла бы, не появись у врачей нового чудо-прибора — лазера. Благодаря этому устройству уже несколько десятков лет успешно развивается обширное направление в медицине — лазерная хирургия.

На данный момент преимущества лазерных методик очевидны. Они широко применяются в разных медицинских областях, в том числе в урологии. И здесь, прежде всего, хочется рассказать о новой методике, которая считается «золотым стандартом» в лечении мочекаменной болезни. Это лазерная литотрипсия.

По мнению врача-уролога, андролога «СМ-Клиника» Владимира Степанова, при удалении камней в почках лучшего метода, чем литотрипсия, на данный момент нет. Во время процедуры специалист использует лазер нового поколения FiberLase U3 на основе тулия — редчайшего в природе металла с уникальными характеристиками.

Благодаря высокой мощности тулиевому лазеру удается то, что раньше не получалось у лазеров старого поколения, работающих на гольмии, — он измельчает большие камни до состояния песка, который легко выводится из организма при мочеиспускании. Этому аппарату по силам даже самые твердые и крупные камни — коралловидные. Как известно, именно с этим видом камней у пациентов бывает много проблем — при дроблении они распадаются на крупные фрагменты и могут «спрятаться» по разным отделам мочевыводящих путей (в почках или мочеточнике), серьезно травмируя стенки органов. Чтобы во время операции можно было сразу увидеть местоположение камня, в комплектации с лазером используется гибкий цифровой (одноразовый) уретерореноскоп LithoVue Boston Scientific.

Владимир Степанов также обращает внимание на еще один момент — это значительная экономия времени врачей. Еще лет 7–10 назад при использовании старых лазерных установок приходилось тратить больше времени на удаление камней — как минимум несколько часов. А сегодня благодаря высокой энергетической мощности лазера FiberLase U3 урологам удается провести операцию за 25–40 минут.

Но хирургические возможности лазера FiberLase U3 не исчерпываются только удалением камней в почках. Этот многофункциональный аппарат также может применяться для удаления аденомы простаты (лазерная абляция) или раковой опухоли мочевого пузыря на ранней стадии (малоинвазивная методика EN BLOC), а также с целью восстановления проходимости мочевыводящих путей (оптическая лазерная уретротомия и уретеротомия).

«Во многих случаях при использовании лазерной технологии нет необходимости в длительной госпитализации пациентов. Мы называем это «хирургией одного дня». Минимальное хирургическое вмешательство в организм больного, быстрое и качественное решение проблемы, отсутствие побочных эффектов — так работает современный инфракрасный лазер FiberLase U3», — рассказывает врач-уролог, андролог «СМ-Клиника» Владимир Степанов.

Лазерные технологии востребованы не только в урологии. Сегодня лазером успешно лечат ряд колопроктологических и венозных заболеваний.

К специалистам «СМ-Клиника» часто обращаются с больной проблемой — геморроем. Среди всех заболеваний проктологической области геморрой самое распространенное — им страдает более 40% людей разного возраста. Причин образования геморроя несколько — в первую очередь это малоподвижный образ жизни и застой крови в органах малого таза (это касается и прямой кишки), постоянный подъем тяжестей и занятия силовым спортом.

Некоторые люди могут даже не заметить начало болезни, которая проявляет себя легким зудом в анальной области и минимальными кровяными выделениями после дефекации. Однако при халатном отношении к здоровью можно только усугубить проблему. И тогда геморрой уже проявит себя совсем с другой стороны — вздувшимися воспаленными узлами в перианальной зоне, постоянной резкой болью, мешающей не только сидеть или лежать, но даже двигаться. Хроническая форма геморроя ничем не лучше острого состояния, ведь в этот период могут часто случаться обострения болезни, а с ними и все неприятные симптомы заболевания. И здесь без хирургического вмешательства, увы, не обойтись. Или все-таки есть альтернатива?

Да, лазерные технологии приносят настоящее спасение пациентам с неудобной во всех смыслах проблемой. Последние несколько лет в российских и зарубежных клиниках стали применять лазерную вапоризацию на аппарате «Лахта-Милон». Если кратко про особенности этой технологии, то во время процедуры под воздействием лазерного луча происходит «выпаривание» геморроидального узла с минимальной кровопотерей. При этом лазер удаляет только ненужное, не травмируя здоровые участки.

У врачей «СМ-Клиника» большой опыт проведения подобного рода процедур. Главные преимущества вапоризаций, по мнению большинства специалистов, связаны с малоинвазивностью, применением местной анестезии вместо наркоза, быстрым заживлением тканей и эстетическим результатом (процедура не оставляет больших рубцов).

Безболезненное и быстрое лечение геморроя — далеко не все, на что способны в хирургии современные лазеры. Сейчас с их помощью успешно лечат одну из самых массовых болезней цивилизации — варикоз. Эта проблема, на первый взгляд, не такая простая, как кажется многим. Ведь в основе заболевания лежит нарушение функции венозных клапанов — главных регулировщиков нормального кровообращения в сосудах. Малейшие сбои в их работе могут нарушить кровоток и привести к застою крови в венах, в результате они деформируются и расширяются. Дальше хуже — у пациентов с запущенным варикозом повышаются риски образования тромбов в сосудах, что со временем грозит полной закупоркой вен. А это уже нарушения трофики тканей и появление трофических язв на нижних конечностях.

В настоящий момент флебологи научились аккуратно «запечатывать» больные вены вместо их полного удаления, как было раньше при открытых операциях. На помощь специалистам пришли новые технологии, такие как, например, эндовенозная лазерная коагуляция.

По словам руководителя центра флебологии «СМ-Клиника», д.м.н. Олими Ширинбека, эта процедура позволяет, с одной стороны, аккуратно закрыть просвет расширенной вены, с другой — сразу направить кровь по соседним здоровым венам. Такие манипуляции возможны благодаря точечному воздействию лазерного луча на венозную стенку.

В «СМ-Клиника» лазерную коагуляцию выполняют на самой последней модели аппарата FiberLase VT с диапазоном волн лазерного излучения 1940 микрон. Этот аппарат относится к 3-му поколению лазеров, которые появились на российском медицинском рынке недавно, в 2023 году, но уже успели привлечь внимание специалистов из разных областей медицины.

«Во время проведения эндовенозной лазерной коагуляции с помощью аппарата FiberLase VT происходит более мягкое и равномерное воздействие на варикозную вену. Благодаря этому обеспечивается безболезненность процедуры, уменьшаются риски появления обширных гематом и уплотнений, а окружающим вену тканям удается избежать термического воздействия. Это способствует ускоренной реабилитации пациентов в послеоперационном периоде. Что касается результатов такой малоинвазивной процедуры, то почти в 98% случаев пациенты почти сразу забывают о своей проблеме, радуются косметическому эффекту (отсутствию рубцов и пятен на коже) и быстро встраиваются в привычный ритм жизни», говорит руководитель центра флебологии «СМ-Клиника», д.м.н., врач-хирург, флеболог, Олими Ширинбек.

Еще одно направление медицины, где особенно востребованы лазеры, — офтальмохирургия. Недавно на российском рынке появилась инновационная лазерная установка Ellex Yag-SLT Reflex, предназначенная для эффективного лечения глаукомы. Это заболевание связано с повышением внутриглазного давления, которое со временем может привести к атрофии зрительного нерва и полной потере зрения. Глаукомой, по данным ВОЗ, болеют более 100 миллионов человек разного возраста — от 40 до 80 лет.

Прогрессирующую глаукому сложно лечить, однако сегодня на помощь офтальмохирургам пришли новые технологии, в числе которых лазерная система Ellex Yag-SLT Reflex. Этот комбинированный аппарат объединяет YAG-лазер с длиной волны 1064 микрон и SLT-лазер с длиной волны 532 микрон.

С помощью лазерной системы Ellex Yag-SLT Reflex офтальмохирурги выполняют ряд уникальных операций, помогающих пациентам с глаукомой полностью восстановить зрение. В их числе лазерный витреолизис (лечение помутнений и деструкции стекловидного тела глаза), гиалоидопунктура (лечение глазных кровоизлияний), ретинотомия (лечение отслойки сетчатки глаза). Отдельного внимания заслуживает селективная лазерная трабекулопластика. Эта процедура помогает снизить внутриглазное давление у пациентов с первичной или вторичной глаукомой и предотвратить прогрессирование заболевания в будущем.

Стоит добавить, что данные операции являются достаточно редкими в силу своей сложности. К числу немногих медцентров, где применяют лазер Ellex Yag-SLT Reflex, относится «СМ-Клиника». Офтальмохирурги клиники владеют всеми методиками лазерного лечения глаукомы, возвращая пациентам острое зрение на долгие годы.

Напоследок скажем пару слов про применение лазеров в дерматологии. Удалять на теле и лице некрасивые родинки, бородавки или папилломы стоит не только из соображений эстетики. Иногда это жизненно важно и делается строго по показаниям. Решить подобную проблему безболезненно и быстро позволяют российские лазеры универсального действия АСТ. Благодаря сравнительно небольшой длине волны лазерного луча (980 микрон) обеспечивается минимальный контакт с кожей, что исключает любые риски ожогов во время процедуры. Кроме того, благодаря своей гибкости и маневренности лазер позволяет аккуратно удалить новообразования даже в труднодоступных местах, например на веках.

В «СМ-Клиника» лазерное удаление родинок или папиллом на аппарате АСТ проводится под местной анестезией. Процедура длится не более 20 минут и отличается минимальной травматизацией (быстрое заживление ранок) и хорошим косметическим эффектом.

Как видите, возможности лазерной хирургии многогранны, но очень далеки от своего полного раскрытия. Возможно, в ближайшем будущем появятся еще более совершенные технологии, которые в руках специалистов будут творить настоящие чудеса. Но даже те инструменты, которые есть у врачей сейчас, ставят медицину на кардинально новый уровень развития — это универсальность, максимальная упрощенность хирургических манипуляций, а главное, быстрое возвращение людей к обычной полноценной жизни.

Если у вас есть интерес к данной теме, оставляйте свои вопросы в комментариях. Мы постараемся ответить на все, что вас интересует.