Lézerek és orvosbiológiai alkalmazásaik SZÖLLŐSI JÁNOS
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LÉZEREK A LÉZER Jelenség Feltételei LÉZER Oszcillátorok A LÉZERFÉNY Tulajdonságai LÉZEREK Típusai LÉZEREK Orvosbiológiai Alkalmazásai
KÖZÖNSÉGES FÉNYFORRÁSOK Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió
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)
SPONTÁN EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Random folyamat
SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási Einstein, 1917 E1 Random folyamat
SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Random (véletlenszerű) folyamat
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)
SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ Milyen a spontán és az indukált emisszió energia (foton fluxus) mérlege? Lehet-e valamelyikkel fényerősítést (LA) elérni?
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
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
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
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
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
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG tükör tükör
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG Visszacsatoló Kicsatoló tükör tükör 99,9 % 90-99 %
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 % 90-99 %
A LÉZERFÉNY TULAJDONSÁGAI MONOKROMATIKUS (sáv szélesség 10-10 f/f) KOHERENS (hossz 1000 m 1 mm helyett) KIS DIVERGENCIA NAGY INTENZITÁS (10 3 10 12 W/m 2 )
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
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 10600 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 10000 1 fs szilárd Rubin (Cr+++ & Al2O3) villanólámpa 694 imp 200 MW 100 Nd-YAG villanólámpa 1065 imp 50 MW 10 Nd-YAG / KTP villanólámpa 532.5 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
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 = 0.5 5 mm Divergencia = 0.5-1 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
Nd - YAG Neodímium - Y 3 Al 5 O 12 gránát Frekvencia-duplázás nem-lineáris kristállyal (pl. KTP): 1065nm 532 nm
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 = 0.5 5 mm Divergencia = 0.5-1 mrad λ = 694 nm Hűtés: víz Impulzus szélesség: 10 ns
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 = 1 100 mw D = 1 mm Divergencia = 1 mrad λ= 632.8 nm λ= 543 nm He* He Másodfajú ütközések = Ne** Ne* Spontán relaxáció Ne
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 = 0.1 100 W D = 0.5 5 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 ++
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 = 0.5 50 mm Divergencia > 1 mrad λ = 10600 nm N 2 CO2 palack = CO 2
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 = 0.5 5 mm Divergencia = 1 mrad λ = 193 nm Impulzus szélesség: 1-3 ns Hasonló lézer anyagok: KrF, XeCl, N 2 Ar, F 2
Dióda lézerek Félvezető lézer c.w. vagy impulzus üzemű Pumpálás: árammal P < 50 W D = 0.1 2 mm Divergencia = 1-5 mrad λ > 600 nm (általában) Hűtés: nem feltétlenül kell Pumpált dióda lézer telekommunikáció
Infravörös (pl. CO 2 lézer): Tükrök célzó lézer a látható tartományban (He-Ne, dióda) Lézerfény vezetése
Lézerfény vezetése Látható lézer: tükrök, száloptika (becsatolás lencsékkel)
A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA
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 (100-150 C) excisió (300 C) fotodinamikus thr. diagnosztika terápia
A lézersugárzás kölcsönhatása a szövetekkel Vissza- verődés, szóródás Gerjesztés - Elnyelődés atomizáció ionizáció Melegítés Fotodisszociáció Fluoresz- Fotokémiai cencia reakciók Shock wave 40 o C 60-90 o C 100-150 o C 300 o C Laserthermia Koaguláció Vaporizáció / Karbonizáció / Vágás Excisió
KOAGULÁCIÓ vérzéscsillapítás ILPC diabéteszes retinopátia retina leválás zöldhályog portói folt zöld: Ar, Ar-Kr vörös: dióda lézer
KOAGULÁCIÓ Portói folt eltüntetése
SZÖVET ELTÁVOLÍTÁS KÜLÖNFÉLE LÉZER HATÁSSOKKAL Nd-YAG CO 2 Excimer (ArF) vaporizáció karbonizáció atomizáció
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
FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya formálás (PRK = fotorefraktív keratektómia) szemüveg helyett Lézer angioplasztika Excimer lézerek (UV)
Szaruhártya formálás lézerrel Számítógépes tervezés Az eredmény: domborzati magasság színekkel kódolva
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.
FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya csiszolás felszíni homály esetén A beteg szem Műtét után
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
IONIZÁCIÓ Lökéshullám Nd-YAG Er-YAG másodlagos szürkehályog kőzúzás arthrosis fogfúrás
FOTODINÁMIÁS DIAGNÓZIS Fluoreszcens festék Daganat a festéket szelektíven felveszi Ar laser Száloptika /endoszkóp Kr laser
FOTODINÁMIÁS TERÁPIA A gerjesztett festék O radikálokat hoz létre Festék laser Ar laser Daganatsejtek A festékkel Száloptika
FOTODINÁMIÁS TERÁPIA
LÉZEREK A LÉZER Jelenség Feltételei LÉZER Oszcillátorok A LÉZERFÉNY Tulajdonságai LÉZEREK Típusai LÉZEREK Orvosbiológiai Alkalmazásai
A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA
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
A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA
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
Holografikus memória memória kristály (Li-niobát)
A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA
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