เทคโนโลยเีลเซอร์

โดย

ดร. สุกญัญา เตชะไตรภพ

ประโยชน์ของเทคโนโลยเีลเซอร์Contents:

•Laser Theory:

– Spontaneous Emission– Stimulated Emission– Amplification / Radiation

•Light source

•Properties of Laser

•Applications of Laser: Material Processing, Storage,Medical, Display, Telecommunication, Biophotonics,Optical computer

•Trend

Definition of Laser

Light Amplification Stimulated Emission ofRadiation

Spontaneous Emission

•Excited atoms ใหแ้สงออกมาไม่พร้อมกนั ไม่มีความสัมพนัธ์ซึ$ งกนัและกนั

•แสงที$ไดจ้ึงไม่มีความสัมพนัธ์กนั ต่างความยาวคลื$น ต่างทิศทาง

Incoherent light

SUN Flash Light

Stimulated Emission by Albert Einstein 1916

•Excited atoms ถกูบงัคบัใหป้ลดปล่อยพลงังานพร้อมกนั ที$ความยาวคลื$นเดียวกนั

•แสงที$ได้ เหมือนกนัทุกอยา่ง

Coherent light

Laser

Spontaneous/Stimulated Emission

Amplification

•Stimulated emission can amplify light.

•Duplication is perfect; photons are clones

– Wavelength

– Phase

– Polarization

Laser Medium สารเลเซอร์

กระจกLaser Medium สารเลเซอร์

@Laser medium

โดยกระจกเป็นตวัช่วย

Radiation

Photon inside the laser resonator radiated partial energy from the laser cavity.

แสงส่วนใหญ่ถกูกกัอยูภ่ายในระบบ และแสงที$หลุดลอดออกมาและถกูนาํไปใชง้าน -แสงเลเซอร์

กระจกหนา้Laser Medium สารเลเซอร์

กระจกหลัง

Fiber Laser

•Ytterbium-fiber laser: 1035 nm, Pump 975: Quantum defect 6% Yb fiberLaser: 978->1018 nm ->1070 •1400 nm improve the safety margin of the retinal damage by 100 to 1000 time. •Thulium (Tm) fiber:~2000 nm Single photon 790 nm excites two Tm atoms: QE 40% to 80%

Ruby Laser

First working laser: Ruby Laser byTheodore Maiman

Light Source

SUN Flash Light Laser

Light Source Light Power Power Density

Sun 1026 Watt 5 x 102 Watt/cm2

100 Light Bulb 3 Watt 10-2 Watt/ cm2

He-Ne Laser 1 mWatt 4 x 104 Watt/ cm2

Fiber Laser 20 Watt 8 x 108 Watt/ cm2

Pulsed Laser 1 GWatt 1014 Watt/ cm2

Properties of Laser

•Coherence (Time/Space)

•High power density

•Directionality เดินทางเป็นเส้นตรงไดร้ะยะทางไกล ๆ

•Brightness �Dangerous to eyes

•Monochromatic

Monochromatic Light with a singlewavelength is calledmonochromatic light.

ตามนุษย ์กบัสิ$งที$เป็น???

PURE

สิ�งที�เรียกว่าเลเซอร์

Laser produces intense, coherent, monochromatic parallel beam.

นาํไปสู่การประยกุตใ์ชง้านอยา่งกวา้งขวาง

Biophotonics

Biophotonics = Biology + Photonics

ใชโ้ฟตอนไปทาํการศึกษา-ดู (Detect) โครงสร้าง การทาํงาน สร้างภาพ (Image) ควบคุม (Control) biological material and process

โดยใชเ้ทคนิคของโฟโตนิกส์ที$ถูกนาํมาใชค้ือ :

Emission, Absorption, Radiation, และอื$นๆ

ขนาด : organs /Tissues/Cells/Molecules

ข้อจํากดัทางเทคนิค และขนาด

Fluorescence and Emission Spectrum

Figure: www.probes.com Figure: W.E. Moerner and M. Orrit, Science 283, 1670 (1999)

วเิคราะห์สญัญาน Fluorescence ทางแสงของ single molecule โดยดูจาก -การ absorption and emission dipole moment (polarization)

-ระยะเวลา fluorescence หรือ excited state lifetime

-ดู spectral emission ที$ได ้

Absorption

Emission

วเิคราะห์ขอ้มูล Absorption และ Emission ของ Tissue

Information about thebiochemical composition oftissue can be obtained byanalyzing its absorption andfluorescence spectra

Thomas Huser, Introduction of Biophotonics

ตัวอย่างภาพที�ได้จาก Fluorescence

ภาพAutofluorescence ของ human kidney tubules : แสงตกกระทบที� 532 nm : ให้แสง emission ที� 700-1000 nm

Thomas Huser, Introduction of Biophotonics

Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (TIRFM)

TIRFM เพิ$ม contrast ใหก้บัภาพของcell

Thomas Huser, Introduction of Biophotonics

เทคนิคทางแสง ให้คณุภาพของ Image ที�ดกีว่า

Thomas Huser, Introduction of Biophotonics

ใชแ้สงเพื$ม label proteins in cells

Absorption spectrum

Emission spectrum Beta-can structure of thegreen fluorescent protein (GFP)from the jellyfish Aequorea victoria

Thomas Huser, Introduction of Biophotonics

Interaction of Laser Light with Tissue

� Photothermal effect

� Photomechanical effect

� Photochemical effect

� Photoablative effect

Photothermal Effect

� Rise in temperature following

absorption of laser energy, potentially denaturing proteins and inactivating

enzymes.

� Tissue whitening due to

increased optical scattering

� Tissue shrinkage

Photochemical Effect

Photochemical effects occur when a laser beam’s photons interact with tissue cells. Photon interactions can result in changes in cell chemistry, or the conversion of individual molecules to one or more different chemical molecules, which in turn may result in damage to cells and tissue. Photochemical effects depend greatly on wavelength.

Photoablative Effect

� Explosive vaporization of intracellular water(Water undergoes a x1000 increase in volume on vaporization)� Tissue water acts as a heat-sink, limiting the temperature to 1000C� The remaining tissue is thermally coagulated to a shallow depthAblationis removal of material from the surface of an object by vaporizationprocesses.

Photomechanical Effect

Laser fragmentation of a kidney stone

Effect of Q-switch treatment laser on a tattoo

Laser Absorption and Tissue Penetration

Wavelength Specific Therapy

For muscle-healing application: Laser 830 nm penetrates skin to the depth 2”.

532 nm: Center portion650 nm: บริเวณขอบ940 nm: Outside wound

Laser Wavelength and Tissue Absorption

Anatomy of Eye

� Cornea = Lens Cover

� Iris and Pupil = Aperture of Camera

� Lens = Camera’s Lenses

� Retina = Camera’s Film

Four Vision Problems

Myopia สายตาสั6น� Nearsightedness

� Nearby objects can be seen perfectly

while objects at distance appear blurry

� Light rays occur in front of retina

Four Vision Problems Continued

Hyperopia สายตายาว� Farsightedness

� See objects at distance more clearly

Than nearby objects

� Light rays focus behind retina

Astigmatism� Both objects far and near appear blurry

� Light focuses on multiple area

Four Vision Problems Continued

Presbyopia� Common vision problem for

old age

� Dependent with reading glasses

� Human eye loss flexibility of the lens

� Weakening in the muscle

Four Vision Problems Continued

LASIK

Laser-Assisted In Situ Keratomileusis

� Changes the shape of the cornea, the clear covering of the front of the eye, using an excimer laser

LASIK continued

Uses a knife, called a microkeratome,

to cut a flap in the cornea

LASIK continued

� The excimer laser is then

� used to remove tissue and

� reshape the center of thecornea.

Material Processing

•Laser Welding

•Laser Marking

•Laser Cutting

•Laser Polishing

•Laser Cladding

•Laser Cleaning

•Laser Drilling

Laser Welding: metal, plastic, glass

•ไม่ทาํความเสียหาย (โดยความร้อน เปลี$ยนรูป บิดตวั) ใหก้บัสิ$งที$อยูใ่กลเ้คียง

•รอยเชื$อมเลก็ heatand localizedmelting

•บริเวณทาํการเชื$อม ไม่สามารถดว้ยวธิีเดิม-ลึก บาง ผา่นหลายชั6น

Material

การประกอบชิ6นงาน รอยเชื$อม ความลึก Speed

ตัวอย่างการเชื�อมงานด้วยเลเซอร์

Stainless หนา 0.25 mm: รอยเชื$อม หลงัจากขดัแลว้

Old Tech: UV or Solvent (One side UV, anther side solvent) ->นาน ยาก ยุง่ยาก ของเสียมากNew: Laser welding

Laser Cutting

Gas is needed to aid the cutting operation and to protect the optic from “spatter”.

Nitinol stent: Dia: <2 mm

Welding/Cutting/Marking Airbag

Laser Assisted Metal and Plastic (LAMP)

Micro polishing

TiAl6V was polished with fiber couple Nd:YAG laser 70-300 W.Process time: 10-200 sec/cm2

Data Storage

�Numerical aperture (NA)เพิ$มขึ6น ทาํให ้beam สามารถถูกโฟกสัใหม้ีขนาดเลก็ลง

2NA

D

λ

π�

2NA

D

λ

π�

NA ~ πD2λ

15 GB (sl) 25 GB (sl)0.7 GB

หนังสืออ้างอิง•www.intel.com

•Laser Focus World Magazine

•Industrial Laser Solutions for Manufacturing

•Laser Processing of Engineering Material by J. C. Ion

•Fiber Optics Communication Systems by G. P. Agrawal

•Laser knowledge –Any book

•Wikipedia

•เลเซอร์ฟิสิกส์ โดย ศ. ดร. วฑุฒิ พนัธุมนาวิน

•Optical computers

-Debabrata Goswami

-NASA group (H. Abdeldayem, D. O. Frazier, and etc.

References continued

•Laser Focus World Magazine

•Food and Drug Administration. <www.fda.gov>

•The Physician and Sports Medicine. <www.physsportmed.com>

•www.avclinic.com

•www.eyesearch.com

•www.emedicine.com

•www.foreyesight.com

•American Academy of Ophthalmology www.aao.org/

•http://ezeedictionary.com/forum/showthread.php/6650-Image-Mnemonic-For-The-Word-MYOPIC