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 O w którym niektóre atomy glinu są
2 3
zastÄ…pione 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
rozpoczÄ…Å‚ siÄ™ proces narastania emisji wymuszonej)
-emitowana długość fali = 694,3 nm
- tryb impulsowy
- pompowany optycznie lampa ksenonowÄ…
- 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 źm
- 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 H" 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 z
ródło promieniowania spójnego
- moc kilka-kilkadziesiÄ…t W
- drogie
- stosowane do badań fizycznych, w fotochemii
5. Laser Molekularny CO
2
- wypełniony CO z dodatkiem N i He
2 2
- duże zagęszczenie pozycji molekularnych daje wysoką sprawność pompowania
- generuje promieniowanie głównie na długości 10,6 źm i 9,4 źm (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 Przykłady Pompowanie Uwagi
fali
Lasery na ciele 0,17-3,9 źm - rubinowy optyczne Najwyższe moce
stałym - szkło: neodymowy w impulsie (rzędu
GW)
Lasery gazowe 0,15źm - 1mm - helowo-neonowy - Elektryczne Najwyższe ciągłe
- CO - gazowo- moce
2
dynamiczne
-inny laser
Lasery cieczowe 0,2  1,3 źm - barwnikowy - optyczne Możliwość
- inny laser regulacji długości
fali
Lasery
0,6  30 źm - GaAs elektryczne Małe wymiary
półprzewodnikowe
II. Absorbcja światła przez różne tkanki:
 ok. 700 nm, małe pochłanianie, dobra przepuszczalność dla światła czerwonego
 UV, IR  silna absorbcja
 H O intensywnie pochłania promieniowanie emitowane przez lasery CO  stąd mała
2 2
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)
 > 37oC zakłócenie funkcji tkanki
 do ok 42oC  procesy odwracalne
 powyżej 60oC  odparowanie H O z komórek, rozerwanie
2
 > 200oC  zwęglenie tkanki
natężenie²% czas ź% <= MINIMALIZACJA
IV. Skutki oddziaływania na tkankę:
 fotokoagulacja: przekaz E w formie ciepła, niszczenie białek, uszkodzenie kolagenu i
odparowanie
 właściwości hemostatyczne  zatrzymanie krwawienia
W
10-100
dla gęstości mocy Fotokoagulacja (wolne grzanie)
cm2
W
100
dla gęstości mocy > Fotowaporyzacja (szybkie grzanie powyżej 100oC )
cm2
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:
ÅšWIATA
OWODY
I. Budowa światłowodu:
 jest to dielektryczny falowód
 składa się z:
- rdzenia
- płaszcza
- warstwy ochronnej
 całkowite wewnętrzne odbicie
n1Ä…n2
®Ä…e"®Ä…kr
II. Propagacja fali świetlnej
 polega na całkowitym wewnętrznym odbiciu promienia w rdzeniu
III. Prawo Snella:
Sinus kÄ…ta ®Ä… zawartego pomiÄ™dzy osiÄ… Å›wiatÅ‚owodu a kierunkiem padania fali Å›wietlnej na
jego powierzchnię czołową jest równy APERTURZE NUMERYCZNEJ NA. Wartość apertury
numerycznej warunkuje efektywność sprzężenia światłowodu ze z
ródłem światła.
2
NA= -n2źą
ćąśąn
1 2
sin ®Ä…=NA
KÄ…t ®Ä… - kÄ…t akceptacji, odpowiada krytycznej wartoÅ›ci kÄ…ta 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 (z
ródło 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 siÄ™ w nim tylko jeden mod
 wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza i mają
jednakowÄ… drogÄ™ do przebycia w tym samym czasie
 nie powstaje dyspersja
 transmisja danych bez wzmacniania na odległość do 100km
 wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych
 z
ródło światła  laser
Światłowód wielomodowy:
 różne kąty odbicia  następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja
na wiele modów o różnej długości  zniekształcenie impulsu wyjściowego
 z
ródło 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 INN
DA
UGOŚĆ
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 wyraz
nie 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