Seminarium biofotonika
21.05.2010
LASERY
BUDOWA, ZASADA DZIAA
ANIA I ICH
ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE
Autor: Paulina A
uka
Definicja
Laser to nazwa utworzona od angielskiego
określenia Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation (wzmocnienie światła
poprzez wymuszoną emisję promieniowania).
Jednak jak się okazuje laser nie tylko wzmacnia
światło, ale w większości przypadków działa jako
specjalne z
ródło emitując światło
Trochę historii...
Teoretycznie podstawy zjawisk wzajemnego oddziaływania promieniowania
elektromagnetycznego i materii były znane już dość dawno (prace Plancka, Einsteina).
W latach trzydziestych dwaj fizycy niemieccy Ladenburg i H. Kopfermann, "otarli się"
wprawdzie o zjawisko emisji wymuszonej, badając efekt absorpcji w rurach
wyładowczych.
Trochę historii...
Możliwości otrzymywania zjawisk wymuszonej emisji promieniowania na drodze
eksperymentalnej uzasadnił w roku 1940 uczony radziecki, W. A. Fabriakant.
Idea ta uzyskała potwierdzenie dopiero w roku 1950 w udanych
doświadczeniach dwóch fizyków amerykańskich Purcella i R. V. Ponda, którzy
obserwowali omawiane zjawisko w trakcie badań nad rezonansem
paramagnetycznym w jądrach atomów litu w krysztale fluorku litu.
Z koncepcją budowy mikrofalowego wzmacniacza i generatora kwantowego,
działającego na zasadzie wymuszonej emisji promieniowania, wystąpiono w
latach 1952 - 1953 niezależnie w Stanach Zjednoczonych (C.H. Townes z
Uniwersytetu Columbia i J. Weber z Uniwersytetu Maryland) oraz w Związku
Radzieckim (N.G. Basow i A.M. Prochorow). Projekt Townesa dotyczył tzw.
masera gazowego.
 Trochę historii...
W drugiej połowie roku 1959 Townes
zaproponował model lasera, lecz próby nie udały
się. Dopiero kilka miesięcy póz
niej, w czerwcu
1960 roku, młodemu badaczowi badaczowi
laboratorium Hughes Aircraft Company (USA) -
T.H. Maimanowi - udało się uzyskać efekt
laserowy w krysztale syntetycznego rubinu i
zbudować pierwszy czynny model lasera. Rubin
odegrał tu rolę podobną jak uprzednio amoniak
przy stosowaniu pierwszego masera.
Nagrody Nobla za rok 1964 z dziedziny fizyki:
-H. Townes
-A. M. Prochorow
-N.G. Basowow
Trochę historii...
Trochę historii...
Budowa lasera
Działanie lasera najlepiej zrozumieć poznając
jego elementy składowe. Najogólniej rzecz biorąc,
laser składa się z ośrodka czynnego, który może
być ciałem stałym, cieczą lub gazem. Z obu
końców laser jest zamknięty przez zwierciadła, z
których jedno jest najczęściej częściowo
przepuszczalne (układ optyczny). Aby laser mógł
działać, potrzebne jest dostarczenie energii z
zewnątrz, do czego służy układ pompujący.
Budowa lasera
Ośrodek czynny
Oddziaływanie światła z materią wyjaśnić można za pomocą trzech zjawisk:

Pochłaniania światła (absorpcji)

Emisji spontanicznej

Emisji wymuszonej
Aby akcja laserowa mogła zajść, foton wzbudzający musi mieć odpowiednią
energię równą energii wzbudzania ośrodka. Wiadome jest również, że atomy w
stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające. Zatem, by laser mógł
działać proces emisji wymuszonej musi przeważać nad procesem pochłaniania
fotonów. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy w ośrodku znajduje się więcej atomów w
stanie wzbudzonym niż atomów w stanie podstawowym. Uzyskanie takiego stanu
wiążę się z pokonaniem pewnych przeszkód, z których najistotniejszą jest zjawisko
emisji spontanicznej, polegającej na tym, że atomy w stanie wzbudzonym znajdują
się bardzo krótko, szybko przechodząc do stanu podstawowego. Niektóre atomy
posiadają poziomy metatrwałe, czyli takie na których elektron pozostaje znacznie
dłużej, ale w takiej sytuacji znacznie utrudnione jest przejście atomu ze stanu
podstawowego do wzbudzonego. Aby laser mógł działać musi dojść do akcji
laserowej, która zaczyna się od emisji spontanicznej bądz
od wprowadzenia fotonu
inicjującego z zewnątrz.
Układ pompujący
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów
w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny
tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się
poprzez:

błysk lampy błyskowej (flesza),

błysk innego lasera,

przepływ prądu (wyładowanie) w gazie,

reakcję chemiczną,

zderzenia atomów,

wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Układ optyczny
O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to
układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości,
dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości ( z niewielkimi
odchyleniami). Układ optyczny, składający się zazwyczaj z dwóch dokładnie
wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł (z czego przynajmniej jedno
jest częściowo przepuszczalne) stanowi rezonator dla wybranej częstotliwości i
określonego kierunku ruchu fali i tylko te fotony, dla których układ optyczny jest
rezonatorem, wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję
kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku
czynnym lub układzie optycznym. Dzięki czemu laser emituje niemalże
równoległą wiązkę światła o dużej spójności.
Zasada działania lasera
W dużym uproszczeniu, zobrazowanie budowy i działania lasera przedstawia
rysunek. Do ośrodka o właściwościach wzmacniających światło, dostarczana
jest energia świetlna lub elektryczna ( proces ten nazywamy pompowaniem
lasera ), co w efekcie powoduje emisję wymuszoną. Ośrodek wzmacniający
umieszczony jest wewnątrz rezonatora składającego się z dwóch zwierciadeł, z
których jedno jest całkowicie odbijające, drugie natomiast jest częściowo
przepuszczalne. W wyniku emisji wymuszonej, wewnątrz rezonatora
(zapewniającego sprzężenie zwrotne ), układ staje się generatorem światła.
Poprzez zwierciadło półprzepuszczalne (emisyjne) , na zewnątrz układu
wydostaje się część światła, stanowiąca użyteczną wiązkę laserową. Wiązka ta
może zostać poddana dalszej obróbce na drodze optycznej, w celu
przygotowania jej do określonych zadań.
Cechy światła laserowego
Podstawowymi cechami światła laserowego są:
-minimalna rozbieżność wiązki,
-monochromatyczność,
-równoległość,
-duża energia promieniowania.
Historia laserów w medycynie
W 1962 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano lasery w dermatologii.
W 1963 r. zespół naukowców z Katedry Podstaw Radiotechniki WAT pod kierunkiem
prof. dr. inż. Zbigniewa Puzewicza uruchomił pierwszy w kraju laser na ciele stałym (rubinowy).
W 1965 r. na bazie tego lasera zbudowano koagulator okulistyczny i mikrodrążarkę laserową.
W 1965 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano laser CO2 w chirurgii.
Od 1972 r. wprowadzanie promieni laserowych do jam ciała oraz narządów jamistych.
W 1976 r. w Wojskowej Akademii Medycznej wykonano pierwsze zabiegi laryngologiczne
aparaturą wykorzystującą promieniowanie lasera rubinowego.
W latach 80. w Wydziałowym Instytucie Optoelektroniki WAT pod kierunkiem prof. dr. inż.
Zdzisława Jankiewicza zbudowano m.in. lancet chirurgiczny z impulsowym laserem Nd:YAG do
zabiegów w przednim odcinku oka oraz zestaw do chirurgii ogólnej z laserem Nd:YAG.
W 1986 r. po raz pierwszy na świecie użyto lasera do rozbicia kamieni żółciowych.
Zastosowanie w dermatologii
Dermatologia jest dziedziną medycyny, gdzie najprościej jest stosowane
promieniowanie laserowe i stosunkowo łatwo można ocenić wyniki terapii.
Najczęściej leczonymi tutaj schorzeniami są: trądzik, opryszczka, egzemy,
liszaj czerwony, bliznowce, świąd skóry, półpasiec, owrzodzenia troficzne
podudzi, świerzbiączka, łysienie plackowate, brodawki i łuszczyca.
Zastosowanie w chirurgii
W chirurgii historia wykorzystania laserów w medycynie sięga 35 lat , a zaczyna się właśnie od
laserów, zwanych też wówczas nożami laserowymi. Typowym przykładem jest Laser CO2
(dwutlenkowęglowy). Promieniowanie emitowane przez ten laser ma wybitne powinowactwo do
wody, znajdującej się w każdej tkance. Promieniowanie to działa natomiast bardzo płytko ,na 1-2
mm. Daje to możliwość niesłychanie precyzyjnych cięć , na dodatek bezkrwawych, gdyż przecinane
naczynia są jednocześnie zamykane. Innym rodzajem lasera chirurgicznego jest Laser YAG:Nd
(jagowo-neodymowy). Jego promieniowanie niszczy białko na głębokości zależnej od czasu
przyłożenia , tak że można zrobić dziurę określonejgłębokości , także na wylot .W medycynie
wykorzystuje się go m.in. dla udrożnienia zamkniętych przewodów oraz usuwania małych guzków
( tzw. kurzajki i.t.p.). Innym ,niesłychanie specyficznym i drogocennym laserem jest l. argonowy.
Promieniowanie emitowane przez ten laser ma wybitne
powinowactwo do krwi, czyli zawartości naczyń
krwionośnych. Innym tkankom nie czyni szkody.
Ma to kapitalne znaczenie, można bowiem przy jego
pomocy działać na tkanki głębiej położone.
Zastosowanie w medycynie
W laryngologii laserem leczy się nowotwory krtani oraz wykonuje rekonstrukcję kosteczek
słuchowych.
W pulmonologii lasery są stosowane do rekanalizacji dróg oddechowych, usuwania ciał obcych i
z
ródeł krwawienia, fotokoagulacji receptorów kaszlu. (zdj. System laserowy do endoskopowego
udrażniania dróg oddechowych)
W ginekologii lasery są stosowane w laparoskopii do uwalniania zrostów wewnątrzmacicznych i w
miednicy, w leczeniu endometriozy, mięśniaków, łagodnych torbieli przydatków, wodniaków jajowodów.
W urologii są stosowane do kruszenia złogów w moczowodach, leczenia łagodnego przerostu
prostaty.
W neurochirurgii są wykorzystywane do usuwania oponiaków, glejaków i nerwiaków.
Zastosowanie w okulistyce
W okulistyce lasery są wykorzystywane do przecinania cyst powiek lub spojówek,
przecinania naczyń wrastających w rogówkę, perforacji cyst tęczówki, przecinania
zrostów tęczówkowo - rogówkowych, do zabiegów przeciwjaskrowych i
przeciwzaćmowych, do korekcji wad wzroku (astygmatyzmu, krótkowzroczności i
dalekowzroczności) i do witreotomii. Szczególnym wskazaniem do laserowej korekcji
wady refrakcji jest duża wada wzroku tylko w jednym oku. Najnowszą metodą korekcji
wady refrakcji lub astygmatyzmu jest LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis).
Polega ona na użyciu lasera ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25
mikrometra odparowuje nierówności w głębszych warstwach rogówki. Metoda ta koryguje
wadę refrakcji w zakresie od +6 do -13 dioptrii.
http://www.youtube.com/watch?v=GaoA4PLb7hc
Bibliografia

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/330874/laser

http://spie.org/x39920.xml

http://medicineworld.org/cancer/lead/3-2008/dry-eye-syndrome-after-lasik-surgery.html

http://dermatologia.consultronix.pl/lasery-dermatologiczne-ipl/