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