LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások

Átírás

1 LÉZEREK MINDENÜTT LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások néhány mw-os diódalézer Néhány mm átmérő Orbán József Pécsi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar Biofizikai Intézet november Terawattos lézer Lawrence Livermore Labs Fizika Biológia Orvostudomány Albert Einstein: a stimulált emisszió lehetőségének elméleti kimutatása Theodore Maiman: első működő lézer (rubinlézer) Anyagtudomány Mérnöktudomány... mindennapjaink Energia, frekvencia (E=hf) Light Radiation fény és sugárzás Hullámhossz (λ=c/f) Elektromágneses hullám terjedése mágneses mező elektromos mező Gamma Röntgen Mikrohullám Rádióhullám Látható tartomány: FÉNY = LIGHT! ha l = 600 nm, akkor f = n Hz terjedési irány 1

2 Energia E B Elektromágneses hullám terjedése Elektromos térerősségvektor Mágneses térerősségvektor hullámhossz mágneses mező elektromos mező c = λ f a L A S E R / L É Z E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Fényerősítés kényszerített emissziós sugárzással. hn hn 1. Alapvető fény-anyag kölcsönhatások 2. Mi a lézer? 3. A lézerműködés alapjai 4. A lézerfény tulajdonságai 5. A lézerek típusai 6. A lézerek alkalmazása Fény(sugárzás) és anyag kölcsönhatása Atomok és molekulák energiaszint-rendszere Kvantált energiafelvétel (foton) Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses sugárzás: atom energiarendszer 0 molekula energiarendszer S 2 visszaverődés: refleió (R) elnyelődés: abszorpció (A) áthaladás: transzmisszió (T) hn S 1 Abszorpció Emisszió hf S 0 szóródás: diszperzió (Rayleigh) Az ok kvantált (meghatározott) energiával rendelkeznek. energiaszintek! A lézerműködés alapjai I. Abszorpció Elemi sugárzási folyamatok 1. Abszorpció (fényelnyelés) gerjesztett alap E foton = hf B 12 az átmenet valószínűsége Rezonancia feltétel: ha a foton energiája megegyezik a két energiaszint energia különbségével: hf = - akkor a foton energiáját az atom () elnyeli. N 2 db + 1 db N 1 db - 1 db Alacsony hőmérsékleten, pl. szobahőn: N 2 << N 1 Átmenet gyakorisága: n 12 = N 1 B 12 ρ(ν) A foton abszorbeálódik, azaz megszűnik energiáját az atomnak adja, ami gerjesztődik. Ez a két folyamat szimultán! A lézerműködés alapjai II. Emisszió Elemi sugárzási folyamatok 1. Spontán emisszió (fénykibocsátás) gerjesztett A 21 : átmenet valószínűsége alap Rezonancia feltétel: a kibocsátott foton energiája megegyezik a két energiaszint energia különbségével: - = hf Az atom () energiáját a foton elviszi. N 2 db N 1 db Átmenet gyakorisága: n 21 = N 2 A 21 Külső behatás nélkül, spontán (irány, időpont). Az atom visszagerjesztődik és 1 fotont kibocsát. Ez a két folyamat szimultán! 2

3 A lézerműködés alapjai II. Emisszió Elemi sugárzási folyamatok 1. Kényszerített emisszió (fénykibocsátás) gerjesztett alap Rezonancia feltétel: a kibocsátott foton energiája megegyezik a két energiaszint energia különbségével: - = hf akkor az atom () energiáját a foton elviszi. N 22 + db 1 db B 21 : átmenet valószínűsége ERŐSÍTÉS! 1 2 foton Amplification N 1 - db 1 db Külső foton hatására! azonos irány, időpont, fázis, energia és hullámhossz! Átmenet gyakorisága: n 21 = N 2 B 21 ρ(ν) A lézerműködés alapjai III. Egyensúly Erősítés / gyengítés? Indukált emisszió / abszorpció? B 21 : indukált emisszió valószínűsége B 12 : abszorpció valószínűsége Átmenetek gyakorisága: n 21 = N 2 B 21 ρ(ν) n 12 = N 1 B 12 ρ(ν) 3 vagy több energiaszint, gyors és lassú szint átmenetek, pumpálás populáció inverzió N 2 = N 1 db 2 ú rendszerben NEM lehet lézert csinálni! Külső foton hatására: 50% abszorpció, 50% emisszió B 21 = B 12! E 3 Pumpálás Gyors relaáció Metastabil Lézerátmenet A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia R=99.9 % Zárótükör (energia) pumpálás R=99.9 % Zárótükör (energia) pumpálás R=98 % Részlegesen áteresztő tükör lézer(aktív) közeg lézer(aktív) közeg Lézernyaláb 2%! d=n λ/2!!! Rezonátor: két tükör (d távolságra) a fény egy részét visszacsatolja az erősítő közegbe pozitív visszacsatolás öngerjesztés oszcilláció kis divergencia, monokromaticitás, koherencia Optikai zár lehet a rezonátorban impulzus üzemmód A lézerfény tulajdonságai Összefoglaló I. 1. Kis divergencia Párhuzamos nyaláb 2. Nagy teljesítmény Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO 2 lézer) Impulzus üzemmódban a pillanatnyi teljesítmény hatalmas (GW) Kis divergencia miatt óriási térbeli teljesítménysűrűség 3. Kis spektrális sávszélesség Monokromaticitás Nagy spektrális energiasűrűség 4. Polarizáltság 5. Rendkívül rövid idejű impulzusok lehetősége ps, fs A lézerfény tulajdonságai Összefoglaló II. 6. Koherencia fázisazonosság, interferenciaképesség Időbeli koherencia (különböző időpontokban emittált fotonok fázisazonossága) Térbeli koherencia (nyalábkeresztmetszet menti fázisazonosság) Alkalmazás: pl. holográfia, idő/távolságmérés Tárgyról visszavert sugarak Fotolemez TÁRGY Lézerfény Nyalábosztó Referencia nyaláb 3

4 Lézertípusok Fényerősítő közeg alapján: 1. Szilárdtest lézerek Kristályokba v. üveganyagokba bevitt fémszennyeződés; Rubin, Nd-YAG, Ti-zafír Vörös-infravörös spektrális tartomány; Folytonos, impulzus üzemmód, nagy teljesítmény 2. Gázlézerek Legismertebb: He-Ne lézer (10 He/Ne). Kis energia, Széleskörű használat CO 2 lézer: CO 2 -N 2 -He keverék; l~10 µm; Óriási teljesítmény (100 W) 3. Festéklézerek Szerves festékek (pl. rodamin, kumarin) híg oldata; más lézerek pumpálására használt Nagy teljesítmény (Q-kapcsolt módban); széles hullámhossztartományban hangolható 4. Félvezető (dióda) lézerek Összefekvő p- és n-típusú, szennyezett félvezetők határán. Rezonátor tükrökre nincs szükség (belső visszaverődés) Vörös, IR spektrális tartomány. Nagy kontinuus üzemmódú teljesítmény (akár 100W) Nyalábkarakterisztika nem túl jó. Kis méret miatt széleskörű alkalmazás. KULCSSZAVAK Mi kell a lézerműködéshez? Pumpálás Populáció inverzió Kényszerített emisszió Optikai rezonancia Nagy refleiójú tükrök Lézerek orvos(biológia)i alkalmazásai A lézer orvosbiológiai alkalmazásai I. Alapelvek: 1. Fény kölcsönhatása a biológiai mintával Beeső nyaláb Szóródás Emisszió Refleió Transzmisszió Abszorpció 2. A lézernyaláb tulajdonságai Fókuszálhatóság, kiválasztott hullámhossz, teljesítmény 3. A biológiai minta tulajdonságai Transzmittivitás, abszorbancia, fényindukált reakciók A lézer orvosbiológiai alkalmazásai II. Általános alkalmazási szempontok Sebészeti szakmák: lézerszike, koaguláció, vérzés nélküli operáció. Daganateltávolítás, tetoválás-eltávolítás, érvarrás. CO 2 és Nd:YAG lézer. Bőrgyógyászat: sokrétű alkalmazás. Fogászat: szuvas részek preferáltan abszorbeálnak. Fotodinámiás (tumor)terápia: fotoszenzitív, tumor által preferáltan felvett kémiai anyagok aktiválása lézerrel. Szemészet: Retinaleválás, szemfenék fotokoagulációja, glaucoma, fotorefraktív keratektomia (PRK). 1. Alkalmazott hullámhossz 2. Impulzushossz (időbeliség) 3. Megvilágított terület nagysága (8-10 mm átmérő) 4. Energiasűrűség (J/cm 2 ) 5. Ismétlési sűrűség (hatások összegzése) 6. Hőelvezetés szükséges (gélek, folyadékok, spray-k, levegő) Niels Finsen (Nobel-díj, 1903): UV fény használata mikobakteriális intracutan fertőzés gyógykezeléséhez. 4

5 minta behatolási mélység Bőrgyógyászati alkalmazások: Bőrgyógyászati alkalmazások: Lézeres szőrtelenítés Phototricholysis, photoepiláció UV VIS IR Alapja: szelektív photothermolysis chromophorok általi szelekív abszorpció Alkalmazott chromophorok: 1. Szén (eogén, széntartalmú kenőcsök) 2. Hemoglobin (endogén) 3. Melanin (endogén) Kezelés előtt Kezelés után Kép forrása: Tetoválás eltávolítás Lézeres kezelések Anyajegy eltávolítás Szemészeti alkalmazások: LASIK Laser-assisted In Situ Keratomileusis A refraktív lézer-szemsebészet egy fajtája Lépések: 1. Lézeres letapogatás (kis teljesítmény): a cornea topográfiájának megrajzolása 2. Cornea felületéről egy lemez felhajtása (fs lézerrel) 3. Stroma anyagából eltávolítás (néhány 10 mikrométer vastagságban). Ecimer lézer (193 nm). Photorefraktív keratektomia (PRK) A refraktív lézer-szemsebészet egy másik fajtája. Nincs lemez kialakítás, kisebb a felületi átalakítás mértéke. DE: fájdalmasabb, a regeneráció lassabb. Látható lézer UV lézer Egyéb orvosbiológiai lézerfelhasználás Ultragyors (lézer)spektroszkópia - THz Mikroszkópia fluoreszcencia intenzitás kétfoton gerjesztés FLIM FCS 100 fs-os impulzus lézer (10-13 s) emitter 50-50% késleltető egység detektor Diagnózis & terápia CTLM - Laser Breast Imaging elektromos impulzus generátor lock-in erősítő terahertz: Hz 5

6 Fluor. intenzitás FLIM Daganatos máj sejtek NBD jelölt foszfolipidek Köszönöm a figyelmet! FLIM eszköz: Fluorescence Lifetime Imaging Microscope Egér vese minat Alea-Fluor 488, Alea-Fluor 568 és DAPI jelölés 6