Laserki-opracowanie - Lecture notes wszystko PDF

Preview

Summary

Opracowanie z calego wykładu...

Description

W1 Zastosowanie laserów w medycynie : * wysokoenergetyczne - cięcia, operacje * niskoenergetyczne - drobne zabiegi kosmetyczne (wpływ na metabolizm komórek)

Ablacja -zjawisko niskotemperaturowe, lasery wysokoenergetyczne, nie powodują niszczenia innych tkanek. Widzialne spektrum - 380-750 nm. lasery zimne - ultrafiolet lasery ciepłe - w stronę podczerwieni

Absorpcja - natężenie wiązki promieniowania zmniejsza się w miarę przechodzenia przez ośrodek na skutek oddziaływania z elementami tego ośrodka. W tym procesie energia zmienia się na inny rodzaj: - energia wewnątrz ośrodka - energia wzbudzenia lub jonizacji.

Zdolność różnych ciał do pochłaniania promieniowania zależy od: - struktury atomowej - grubości -długości fali - temperatury lub stężenia -inne

Promieniowanie laserowe charakteryzuje się: - małą rozbieżnością wiązki - promieniowanie w jednym kierunku - monochromatycznością - bardzo wąski zakres widmowy - spójnością - taka sama faza. Największą rozbieżność mają lasery półprzewodnikowe Najmniejszą rozbieżność mają lasery gazowe

IDEA laserów: - emisja wymuszona - rezonans optyczny

Absorpcja kwantu promieniowania - atom jest w polu elektromag. i może pochłaniać porcję E =hv, wówczas zachodzi zachowanie energii hv = E2-E1. Różnica stanu wzbudzonego i podstawowego.

Emisja wymuszona: - atom emituje promieniowanie dokładnie tak jako jak promieniowanie padające (zgodne do do energii, fazy, częstotliwości, polaryzacji) - emitowany foton jest taki sam jak foton padający.

Pompowanie lasera odbywa się przez: - błysk lampy - przepływ prądu - błysk innego lasera - zderzenia atomów - reakcje chemiczne

Laser składa się z: - ośrodka czynnego (materiał aktywny) - źródła energii pompującej (wzbudzenie) - rezonatora (ukł. 2 równoległych zwierciadeł) . 99% laserów składa się z rezonatora.

Ośrodek czynny: - ciecz (barwnikowe) - ciało stałe - gaz (lasery gazowe)

REZONATOR - 1 zwierciadło całkowicie odbijające (wzmocnienie) - 2 zwierciadło przepuszczające do 10% (zwykle 1%) - częściowo przechodzi.

L = 1/2 * n * λ warunek powstania fali stojącej , L - odl. między 2 zwierciadłami.

Klasyfikacja laserów: - rodzaj środka aktywnego - sposób wzbudzeń (optyczne, elektrycznie) - emitowana długość fali (jedno - wieloczęstotliwościowe) - moce (niskie 4-5 mW , średnio 6-500 mW, wysoko >500 mW)

- sposób modulacji pracy (ciągły, impulsowy).

W2 Zasada pracy lasera

Strumień fotonów propagując się oscylacyjnie między zwierciadłami wzmacnia się w napompowanym ośrodku do stanu nasycenia. Przez częściowo przepuszczalne zwierciadło 2 wyprowadzana jest wiązka użyteczna λ. Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania. Zwierciadła rezonatora są sferyczne, aby uniknąć krytycznego warunku na równoległość zwierciadeł płaskich. Rezonator optyczny = laser (emisja promieniowania) Wzmocnienie spowodowane emisją wymuszoną > straty Straty-> rozproszenie, odbicia, dyfrakcja, grzanie ośrodka, mechaniczna niestabilność ośrodka Rezonator:    

Zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne (wzmacniacz staje się generatorem) Wymusza oscylacje na częstotliwościach rezonansowych (powstają mody – fale stojące) Ingeruje w szerokość połówkową linii emisji (im lepszy rezonator, tym węższa linia – monochromatyczność) Ingeruje w geometrię wiązki (kolinearność, wpływ na spójność)

Rezonatory:  

Zewnętrzne – zwierciadła oddalone od granic ośrodka czynnego (zwierciadła sferyczne, polaryzacja liniowa) Wewnętrzne – ograniczają ośrodek czynny (zwierciadła płaskie, światło wychodzące niespolaryzowane)

Modowość wiązki laserowej Oscylacyjna propagacja promieniowania w rezonatorze tworzy zbiór interferujących wiązek. Ich wzmocnienie jest możliwe tylko przy pełnej zgodności faz między nimi. Rozkłady pola niespełniające warunku zgodności faz są tłumione. Mody – konfiguracje pola spełniające warunek zgodności faz dla określonej długości fali  

Poprzeczne – rozkłady przestrzenne TEM (poprzecznego pola elektryczno-magnetycznego) Podłużne – widmo wiązki dla danego modu poprzecznego

W rezonatorze wzmocnieniu ulegają tylko te długości fali λ, które spełniają warunek fali stojącej: 𝜆 𝑛 =𝐿 2

Mod poprzeczny – fala stojąca powstająca wzdłuż osi rezonatora, charakteryzowana przez długość λ i liczbę całkowitą n Całkowita szerokość linii emisji wymuszonej zależy od liczby modów podłużnych N, dla których zachodzi akcja laserowa. Poszerzenie pojedynczej linii zależy od: 

Dobroci rezonatora Q

 

Stopnia inwersji obsadzeń Mocy lasera pompującego P

Dobroć rezonatora Q:

Im wyższa dobroć monochromatyczność)

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑧𝑔𝑟𝑜𝑚𝑎𝑑𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑤 𝑢𝑘ł𝑎𝑑𝑧𝑖𝑒 𝑄 = 2𝜋 ∙ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑐𝑜𝑛𝑎 𝑤 𝑐𝑖ą𝑔𝑢 1 𝑜𝑘𝑟𝑒𝑠𝑢

rezonatora,

tym

mniejsza

szerokość

linii

emitowanej

(większa

𝑄 = 2𝜋𝜈𝜏𝑐

𝜏𝑐 – czas życia fotonów (gęstość zmagazynowanej energii zmaleje e razy) Warunek stabilności rezonatora: 0 ≤ 𝑔1 𝑔2 ≤ 1 Gdzie:

𝑔𝑖 = 1 −

𝐿

𝑅𝑖

i=1,2

Stabilność rezonatora zależy od jego zdolności utrzymania promieni świetlnych w jego wnętrzu po wielokrotnych odbiciach od zwierciadeł. Rezonator konfokalny – 2 zwierciadła sferyczne znajdujące się w odległości równej promieniowi krzywizny zwierciadeł

Rezonatory ze zwierciadłami: Płaskorównoległymi

sferycznymi

poza kreskami duże straty

Mod poprzeczny podstawowy TEM00 Jeżeli w pewnej płaszczyźnie Pp (z=0) mamy rozkład amplitud: 𝑟

2

𝑉 = 𝑉0 𝑒𝑥𝑝 [− ( 𝑤 ) ] – obrotowa symetria 0

To dla średnicy rozkładu 2w0 >> λ równanie wiązki gaussowskiej w przestrzenie przyosiowej

Kąt rozbieżności θ Wiązki gaussowskie nie są rozbieżne liniowo. W pobliżu lasera kąt rozbieżności jest bardzo mały, w dużej odległości od lasera kąt rozbieżności osiąga wartość θ. 𝜃 = lim

𝑧→∞

𝑤(𝑧) 𝜆 = 𝜋 ∙ 𝑤0 𝑧

Iloczyn średnicy przewężenia i kąta rozbieżności jest stały dla ustalonej długości fali promieniowania. Oznacza to, że nie można wygenerować wiązki gaussowskiej o dowolnych wartościach 2θ i 2w0 dla ustalonego λ, co określone jest przez niezmiennik wiązki gaussowskiej

𝐷 2𝑤0 = 2√ 𝑘

𝜃 ∙ 𝑤0 =

2𝜃 =

4

√𝑘𝐷

𝜆 𝜋

𝑠𝑡ą𝑑:

8 4 2𝑤0 ∙ 2𝜃 = − 𝜆 𝑘 𝜋

Zmniejszenie średnicy przewężenia 2w0 powoduje jednoczesne powiększenie kąta rozbieżności 2θ. Jednoczesne zmniejszenie 2θ i 2w0 jest możliwe tylko przez wybór lasera generującego promieniowanie o krótszej długości fali λ. Odległość Rayleigha zR – odległość od przewężenia wiązki do punktu, w którym promień wzrósł √2 raza. 𝑧𝑅 =

𝜋 ∙ 𝑤02 𝜆

Pojęcie modu promieniowania Dla rezonatora otwartego TEMm,n,K m,n – konfiguracja przestrzenna, K – długość fali λ W paśmie optycznym liczba K jest duża i nieznana, dlatego rozróżnia się:  

Mody poprzeczne TEMm,n Mody podłużne związane z długością fali λ

Najczęściej mówi się o modach, mając na myśli mody poprzeczne dla nieokreślonego modu podłużnego. Rozkład amplitud dla modu TEM1,0

Wiązki Hermita-Gaussa (współrzędne kartezjańskie)

We współrzędnych cylindrycznych właściwych dla symetrii cylindrycznej (światłowody, rezonatory sferyczne, rury i pręty laserowe w kształcie cylindrów). Wiązki Lagera-Gaussa:

Rodzaje zagrożeń: oczy, skóra, chemiczne, elektryczne, ogień

Zagrożenia:    

Ultrafiolet – rumień, działania rakotwórcze, przyspieszone starzenie skóry (180-315nm) Bliski ultrafiolet – oparzenie skóry, ciemnienie pigmentu (315-400nm) Widzialne – oparzenie skóry, reakcje fotoczułe (400-780nm) Podczerwień – oparzenie skóry (780nm-1mm)

Cytotoksyczność promieniowania UV:   

Ma mutagenny wpływ na komórki Efekty działania UV na komórki żywe i tkanki biologiczne są inicjowane przez fotochemiczne reakcje chromoforów zawartych w komórkach Absorpcja UV (240-260nm) przez DNA prowadzi do zmian chemicznych w jego strukturze

Zagrożenia chemiczne: niektóre materiały zastosowane w laserach (np. excimer, barwnikowe i chemiczne lasery) mogą być zagrożeniem. W dodatku laser może indukować niebezpieczne gazy (Fluorine gaz tanks). Zagrożenia elektryczne: porażenie elektryczne może być wywołane przez wszystkie lasery, lecz w szczególności przez lasery wysokoenergetyczne. Maksymalna Dopuszczalna Ekspozycja (MDE) Wartości MDE reprezentują maksymalny poziom napromieniowania, na który może być eksponowane oko lub skóra, bez wynikających z tego obrażeń (zarówno natychmiastowych, jak i pojawiających się po dłuższym czasie). MDE zależy od:     

Długość fali promieniowania Czas trwania impulsu i czas ekspozycji Widmo spektralne, jeśli tkanka eksponowana jest na więcej niż jedną długość fali Rodzaj tkanki narażonej na obrażenie Rozmiar obrazu na siatkówce oka (w przypadku promieniowania VIS i IR-A)

Wartość MDE to tylko przybliżone oszacowanie poziomu zagrożenia. W każdym przypadku ekspozycja na promieniowanie laserowe powinna być tak mała, jak tylko jest to możliwe. Wartości MDE dla rogówki przy bezpośredniej ekspozycji oka na promieniowanie są najbardziej rygorystyczne. Jeżeli oko zostaje eksponowane na światło z zakresu UV przynajmniej dwukrotnie w przeciągu 24h -> efekty wywołane pojedynczymi ekspozycjami mogą się dodawać. Granice Emisji Dostępnej GED Jest to maksymalny poziom promieniowania emitowanego przez urządzenie laserowe, dozwolony w obrębie danej klasy. Wartości GED odnoszą się do długości promieniowania laserowego i czasu trwania ekspozycji. Określone są przez wartości mocy [W], energii [J], natężenia napromienienia [W/cm2] lub napromienienia [J/cm2].

Parametry wyjściowe:    

Klasa bezpieczeństwa lasera Gęstość (strumień) mocy docierająca do rogówki [W/cm2] Maksymalny czas ekspozycji [s] Maksymalna dopuszczalna ekspozycja [J/cm2]

Różnice między promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych

Laser generuje promieniowanie w małym kącie rozbieżności.

Laser generuje promieniowanie w wąskim przedziale Δλ. W klasycznym źródle krótki impuls uzyskiwany przez migawkę – modulator Minimum Δt=0,1ns Cała energia promieniowania lasera w impulsie współcześnie Δt≈pojedyncze fm, fm≈10-15s

Laser -> uzyskano nieznane dotychczas możliwości zagęszczania energii w przestrzeni, widmie i w czasie. Teoretycznie takie same kąty rozbieżności, wąskie widmo i krótkie czasy impulsów można uzyskać za pomocą źródeł klasycznych, ale przy nieosiągalnych mocach źródeł. W3 Klasyfikacja ze względu na ośrodek aktywny:       

Lasery krystaliczne – np. rubinowy Lasery szklane – np. neodymowy Lasery gazowe – atomowe – np. helowo-neonowy Lasery gazowe-molekularne – np. CO2 Lasery barwnikowe Lasery chemiczne Lasery półprzewodnikowe

Lasery na ciele stałym Wzbudzenie jonów następuje na drodze optycznej, a emitowane długości fal zależą od struktury ch poziomów energetycznych. Ośrodki aktywne laserów oparte na jonach lantanowców pozwalają uzyskać dyskretne linie emisji. Lasery oparte na jonach metali przejściowych są przestrajalne w zakresie kilkudziesięciu-kilkuset nanometrów. Do tej grupy zaliczmy także lasery półprzewodnikowe, w których inwersje obsadzeni uzyskuje się na drodze wprowadzenia nierównowagowych ładunków elektrycznych – wzbudzanie prądem.

Laser rubinowy – substancją czynną jest kryształ korundu (trójtlenek glinu) z domieszką jonów chromu. Pompowanie optyczne odbywa się przy pomocy flesza. Lasery rubinowe pracują impulsowo, emitując światło czerwone o długości fali 694,3nm. Laser rubinowy jest laserem impulsowym o niskiej częstotliwości repetycji. Czas trwania pojedynczego impulsu jest rzędu milisekund przy energii 1J i średniej mocy impulsu rzędu kilowatów. Widzialne światło przenosi jony Cr3+ do stanów wzbudzonych E1 lub E2, gdzie żyją krótko (ok. 100ns). Laser rubinowy jest laserem trójpoziomowym – poziom E0 jest poziomem, z którego rozpoczyna się pompowanie i kończy akcja laserowa.

Schemat działania lasera rubinowego:    

Intensywny błysk światła z kwarcowej lampy błyskowej wzbudza niektóre atomy kryształu rubinu do wyższego stanu energetycznego Niektóre atomy wysyłają fotony, które następnie pobudzają inne atomy do wysyłania identycznych fotonów, w efekcie ilość fotonów gwałtownie wzrasta Lustra po obu stronach rubinu odbijają wielokrotnie powstałe fotony, zwiększając ilość identycznych fotonów Fotony wychodzą przez półprzepuszczalne lustro i otrzymujemy światło laserowe

Do wytworzenia inwersji obsadzeni potrzeba, aby połowa atomów została przeniesiona do stanu wzbudzonego, wymaga to bardzo dużych energii pompowania.

Zastosowanie: usuwanie wszelkiego rodzaju tatuaży, zarówno profesjonalnych, jak i powstałych w wyniku wypadku, likwidacja makijażu permanentnego oraz zmian pigmentacyjnych. Można również przeprowadzić epilację u pacjentów z jasnym typem skóry (I i II). Zabieg usuwania tatuaży polega na likwidacji pigmentu tatuażu poprzez rozbicie go falą uderzeniową energii lasera na fragmenty, które mogą zostać przyswojone przez fagocyty, część jest również usuwana poprzez formowanie się strupków. Mocne tatuaże wymagają kilku zabiegów ich usuwających. Czas, jaki należy dać skórze pomiędzy nimi to około 3-4 tygodnie. W tym okresie skóra goi się, a proces resorbcji kończy się. Duże kolorowe tatuaże wymagają kilku, a nawet kilkunastu zabiegów. Stopniowe działanie na tatuaż pozwala na uzyskanie skóry o naturalnej pigmentacji, bez bardzo widocznych blizn. Lasery szklane Laser neodymowy to laser szklany, w którym ośrodek czynny zawiera jony neodymu. Jony Nd3+ są wbudowane w szkło. W laserach zawierających pręt ze szkła neodymowego rozróżnia się następujące rodzaje generacji:  

Generacja swobodna – w postaci impulsu, który z kolei składa się z wielu nieregularnych, krótkich impulsów Generacje z przełączeniem dobroci rezonatora – powodujące zawężenie impulsu swobodnej generacji i wzrost jego mocy lub generację ciągu regularnych impulsów kilkusekundowych

Laser neodymowy pompowany jest optycznie za pomocą lampy błyskowej lub diody luminescencyjnej ze stanu podstawowego E0 do stanu wzbudzonego E4. Inwersja obsadzeni dokonuje się między

stanami E3 i E2 i tu zachodzi akcja laserowa powodując emisje promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni (1064nm).

Laser KTP o długości fali 532 nm, zwany popularnie laserem zielonym, jest po prostu laserem Nd:YAG, do którego dodano kryształ podwajający częstotliwość, zbudowany z fosforanu potasowotytankowego (KTP). Dodatek KTP, poprzez zdwojenie częstotliwości, powoduje znaczące zmniejszenie mocy wyjściowej urządzenia i przesunięcie fali światła ze spektrum niewidzialnego do spektrum zielonego. Laser KTP produkuje zatem światło zielone (stąd jego nazwa), które jest w znacznie większym stopniu absorbowane przez tkanki niż w przypadku lasera Nd:YAG. Lasery przestrajalne na ciele stałym (wibrynowe) Poszerzona linia fluorescencyjna powodująca przestrajalność lasera jest wynikiem silnego sprzężenia między elektronami i drganiami sieci krystalicznej, która otacza domieszkowany jon. Laser tytanowo-szafirowy (Ti3+ :Al2O3) obszar widmowy – 690-1080 nm Lasery półprzewodnikowe Budowa lasera półprzewodnikowego podobna jest do budowy diody elektroluminescencyjnej. Akcja laserowa wymaga uzyskania inwersji obsadzeni oraz realizacji dodatniego sprzężenia zwrotnego inwersja obsadzeni w warstwie zubożonej może być uzyskana poprzez intensywne wstrzykiwanie elektronów i dziur. Lasery półprzewodnikowe są przyrządami o progowych charakterystykach. Dla prądów o wartościach poniżej progowego dominuje emisja spontaniczna. W tym obszarze laser pracuje w trybie diody elektroluminescencyjnej. Po przekroczeniu prądu progowego zaczyna dominować emisja wymuszona i pojawia się akcja laserowa.

Laser gazowy to taki laser, w którym ośrodkiem czynnym jest gaz, mieszanina gazów lub mieszanina gazów i par metalu. Szczególną cechą takiego ośrodka aktywnego jest mała gęstość - w rezultacie widmo energetyczne cząsteczek aktywnych (atomów, jonów, molekuł) nie ulega zniekształceniu na skutek oddziaływania z sąsiednimi cząsteczkami aktywnymi. Dlatego też poziomy energetyczne w widmie gazów są wąskie, co pozwala skoncentrować energię promieniowania lasera gazowego w kilku lub nawet jednym modzie wzdłużnym.

Lasery atomowe Laser z mieszaniną helu i neonu He-Ne emitujący promieniowanie długości 632,8 nm. Po wyładowaniu elektrycznym atomy helu przechodzą do stanu wzbudzenia, a następnie poprzez zderzenia przekazują energię atomom neonu. Laser helowo-neonowy Mieszanina helu i neonu w stosunku 10:1, zamknięta w rurze ze szkła kwarcowego      

Między końcami rury przyłożone jest napięcie Powstaje pole elektryczne, które przyspiesza elektrony i jony do dużych prędkości Rozpędzone elektrony uderzają w atomy helu Wzbudzają je na poziomy energetyczne E1 i E2 (metatrwałe) Wzbudzone atomy helu uderzając w atomy neonu przenoszą je na metatrwałe poziomy energetyczne E’1 i E’2, przekazując im swoją energię wzbudzenia Wracają wtedy na podstawowy poziom energetyczny

Laser helowo-neonowy jest laserem o pracy ciągłej. Substancją roboczą wewnątrz rury próżniowej jest mieszanina neonu i helu w stosunku od 1:5 do 1:20 pod ciśnieniem rzędu jednej dziesiątej kPa. Typowa rura wyładowcza ma średnicę od 2 do 8 mm i długość od 10 do 100 cm. Typowy prąd wyładowania wynosi od 5 do 100 mA (przy wyładowaniu ciągłym jarzeniowym). Temperatura gazu wynosi ok. 400 K. hel wzbudzany jest do wyższego stanu przez wyładowanie elektryczne za pomocą elektrod. Akcja laserowa trwa tak długo, jak długo istnieje wyładowanie jarzeniowe. Lasery molekularne Laser CO2 10,6 µ laser CO ok. 5,3µm lasery ekscymerowe Generacja akcji laserowej następuje w wyniku oscylacyjno-rotacyjnych przejść cząsteczek. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść oscylacyjnych generują promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni, zarówno w sposób ciągły, jak i impulsowy. Główne linie: 1060 nm i 960 nm oraz 500-600 nm.

Rodzaje laserów CO2:     

Z gazem czynnym znajdującym się w szczelnie zamkniętej kolumnie wyładowczej Falowody Z osiowym przepływem gazów Z poprzecznym przepływem gazów Poprzecznie wzbudzane pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego

Laser jonowy Laser jonowy jest laserem gazowym, na ogół o pracy ciągłej, w którym ośrodkiem czynnym są jony gazów szlachetnych lub pary metali takich jak: ksenon, krypton, argon, neon, a także chlor, pary fosforu czy siarki. Inwersję obsadzeni osiąga się na skutek wzbudzenia jonów na wyższe poziomy energetyczne w procesie ich zderzeń z wolnymi elektronami tworzącymi się w wyładowaniu elektrycznym. Przed wzbudzeniem poziomów jonowych gaz ulega jonizacji. Jonizację taką wywołuje przepływający przez gaz prąd, od wartości którego w dużym stopniu zależy wyjściowa moc laserów. Największą moc (kilkaset W) otrzymano m. in. na jonach argonu i kryptonu.

Lasery ekscimerowe Emitują promieniowanie impulsowe z zakresu nadfioletu. Ośrodkiem czynnym jest mieszanina gazów szlachetnych i halogenów, które tworzą krótko żyjące, niestabilne halogenki gazów szlachetnych (ArF, KrF, XeF, XeCl). Pompowanie lasera, które powoduje powstawanie ekscimeru w stanie wzbudzonym jest realizowane poprzez:   

Wyładowanie elektryczne w gazie Wzbudzenie wiązką elektronową Wzbudzenie mikrofalowe

Lasery cieczowe Lasery chelatowe (metaloorganiczne), których optyczne pompowanie przeprowadza się w zakresie UV. Do tej grupy zalicza się również lasery barwnikowe, w których ośrodek aktywny jest oparty na substancjach organicznych złożonych w głównej mierze z pierścieni benzenowych i pirydynowych rozpuszczonych w rozpuszczalniku. Lasery barwnikowe umożliwiają uzyskanie akcji laserowej w całym widmie...