01.12.2010

Wykład 8: Fizyka Medyczna

Lasery

I. Rodzaje laserów (w zależności od ośrodka czynnego):

1) krystaliczne (np.; rubinowy)
2) szklane (np.; neodymowy)

3) gazowe (np.; helowo-neonowy)

1. Rubinowy

- obszar czynny – kryształ rubinu (czyli kryształ Al

2

O

3

w którym niektóre atomy glinu są

zastąpione atomami chromu)
- komora rezonansowa – kryształ w postaci pręta (wystarcz pojawienie się w pręcie

jednego fotonu o f rezonansowej poruszającego się równolegle do osi pręta, aby
rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej)

-emitowana długość fali = 694,3 nm
- tryb impulsowy

- pompowany optycznie lampa ksenonową
- stosowany w stomatologii

2. Neodymowy

- obszar czynny: szkło, kryształy fluorku wapnia z domieszką jonów neodymu
- 4 poziomy energetyczne

- generuje promieniowanie w podczerwieni o dł fali 1,06 μm
- tryb ciągły lub impulsowy

- stosowany w telekomunikacji, stomatologii

3. Helowo – Neonowy:

- mieszanina Hel:Neon = 10:1 zamkniętą w rurze ze szkła kwarcowego z wlutowanymi

elektrodami, do których dopinana się napięcie powodujące wyładowanie
- rezonator: zewnętrzne zwierciadło (sekcja pasma: zwierciadła dielektryczne,pryzmaty)

- laser o pracy ciągłej
- emisja światła czerwonego ≈ 632,8 nm (lub emitujące zielone światło)

- mniejsza moc od rubinowego i mniejsza monochromatyczność wiązki

4. Jonowy:

- lasery gazowe

- praca ciągła (przeważnie), lub impulsowe
- ośrodek czynny: jony gazów szlachetnych lub pary metali (ksenon, krypton, argon)

- wyładowanie elektryczne
- najsilniejsze źródło promieniowania spójnego

- moc kilka-kilkadziesiąt W
- drogie

- stosowane do badań fizycznych, w fotochemii

5. Laser Molekularny CO

2

- wypełniony CO

2

z dodatkiem N

2

i He

- duże zagęszczenie pozycji molekularnych daje wysoką sprawność pompowania
- generuje promieniowanie głównie na długości 10,6 μm i 9,4 μm (podczerwień)

- może pracować w trybie ciągłym i impulsowym
- moce rzędu 50kW (impulsowy) 500W – ciągłe

6. Barwnikowy

– ośrodkiem czynnym są barwniki rozprowadzone w nieokreślonym ośrodku
przezroczystym: rodamina, fluoresceina; w kuwecie

- zakres 879-850 nm przy szerokości spektralnej ok 0,3 nm
- tryb ciągły i impulsowy pracy

- może być pompowany lampą błyskową, laserem argonowym,
kryptonowym,neodymowym

- rezonator zbudowany z siatki dyfrakcyjnej G, pryzmatu rozszerzającego P, zwierciadła
płaskiego M

- drogie
- stosowany w spektroskopii, chemii

7. Ekscymerowy

- w celu uzyskania inwersji obsadzeń w ośrodku aktywnym używa się energii chemicznej
- cząsteczki dimerów gazu szlachetnego, fluorowców (istnieją wiązania tylko wzbudzone,

łatwa inwersja – duża wydajność)
- może pracować w trybie ciągłym i impulsowym

- drogie

8. Półprzewodnikowy

- ośrodek czynny – półprzewodnik (arsenek galu z domieszkami)

- złącze pn, pokryte metalowym kontaktem,
- 830 nm i 904 nm (IR) oraz 630-670 nm (czerwień)

- ciągłe, impulsowe
- szerokie widmo wzmocnienia

Typ lasera

Zakres długości

fali

Przykłady

Pompowanie

Uwagi

Lasery na ciele
stałym

0,17-3,9 μm

- rubinowy
- szkło: neodymowy

optyczne

Najwyższe moce
w impulsie (rzędu

GW)

Lasery gazowe

0,15μm - 1mm - helowo-neonowy

- CO

2

- Elektryczne
- gazowo-

dynamiczne
-inny laser

Najwyższe ciągłe
moce

Lasery cieczowe

0,2 – 1,3 μm

- barwnikowy

- optyczne

- inny laser

Możliwość

regulacji długości
fali

Lasery
półprzewodnikowe

0,6 – 30 μm

- GaAs

elektryczne

Małe wymiary

II. Absorbcja światła przez różne tkanki:

–

ok. 700 nm, małe pochłanianie, dobra przepuszczalność dla światła czerwonego

–

UV, IR – silna absorbcja

–

H

2

O intensywnie pochłania promieniowanie emitowane przez lasery CO

2

– stąd mała

penetracja na 1 mm, tylko zabiegi powierzchniowe lub dozowanie przez światłowody

–

lasery ekscymerowe (małe długości, wysoka energia fotonu, rozerwanie wiązki, słaby
efekt termiczny)

III. Rozkład temperatury wiązki:

–

rozkład Gaussa ( w centrum najwyższa temperatura, na brzegach niższa)

–

> 37

oC

zakłócenie funkcji tkanki

–

do ok 42

oC

– procesy odwracalne

–

powyżej 60

oC

– odparowanie H

2

O z komórek, rozerwanie

–

> 200

oC

– zwęglenie tkanki

natężenie▲ czas ▼ <= MINIMALIZACJA

IV. Skutki oddziaływania na tkankę:

–

fotokoagulacja: przekaz E w formie ciepła, niszczenie białek, uszkodzenie kolagenu i
odparowanie

–

właściwości hemostatyczne – zatrzymanie krwawienia

dla gęstości mocy

10−100

W

cm

2

Fotokoagulacja (wolne grzanie)

dla gęstości mocy >

100

W

cm

2

Fotowaporyzacja (szybkie grzanie powyżej 100

oC

)

V. Zastosowanie laserów w medycynie:

–

chirurgia: lancet laserowy, nóż chirurgiczny

–

angioplastyka: udrażnianie naczyń

–

litotrypsja laserowa – rozbijanie kamieni moczowych

–

fotoablacja – fotofragmentacja na zimno

–

koagulator laserowy – łączenie siatkówki z naczyniówką

–

keratonina laserowa – korekcja wad wzroku, zmiana krzywizny soczewki

–

iridektomia – leczenie jaskry

–

retinometria plamkowa – ostrość widzenia

–

interferometria plamkowa – diagnostyka krótkowzroczności/nadwzroczności

–

nefelometria laserowa – diagnostyka katarakty

–

dermatologia

–

stomatologia

VI. Praca impulsowa i praca ciągła:

a) tryb impulsowy:

b) tryb ciągły:

ŚWIATŁOWODY

I. Budowa światłowodu:
–

jest to dielektryczny falowód

–

składa się z:
- rdzenia

- płaszcza
- warstwy ochronnej

–

całkowite wewnętrzne odbicie

n

1



n

2

≥

kr

II. Propagacja fali świetlnej
–

polega na całkowitym wewnętrznym odbiciu promienia w rdzeniu

III. Prawo Snella:

Sinus kąta



zawartego pomiędzy osią światłowodu a kierunkiem padania fali świetlnej na

jego powierzchnię czołową jest równy APERTURZE NUMERYCZNEJ NA. Wartość apertury
numerycznej warunkuje efektywność sprzężenia światłowodu ze źródłem światła.

NA=





n

1

2

−

n

2

2



sin =NA

Kąt



- kąt akceptacji, odpowiada krytycznej wartości kąta granicznego, wyznacza

rozwartość stożka kątowego, w przedziale którego światłowód może przyjąć padający promień

świetlny
n1, n2 – współczynniki załamania szkła rdzenia i płaszcza

Transmisja światłowodowa – przekazanie wiązki światła (źródło laser, dioda LED)

IV. Mod

Mod jest charakterystycznym rozkładem pola elektromagnetycznego odpowiadającym danemu

kątowi rozchodzenia się fal w falowodzie. Dla światłowodu mówi się o modach
światłowodowych.

V. Światłowód jednomodowy

–

przenosi się w nim tylko jeden mod

–

wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza i mają

jednakową drogę do przebycia w tym samym czasie

–

nie powstaje dyspersja

–

transmisja danych bez wzmacniania na odległość do 100km

–

wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych

–

źródło światła – laser

Światłowód wielomodowy:

–

różne kąty odbicia – następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja
na wiele modów o różnej długości – zniekształcenie impulsu wyjściowego

–

źródło światła – dioda LED

–

rodzaje:

- o współczynniku skokowym
- o współczynniku gradientowym, czyli płynna zmiana współczynnika załamania

pomiędzy rdzeniem a płaszczem

jednomodowy

wielomodowy skokowy

wielomodowy gradientowy

VI. Dyspersja modowa i chromatyczna.

a) dyspersja modowa:

–

głównie światłowody wielmodowe, w gradientowych jest nieznaczna

–

impuls światła w światłowodzie jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy,
na skutek różnych kątów odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia INNĄ DŁUGOŚĆ

DROGI między odbiornikiem a nadajnikiem – to daje różny czas dotarcia do końca
światłowodu i poszerzenie impulsu

–

dyspersja modowa światłowodów skokowych przekracza znacznie wszystkie pozostałe
dyspersje

–

dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien, docierający sygnał
ma wyraźnie inny kształt i mniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z

długością światłowodu.

b) dyspersja chromatyczna

–

światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mod, nie występuje więc zjawisko
dyspersji międzymodowej. Uwidacznia się natomiast inny, dotychczas niewidoczny

rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna.

–

Składają się na nią dwa zjawiska:

- dyspersja materiałowa – opisuje rozmycie impulsu świetlnego spowodowane zmianą
współczynnika załamania materiału, z jakiego wykonany jest światłowód w funkcji

długości fali
- dyspersja falowodowa – częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez

płaszcz światłowodu, szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych
płaszcza