lÉzer - biofizikatetoválás eltávolítás anyajegy eltávolítás szem észeti alkalmazások:...
TRANSCRIPT
9/28/2014
1
LÉZER: Alapok, tulajdonságok, alkalmazások
Orbán József
Pécsi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar
Biofizikai Intézet
2014. október
LÉZEREK MINDENÜTT…
néhány mW-os diódalézer
Néhány mm átmérő
Terawattos lézer
Lawrence Livermore Labs
http://www.laserfocusworld.com/display_article/29641/12/none/none/News/National-Ignition-Facility-design-focuses-on-optics
Fizika
Biológia
Orvostudomány
Anyagtudomány
Mérnöktudomány
... mindennapjaink
1917 - Albert Einstein:
a stimulált emisszió lehetőségének elméleti
kimutatása
1960 - Theodore Maiman: első működő
lézer (rubinlézer)
Gamma
Röntgen Rádióhullám
Mikro-
hullám
Látható tartomány: FÉNY = LIGHT!
Light – Radiation
fény és sugárzás
Energia, frekvencia (E=hf) Hullámhossz (λ=c/f)
mágneses mező
elektromos mező
x
terjedési irány
Elektromágneses hullám terjedése
ha l = 600 nm, akkor
f = n ≈ 5·1014 Hz
9/28/2014
2
Elektromágneses hullám terjedése
hullámhossz Elektromos
térerősség-
vektor
x
Mágneses
térerősség-
vektor
mágneses
mező
elektromos
mező
E
x
x
B
c = λ·f
E1
E2 hn
hn
Fényerősítés kényszerített emissziós sugárzással.
a L A S E R / L É Z E R
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1. Alapvető fény-anyag kölcsönhatások
2. A lézer definíciója
3. A lézerműködés alapjai
4. A lézerfény tulajdonságai
5. A lézerek típusai
6. A lézerek alkalmazása
Fény(sugárzás) és anyag kölcsönhatása
Kvantált energiafelvétel (foton)
Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses
sugárzás:
• visszaverődés: reflexió (R)
• elnyelődés: abszorpció (A)
• áthaladás: transzmisszió (T)
• szóródás: diszperzió (Rayleigh)
minta
Atomok és molekulák energiaszint-rendszere
Az elektronok kvantált (meghatározott) energiával rendelkeznek.
→ energiaszintek!
Emisszió hf
0
Energ
ia
S0
S1
S2
Abszorpció hn
molekula energiarendszere atom energiarendszere
A lézerműködés alapjai I. Abszorpció Elemi sugárzási folyamatok
1. Abszorpció (fényelnyelés)
Átmenet gyakorisága:
n12 = N1·B12·ρ(ν)
E1
E2
N1 db
elektron
B12 az átmenet valószínűsége
N2 db
elektron
alapállapot
gerjesztett
állapot
Efoton= hf
Alacsony hőmérsékleten,
pl. szobahőn: N2 << N1
Rezonancia feltétel:
ha a foton energiája megegyezik a két
energiaszint energia különbségével:
hf = E2-E1 akkor a foton energiáját az atom
(elektron) elnyeli.
A foton abszorbeálódik, azaz
megszűnik → energiáját az
atomnak adja, ami gerjesztődik.
Ez a két folyamat szimultán!
N2 + 1 db
elektron
N1 - 1 db
elektron
A lézerműködés alapjai II. Emisszió Elemi sugárzási folyamatok
1. Spontán emisszió (fénykibocsátás)
Átmenet gyakorisága:
n21 = N2·A21
E1
E2
N1 db
elektron
A21 : átmenet valószínűsége
N2 db
elektron
alapállapot
gerjesztett
állapot
Külső behatás nélkül, spontán
(irány, időpont).
Rezonancia feltétel:
a kibocsátott foton energiája megegyezik a
két energiaszint energia különbségével:
E2-E1 = hf Az atom (elektron) energiáját a foton
elviszi.
Az atom visszagerjesztődik
és 1 fotont kibocsát.
Ez a két folyamat szimultán!
9/28/2014
3
A lézerműködés alapjai II. Emisszió Elemi sugárzási folyamatok
1. Kényszerített emisszió (fénykibocsátás)
Átmenet gyakorisága:
n21 = N2·B21·ρ(ν)
E1
E2
N1 - 1 db elektron
B21 : átmenet valószínűsége
N2 + 1 db elektron
alapállapot
gerjesztett
állapot
Efoton= hf
Külső foton hatására! azonos
irány, időpont, fázis, energia
és hullámhossz, polarizáció!
Rezonancia feltétel:
a kibocsátott foton energiája megegyezik a
két energiaszint energia különbségével:
E2-E1 = hf akkor az atom (elektron) energiáját a
foton elviszi.
N2 db elektron
N1 db elektron
ERŐSÍTÉS!
1 → 2 foton Amplification
A lézerműködés alapjai III. Egyensúly
Erősítés / gyengítés ? Indukált emisszió / abszorpció ?
Átmenetek gyakorisága:
n21 = N2·B21·ρ(ν)
n12 = N1·B12·ρ(ν)
E1
E2 B21 : indukált emisszió
valószínűsége
Efoton= hf Külső foton hatására:
50% abszorpció, 50% emisszió
B21 = B12 !
3 vagy több energiaszint, gyors
és lassú szint átmenetek,
pumpálás→populáció inverzió
N2 = N1 db elektron
2 állapotú rendszerben
NEM lehet lézert csinálni! B12 : abszorpció
valószínűsége
E1
E3
E2 Pumpálás
Gyors relaxáció
Lézer-
átmenet
Metastabil
állapot
(energia)
pumpálás
A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia
Zárótükör
R=99.9 %
lézer(aktív) közeg
(energia)
pumpálás
A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia
Zárótükör Részlegesen
áteresztő tükör
d=n·λ/2 !!! Rezonátor: • két tükör (d távolságra)
• a fény egy részét visszacsatolja az erősítő közegbe
• pozitív visszacsatolás → öngerjesztés → oszcilláció
• Optikai zár lehet a rezonátorban → impulzus üzemmód
R=99.9 %
lézer(aktív) közeg
R=98 %
Lézernyaláb
2% !
kis divergencia,
monokromaticitás,
koherencia
A lézerfény tulajdonságai Összefoglaló I.
1. Kis divergencia Párhuzamos nyaláb
2. Nagy teljesítmény Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO2 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
TÁRGY
Fotolemez
Referencia nyaláb
Lézerfény
Nyalábosztó
Tárgyról
visszavert
sugarak
9/28/2014
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
CO2 lézer: CO2-N2-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 reflexiójú tükrök
Lézerek orvos(biológia)i
alkalmazásai
A lézer orvosbiológiai alkalmazásai I.
Alapelvek: 1. Fény kölcsönhatása a biológiai mintával
2. A lézernyaláb tulajdonságai
Fókuszálhatóság, kiválasztott hullámhossz, teljesítmény
3. A biológiai minta tulajdonságai
Transzmittivitás, abszorbancia, fényindukált reakciók
Abszorpció
Emisszió
Szóródás
Transzmisszió
Reflexió Beeső nyaláb
Általános alkalmazási szempontok
1. Alkalmazott hullámhossz
2. Impulzushossz (időbeliség)
3. Megvilágított terület nagysága (8-10 mm átmérő)
4. Energiasűrűség (J/cm2)
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.
A lézer orvosbiológiai alkalmazásai II.
Sebészeti szakmák: “lézerszike”, koaguláció, vérzés nélküli operáció.
Daganateltávolítás, tetoválás-eltávolítás, érvarrás. CO2 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 korrekció, szemfenék fotokoagulációja, glaucoma,
fotorefraktív keratektomia (PRK).
9/28/2014
5
Kép forrása: http://www.babor.hu/index.php?inc=oldal&oldal_id=58
Bőrgyógyászati alkalmazások:
beh
ato
lási
mél
ysé
g
UV VIS IR
Bőrgyógyászati alkalmazások: Lézeres szőrtelenítés
Alkalmazott chromophorok:
1. Szén (exogén, széntartalmú kenőcsök)
2. Hemoglobin (endogén)
3. Melanin (endogén)
Phototricholysis, photoepiláció
Alapja: szelektív photothermolysis
chromophorok általi szelekív abszorpció
Kezelés előtt Kezelés után
Lézeres kezelések
Tetoválás eltávolítás Anyajegy eltávolítás
Szemészeti alkalmazások:
LASIK
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). Excimer 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.
“Laser-assisted In Situ Keratomileusis”
A refraktív lézer-szemsebészet egy fajtája
Látható lézer UV lézer
Egyéb orvosbiológiai lézerfelhasználás
CTLM® - Laser Breast Imaging
Mikroszkópia
• fluoreszcencia intenzitás
• kétfoton gerjesztés
• FLIM
• FCS
Diagnózis & terápia
Ultragyors (lézer)spektroszkópia
lock-in
erősítő
min
ta
elektromos
impulzus
generátor
emitter detektor
50-50%
késleltető
egység
100 fs-os impulzus
lézer
(10-13 s)
9/28/2014
6
Daganatos máj sejtek
NBD jelölt foszfolipidek
Egér vese minat
Alexa-Fluor 488, Alexa-Fluor 568 és DAPI jelölés
http://www.picoquant.com/getfs.htm?products/lsm_kit/ex_lsm_flim.htm
Fluor. intenzitás FLIM
FLIM eszköz:
Fluorescence Lifetime
Imaging Microscope