laseri

Student:Student:Nemanja GazivodaNemanja Gazivoda

Profesor:Profesor:

dr. Vesna Spasidr. Vesna Spasić ć

JokićJokić

Fakultet tehničkih nauka, Katedra za električna merenja 18. mart 2009.

SadržajSadržaj

-4--4-

-5--5-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

Sadržaj:

LaseriLaseri


-1- Istorija nastanka lasera

-2- Razvoj laserske tehnologije

-3- Fizički osnovi laserskog zračenja

-4- Karakteristike snopa laserskog zračenja

-5- Vrste lasera

-6- Primena lasera u medicini

-7- Sigurnosni aspekti primene laserskog zračenja u medicini

-8- Literatura-3--3-

-2--2-

-1--1-

Istraživanja koja su prethodila nastanku lasera proizilaze iz grane fizike poznate pod imenom kvantna mehanika.

1900. godine Maks Plank (Max Planck) je postavio hipotezu da pobuđeni atom zrači energiju u diskretnim paketima, koje je nazvao kvantima, a ne kontinuirano kao što je to objašnjavala tada raširena teorija elektromagnetskog zračenja.

Pet godina kasnije Ajnštajn je izneo ideju o svetlosti koja se ne sastoji od talasa nego od energetskih ˝ paketa˝ (kasnije nazvanih fotonima) ; i nešto kasnije objašnjenje fotoelektričnog efekta (emisija elektrona iz materijala zbog upada svetlosnog zračenja na materijal, prvenstveno vidljive svetlosti).

Ali, čak pre nego što su fizičari prihvatili ideju da je svetlost istovremeno i talas i čestica, Ajnštajn je otkrio još jednu novu pojavu.

Prema modelu atoma kojeg je prikazao Nils Bor u nizu članaka 1913. elektron koji se kreće oko jezgra, ima određenu putanju (orbitu) koja zavisi od energije elektrona. Elektron može apsorbovati samo onu količinu energije koja mu je potrebna da iz jedne određene orbite pređe u drugu orbitu s većom energijom. Dalje je objasnio i pojmove inverzne naseljenosti atoma i stimulisane emisije fotona.

SadržajSadržaj

-1--1-Istorija nastanka lasera


LaseriLaseri

-4--4-

-5--5-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-3--3-

-2--2-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-Razvoj laserske tehnologije


Prijem APT telemetrijePrijem APT telemetrije sasa NOAA satelitaNOAA satelita

-5--5-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

Razvoj laserske tehnologije počinje 1951. godine.

1953. Čarls Tauners je osmislio napravu koju je nazvao MASER - pojačalo mikrotalasa (talasa u submilimetarskom delu spektra) stimulisanom emisijom zračenja (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Kako je Tauners dalje nastavljao eksperimente s MASER-om, bilo je sve jasnije da do stimulisane emisije može doći i na mnogo kraćim talasnim dužinama kao što su infracrveno talasno područje ili čak vidljiva svetlost.

1958. godine Tauners je zajedno sa Arturom Švalovim pokušao da da što potpuniju teoriju laserske akcije i oni kasnije objavljuju članak pod nazivom "Infracrveni i optički MASER-i".

Ovaj članak je inspirisao naučnike da pokušaju da konstruišu LASER - pojačalo svetlosti stimulisanom emisijom zračenja (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ; i to je 1960. godine pošlo za rukom fizičaru Teodoru Majmanu koji je napravio laser koristeći sintetički rubin.

Rani laseri su bili daleko od očekivanja. Stvaranje inverzne naseljenosti potrebne za nastajanje laserske akcije zahtevalo je tzv. optičke pumpe ili bljeskalice, tako da su umesto kontinuiranog svetla, laseri mogli proizvoditi samo pulseve energije. Efikasnost takvih lasera u pogledu iskorišćene snage bila je jako mala.

Drugu verziju lasera razvio je 1960. godine Ali Javan, koristio je staklenu cev punjenu mešavinom gasova helijuma i neona. Ovaj je laser zahtevao manje energije za rad i nije se pregrejavao. Međutim, staklena cev je istovremeno bila veoma masivna i lako lomljiva.

-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-Razvoj laserske tehnologije



-5--5-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

Prve lasere možemo uporediti s vakuumskim cevima koje su se nekada koristile u radio aparatima i prvim kompjuterima.

Od 1960. godine vakuumske cevi je zamenio tranzistor baziran na poluprovodničkim materijalima.

Mnogo vremena su naučnici proveli proučavajući poluprovodničke elemente i 1962. godine korišćenjem GaAs – galijum-arsenida je razvijen prvi poluprovodnički laser.

Međutim, jedan stari problem još uvek je postojao: pregrevanje. Laseri koji su napravljeni od jednog poluprovodnika, obično GaAs, nisu jako efikasni. Oni još uvek za pokretanje laserske akcije trebaju mnogo električne struje zbog čega se jako brzo greju, te je ponovo moguć samo pulsni režim rada lasera koji nije pogodan za primenu u komunikacijama.

Da bi se taj problem otklonio bilo je potrebno razviti višeslojni poluprovodnički laser s potrebnim vezama između atoma.

1967. godine istraživači Morton Paniš i Izuo Hijaši iz Bell-ove laboratorije predložili su mogućnost stvaranja prikladnog višeslojnog kristala koristeći modifikovani oblik GaAs, u kojem bi se neki atomi galijuma zamenili atomima aluminijuma - proces nazvan dopiranje.

Nakon nekoliko godina rada, put do lasera "čvrstog stanja"- malog poluprovodničkog aparata koji radi na sobnoj temperaturi- bio je otvoren.

-4--4-

-3--3-

-3--3-

Fizički osnovi laserskog zračenjaFizički osnovi laserskog zračenja



SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-5--5-

-4--4-

Laser jeste izvor i pojačavač veoma usmerenog snopa koherentnog svetla tj. koherentnog elektromagnetnog zračenja (infracrvenog, vidljivog i ultra-ljubičastog).

Rad samog lasera zasniva se na kvantiniziranim energetskim stanjima i kvantiniziranosti energije pri prenosu zračenjem.

Razmena energije zračenjem- kao što je rečeno, laser se zasniva na interakciji atoma ili molekula sa vlastitim zračenjem i makroskopskim rezonantnim šupljinama. U optičkom i infracrvenom delu spektra, emisija nastaje radijacijskim prelazima atoma iz stanja više u stanje niže energije. Emisija svetla nastaje kao posledica promene energije atoma ili molekula. Takva emisija svetlosti se može shvatiti kao zatvoreni sistem i tada se dolazi do zakonitosti koje tumače pojačanje svetlosti u atomskoj sredini. Razmena energije zračenja sa atomima ili molekulima dešava se apsorpcijom i stimulisanom emisijom zračenja. Ta se razmena može objasniti na jednostavnom modelu atoma sa dva energetska nivoa.

Ovaj model je okarakterisan stanjima Ψ1 i Ψ2 kao i energijama E1 i E2 . Prelaz iz stanja Ψ1 u stanje Ψ2 moguć je razmenom energije. Razmena energija jednaka je razlici E2 i E1 . Ona određuje frekvenciju emitovanog ili apsorbovanog zračenja:

-3--3-




SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-5--5-

-4--4-

E

E2

E1

Ψ2

Ψ1

Slika 1. Razmena energije apsorpcijom

Spontana emisija- javlja se sama od sebe. Atom u stanju Ψ 2 nakon vremena t (vreme života tog nivoa) prelazi spontano u stanje Ψ1 emitujući kvant energije W = hν. Verovatnoća tog prelaza i promene energije, Wse u vremenu, proporcionalna je Ajnštajnovom koeficijentu A21, koji je obrnuto proporcionalan vremenu života stanja Ψ 2:

-3--3-




SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-5--5-

-4--4-

Stimulisana emisija- dešava se kada na atom u pobuđenom stanju Ψ2 deluje zračenje sa određenom gustinom energije r. Verovatnoća stimulisanih prelaza proporcionalna je faktoru koji karakteriše atom, tj. Ajnštajnovom koeficijentu za stimulisanu emisiju B21 i gustini energije zračenja:

Apsorpcija- jeste suprotan proces. Na atom u niže pobuđenom stanju deluje zračenje sa gustinom energije r, te mu predaje kvant energije hv. Tada atom iz stanja Ψ1 prelazi u stanje više energije Ψ2. Verovatnoća tog prelaza proporcionalna je Ajnštajnovom koeficijentu za apsorpciju B12 i gustini energije zračenja :

Gore pomenute relacije važe za jedan atom ili jedan molekul. Međutim, u realnim situacijama radi se o grupi od N atoma (gustini atoma) u jediničnoj zapremini. Ako se na taj skup primeni model dva nivoa, tada će određeni broj atoma N2 biti u stanju Ψ2, a broj N1 u stanju Ψ1. Broj populacija jednak je ukupnom broju atoma u jediničnoj zapremini:

-3--3-




SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-5--5-

-4--4-

Optički rezonatori

Laser se sastoji od aktivnog sredstva, uređaja za stvaranje inverzne naseljenosti u aktivnom sredstvu (uređaja za pumpanje) i optičkog rezonatora.

Optički rezonator jeste šupljina ograničena reflektujućim pločama. Najjednostavniji je tzv. otvoreni rezonator, ograničen samo sa dve suprotno postavljene reflektujuće ploče.

Slika 2. Optički rezonator (http://www.ptb.de)

-3--3-




SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-7--7-

-8--8-

-5--5-

-4--4-

Optički rezonatori

Svrha lasera jeste pojačavanje koherentnog zračenja pomoću aktivnog sredstva u laseru. Upravo iz tog razloga, u samom rezonatoru se mora nalaziti dovoljna količina aktivnog sredstva. Pojačavanje zračenja treba da je u uskom pojasu frekvencija. To se ne može postići tzv. zatvorenim rezonatorom, koji za dobijanje zračenja određene frekvencije mora imati šupljine veličine reda talasne dužine, što nije pogodno za svetlosne frekvencije. U tom slučaju, u rezonatoru ne bi bilo dovoljno aktivnog sredstva, što bi prouzrokovalo rezonovanje na više frekvencija odnosno bio bi multimodan. Ovim se postiže veoma nizak nivo monohromatičnosti pojačanog zračenja.

Većina upotrebljavanih laserskih rezonatora ima ravna ili sferna ogledala, pravougaonog ili kružnog oblika, razmaknuta na udaljenost L, koje može biti od nekoliko mm do 1 m. Na osnovu toga rezonatore možemo podeliti na planparalelne, koncentrične (sferne), konfokalne i kombinovane.

-4--4-

Karakteristike snopa laserskog zračenja



-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-7--7-

-8--8-

Lasersko zračenje predstavlja elektromagnetno titranje. Međutim, svojstva kao što su monohromatičnost, koherentnost, usmerenost i luminacija laserskog zraka čine da je ono bitno drugačije od ostalih izvora.

Monohromatičnost - izvor zračenja je monohromatski ako emituje zračenje samo jedne frekvencije.

Koherentnost - postoje dva tipa koherentnosti: prostorna i vremenska. Prostorna koherentnost dvaju talasa T1 i T2, koji u trenutku t0 leže na istom talasnom nivou, znači da u tom trenutku između njh nema fazne razlike. Ukoliko te razlike nema u bilo kom trenutku t, tada je to prostorna koherentnost između dve tačke. Ukoliko ovo važi za bilo koje dve tačke na talasnom frontu, onda je to prostorna koherentnost.Vremenska koherentnost znači da se električno polje u nekoj tački snopa zračenja razlikuje u trenutku i za neku faznu razliku i da u trajanju fazna razlika ostaje ista za bilo koje početno vreme , tj. vremenska koherentnost traje samo za . Ako to važi za bilo koju vrednost T, elektromagnetni talas je potpuno vremenski koherentan. Ako to vredi za takvo da , tada je to delimična vremenska koherentnost. Ono što je važno naglasiti jeste da vremenska ne zavisi od prostorne koherentnosti.

Usmerenost - gasni laser se može smatrati izvorom ravnog talasa, te mu je faza jednaka preko celog preseka snopa.

Luminacuja ili svetljivost izvora svetla- definiše se kao svetlosni tok emitovanja iz jedne površine ploče po jedinici prostornog ugla. Iz ove definicije proizilazi da dva lasera iste izlazne snage i istog prečnika izlaznog, a razlitih divergencija snopa, imaju različite luminacije, tj. snop manje divergencije ima veću luminaciju. Intenzitet snopa se može povećati pomoću optičkog sistema, ali luminacija ne.

-6--6-

-5--5-

-5--5-

Vrste lasera



-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-8--8-

-7--7-

-6--6-

Gasni laseri - kod ove vrste lasera, aktivno sredstvo u kojem se pobuđuje inverzija naseljenosti jeste gas. Gasni laseri rade u veoma širokom području talasnih dužina, od vakuumsko-ultraljubičastog do infracrvenog dela spektra. Možemo ih podeliti u tri grupe:

-neutralni atomski laseri,- jonski i- molekulski laseri.

Čvrsti laseri (Solid State) - kada je reč o čvrstim laserima treba reći da se inverzija naseljenosti i laserska akcija odvijaju između diskretnih energetskih nivoa jona distribuiranih u nekom čvrstom sredstvu (Rubinski laser, stakleno-neodijumski, YAG – itrijum-aluminijum-garnet).

Poluprovodnički laseri (diodni laser).

Tečni laseri

-5--5-

Primena lasera u medicini



-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Laser je izvor zračenja koji se u medicini primenjuje za terapijske i dijagnostičke namene.

U kardivaskularnoj medicini laser se može koristiti za uklanjanje naslaga na zidovima krvnihsudova, uklanjanje ateroma ili trombova krvi. Neophodno je primeniti fiber-optička vlakna dabi se svetlosni mlaz usmerio na tačno određeni prostor. Najbolji rezultati se dobijaju primenomu koronarnim arterijama, a koristi se najčešće CO2 laser.

Laser se primenjuje i za uklanjanje malignih tumora u grudnom košu. Primenjuju se CO2 iNd:YAG laseri. U ovoj primeni lasersko zračenje se kroz bronhoskop dovodi fleksibilnimoptičkim vlaknima do željenog mesta, a pacijent je lokalno anesteziran.

U dermatologiji laser pokazuje odlične rezultate u uklanjanju pigmentiranog tkiva. Jednavažna primena Argonskog lasera je u otklanjanju promena ispod epidermisa. Argonski snopprolazi kroz epidermis (spoljni sloj kože) sa minimalnom apsorpcijom, a zatim je apsorbovanu kapilarima. Ta apsorpcija rezultuje koagulacijom krvi u kapilarima. Usecanje kože seobavlja CO2 laserom, ali ne postoje značajne prednosti u odnosu na primenu skalpela. Laserise mogu uspešno koristiti i za otklanjanje tetovaža, iako i posle primene ostaju promene nakoži.

U gastroenterologiji laser se koristi za operacije ulkusa (čira). Primenjuje se Argonski iNeodijum:YAG laseri, a primenjuje se endoskopski. Kritično krvarenje može biti kontrolisano u više od 70% slučajeva. Neodijumsko:YAG laser se koristi i za otklanjanje tumora na ezofagusu, ukoliko dimenzije tumora to omogućuju.

-5--5-




-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

U ginekologiji se laserom relativno jednostavno izvode intervencije na uterusu. Laser je sobzirom na mogućnost vrlo preciznog i lokalnog dejstva pogodan za otklanjanje koncentrisanihpromena i tumora. U ovoj metodi najčešće se koristi CO2 i Neodijum:YAG laser.

U oftamologiji se laser koristi za hirurške intervencije na retini (mrežnjači), za smanjenjeočnog pritiska pri katarakti, i neke druge primene. Najčešće se koriste argonski i kriptonskilaser.

Primene lasera su brojne i u neurohirurgiji, urologiji, otorinolaringologiji i drugimdisciplinama. Zaključak je da je laser pogodan hirurški alat koji smanjuje promene uokolini reza, rezultuje jako malim ožiljkom, obezbeđuje vrlo precizno doziranje i primenjujese sa velikom preciznošću. Laser skoro da nema nedostataka ako je njegova primenaindikovana.

-5--5-




-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Slika 3. Tabelarni prikaz često korišćenih tipova lasera u medicini

-5--5-

Sigurnosni aspekti primene laserskog zračenja u medicini



-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Posebna pažnja u medicini se mora posvetiti bezbednosti pacijenata, građana i osoblja koje može biti izloženo opasnostima koje se javljaju usled korišćenja nejonizujućeg zračenja, kao što je lasersko.

Najveći broj tehnika u laserskoj terapiji zasnovan je na fototermičkom efektu laserskog zračenja na supstancu. Pri ovom tipu elektromagnetna energija se transformiše u toplotu, a taj proces karakterišemo kao apsorpciju. Razni molekuli imaju različite apsorbcione karakteristike pa to omogućava selektivno delovanje. Selektivnost je od suštinskog značaja u biomedicinskim primenama.

Važan aspekt je lokalizacija efekta na određeni deo tkiva i smanjivanje uticaja na okolno tkivo.

Pri pretvaranju elektromagnetne energije u toplotu deo energije difunduje u okolni prostor. Ovaj problem se najlakše prevazilazi primenom kratkih epizoda zračenja, čime se ne daje vreme toploti da se prenese kondukcijom i konvekcijom.

Pri kratkotrajnoj primeni zračenja važno je voditi računa o tome da jako kratki periodi dovode do narušavanja monohromatičnosti.

Pored pretvaranja u toplotu postoji i direktni sudarni proces koji se kvalifikuje kao fotomehaničko dejstvo laserskog zračenja.

Jedan od vidova ovoga tipa dejstva javlja se kod vrlo brzih promena faznih stanja, na primer nagle sublimacije ozračenog dela supstance, gde dolazi do pojave udarnog akustičkog talasa. Ovi efekti u opštem slučaju nisu poželjni.

-5--5-




-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Međutim, ova pojava se može iskoristiti za transport terapijskih supstanci na nivou ćelije odnosno membrane.

Većina lasera primenjivanih u medicini emituju za ljudsko oko nevidljivo zračenje i za podešavanje sistema se primenjuju pomoćni laseri sa zračenjem iz vidljivog dela spektra (najčešće He-Ne laser) čiji snop se prostire paralelno snopu osnovnog lasera.

Jedan od važnih efekata kod primene laserskog zračenja u hirurgiji je kauterizacija neposredno uz zonu direktnog dejstva. Naime, na granici zapremine direktno izložene dejstvu dolazi do zatvaranja krvnih sudova kao posledica termičkog dejstva, što zaustavlja krvarenje. Međutim treba paziti na količinu energije koja se primenjuje jer bi moglo doći do oštećenja većeg dela okolnog tkiva usled toplotnog efekta.

Jedan od standardnih sistema sa pomenutim osobinama primenjivanih u hirurgiji predstavlja CO2 laser.

Veoma važan standard koji definiše bezbednost električnih uređaja koji se koriste u procesima nege i lečenja pacijenata je standard IEC 60601.

-5--5-




-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Zaštita od nejonizujućeg zračenja podrazumeva zabranu izlaganja zračenju iznad propisane granice i svako nepotrebno izlaganje, zatim sprečavanje svakog nepotrebnog zračenja tehničkim sredstvima (oklopljavanje), sprovođenje kontrole, nadzora i merenje nivoa zračenja, kao i korišćenje zaštitnih sredstava i opreme za bezbedan rad.

Upotreba zračenja je opravdana ukoliko je korist od njenog korišćenja veća od štete koja može nastati.

Svi podaci o zračenju bi trebalo da budu dostupni javnosti.

-5--5-

Literatura



-4--4-

-3--3-

SadržajSadržaj

-2--2-

-1--1-

-6--6-

-8--8-

-7--7-

Anić I, Pavelić B, Matsumoto K. In vitro pulp chamber temperature rises associated with the argon laser polymeraziation of composite resin. Lasers in Surg and Med 1996;19:438-444

Magazin *SciTech*, aktuelnosti iz nauke i tehnologije, strana 61-63, januar 2005.

William T. Silfvast: Laser Fundamentals, Cambridge university press 2004

Fundamentals of Semiconductor Lasers, Takahiro Numai, Springer, 2004.

Lasers in Medicine, Ronald W. Waynant, 2001

laseri

Documents

8fakultet

fakultet tehnikih

stimulisanom

gustini energije

tada je

primena lasera

yag laseri

jedininoj