Lasery. Promieniowanie laserowe.

Laser= light amplification by stimulated emission of radiation (wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania)

Emisja spontaniczna- zachodzi w warunkach równowagi termodynamicznej , powstaje promieniowanie niespójne o różnych fazach. Większość atomów dowolnej substancji znajduje się w stanie energii E1, natomiast część w E2>E1 . Atomy te spontanicznie pozbywają się energii równej E2-E1, przechodząc na niższy poziom E1.

Emisja wymuszona- zachodzi jeśli na atom znajdujący się w stanie E2 zostanie wyemitowany kwant o energii E2-E1, to wyzwala on taki sam kwant promieniowania spójnego, poruszający się w identycznym kierunku. Prawdopodobieństwo zajścia rozważanego zjawiska można zwiększyć, wytwarzając w ośrodkach aktywnych laserów inwersji obsadzeń. Jest to przewaga liczebna atomów, jonów lub cząsteczek w wyższym stanie, uzyskana kosztem energii dostarczonej do układu w procesie pompowaniem.

Budowa i zasada działania lasera rubinowego.

- ośrodek aktywny lasera: stałe o odpowiedniej konfiguracji poziomów energetycznych: zsyntetyzowany sztucznie kryształ rubinu- korund Al203 domieszkowany jonami chromu
o takim układzie poziomów energetycznych, który sprzyja wytworzeniu inwersji obsadzeń koniecznej do powstania akcji laserowej.

- jony
uzyskują energię górnych pasm F1 i F2 w wyniku absorpcji światła z zakresu zielonej i niebieskiej części widma lamp błyskowych użytych do pompowania

- następnie pozbywają się energii i przechodzą bezpromieniście na poziom metastabilny E, w ośrodku aktywnym powstaje inwersja obsadzeń

- akcja laserowa powstaje gdy ośrodek aktywny ma kształt cylindrycznego pręta z dokładnie wypolerowanymi podstawami o powierzchniach pokrytych różnymi warstwami substancji w taki sposób, że jedna z nich pełni rolę zwierciadła odbijającego, a druga półprzepuszczalnego.

- układ ten stanowi komorę rezonansową z dodatnim sprzężeniem zwrotnym

Schemat komory rezonansowej:

Ośrodek aktywny

zwierciadło nieprzepuszczalne

zwierciadło półprzepu.

- jeżeli w wyniku emisji spontanicznej pojawiły się w krysztale rubinu kwanty o częstotliwości odpowiadającej przejściu laserowemu, poruszające się równolegle do osi pręta, to rozpoczyna się proces lawinowego narastania ich liczby

- każdy akt emisji wymuszonej wywołuje kilka następnych, a powstałe przy tym promieniowanie po odbiciu od zwierciadła uczestniczy w przebiegu identycznego zjawiska wew. komory rezonansowej.

- akcja laserowa kończy się w momencie gdy wszystkie jony chromu przechodzą na poziom podstawowy, natomiast kwant opuszcza ośrodek aktywny przez półprzepuszczalne zwierciadło.

Właściwości promieniowania laserowego.

1. Procesy emisji wymuszonej sprawiają, że w wyniku ich realizacji otrzymuje się zgodne w fazie ciągi fali elektromagnetycznych, czyli wiązki spójne zdolne do interferencji.

2. Duża monochromatyczność

3. Wytwarzane promieniowanie biegnie ściśle równolegle do osi ośrodka aktywnego.

4. Duża gęstość mocy- można zogniskować wiązkę.

Rodzaje laserów stosowanych w medycynie i stomatologii.

Typ lasera	Rodzaj pracy
Rubinowy	Impulsowa, im. z przełączeniem dobroci*
Neodymowy	Impulsowa, im. z przełączeniem dobroci
Granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem(Nd:YAG)	Ciągła, impulsowa
Argonowy	Ciągła
Helowo-neonowy	Ciągła
Molekularny CO2	Ciągła, impulsowa
Barwnikowy	Ciągła, impulsowa
Ekscymerowy	Impulsowa

* Laser, którego energia, gromadzona w postaci odwrócenia obsadzeń, jest emitowana w postaci impulsu wskutek szybkiej zmiany dobroci rezonatora optycznego. Dobroć jest miarą strat energii w układzie. Im mniejsze straty w układzie, tym większa dobroć.

Zmiany wywołane w oświetlonym fragmencie organizmu są zależne od parametrów padającego promieniowania tj. dł. fali i gęstość mocy.

W wyniku oddziaływania z materią ożywioną wiązka promieniowania laserowego ulega podziałowi na część odbitą, rozproszoną, pochłoniętą oraz przechodzącą. Pierwsze 2 nie maja istotnego znaczenia, chyba że są powodem powstania niepożądanych uszkodzeń sąsiednich obszarów. Pozostałe 2 pełnią podstawową rolę w zabiegach. Efekty ich działanie można podzielić na termiczne tj. ogrzanie i odparowanie tkanek oraz nieliniowe - powstanie fal mechanicznych i procesów fotochemicznych.

Charakter oddziaływania cieplnego promieniowania widzialnego i podczerwonego zależy przede wszystkim od chwilowej gęstości mocy. Po przekroczeniu poziomy krytycznego w miejscu padania zogniskowanej wiązki rozpoczyna się proces odparowywania tkanki. Realizacja tego procesy wymaga dostarczenia 2000J na każdy gram materiału.

• Zwiększenie chwilowej gęstości mocy poprzez stosowanie pracy impulsowej lasera przy jednoczesnym obniżeniu wartości średniej tej wielkości, prowadzi do wzrostu współczynnika absorpcji i gradientu temp. w napromieniowanym obiekcie - możliwość odparowania ściśle zlokalizowanych tkanek bez uszkodzenia innych.

• Gdy nadmierna gęstość mocy- zjawiska posiadające cechy eksplozji, podwodujace otwarcie niewielkich naczyń krwionośnych.

• Gdy chwilowa wartość tej wielkości zostanie zmniejszona poniżej poziomu krytycznego- zahamowanie procesu odparowywania. Następuje denaturacja białek- rozległe obrażenia termiczne.

W przypadku ultrafioletowego promieniowania laserowego najważniejsze znaczenie ma zimny proces oddziaływania z tkanka biologiczną zwany ablacją fotodekompozycyjną:

- w materiałach organicznych pod wpływem kwantów o dużej energii

- rozerwanie wiązań chemicznych w molekułach i powstanie lotnych fragmentów, co powoduje precyzyjne usuwanie tkanek bez termicznego uszkodzenia przyległego obszaru

- dokładność cięcia sprawia, że brzegi rany lepiej się łączą

Najbardziej narażone na działanie ultrafioletu, światła i podczerwieni jest oko. Jeśli całkowita gęstość mocy na pow. oka nie przekracza
i
odpowiednio w przypadku impulsowej i ciągłej pracy lasera. Dozwolone wartości dla skóry: 3 *
do
(pierwsza nadfiolet, druga podczerwień).

Korzyści wynikające z zastosowania lasera jako narzędzia tnącego i koagulującego.

We wszystkich niemal przypadkach wiązka promieniowania pełni rolę chirurgicznego narzędzia tnącego i koagulującego. W porównaniu z tradycyjnymi metodami operowania takie jej zastosowania posiada wiele zalet, do których należą:

1. Możliwość przenikania do chorych obszarów bez uszkodzeń zew. warstw

2. Cięcie tkanek bez kontakty noża laserowego z ich pow.

3. Skrócenie czasu trwania zabiegu poprzez ograniczenie krwawienia dzięki koagulacji osocza oraz ściany naczyniowej tętnic i żył

4. Zmniejszenie liczby zakażeń pooperacyjnych wynikające z prawie całkowitej eliminacji martwicy brzeżnej i braku krwiaków.

5. Możliwość koagulowania i cięcia zainfekowanych tkanek z powodu wyjaławiającego działania wysokich temp. w miejscu napromieniowania

6. Skrócenie procesu gojenia się ran pooperacyjnych

7. Możliwość zastosowania techniki endoskopowej przy wprowadzaniu chirurgicznego noża laserowego do wnętrza ciała.

Holografia.

Wytwarzanie trójwymiarowego obrazu polegające na rejestrowaniu u odtwarzaniu czoła fali, ukształtowanego w wyniku oddziaływania światła spójnego na wybrany przedmiot. W szczególnym przypadku może być nim jeden z narządów wewnętrznych ludzkiego ciała.

W procesie rejestrowania hologramu:

• Pierwsza wiązka promieniowania laserowego (rozproszona) ugina się na elementach struktury przedmiotu i pada na płytę fotograficzną.

• Interferencja z wiązką odbitą od zwierciadła (odniesienia)

• Powstaje hologram w postaci prążków, który zawiera informacje na temat natężenia i fazy fali wytworzonej przez wszystkie oświetlone fragmenty przedmiotu.

W przypadku odtwarzania promieniowanie lasera pada na hologram od strony zew. w stosunku do obserwatora. Zarejestrowany na płycie zbiór prążków interferencyjnych pełni rolę siatki dyfrakcyjnej, w taki sposób, że wiązki ugięte pierwszego rzędu tworzą dwa trójwymiarowe obrazy pop przeciwnych jej stronach. Jeden jest pozorny, a drugi rzeczywisty.

Technika holograficzna jest wykorzystywana w:

1)Oftalmologii- przestrzenny obraz wnętrza oka

2)W endoskopii holograficznej sygnał i wiązka odniesienia może być przenoszona nawet jednym włóknem światłowodowym. Użycie wiązki światłowodów umożliwia zapis i obserwacje trójwymiarowych obrazów wewnątrz ciała.

Laser

Wiązka odniesienia

Wiązka rozproszona

przedmiot

zwierciadło

Płyta fotograficzna

Laser

Obraz pozorny

Obraz rzeczywisty

obserwator

hologram

---