Lézerek Lézer és orvosbiológiai alkalmazásaik

Átírás

1 Lézerek és orvosbiológiai alkalmazásaik SZÖLLŐSI JÁNOS

2 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

3 LÉZEREK A LÉZER Jelenség Feltételei LÉZER Oszcillátorok A LÉZERFÉNY Tulajdonságai LÉZEREK Típusai LÉZEREK Orvosbiológiai Alkalmazásai

4 KÖZÖNSÉGES FÉNYFORRÁSOK Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió

5 A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETŐ ISMÉRVEI Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió Térbeli koherencia Indukált emisszió Időbeli koherencia Monokromatikus fény (kis sávszélesség) Nagy energia sűrűség (Polarizált fény)

6 SPONTÁN EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Random folyamat

7 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási Einstein, 1917 E1 Random folyamat

8 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Random (véletlenszerű) folyamat

9 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Random folyamat 1. Kölcsönhatás 2. E = hf = E2-E1 3. Polaritás (p ~ cos 2 φ)

10 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ Milyen a spontán és az indukált emisszió energia (foton fluxus) mérlege? Lehet-e valamelyikkel fényerősítést (LA) elérni?

11 AZ INDUKÁLT EMISSZIÓ ENERGIA MÉRLEGE E2 E = h f E2 E = h f N 2 E = h f E1 Belépő fény N 1 E1 Kilépő fény δ J / δx = - Κ J N 1 δ J / δx = Κ J N 2 δ J / δx = Κ J (N 2 -N 1 ) Összesített foton fluxus változás J = energiaáram sűrűség

12 E2 J A FÉNYERŐSÍTÉS FELTÉTELE (Light Amplification LA) δj / δx = Κ J (N 2 -N 1 ) Kiindulás: Boltzmann J ~ N - E/kT N 2 /N 1 = 2 -N 1 e N 2 N 1 >>N 2 J + J J << 0 Abszorpció dominál E1 N 1 Abszorpció Erősítés Erősítés: J > 0 N 1 < N 2 populáció inverzió

13 A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE E2 J E1 J ~ N 2 -N 1 J + J Absz ~ N 1 Em ~ N 2 N 1 >>N 2 (Boltzmann) J << 0 Abszorpció dominál pumpált rendszer: N 2 nő, N 1 csökken N 1 = N 2 Egyensúly, J = 0 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre N 1 < N 2 (populáció inverzió) Erősítés

14 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA E3 Pumpálás Minimális feltétel: háromnívós rendszer Gyors spontán átmenet E2 * mozgási E E = h f * fény * áram Inverzió: N 2 =N 1 +1 E = h f E1 E1 P Spontán relaxáció < P Indukált emisszió

15 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA E3 Optimális feltétel: négynívós rendszer Gyors spontán átmenet E2 Inverzió: N 2 =1 Pumpálás * mozgási E * fény * áram E = h f E = h f E1 E0 Gyors spontán átmenet

16 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG

17 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG

18 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör

19 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör

20 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör

21 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör

22 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör tükör

23 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG Visszacsatoló Kicsatoló tükör tükör 99,9 % %

24 LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG Visszacsatoló REZONÁTOR: Állóhullám, L = n λ / 2 Kicsatoló tükör Módusok: transzverzális és axiális tükör 99,9 % %

25 A LÉZERFÉNY TULAJDONSÁGAI MONOKROMATIKUS (sáv szélesség f/f) KOHERENS (hossz 1000 m 1 mm helyett) KIS DIVERGENCIA NAGY INTENZITÁS ( W/m 2 )

26 Néhány fontosabb esemény a LÉZER történetéből 1917 Einstein megjósolja az indukált emisszió jelenségét, és hogy a gerjesztés és indukált emisszió valószínűségi állandói (B 12 és B 21 ) egyenlőek 1954 Az első mikrohullámú lézer (MASER) 1960 Az első látható fényű lézer (rubin lézer) 1966 Az első gáz lézer 1984 Az első Rtg lézer

27 LÉZEREK CSOPORTOSÍTÁSA HalmazállapotLézer anyaga pumplás módja λ (nm) Üzemmód E (W) t (ns) gáz He-Ne El. kisülés 633 c.w. 0.1 Ar++ El. kisülés 488, 514 c.w. 10 Kr++ El. kisülés 657,752 c.w. 3 CO2 El. kisülés c.w. 200 Excimer (ArF, XeCl) El. kisülés 193, 308 imp 10 MW 1-3 folyadék Festék fény / lézer sokféle imp/c.w. 3 Festék (Rh 6G) fény / lézer 600 imp fs szilárd Rubin (Cr+++ & Al2O3) villanólámpa 694 imp 200 MW 100 Nd-YAG villanólámpa 1065 imp 50 MW 10 Nd-YAG / KTP villanólámpa imp 2 MW 10 Nd-YAG Xe lámpa 1065 c.w. 60 Er-YAG villanólámpa 2900 imp 1 MW 10 Dióda GaAs áram 840 c.w. / imp 5 HF AlGaAs áram 760 c.w. / imp 50 GaInAsP áram 1300 c.w. / imp 20

28 Nd - YAG Nd 3+ *** Neodímium - Y Nd 3+ 3 Al 5 O 12 gránát ** Szilárdtest lézer impulzus üzemű (vagy c.w.) Pumpálás: villanólámpa Nd 3+ * Gerjesztett atom: Nd 3+ Lézer átmenet: Nd 3+ P = 60 W (c.w.) 1 MW Nd 3+ D = mm Divergencia = mrad λ = 1065 nm Hűtés: víz Xe lámpa Impulzus szélesség: 10 ns (Q-kapcsolt) Hasonló lézer anyagok: rubin, Er-YAG, Tm-YAG Nem-lineáris optika: 532, 355, 266 nm

29 Nd - YAG Neodímium - Y 3 Al 5 O 12 gránát Frekvencia-duplázás nem-lineáris kristállyal (pl. KTP): 1065nm 532 nm

30 Rubin lézer Cr AlO 3 A Neodímium-YAG-hoz hasonló elven működik Szilárdtest lézer impulzus üzemű Pumpálás: villanólámpa Gerjesztett atom: Cr 3+ Lézer átmenet: Cr 3+ P = 100 MW D = mm Divergencia = mrad λ = 694 nm Hűtés: víz Impulzus szélesség: 10 ns

31 He - Ne lézer Gáz (atom) lézer folyamatos üzemű (c.w.) Pumpálás: kisüléssel (~, =) Gerjesztett atom: He Lézer átmenet: Ne He:Ne = 10:1 p = 1 torr Kicsatoló tükör: T = 2 % P = mw D = 1 mm Divergencia = 1 mrad λ= nm λ= 543 nm He* He Másodfajú ütközések = Ne** Ne* Spontán relaxáció Ne

32 Ar ion lézer Ar ++ ** Gáz (ion) lézer folyamatos üzemű (c.w.) Pumpálás: kisüléssel (~, HF) (gyűrűkisülés, I ~ 100 A) Gerjesztett atom: Ar, Ar + Lézer átmenet: Ar 2+ p = 10 mtorr Kicsatoló tükör: T = 10 % P = W D = mm Divergencia = 0.5 mrad λ = 351, 488, 514, etc nm kiválasztás: prizmával Hűtés: víz vagy légáram Hasonló lézer anyagok: Kr, Xe Ar Rekombináció = Ar ++ * Ar ++

33 CO 2 lézer N 2 * Másodfajú ütközések CO 2 ** Gáz (molekula) lézer folyamatos üzemű (c.w.) Pumpálás: kisüléssel (~, HF) CO 2 * Ütközés He -mal Gerjesztett molekula: N 2 Lézer átmenet: CO 2 molekuláris vibráció CO 2 :N 2 :He = 0.8:1:7 Kicsatoló tükör: T = 10 % P = 1 W 100 kw D = mm Divergencia > 1 mrad λ = nm N 2 CO2 palack = CO 2

34 Excimer lézer EXCIted dimer ArF** ArF* Gáz (atom / molekula) lézer impulzus üzemű Pumpálás: kisüléssel Bomlás ArF Gerjesztett atomok: Ar + F 2 Lézer átmenet: ArF P = 10 MW (1 J/cm ) D = mm Divergencia = 1 mrad λ = 193 nm Impulzus szélesség: 1-3 ns Hasonló lézer anyagok: KrF, XeCl, N 2 Ar, F 2

35 Dióda lézerek Félvezető lézer c.w. vagy impulzus üzemű Pumpálás: árammal P < 50 W D = mm Divergencia = 1-5 mrad λ > 600 nm (általában) Hűtés: nem feltétlenül kell Pumpált dióda lézer telekommunikáció

36 Infravörös (pl. CO 2 lézer): Tükrök célzó lézer a látható tartományban (He-Ne, dióda) Lézerfény vezetése

37 Lézerfény vezetése Látható lézer: tükrök, száloptika (becsatolás lencsékkel)

38 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA

39 ORVOSI DIAGNOSZTIKA / KUTATÁS és TERÁPIA Kis teljesítmény Nagy teljesítmény áramlási citometria laser nefelometria labor diagnosztika korrelációs spektr. és kutatás mikroszkópiák optikai csipesz endoszkópia klinikai diagnoszt. laser doppler fotodinamikus diag. hyperemizálás koaguláció (60-90 C) lágy laser therapia laser sebészet vágás, vaporizáció laserthermia ( C) excisió (300 C) fotodinamikus thr. diagnosztika terápia

40 A lézersugárzás kölcsönhatása a szövetekkel Vissza- verődés, szóródás Gerjesztés - Elnyelődés atomizáció ionizáció Melegítés Fotodisszociáció Fluoresz- Fotokémiai cencia reakciók Shock wave 40 o C o C o C 300 o C Laserthermia Koaguláció Vaporizáció / Karbonizáció / Vágás Excisió

41 KOAGULÁCIÓ vérzéscsillapítás ILPC diabéteszes retinopátia retina leválás zöldhályog portói folt zöld: Ar, Ar-Kr vörös: dióda lézer

42 KOAGULÁCIÓ Portói folt eltüntetése

43 SZÖVET ELTÁVOLÍTÁS KÜLÖNFÉLE LÉZER HATÁSSOKKAL Nd-YAG CO 2 Excimer (ArF) vaporizáció karbonizáció atomizáció

44 KARBONIZÁCIÓ, VAPORIZÁCIÓ nyelőcsőtumor kiégetése CO 2, Nd-YAG: vérzéscsillapítás, fertőtlenítés, éles sebszél, tumorműtétek Ho-YAG: fototermális hatás (gyors vaporizácó és kavitáció) kőzúzás, lézer diszkusz-dekompresszió

45 FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya formálás (PRK = fotorefraktív keratektómia) szemüveg helyett Lézer angioplasztika Excimer lézerek (UV)

46 Szaruhártya formálás lézerrel Számítógépes tervezés Az eredmény: domborzati magasság színekkel kódolva

47 Szaruhártya formálására szolgáló módszerek: PRK, LASIK, LASEK PRK: Ledörzsöljük az "alma" héját, vagyis a hámsejteket, és a felszínt átformáljuk. A hámsejtek 2-3 nap alatt visszanőnek. Előny: biztonságos. Hátrány: a hámsejtek "visszanövéséig" átmeneti panaszokat, fényérzékenység, idegentest érzés. LASIK: Belevágunk az almába, félrehajtjuk a bevágott részt és a vágott felszínt átformáljuk. Visszahajtjuk a felvágott részt. Előny: fájdalommentes. Hátrány:, súlyos szövődményei lehetnek, mivel a felvágott rész soha nem nő vissza, és pl. egy autóbaleset, vagy sportsérülés kapcsán leszakadhat. LASEK: A héjból, vagyis a szaruhártya hámjából képezünk egy védőlebenyt (alkoholos fellazítással). Ezt félrehajtjuk, elvégezzük a kezelést, majd visszahajtjuk. Ezzel a módszerrel jelentősen csökkennek a kellemetlenségek, ugyanakkor nincs szükség a veszélyeket rejtő bevágásra.

48 FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya csiszolás felszíni homály esetén A beteg szem Műtét után

49 IONIZÁCIÓ Femtosecundumos LASIK Alapja: a lézer fókuszpontjában a nagy intenzitás miatt (10 12 W/cm 2 ) multifoton ionizáció és kaszkád ionizáció történik, az anyag plazmaállapotúvá válik (10 18 elektron/cm 3 ), és GPa nyomású lökéshullám keletkezik, mely a fókuszpontban piciny folytonosság-hiányt (légbuborékot) hoz létre. A többlet-domborulatot okozó lencseformájú szövetdarabot körülperforáljuk lézerimpulzusokkal, majd a fedő lebenyt felhajtása után eltávolítjuk

50 IONIZÁCIÓ Lökéshullám Nd-YAG Er-YAG másodlagos szürkehályog kőzúzás arthrosis fogfúrás

51 FOTODINÁMIÁS DIAGNÓZIS Fluoreszcens festék Daganat a festéket szelektíven felveszi Ar laser Száloptika /endoszkóp Kr laser

52 FOTODINÁMIÁS TERÁPIA A gerjesztett festék O radikálokat hoz létre Festék laser Ar laser Daganatsejtek A festékkel Száloptika

53 FOTODINÁMIÁS TERÁPIA

54 LÉZEREK A LÉZER Jelenség Feltételei LÉZER Oszcillátorok A LÉZERFÉNY Tulajdonságai LÉZEREK Típusai LÉZEREK Orvosbiológiai Alkalmazásai

55 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA

56 Plazma Rtg lézerek Rtg emisszió mindkét irányba Felhasználások: Bio-holográfia Nanoelektronika Nano (robot) technika Lézerimpulzus (GW) NOVA (LLNL) 1053 nm Nd-glass 120 TW 10 db 70 cm-es sugár 100 KJ 20 ps 10 ns Nano-áramlásmérő

57 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA

58 Fotolemez, melyen a hologram képződik Holográfia Hologram Megfigyelő lézer interferencia lézer Divergens nyaláb Eredeti nyaláb Konvergens nyaláb Tárgyról szórt fotonok tárgy Virtuális 3D kép Valódi 3D kép

59 Holografikus memória memória kristály (Li-niobát)

60 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA

61 A lézercsipesz Foton sűrű űrűség P test Az alkamazott fény számára P foton transzparens test P foton A fotonok törés miatti irányváltoztatása impulzusváltozással jár, ami a nagyobb fotonsűrűség (optikai tengely) felé tereli a testet A fénynyomás egyensúlyt tart a gravitációval Optikai tengely Távolság Mikromanipuláció Szelekció, sejtfúzió, megtermékenyítés pn nagyságú molekuláris erők és nm-es távolságok mérése