A LÉZER Talián Csaba Gábor PTE ÁOK, Biofizikai Intézet, 2011. 09. 21.
LASER = light amplification by stimulated emission of radiation Fény
általánosabban elektromágneses sugárzás (IR, UV, rtg.)
Erősítés
fény előállítása és felerősítése
Külső energia + pozitív visszacsatolás Serkentett kibocsátás (stimulált emisszió) Oszcillátor
→ LOSER
TÖRTÉNET Einstein: Zur Quantentheorie der Strahlung, 1917 a stimulált emisszió elméleti megalapozása Rudolf Ladenburg (1882-1952, GER-USA) stimulált emisszió kísérletes igazolása, 1928 Alfred Kastler (1902-1984 FRA, Nobel-díj, 1966), Jean Brossel (1918-2003, FRA) optikai pumpálás módszer felfedezése, 1952 Charles Hard Townes (1915-, USA, Nobel-díj, 1964), Nyikolaj Baszov (1922-2001, USSR, Nobel-díj, 1964), Alekszandr Prokhorov (1916-2002, USSR, Nobel-díj, 1964) maser – „mikrohullámú lézer”
TÖRTÉNET Gordon Gould (1920-2005, USA), lézer első említése és egyik elméleti kidolgozása
TÖRTÉNET Theodore Maiman (1927-2007, USA), az első pulzáló (rubin) lézer megépítése, 1960 Ali Javan (1926-, IRN-USA), az első folytonos üzemű (He-Ne, IR) gázlézer, 1960 Gábor Dénes (1900-1979, HUN-GBR, Nobel-díj, 1971), holográfia Claude Cohen-Tannoudji (1933-, FRA, Nobel-díj, 1997) lézeres atomhűtés és csapdázás
A LÉZER TULAJDONSÁGAI 1. Kis divergencia (széttartás) <10-3 rad vagy 0,01° csaknem tökéletesen párhuzamos nyaláb
pl. jó lézer: 2mm vastag nyaláb 1km távolságban 3,5cm széles lesz (extrém jó lézer: Holdon kb. 50m széles foltban terülne szét)
jól fókuszálható
→ nagy pontosságú irányítás lehetséges → óriási térbeli energiasűrűség érhető el
A LÉZER TULAJDONSÁGAI 2. Koherencia (fázisazonosság, interferencia-képesség) Térbeli: egy időpillanatban a nyaláb több pontján azonos fázis
Időbeli: egy nyalábkeresztmetszetben több időpontban is azonos fázis
A LÉZER TULAJDONSÁGAI 3. Kis spektrális sávszélesség (monokromatikusság) jó lézereknél Δλ = 10-3-10-6 nm
4. Polarizáltság
5. Nagy teljesítmény acetilén hegesztőláng: ~103 W/cm2
6. Rövid impulzusok lehetősége (ps-fs)
fókuszált lézer: 1015 W/cm2
A LÉZERMŰKÖDÉS ALAPJAI 1. Kényszerített vagy serkentett emisszió (stimulated/induced emission)
h * ν = E2 – E 1
h * ν = E2 – E 1
rendezetlen fotonok!
Azonos irány, energia, hullámhossz, fázis, polarizáció!
h * ν = E2 – E 1
2x h*ν = E2 – E1
rendezett fotonok!
A LÉZERMŰKÖDÉS ALAPJAI
A LÉZERMŰKÖDÉS ALAPJAI 2. Populáció inverzió Az elektronok ~10-9 s töltenek gerjesztett állapotban 20°C-on
Ngerj/Nalap ≈ 10-40
6000°C-on
Ngerj/Nalap ≈ 10-2
Meg kell változtatni az energiaszintek relatív betöltöttségét Csak többállapotú rendszerben lehetséges Pumpálás: hőközlés, optikai (villanófény, másik lézer), elektromos kisülés, kémiai reakció
A LÉZERMŰKÖDÉS ALAPJAI 3. Optikai rezonancia Két párhuzamos, sík vagy homorú tükör Az energia nagyobb részét visszacsatolja → folyamatos indukált emisszió egyik tükör ~ 99,99% reflektivitás másik tükör ~ 99%
Azok a hullámok maradnak fázisban, ahol: d = n*λ
d
LÉZERTÍPUSOK Gázlézerek He-Ne
először a He atomokat gerjesztik, majd ez átadja az energiáját a Ne-nak; olcsó, nagyon koherens; optikai kutatások fő λ = 633nm
CO2
nagy teljesítmény: több 100W, fókuszálással hatalmas energiasűrűség érhető el → fémek vágása és hegesztése fő λ = 10,6µm
Ar
többféle hullámhossz: 351, 458, 488, 515nm stb.
lézernyomtató
fémvágás
mikroszkópok
LÉZERTÍPUSOK Szilárdtest lézerek (fémionnal szennyezett kristály vagy üveg) Rubin
Al2O3 + Cr kristály, optikai pumpálás (helikális villanólámpa) – kisebb hullámhosszal, mint a lézeré holográfia
Zafír
Al2O3 + Ti kristály, jól hangolható hullámhossz (650-1100nm), ultrarövid (10-100fs) impulzusok spektroszkópia (Megfelelő erősítővel a pillanatnyi teljesítmény [50GW] nagyobb, mint a Föld összes elektromos erőművéé)
korai rubinlézer
lézer pointer
LÉZERTÍPUSOK Festéklézerek Oldott vagy kristályos szerves molekulák: rhodamin, fluoreszcein, kumarin stb. Tetszőleges alakot felvehet – könnyebb kezelni Széles hullámhossztartomány, jól hangolható; pulzáló üzemmód, nagy teljesítmény Csillagászat, orvoslás, spektroszkópia
Izotópok szétválasztása atomgőzből → urándúsítás
LÉZERTÍPUSOK Félvezető lézerek Lézerdiódák – n- és p-típusú szennyezett félvezető együtt Jellemzően elektromos pumpálás Elektron és „lyuk” egyesülése fotonemissziót okoz, ez indukálható is Belső visszaverődés, nincs szükség tükörre •
CD, DVD, Blue-ray olvasók,
•
vonalkódolvasó, szkennelés,
•
optikai telekommunikáció,
•
mikroszkópia,
•
gázérzékelés,
•
fotodinámiás kezelés stb.
LÉZERTÍPUSOK
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Lézer kölcsönhatása az anyaggal: Visszaverődés (reflexió) Áthatolás (transzmisszió) Elnyelődés (abszorpció) Szóródás
Lézer előnyös tulajdonságai: Fókuszálhatóság (térben, időben) Szabályozott hullámhossz Szabályozott teljesítmény
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Hőmérséklet hatása Lézertermia – hőkezelés (~40°C-ra), anyagcsere-fokozódás izomrándulás, ínsérülés kezelése, fájdalomcsillapítás Koaguláció – 60-90°C, fehérjekicsapódás, hegképződés vérzéscsillapítás, retinaleválás kezelése Vaporizáció - 100°C fölé, µm nagyságú fókuszálás, költséges bemetszés, kőzúzás Karbonizáció - 300°C fölé, elszenesedés
szöveteltávolítás
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Bőrgyógyászat Szőrtelenítés Tetoválás eltávolítása Anyajegy eltávolítás Bőrerek eltávolítása Ránctalanítás
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Szemészet Szemfénytörési hibáinak kijavítása lézeres sebészettel Rövidlátóknál (myopia): szaruhártya fénytörési mutatójának csökkentése, szaruhártya közepének ellaposítása. Lézersugár elpárologtatja a megállapított dioptriának megfelelő szövetmennyiséget. Távollátók (hypermetropia): fénytörési mutató növelése, központi rész körüli bemélyedéssel. Belső szemtengelyferdülés (astigmia): domborúbb és laposabb görbület kezelés, hogy egyetlen fókuszpont alakuljon ki.
ORVOSI ALKALMAZÁSOK PRK (PhotoRefractive Keratectomy) Ledörzsölik a szaruhártya védőrétegét, a jól regenerálódó hámsejteket, és a szaruhártya felszínén végzik a lézeres kezelést. A kezelt területet védő kontaktlencsével fedik le. A hámsejtek 2-3 nap alatt visszanőnek . Előnyei: teljesen biztonságos, kitűnő eredményei vannak. Kb. 10 nap múlva lehet munkába állni. A műtét után a szem védelme 6 hónapig UV-szűrős napszemüveggel és gyulladásgátlókkal.
LASEK (Laser Assisted Sub-Epithelial Keratectomy) A felszíni hámréteget higított alkohol segítségével meglazítják és felhajtják, a lézerkezelés után visszahelyezik.
ORVOSI ALKALMAZÁSOK
ORVOSI ALKALMAZÁSOK LASIK (Laser Assisted in Situ Keratomyelusis) A sebész egy számítógéppel vezérelt speciális, mechanikus eszköz (mikrokeratóm) segítségével védőlebenyt képez a szaruhártya felső rétegeiből. Ezt felhajtja, majd a lebeny alatti rétegben elvégzi a lézerkezelést. Visszahajtja a lebenyt, amely visszafekszik a műtött területre,de sohasem tapad vissza teljesen. Fájdalommentes,de szövődményes eljárás.
INTRA-LASIK Lézerrel végzik a bemetszést is.
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Fotodinámiás terápia Hematoporfirin származékok a daganatos sejtekben sokkal nagyobb arányban halmozódnak fel, mint az egészségesekben Fényelnyeléssel gerjesztődnek, molekuláris oxigénnel reakcióba léphetnek Atomos, naszcens oxigén szabadul fel
Hematoporfirin
Photofrin
Bakterioklorin
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Fotoszenzitizáló prekurzor beadása (aminolevulinsav, ALA) Néhány órás inkubáció, ezalatt az ALA protoporfirin IX-cé alakul Célterület megvilágítása diódalézerrel (néhány perc) Protoporfirin abszorbeálja a fényt Gerjesztett szinglett állapot Gerjesztett triplett állapot Energiatranszfer triplett oxigénnel Gerjesztett, reaktív szinglett oxigén Szöveti károsodás
A terület néhány nap alatt elhal ALA
ORVOSI ALKALMAZÁSOK
ORVOSI ALKALMAZÁSOK Rosszindulatú daganatok kezelése; bőrgyógyászat, szájsebészet, nőgyógyászat, nyelőcső, tüdő, húgyhólyag Immunrendszert erősíti Nehéz kémiailag alkalmas molekulát találni/fejleszteni Nem tökéletes tumorszelektivitás Áthatolási mélység függ a hullámhossztól
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
