2) вращательными состояниями молекул
3) колебательными состояниями молекул
4) спиновыми состояниями ядер
Экcимерный лазер генерирует излучение за счёт вынужденного перехода молекул эксимеров или эксиплексов между электронными состояниями. Эксимер представляет собой краткоживущую молекулу, устойчивую преимущественно в электронно-возбуждённом состоянии; типичные активные среды — ArF*, KrF* и XeCl*. При переходе на основное электронное состояние образуется фотон ультрафиолетового диапазона, а возникшая молекула быстро диссоциирует.
Такая особенность энергетической схемы облегчает создание инверсии населённостей: нижнее лазерное состояние является распадающимся и практически не накапливается. Поэтому основным физическим механизмом является именно электронный переход, сопровождающийся вынужденным излучением; вращательные и колебательные уровни могут формировать тонкую структуру спектра, но не определяют принцип генерации. Для наиболее распространённых эксимерных лазеров характерны длины волн 193 нм для ArF, 248 нм для KrF и 308 нм для XeCl.
В медицине ультрафиолетовое излучение эксимерных лазеров используется, в частности, в рефракционной хирургии роговицы. Фотонная энергия разрывает химические связи органических молекул и вызывает фотохимическую абляцию ткани с малой зоной термического повреждения. Именно поэтому эксимерный лазер позволяет удалять ткань послойно и с высокой пространственной точностью.
| Тип лазера или перехода | Рабочий переход | Характерный диапазон | Практическое значение |
|---|---|---|---|
| Эксимерный лазер ArF, KrF, XeCl | Электронный переход эксимерной или эксиплексной молекулы на диссоциативное основное состояние | Ультрафиолет: примерно 193–308 нм | Фотохимическая абляция роговицы, микрообработка материалов |
| Газовый CO2-лазер | Переходы между колебательно-вращательными уровнями молекулы CO2 | Около 10,6 мкм | Преимущественно выраженное поглощение водой и термическое воздействие на ткани |
| Газовый He–Ne-лазер | Электронный переход атомов неона при участии гелия в возбуждении | Наиболее известная линия 632,8 нм | Низкомощные диагностические, измерительные и учебные системы |
| Твердотельный лазер Nd:YAG | Электронные переходы иона Nd3+ в кристаллической матрице | Основная линия 1064 нм | Хирургия, офтальмология, коагуляция и фотодинамические технологии |
| Красильный лазер | Электронно-колебательные переходы органических молекул красителя | Широкий перестраиваемый диапазон | Селективное воздействие при различном спектре поглощения мишени |
| Молекулярный вращательный лазер | Переходы между вращательными уровнями молекул | Как правило, микроволновый или дальний инфракрасный диапазон | Не является физической основой работы эксимерного лазера |
| Ядерно-спиновый переход | Изменение ориентации ядерного спина в магнитном поле | Радиочастотный диапазон | Относится к явлениям ядерного магнитного резонанса, а не к генерации эксимерного лазера |
Таким образом, ключевым признаком эксимерной генерации служит наличие возбужденной молекулярной системы с короткоживущим нижним состоянием. Электронный переход определяет энергию и ультрафиолетовую длину волны излучения. В клинической практике это обеспечивает фотохимическое, а не преимущественно тепловое удаление ткани. Вращательные, колебательные и ядерно-спиновые переходы относятся к другим механизмам спектроскопии или лазерной генерации.