Biofizyka
Wykład 5
Optyka falowa
i cząsteczkowa
Wprowadzenie
Optyka
Optyka - dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję,
rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię.
OPTYKA
Falowa Cząsteczkowa
Optyka geometryczna  najstarsza i podstawowa do dziś część optyki. Podstawowym pojęciem
optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła (odpowiednik
prostej w geometrii). Rozchodzenie się światła opisywane jest tu jako bieg promieni, bez wnikania w
samą naturę światła. Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w
ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków występuje odbicie lub załamanie
światła.
Optyka falowa  dział optyki, w którym uwzględniona jest falowa natura światła. W ramach optyki
falowej badane są takie zjawiska jak interferencja, dyfrakcja, polaryzacja
Optyka biomedyczna (biooptyka)  dziedzina medycyny z zakresu inżynierii biomedycznej,
zajmująca się wykorzystaniem światła w badaniach obiektów biologicznych, w diagnostyce
medycznej i terapii:
Fot. Jądro komórkowe limfocytu obraz
z mikroskopu fluorescencyjnego.
- wykorzystanie światła do cięcia, topienia, spawania y
ródło: Wikipedia
tkanek, koagulacji itp.,
- chirurgiczne zabiegi laserowe (chirurgia tkanek
miękkich, dermatologia estetyczna, stomatologia,
- metody optyczne stosowane w diagnostyce obrazowej
(mikroskopia, mikroskopia fluorescencyjna,
diagnostyka spektroskopowa tkanek i biomateriałów)
Fot. Operacja oka przy
Fot. Mikroskop fluorescencyjny
użyciu lasera
Światło jako promieniowanie elektromagnetyczne
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) 
rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego.
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie 
zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole
magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza
zmienne pole elektryczne.
Rys. Składowe elektryczna i magnetyczna promieniowania elektromagnetycznego
Widmo fal elektromagnetycznych światła widzialnego
Rys. Widmo promieniowania elektromagnetycznego
Prawo załamania światła
Prawo Snelliusa mówi, że promienie padający i
załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą
w jednej płaszczyz
nie, a kąty spełniają zależność:
5�`�5�V�5�[�5��� 5�c�1 5�[�2
= =
5�`�5�V�5�[�5�ż� 5�c�2 5�[�1
Rys. Załamanie światła
n1  współczynnik załamania światła ośrodka pierwszego,
n2  współczynnik załamania światła ośrodka drugiego,
v1  prędkość światła w ośrodku I, v2 - prędkość światła w ośrodku II
ą1  kąt padania, kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni granicznej ośrodków,
ą2  kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a normalną.
Kąt graniczny - maksymalny kąt, pod jakim promień świetlny może padać na granicę ośrodków,
ulegając przy tym załamaniu. Występuje tylko w sytuacji, gdy światło rozchodzące się w ośrodku o
współczynniku załamania n1 pada na granicę z ośrodkiem o współczynniku załamania n2, takim że
n2 < n1.
Przy wzroście kąta padania promienia powyżej wartości kąta granicznego, promień nie załamuje
się i pojawia się efekt całkowitego wewnętrznego odbicia.
Wartość kąta granicznego można obliczyć ze wzoru
Snelliusa, podstawiając za kąt załamania 90�:
a zatem:
gdzie n2 jest współczynnikiem załamania ośrodka,
od którego światło się odbija.
Prawo odbicia światła
Odbicie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali na
granicy dwóch ośrodków, powodująca, że pozostaje ona
w ośrodku, w którym się rozchodzi.
Willebrord Snell
Kąt odbicia jest równy kątowi padania (ą=�), a
promień padający, promień odbity i normalna do
powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyz
nie. W
wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek
rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.
Rys. Odbicie światła
Rozszczepienie światła
Jeżeli fala przechodzi przez granicę ośrodków zachodzi zjawisko załamania. Jeżeli w jednym z ośrodków
prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod
różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi
rozszczepienie.
Rys. Rozszczepienie światła w pryzmacie
Układy optyczne
Zwierciadło
płaskie
Zwierciadło kuliste
wklęsłe
Ogniskiem rzeczywistym F zwierciadła kulistego wklęsłego nazywamy punkt leżący na głównej osi
optycznej, przez który przechodzą wszystkie promienie odbite od zwierciadła, a które przed
odbiciem biegły równolegle do głównej osi optycznej.
Ogniskowa f to odległość od ogniska zwierciadła do jego wierzchołka, środka czaszy kulistej.
Powiększenie to stosunek wysokości obrazu h2 do wysokości przedmiotu h1 lub stosunek
odległości obrazu od zwierciadła y do odległości przedmiotu od zwierciadła x:
P=y/x=h2/h1
Układy optyczne
Zwierciadło
wklęsłe
Rodzaj obrazu:
- rzeczywisty (utworzony
przez przecięcie promieni
świetlnych),
- odwrócony,
- powiększony (P>1),
- położenie obrazu: y>2f.
Zwierciadło
wklęsłe
Rodzaj obrazu:
- pozorny (utworzony przez
przecięcie przedłużeń promieni
świetlnych),
- prosty (nie odwrócony),
- powiększony (P>1),
- położenie obrazu: y>0.
Zwierciadło
Rodzaj obrazu:
wklęsłe
rzeczywisty (utworzony
przez przecięcie promieni
świetlnych),
- odwrócony,
- takich samych rozmiarów
(P=1),
- położenie obrazu: y=2f.
Położenie przedmiotu: x=f. Obraz nie powstanie.
Zwierciadło
wklęsłe
Położenie przedmiotu: x>2f
Rodzaj obrazu:
- rzeczywisty (utworzony przez przecięcie promieni
świetlnych),
- odwrócony,
- pomniejszony (P<1),
- położenie obrazu: fZwierciadło
wypukłe
Ogniskiem pozornym F zwierciadła kulistego wypukłego nazywamy punkt leżący na głównej osi
optycznej, przez który przechodzą przedłużenia promieni odbitych od zwierciadła, a które przed
odbiciem biegły równolegle do głównej osi optycznej.
Obraz otrzymywany w zwierciadle wypukłym dla każdej odległości x przedmiotu od zwierciadła
jest zawsze:
- pozorny (utworzony przez przecięcie przedłużeń promieni odbitych),
- prosty (nie odwrócony),
- pomniejszony (P<1),
Zwierciadło
wypukłe
Położenie przedmiotu: xZwierciadło
wypukłe
Położenie przedmiotu: x=f
Zwierciadło
wypukłe
Położenie przedmiotu: fZwierciadło
wypukłe
Położenie przedmiotu: x=2f
Zwierciadło
wypukłe
Położenie przedmiotu: x>2f
Układy optyczne - soczewki
Soczewka jest to element optyczny ograniczony dwiema powierzchniami
kulistymi lub powierzchnią kulistą i płaską. Soczewki to ciała przezroczyste,
zbudowane najczęściej ze szkła, w których światło ulega załamaniu. W
zależności od tego, czy soczewka jest grubsza, czy cieńsza w środku będzie
skupiać, bądz
rozpraszać światło. Zatem soczewki dzielimy na: skupiające
(dwuwypukłe, płasko-wypukłe, wklęsło-wypukłe) i rozpraszające
(dwuwklęsłe, płasko-wklęsłe i wypukło-wklęsłe)
Równanie soczewek:
1/f=(1/x)+(1/y)
gdzie: f - ogniskowa, czyli odległość od ogniska do środka soczewki,
x - odległość od przedmiotu do soczewki,
y  odległość od obrazu do soczewki.
Podobnie jak przy zwierciadłach definiujemy powiększenie:
P=y/x=h2/h1
W przypadku soczewek możemy mówić o zdolności skupiającej. Zdolność skupiająca jest
odwrotnością ogniskowej:
Z=1/f [1/m=D]
Jeżeli zdolność skupiająca soczewki jest większa od zera Z>0 to soczewka jest
soczewką skupiającą, a w przypadku gdy Z<0 jest to soczewka rozpraszająca.
Soczewka
Położenie przedmiotu: 0skupiająca
Cechy obrazu:
- pozorny (utworzony przez przecięcie przedłużeń promieni załamanych),
- prosty (nie odwrócony),
- powiększony (P>1),
- odległość obrazu: y<0
Soczewka
skupiająca
Położenie przedmiotu: x=f. Obraz nie powstaje.
Soczewka
Położenie przedmiotu: fskupiająca
Cechy obrazu:
- rzeczywisty (utworzony przez przecięcie promieni
załamanych),
- odwrócony,
- powiększony (P>1),
- odległość obrazu: y>2f.
Soczewka
Położenie przedmiotu: x=2f
skupiająca
Cechy obrazu:
- rzeczywisty (utworzony przez przecięcie promieni załamanych),
- odwrócony,
- niepowiększony (rzeczywistych rozmiarów, P=1)
- odległość obrazu: y=2f.
Soczewka
skupiająca
Położenie przedmiotu: x>2f
Cechy obrazu:
- rzeczywisty (utworzony przez przecięcie promieni załamanych),
- odwrócony,
- pomniejszony (P<1),
- odległość obrazu: fCechy obrazu otrzymywane w soczewce rozpraszającej
Soczewka
zawsze są identyczne bez względu na odległość
przedmiotu od soczewki.
rozpraszająca
Cechy obrazu:
- zawsze pozorny (utworzony przez przecięcie promienia załamanego i przedłużenia promienia załamanego),
- zawsze prosty (nieodwrócony),
- zawsze pomniejszony (P<1),
- odległość obrazu: zawsze fPrzyrządy optyczne
Mikroskop optyczny, przyrząd optyczny służący do
uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych
Mikroskop  układ złożony soczewek
przedmiotów. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu
zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw
(oba działające jak soczewki skupiające). Ponadto
mikroskop optyczny posiada układ oświetlenia
preparatu (kondensor) i stolik preparatowy (czasami
wyposażony w mikromanipulator).
Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty,
odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular
pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany
przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest
obrazem pozornym i silnie powiększonym. Przy
znanych oddzielnie powiększeniach okularu i
obiektywu powiększenie mikroskopu optycznego jest
iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się
powiększenia od kilkudziesięcio- do ponad
tysiąckrotnych.
Przyrządy optyczne
Rodzaje mikroskopów:
- Według rodzaju promieniowania oświetlającego obiekt  mikroskopy optyczne, elektronowe,
jonowe, ultradz
więkowe,
- Według metody obrazowania  mikroskopy konwencjonalne, w których szeroką wiązką
promieniowania oświetla się całe pole obserwacji, oraz mikroskopy skaningowe, w których
badaną próbkę skanuje się wąską wiązką promieniowania, a obraz odtwarza się na kliszy
fotograficznej, lub w pamięci komputera.
Mikroskop optyczny
Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają
dostrzegać szczegóły przedmiotu o
rozmiarach kilkuset nm. Dalszy wzrost
zdolności rozdzielczej jest ograniczony
długością fali światła, pewne poprawienie
zdolności rozdzielczej można uzyskać
konstruując mikroskop optyczny do
obserwacji w nadfiolecie (tzw. mikroskopy
ultrafioletowe).
Pierwsze mikroskopy były mikroskopami optycznymi, w
których do oświetlania obserwowanych obiektów
wykorzystywano światło dzienne. Za twórców tego rodzaju
mikroskopów uważa się Holendrów, Zachariasza
Janssena i jego ojca Hansa. Pierwsze konstrukcje
wykonali oni około roku 1590. Ze względu na niewielkie
powiększenie (10 razy) mikroskopy nie zdobyły wtedy
uznania jako narzędzie badawcze.
Mikroskop firmy Carl Zeiss (1879)
Mikroskop elektronowy 
mikroskop wykorzystujący do
obrazowania wiązkę elektronów.
Mikroskop elektronowy pozwala
badać strukturę materii na
poziomie atomowym. Im większa
energia elektronów tym krótsza ich
fala i większa rozdzielczość
mikroskopu.
Skaningowy mikroskop elektronowy
W mikroskopie skaningowym elektronowym
powierzchnia próbki jest skanowana wąską wiązką
elektronów, a rozmieszczone wokół próbki detektory
rejestrują rozproszone sprężyście lub niesprężyście
elektrony z wiązki oświetlającej, elektrony wtórne o
małej energii, wybite wiązką oświetlającą z materiału
Komórki gronkowca złocistego-
próbki, lub promieniowanie rentgenowskie
powiększenie około 2300 razy. Obraz
emitowane w zderzeniach elektronów wiązki
z mikroskopu elektronowego
skanującej z atomami próbki.
Mikroskop elektronowy
Transmisyjny mikroskop elektronowy (ang:
Transmission Electron Microscope) TEM - rejestrowane
są elektrony przechodzące przez próbkę.
Mikroskop TEM
Zdjęcia z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiające
wybrane fazy rozwoju L. lytica w A. castellanii. y
ródło: Postępy Hig
Med. Dośw. (online), 2006; 60: 24-44
Transmisyjny mikroskop elektronowy
Zasada działania transmisyjnego mikroskopu
elektronowego (TEM) jest podobna do zasady działania
mikroskopu świetlnego, z tą różnicą, że w TEM próbka
oświetlana jest wiązką elektronów o znacznie mniejszej
długości fali.
Zastosowanie mniejszej długości fali pozwala uzyskać
wysoką zdolność rozdzielczą mikroskopu (np. dla
napięcia przyspieszającego 100kV zdolność rozdzielcza,
przy długości fali 0,0037nm, wynosi 0,2nm, TEM jest
więc doskonałym narzędziem do badania struktury
nanomateriałów).
Mikroskop TEM. UwB
Mikroskop fluorescencyjny  mikroskop świetlny
używany w badaniach substancji organicznych i
nieorganicznych, którego działanie oparte jest na zjawisku
fluorescencji i fosforescencji, zamiast, lub razem ze
zjawiskami odbicia i absorpcji światła (co jest
wykorzystane w klasycznym mikroskopie optycznym).
Mikroskop fluorescencyjny
Błona komórkowa drożdży
zwizualizowana w mikroskopii
fluorescencyjnej.
Mikroskopia konfokalna  odmiana mikroskopii świetlnej
charakteryzująca się powiększonym kontrastem i rozdzielczością.
Używana do uzyskania wysokiej jakości obrazów oraz rekonstrukcji
obrazów w trzech wymiarach.
Zasada mikroskopii konfokalnej w porównaniu z klasyczną świetlną -
szerokiego pola, opiera się na usunięciu, przy wejściu do detektora,
światła, które wpadło do obiektywu spoza płaszczyzny ogniskowania.
Usuwa się także wszelkie odbłyski nie pochodzące bezpośrednio z
miejsca ogniskowania. Używa się w tym celu dodatkowej przesłony z
otworem, umieszczonej przed wejściem do detektora.
Technika mikroskopii konfokalnej znalazła szerokie zastosowanie w
naukach biologicznych oraz w technice (na przykład do badania
półprzewodników).
Mikroskop konfokalny
Komórki nowotworowe linii HeLa. Na zielono zabarwione białko p53. Niebieskim
kolorem wybarwione jądro komórkowe, na różowo i czerwono białka czaperonowe.
Pozostałe kolory powstały w wyniku nałozenia się kolorów i świadczą o kolokalizacji
białek. y
ródło:http://www.polskieradio.pl/23/266/Artykul/166263,Tajniki-mikroskopii-
konfokalnej
Przyrządy optyczne stosowane w medycynie
Endoskopia  ogólna nazwa zabiegów diagnostyczno-leczniczych w medycynie i w weterynarii,
polegających na badaniu wnętrza ciała przy wykorzystaniu endoskopów (aparatów umożliwiających
doprowadzenie światła oraz optyki do wnętrza przewodu pokarmowego, oddechowego oraz jam ciała).
Badania endoskopowe polegają na wprowadzaniu do wnętrza ciała pacjenta sondy endoskopu (część
endoskopu zawierająca światłowód do oświetlenia badanego pola, obrazowód  przekazujący obraz z
wnętrza badanego narządu oraz kanał narzędziowy służący do wprowadzenia specjalnych narzędzi
służących do pobierania materiału do badań i wykonywania zabiegów).
Końcówka gastroskopu z
kamerą i oświetleniem
Gastroskop
Przyrządy optyczne stosowane w medycynie
Panendoskopia (często w uproszczeniu nazywana gastroskopią lub gastrofiberoskopią, skr. GFS) 
metoda diagnostyczna górnego odcinka przewodu pokarmowego polegająca na wprowadzeniu do niego
giętkiego przewodu (endoskopu) zaopatrzonego w z
ródło światła i układ rejestrujący oraz przekazujący obraz.
Pandenoskopia należy do grupy badań endoskopowych czyli badań wnętrza ciała.
Budowa gastroskopu: oświetlacze  1, pomiędzy którymi
znajduje się obiektyw  2  dawniej zwykły, optyczny  dziś
obiektyw mikrokamery wideo. Widać ujścia dwóch kanałów
roboczych  3: z jednego wystaje narzędzie z pętlą  4, do
usuwania np. polipów, metodą przepalania ich rozżarzonym
drutem pętli, co automatycznie zapobiega krwawieniu, drugi z
zestawem haczykowatych nożyków  5  do drobnych zabiegów
mikrochirurgicznych i dodatkowy kanał  6  do wypełniania
żołądka powietrzem dla uzyskania lepszej widoczności jego
wnętrza lub przepłukiwania cieczą.
Przyrządy optyczne stosowane w medycynie
 Pierwsza gastroskopia
Gastroskop
Przyrządy optyczne stosowane w medycynie
Gastroskopia (inaczej panendoskopia)  badanie
górnego odcinka przewodu pokarmowego. Umożliwia
diagnostykę schorzeń przełyku, żołądka i dwunastnicy,
takich jak wrzody żołądka i dwunastnicy, nowotwory, a
także pobieranie wycinków błony śluzowej do badań
histopatologicznych i tamowanie niewielkich krwawień.
" ezofagoskopia  wziernikowanie przełyku,
" gastroskopia  wziernikowanie żołądka,
" gastroduodenoskopia  wziernikowanie żołądka i
dwunastnicy,
" duodenoskopia  wziernikowanie dwunastnicy,
" intestinoskopia  wziernikowanie jelita czczego.
Kolonoskopia  badanie jelita grubego (okrężnicy).
Metody badań endoskopowych
przewodu pokarmowego
Przyrządy optyczne stosowane w medycynie
Bronchoskopia  badanie wnętrza tchawicy i oskrzeli, umożliwia
wykrycie zmian chorobowych w obrębie tych narządów (zwężeń,
guzów, nacieków nowotworowych lub zapalnych). Możliwe jest również
pobieranie próbek wydzieliny z oskrzeli oraz wycinków błony śluzowej
do badań histopatologicznych, cytologicznych i bakteriologicznych.
Aktualnie wykonuje się badanie bronchoskopowe przy użyciu giętkiego
wziernika  fiberoskopu, a badanie takie nazywa się
bronchofiberoskopią.
Artroskop  to giętkie urządzenie medyczne, będące odmianą
endoskopu, służące do wziernikowania stawu, podczas procedury
diagnostycznej zwanej artroskopią.
Artroskop ma kształt cienkiej, elastycznej rury, która zostaje
Bronchoskop
wprowadzana do jamy stawu, po uprzednim nacięciu skóry. Sam
przewód zbudowany jest ze światłowodu, który z jednej strony jest
z
ródłem światła, a drugiej służy do przekazywania obrazu z wnętrza
stawu i jest nazywany optyką artroskopu. Obraz jest następnie
rzutowany na kolorowy monitor, który cechuje się dużą rozdzielczością.
Zabieg artroskopowy
Artroskop
Narząd wzroku i wady wzroku
Budowa oka
Powstawanie obrazu w oku
Narząd wzroku i wady wzroku
Krótkowzroczność (miopia, z gr. myopia) - jedna z
najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych wzroku
polegająca na tym, że tor optyczny oka nieprawidłowo skupia
promienie świetlne. Oko miarowe to takie, które bez żadnego
napięcia mięśni, a więc bez akomodacji, skupia równoległe
Oko krótkowzroczne
promienie światła dokładnie na siatkówce, czyli dla obiektu
nieskończenie odległego na siatkówce pojawi się jego ostry
obraz. W oku krótkowzrocznym równoległe promienie
ogniskowane są przed siatkówką. W celu poprawy ostrości
widzenia krótkowidza stosuje się okulary korekcyjne lub
soczewki kontaktowe. Są to soczewki rozpraszające wklęsło-
Korekta wady
wypukłe. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając
znak minus.
Oko miarowe
Narząd wzroku i wady wzroku
Nadwzroczność (popularnie: dalekowzroczność; łac.
hyperopia; Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio-
tylnych oka (zbyt krótką gałką oczną) w stosunku do jego siły
łamiącej lub niewystarczającą siłą łamiącą układu optycznego
oka (np. zbyt płaską rogówką) w stosunku do jego długości.
Oko nadwzroczne
Do korekcji nadwzroczności stosuje się okulary korekcyjne
lub soczewki kontaktowe. Są to soczewki skupiające. Ich moc
optyczną podaje się w dioptriach dodając znak plus.
Korekta wady
Narząd wzroku i wady wzroku
Astygmatyzm  wada wzroku (soczewki lub rogówki oka) cechująca się zaburzoną symetrią
obrotową oka. Elementy optyczne miarowego oka są symetryczne względem jego osi. Jeżeli
oko ma większą szerokość niż wysokość, to soczewka i rogówka zamiast skupiać światło w
okrągłym obszarze siatkówki, będzie tworzyć obraz rozmazany w jednym z kierunków.
Pacjent z astygmatyzmem będzie np. widział obraz nieostro w pewnych obszarach pola
widzenia. Nawet dobre szkła nie są w stanie w pełni skorygować astygmatyzmu i dlatego
osoba z astygmatyzmem ma problemy z wykorzystaniem przyrządów optycznych.
Zastosowanie laserów w medycynie
Laser  urządzenie emitujące promieniowanie
elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu
lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji
wymuszonej. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj
spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej
rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o
bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne
bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma.
Światło w laserach emitowane jest, podobnie jak w
zwykłych żarówkach, w wyniku przejść atomów pomiędzy
stanami o wyższej a stanami o niżej energii. Podstawową
różnicą pomiędzy działaniem lasera a żarówki jest fakt, że
w laserze wszystkie atomy emitują światło w sposób
skorelowany, natomiast w żarówce każdy atom emituje
światło w sposób niezależny od innych atomów.
Zastosowanie laserów w medycynie
Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej
częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między
stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale
przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu
wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej
energii więc i częstotliwości. Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku.
Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku
wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej
elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi
nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala
emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba
Theodor Maiman
znalez
ć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu
był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory
zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych
(stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia
światłem (pompowanie optyczne), światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach,
reakcjami chemicznymi albo wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach.
Pierwszy laser, został zbudowany dopiero w 1960 roku
przez T. Maimana
Zastosowanie laserów w medycynie
Oddziaływanie promieniowania i
materii w procesach a) absorpcji, b)
emisji spontanicznej, c) emisji
wymuszonej. Atom (materia)
przedstawiony jako czerwona
kropka może się znajdować albo w
stanie kwantowym o niższej energii
E0, albo w stanie kwantowym o
wyższej energii Ex. W procesie (a)
atom pochłania z fali świetlnej foton
o energii hv. W procesie (b) atom
emituje spontanicznie foton o
energii hv. W procesie (c) światło o
energii fotonów hv wymusza emisję
fotonu o tej samej energii,
zwiększając tym samym energię
niesioną przez falę świetlną
Zastosowanie laserów w medycynie
Wzmacniacz laserowy zamienia się w
generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie
umieszczony w rezonatorze. Wówczas
promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi
rezonatora odbija się od zwierciadła
umieszczonego na jednym końcu rezonatora
oraz od półprzez
roczystego zwierciadła na
drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są
wzmacniane wskutek emisji wymuszonej.
Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez
półprzez
roczyste zwierciadło w postaci
spójnej, monochromatycznej, równoległej
wiązki światła o dużej mocy. Emitowana
wiązka jest doskonale równoległa, bowiem
fale, które nie wędrują tam i z powrotem
między zwierciadłami, szybko uciekają na boki
ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Theodor Maiman
Zastosowanie laserów w medycynie
Laser CO2  może generować promieniowanie o kilku długościach fali, z których najsilniejsza
składowa to 10,6 źm. Akcję laserową otrzymuje się dzięki wyładowaniu elektrycznemu w
mieszaninie CO2, N2 i He.
Laser Nd:YAG  akcja laserowa zachodzi przy długości fali 1,06 źm w ciele stałym  krysztale
granatu itrowo-glinowego (YAG) domieszkowanego jonami neodymu. Kryształ taki musi być
wzbudzany (pompowany) optycznie co robi się za pomocą lamp błyskowych, albo lamp o pracy
ciągłej.
Zastosowanie laserów w medycynie
Dermatologia estetyczna:
" zabiegi poprawiające wygląd i stan skóry
" usuwanie zmarszczek,
" usuwanie znamion, blizn,
" depilacja laserowa
W dermatologii stosowane są lasery Nd:YAG do
koagulacji głębokich naczyniaków jamistych, znamion
naczyniowych, nowotworów skóry oraz zmian skóry
wywołanych brodawczakiem ludzkim; lasery argonowe do
leczenia znamion naczyniowych płytkich oraz zmian
barwnikowych (w tym tatuaży). Szczególnie istotna w
zastosowaniach laserów Nd:YAG jest głęboka penetracja
tkanki w odróżnieniu do bardziej kosmetycznych Lasery Yagowe - Ośrodek czynny  kryształ
Y3Al5O12 (YAG) - granatu aluminiowo -itrowego
zastosowań laserów argonowych.
domieszkowany neodymem.
Zastosowanie laserów w medycynie
Chirurgia
W chirurgii ogólnej stosowane są lasery CO2 i Nd:YAG do cięcia tkanek oraz lasery Nd:YAG i argonowy
do koagulacji. Zastosowanie "noża" CO2 jest szczególnie wskazane w przypadku wycinania nowotworów
złośliwych i martwicy oparzeniowej, zaś Nd:YAG w laseroterapii brodawczaka ludzkiego, w przezskórnej
angioplastyce zmian miażdżycowych tętnic z wykorzystaniem kontaktowej fotoablacji. Główne zalety
noża CO2 to minimalna utrata krwi, minimalne otwarcie naczyń krwionośnych z jednoczesną częściową
koagulacją, "suche" pole operacyjne, minimalizowanie urazów mechanicznych, brak tkanek martwiczych i
zakażonego materiału, cięcie bez kontaktu z guzem, a także łatwość pokrycia powstałych ubytków,
lepsze wgajanie przeszczepów skóry, większa szybkość.
W gastroenterologii stosowane są lasery Nd:YAG dla metody
endoskopowej ablacji przy udrażnianiu przełyku (w zastosowaniach
onkologicznych), usuwaniu nowotworów żołądka, czy jelita grubego
oraz dla endoskopowej koagulacji z
ródeł krwawienia (wrzodów
trawiennych żołądka, dwunastnicy oraz żylaków przełykowych).
Zastosowanie laserów w medycynie
W okulistyce stosowane są lasery argonowe, kryptonowe, CO2, Er:YAG, i półprzewodnikowe
głównie do punktowej koagulacji, nacinania oraz fotoablacji. Lasery stosowane są w leczeniu jaskry,
zaćmy, cyst, zrostów, odwarstwień siatkówki, retinopatii cukrzycowej, szeregu schorzeń
naczyniowych oraz w chirurgii refrakcyjnej oka itp.
W laryngologii stosowane są lasery CO2 do zabiegów
mikrochirurgicznych w tym głównie onkologicznych,
Nd:YAG do zabiegów endoskopowych chirurgii nosa
(usuwania polipów, przerostu małżowiny oraz zrostów
błony śluzowej), Er:YAG dla perforacji tkanek w
schorzeniach narządu słuchu.
W pneumonologii lasery Nd:YAG stosowane są do
cięcia: chirurgicznej rekanalizacji dróg oddechowych,
Laser molekularny na dwutlenku
jatrogennych zwężeń tchawicy, usuwania ciał obcych oraz
węgla (laser CO2) - laser gazowy, w
koagulacji: receptorów kaszlu czy z
ródeł krwawienia.
którym ośrodkiem czynnym jest
mieszanina dwutlenku węgla, azotu,
wodoru i helu
Zastosowanie laserów w medycynie
W ginekologii wykorzystywane są lasery CO2 w procesie fotoablacji
(wyparowania) zmian nowotworowych szyjki macicy, laparoskopii
ginekologicznej w leczeniu niepłodności spowodowanej zrostami
i niedrożnością jajowodów, zrostami i przegrodami wewnątrzmacicznymi,
endometriozą miednicy małej oraz policystycznymi jajnikami.
Lasery Nd:YAG stosowane są w histeroskopii laserowej (metoda dotykowa
rozgrzaną końcówką światłowodu lasera) dla usuwania zrostów
wewnątrzmacicznych, polipów oraz niszczenia nieprawidłowego
endometrium w nawracających krwotokach macicznych; w laparoskopii w
zastosowaniach do terapii ciąży jajowodowej, usuwania torbieli przydatków
okołojajnikowych jak i mięśniaków.
Laser ginekologiczny
Zastosowanie laserów w medycynie
W neurochirurgii stosowane są lasery Nd:YAG dla
koagulacji nowotworów (glejopochodnych, oponiaków,
nerwiaków, przerzutów). Zastosowanie lasera Nd:YAG do
usuwania (koagulacji) nowotworów pozwala na
ograniczenie pola inwazji, zmniejszenie krwawienia oraz
ułatwia oddzielenie guza od otaczającej tkanki.
Laser neurochirurgiczny
Znane są liczne zastosowania biostymulacyjne laserów
półprzewodnikowych i He-Ne dla leczenia trudnogojących się ran i
owrzodzeń, wspomagania wygajania przeszczepów skóry, ograniczanie
bólu, obrzęków i stanów zapalnych, poprawienia wskaz
ników ukrwienia.
Własności te znalazły zastosowanie w rematologii, ortopedii,
rehabilitacji, stomatologii, leczeniu chorób krążenia i otolaryngologii.
Laser neurochirurgiczny
Literatura
Fizyczne metody badań w biologii, medycynie i ochronie środowiska
Redakcja naukowa: Andrzej Hrynkiewicz, Eugeniusz Rokita, PWN
Biofizyka, red. Naukowa Feliks Jaroszyk, Wydawnictwo
Lekarskie PZWL.
Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii
Redakcja naukowa: Andrzej Z. Hrynkiewicz, Eugeniusz Rokita,
PWN
Podstawy Fizyki. Tom 4
David Halliday, Robert Resnick, PWN
Pytania
1. Omów treść prawa załamania i prawa odbicia światła. Wyjaśnij kiedy zachodzi całkowite
wewnętrzne odbicie światła.
2. Omów zasadę działania i zastosowanie przyrządów endoskopowych w diagnostyce medycznej
3. Przedstaw za pomocą schematów i opisz wady wzroku (krótkowzroczność, dalekowzroczność i
astygmatyzm) oraz sposoby korekcji tych wad.
4. Omów zastosowanie laserów w medycynie.
5. Omów budowę i zasadę działania mikroskopu optycznego. Wymień i krótko opisz inne typy
mikroskopów (co najmniej 2).