LASER (LIGHT AMPLIFICATION by the STIMULATED EMISION of RADIATION)

LASER

(LIGHT AMPLIFICATION by the

STIMULATED EMISION of RADIATION

)

PODSTAWY FIZYCZNE DZIAŁANIA LASERÓW:



W atomach i cząsteczkach istnieje bardzo

wiele poziomów energetycznych i

nieskończenie wiele przejść między nimi.



Przejście z wyższego poziomu

energetycznego (En) do niższego (En-1)

wiąże się z utratą energii przez układ równą

En- En-1. Porcja tej energii wydziela się na

zewnątrz jako kwant promieniowania

hυ = h c/λ = En- En-1.



Długość fali (λ ) jaka może zostać

wygenerowana w wyniku tego przejścia

energetycznego równa się:

λ= h c /En- En-1



Wzbudzony atom lub molekuła w sposób

naturalny i szybki dąży do powrotu do

„normalności” (stanu podstawowego), co

odbywa się na drodze emisji spontanicznej.



Emitowane w wyniku emisji spontanicznej

światło jest sumą bardzo wielu fotonów

pochodzących z różnych przejść

energetycznych i mających różne długości fal

(we wszystkich możliwych kierunkach

generowana jest wiązka fotonów o różnych

energiach i różnych długościach fal - czyli

światło białe.



Warunki atomowe w których możliwe są tylko

czyste przejścia m-dzy dwoma wybranymi

poziomami daje efekt w postaci jednej barwy

promieniowania (światło monochromatyczne)

Akcja laserowa



Akcja laserowa wymaga wzbudzenia

ośrodka

laserującego

uzyskania

inwersji osadzeń

( liczba atomów lub molekuł w ośrodku

będących

którymś

wyższych

poziomów energetycznych jest większa

od liczby atomów na niższym poziomie

energetycznym)

Inwersję obsadzeń uzyskuje się przez

pompowaniu ośrodka.

Ważną rolę w procesie uzyskiwania akcji

laserowej

odgrywają

poziomy

krótkożyjące ( niestabilne) i trwałe

(długożyjące, metastabilne)

Pompowanie polega na przeniesieniu atomów z

poziomu podstawowego (E1) na najwyższy

poziom energetyczny(E3), krótkożyjący.

Po takim wzbudzeniu elektrony w atomach szybko

spadają

metastabilnego

poziomu

energetycznego (E2).

Dzięki długiemu czasowi życia liczba atomów na

tym poziomie energetycznego (E2) stale rośnie.

Gdy stanie się większa od liczby atomów w stanie

podstawowym następuje między tymi atomami

generacja dużej liczby fotonów w postaci

monochromatycznej

(jednobarwnej)

wiązki

promieniowania ( λ=hc /E2- E1)

Kwanty wymuszające o energii E2-E1 powstają

spontanicznie i są wystarczające do wyzwolenia

lawinowych przejść wymuszonych ze stanu E2

do E1 dając w efekcie dużą liczbę przejść

nowych kwantów o tej samej energii.

Najczęściej wykorzystywane są 3-4 poziomy

energetyczne, ich pompowanie odbywa się najczęściej

przez energię elektryczną lub świetlną.

eneria
wzbudzenia
ΔE= E

-E

Poziom
niestabilny

Poziom
metastabil
ny

Poziom
podstawowy

przejście
bezpromienis
te

ukierunkowan
e
prom.
laserowe
monoenerget
yczne
(E

-E

)

ZEWNĘTRZNE ŹRÓDŁA WZBUDZANIA OŚRODKA

LASEROWEGO:

prąd elektryczny, lampa łukowa, błyskowa, inny

laser, cząstki o wysokiej energii ( elektrony,

protony, jony, neutrony), promieniowanie

jonizujące, radiowe, UV.

MATERIAŁY CZYNNE ( OŚRODKI LASERUJĄCE):

gazy, ciecze, ciała stale np. kryształy

syntetyczne, szkło domieszkowane

odpowiednim pierwiastkiem np. neodymem,

erbem, holmem, półprzewodniki.

Zastosowany materiał aktywny decyduje o

długości fali generowanej przez dany laser.

UKSZTAŁTOWANIE OŚRODKA LASERUJĄCEGO :

szklane lub metalowe cylindry ( gazy, ciecze),

cylindryczny lub prostopadły pręt ( c. stałe).

LASERY ( PODZIAŁ)

lasery wysokoenergetyczne

– chirurgiczne

( hard lasers), moc > 500mW.

lasery niskoenergetyczne

– biostymulujące ( soft

lasers), moc do 5 mW.

lasery o średniej mocy

– od 6 do 500mW.

Lasery wysokoenergetyczne ( lancety laserowe)

używane są do destrukcji lub usuwania tkanek

, oprócz laserów o mocy ciągłej stosuje się

również lasery impulsowe, w których moc w

impulsie może dochodzić do milionów watów.

Lasery o małej i średniej mocy stosowane są do

biostymulacji ( najczęściej o mocy do

kilkudziesięciu watów)

Biostymulatory laserowe znalazły zastosowanie

m.in. w terapii bólu, medycynie sportowej,

dermatologii, reumatologii, stomatologii.

Stosowane obecnie lasery mogą generować

promieniowanie od zakresu tzw. próżniowego

ultrafioletu ( 157 nm), przez zakres widzialny (

385-760

nm)

dalekiej

podczerwieni

( >300μm).

Lasery emitujące fale krótsze niż ultrafiolet

nazywane

są

laserami

rentgenowskimi,

dłuższe

niż

podczerwień

laserami

generującymi fale milimetrowe.

Stosowanie różnych materiałów laserujących

( wzbudzone molekuły gazów,

ciecze, syntetyczne kryształy, półprzewodniki)

pozwala na uzyskanie tak różnych długości fal

promieniowania generowanego przez lasery.

WŁAŚCIWOŚCI ŚWIATŁA LASEROWEGO

MONOCHROMATYCZNOŚĆ i DUŻA INTENSYWNOŚĆ W

ODNIESIENIU DO JEDNOSTKI BARWY.

Światło lasera jest monochromatyczne, nie ulega

rozszczepieniu na pryzmacie, a cała moc lasera jest

wypromieniowywana przy jednej długości fali, co daje

temu promieniowaniu dużą intensywność w wąskiej linii

widmowej.

Np. Zwykła żarówka 250 W wypromieniuje cząstkę swojej

mocy przy każdej długości fali w zakresie widma od

200-1200 nm. Tymczasem laser argonowy

wypromieniuje światło o mocy 3W przy jednej długości

fali = 514,5 nm i przy tej długości fali będzie on 30 razy

mocniejszy od 250 W żarówki.

Monochromatyczność jest bardzo cenną cechą światła

laserowego, różne składniki tkanek mają różne krzywe

absorpcji promieniowania i dlatego można tak dobrać

długość fali emitowanego promieniowania, aby było ono

absorbowane tylko przez ten obszar, na który chcemy

oddziaływać.

WŁAŚCIWOŚCI ŚWIATŁA LASEROWEGO

MONOCHROMATYCZNOŚĆ

Zielone światło lasera argonowego 514,5 nm przenika

bez strat przez ciało szkliste oka, jest natomiast

absorbowane przez dobrze ukrwioną siatkówkę ( zakres

maksymalnej absorpcji dla hemoglobiny mieści się

między 400-590 nm) dzięki temu można ją przykleić do

dna oka (chirurgia okulistyczna).

Wysokoenergetyczny laser na parach CO2 emituje w

podczerwieni światło o λ= 10,6 μm ( 10 600 nm) – woda

główny składnik tkanek niemal całkowicie absorbuje tę

długość fali, dlatego jest on stosowany jako nóż

chirurgiczny, a w stomatologii do opracowywania

ubytków ( zamiast wiertła).

WŁAŚCIWOŚCI ŚWIATŁA LASEROWEGO

RÓWNOLEGŁOŚĆ, ZBIEŻNOŚC WIĄZKI
Średnica wiązki promieniowaniowania laserowego nie ulega

większym zmianom w miarę oddalania się od lasera,

pozwala to na przesyłanie wiązki laserowej na duże

odległości, można je również bez strat przesyłać przez

światłowody.

Mała szerokość spektralna ( 10-7nm) i mała rozbieżność

kątowa wiązki promieniowaniowania laserowego umożliwia

jej dodatkowe silne skupienie przez układ optyczny i

osiągnięcie małych rozmiarów plamki (oświetlanego

obszaru) nawet do kilku μm – po skupieniu można uzyskać

bardzo dużą gęstość mocy w oświetlanym punkcie .

Ta właściwość światła laserowego zapewnia realizację

skutecznego

noża

chirurgicznego

lub

precyzyjnego

narzędzia do opracowywania ubytków.

SPÓJNOŚĆ ( KOHERENTNOŚĆ)
Dla lasera długość spójności ( odległość dla której zachodzi

jeszcze interferencja) wynosi ok. 10km, dla izotopowej

lampy wyładowczej jedynie 80cm.

Ta właściwość pozwala na pomiary odległości czy długości

obrabianych przedmiotów.

ODDZIAŁYWANIE PROM. LASEROWEGO Z

TKANKAMI

W zetknięciu się światła laserowego z tkankami łącznie

zachodzą takie procesy jak:
Transmisja( przechodzenie)
Odbicie
Rozpraszanie
Absorpcja

Procesy te zachodzą łącznie zachodzą, ale do oddziaływań

biostymulacyjnych należy wybrać promieniowanie dla

którego dominują procesy efektywnej transmisji, a do

cięcia,

opracowywania

ubytków

itp.

powinien

dominować proces skutecznej absorpcji.

Stopień absorpcji fal świetlnych w tkance zależy od:

Budowy tkanki (zaw. wody, hemoglobiny)
Długości promieniowania laserowego
Użytej mocy i czasu naświetlania ( dawki dostarczonej

energii).

ODDZIAŁYWANIE PROM. LASEROWEGO Z

TKANKAMI

Przykładowe zakresy maksymalnej absorpcji :

woda, tkanki bogate w wodę – najsilniej absorbują fale

świetlne krótsze niż < 400nm i dłuższe od > 1000.

max. absorpcji -2900nm ( prom. lasera YAG-Er, syntetyczny

krysztal itrowo-aluminiowy z domieszką erbu), oraz

10 600 nm ( laser CO2).

hemoglobina - max. absorpcji – obszar między 400-590

nm, dobrym laserem do leczenia np. płytkich uszkodzeń

naczyń krwionośnych jest laser argonowy ( 488 nm),

barwnikowy ( 589 nm)

skóra - tkanka niejednorodna, w analizie spektralnej

wykazuje swoiste okienko optyczne - przedział od

550nm- 950nm, gdzie przenikanie wgłęb tkanek jest

maksymalne.

Poza tym obszarem promieniowanie jest absorbowane

przez wierzchnie w-wy skóry i nie ma efektu

stymulującego na tkanki leżące głębiej.

ODDZIAŁYWANIE PROM. LASEROWEGO Z

TKANKAMI

Penetracja ( głębokość wnikania ) promieniowania do

tkanek.

Np.
STOMATOLOGIA – istotna jest znajomość penetracji fal

świetlnych tkance kostnej( kość, szkliwo , zębina):

obszar widzialny, bliska podczerwień – fale wnikają na

kilka mm

promieniowanie podczerwone ( laser YAG, CO2) –

penetrują słabo na ok. 0,2 mm , są skutecznie

absorbowane, wykorzystywane zamiast wiertarek.

OKULISTYKA – impulsowy laser ekscimerowy ( na parach

chloru i ksenonu), 308 nm wnika w tkankę jedynie na

kilka μm; impulsy lasera odparowują jedynie cienkie w-

wy rogówki, pod wpływem ciśnienia wewnątrz gałki

ocznej i nacięć lasera zmienia się kształt rogówki i

korygowane są wady wzroku.

LASERY WYSOKOENERGETYCZNE

Są to lasery o dużej mocy, stosuje się krótki czas naświetlania.

Promieniowanie laserowe zaadsorbowane przez tkankę jest

zamieniane na ciepło, występują efekty fototermiczne i

fotojonizujące i usunięcie tkanki.

EFEKTY FOTOTERMICZNE :

nagrzanie tkanki do temp. 40ºC – zmiany odwracalne
temp. 42-45 ºC - denaturacja białka, rozkład makromolekuł DNA,

zmiany w strukturze chemicznej enzymów.

temp. 60-65 ºC - koagulacja tkanki ( agregacja molekuł,

żelowanie)

temp. 90 ºC - gwałtowne parowanie wody znajdującej się w

tkance.

temp.

>100

ºC

wrzenie

płynów

wewnątrz

zewnątrzkomórkowych, powstająca para rozrywa tkankę,

dalszy wzrost temperatury – jej zwęglenie i usunięcie.

laser CO2

( dobra absorpcja, małe rozpraszanie promieniowania

poza obszar zabiegu) – precyzyjne cięcie , usuwanie.

laser jagowo-neodymowy

– mała absorpcja, duży potencjał

rozpraszania energii, oddziaływanie na sąsiednie tkanki –

głęboki efekt koagulacji ( do 5mm), dobry do pracy w kanałach

zęba, zębinie , miazdze.

LASERY WYSOKOENERGETYCZNE

Laser chirurgiczny CO2
Model CTL-1401,
wersja stolikowa o mocy
12W

Najszersze zastosowanie lasera CO2 to
zabiegi na tkankach miękkich jamy
ustnej.

Zmieniająca się w ciepło zogniskowana
energia promieniowania wywołuje
kontrolowany efekt cięcia.
W zabiegach bezkontaktowego cięcia
laserem CO2 uzyskuje się działanie
hemostatyczne i sterylizujące.
Zmniejsza się także miejscowy odczyn
zapalny.

Działanie hemostatyczne lasera CO2 ma
szczególne znaczenie w zabiegach:

rozległych, związanych z dużą utratą

krwi

w obficie unaczynionych tkankach
u pacjentów z zaburzeniami układu

krzepnięcia

LASERY WYSOKOENERGETYCZNE

Laser Er:YAG,
Model CTL-1601

Laser jagowo-erbowy

Stosowany obróbki twardych tkanek zęba,
gdzie z powodzeniem zastępuje wiertarki
turbinowe.

Emituje falę o długości 2940 nm - najsilniej
ze znanych fal laserowych absorbowaną
przez wszystkie składniki twardej tkanki
zęba

Oddziaływanie  promieniowania  tego  lasera
na  tkankę,  jest  jednakowo  skuteczne  na
szkliwo,  zębinę  czy  cement,  ma  charakter
ściśle

fotoablacyjny

tzn. usuwanie twardych

tkanek ma formę "mikrowybuchów", przez
co zabieg jest praktycznie bezbolesny
nawet w przypadku odsłonięcia miazgi.

Laser  ten  pracuje  w  sposób  impulsowy  z
częstotliwością  w  zakresie  (1-10)Hz  i  już
przy  5  impulsach  na  sekundę  (5Hz)  można
usunąć warstwę zębiny grubości 0,3mm lub
warstwę  szkliwa  o  grubości  0,2mm.
Średnica  powstałego  przy  tym  krateru
wynosi typowo 0,5mm.

LASERY WYSOKOENERGETYCZNE

EFEKTY FOTOJONIZUJĄCE:

Zachodzą , gdy gęstość mocy prom. jest większa niż 10

W/cm2.

Tak wysoka gęstość mocy generuje silne pole elektryczne,

energia świetlna bezpośrednio zostaje zamieniona na energię

kinetyczną

rozrywającą

wiązania

między

atomami

( dysocjacja, jonizacja).

Następuje rozerwanie dużych łańcuchów organicznych tkanki

na drobne , lotne składniki ( fotoablacja, mikrowybuch).

Proces bardzo szybki, mimo lokalnie wysokich temperatur nie

dochodzi do przewodzenia na sąsiednie tkanki.

Efekt fotojonizacyjny osiągany jest łatwo za pomocą laserów

ekscimerowych np. ArF ( 193nm) dzięki tym laserom udaje

się usunąć chorą tkankę bez żadnego termicznego wpływu

na tkanki sąsiednie.

Zjawisko jest wykorzystywane do mikrochirurgii przedniego

odcinka oka, rozbijania złogów nerkowych, żółciowych,

rozbijania zatorów w naczyniach krwionośnych.

LASERY BIOSTYMULACYJNE

Lasery o małej mocy i stosunkowo długim

czasie

naświetlania

nie

powodujące

destrukcji tkanek, ale wyzwalające ich

biologiczną aktywność.

Podczas

przechodzenia

przez

tkanki

pojedyncze

kwanty

promieniowania

laserowego są absorbowane przez komórki,

co powoduje różne efekty biomagnetyczne,

bioelektryczne,

bioenergetyczne

biochemiczne w tkankach.

Stymulacja transportu elektronów w łańcuchu

oddechowym przez zaadsorbowany kwant

energii

powoduje

zwiększenie

syntezy

cząsteczek ATP i związaną z tym kumulację

energii.

LASERY BIOSTYMULACYJNE

Większy potencjał energetyczny wpływa korzystnie na

różne procesy zachodzące w komórkach:

przyspieszenie procesów mitozy,
wzrost, odżywianie
normalizacja potencjału membranowego komórki (gdy

w przypadkach patologicznych do wnętrza komórki

przenikają jony Na+, aby odwrócić ten proces komórki

potrzebują energii).

Pole elektromagnetyczne fali laserowej oddziaływując na

składniki

komórek

powoduje

ich

odwracalną

modyfikację, np. w przypadku białek enzymatycznych

będzie to wpływało na ich aktywność.

LASERY BIOSTYMULACYJNE

Powyższe efekty przenoszą się na sąsiednie komórki

powodując tzw. efekty wtórne.

Efekt przeciwbólowy – związany z oddziaływaniem

promieniowania laserowego na komórki nerwowe,

następuje

stymulacja

regeneracji

obwodowych

aksonów po uszkodzeniu nerwów, wzrost wydzielania

endorfin zmiana stężenia transmiterów w synapsach.
Efekt przecizapalny – związany z rozszerzaniem

naczyń krwionośnych i poprawą mikrokrążenia,

przyspieszeniem resorpcji obrzęków i wysięków,

stymulowaniem migracji makrofagów.
Efekt stymulacyjny – poprawa krążenia, lepsze

odżywianie

regeneracja

komórek,

stymulacja

biosyntezy białka.

Po terapii laserem obserwuje się wzrost komórek

nerwowych, fibroblastów, włókien kolagenowych,

regeneracje naczyń krwionośnych.

LASERY BIOSTYMULACYJNE

Stomatologia

Zastosowanie lasera biostymulacyjnego przed rozpoczęciem

opracowywania ubytku próchnicowego podnosi próg bólu i

czyni zabieg znacznie mniej bolesnym.

Lasery te są bardzo użyteczne w zabiegach przeciwbólowych

np. przy ropniach przyzębia, paradontopatiach, obrzękach,

opryszczce wargowej, zapaleniach miazgi.

Światło typowych laserów biostymulacyjnych ma moc od 1 do

500mW.

W stomatologii znajdują one zastosowanie głównie w nieinwazyjnym

leczeniu

chorób błony śluzowej, znieczulaniu i zatrzymywaniu

krwawienia.

Promieniowanie laserowe poprzez swoje właściwości sterylizujące

działa

przeciwzapalnie i przeciwobrzękowo.

Skutecznie aktywizuje

regenerację komórek

Dzięki zwiększeniu produkcji przeciwciał

pobudza system

immunologiczny.

Promieniowanie tego lasera powoduje

zanik objawów szczękościsku

LASERY BIOSTYMULACYJNE

Stomatologia

Zastosowanie lasera poprawia terapeutyczne skutki

zabiegów, zmniejsza ryzyko infekcji, przyspiesza

regenerację uszkodzonych tkanek.

WSKAZANIA:



stany zapalne miazgi, zatok, zębodołu,



choroby dziąseł, przyzębia i błony śluzowej jamy ustnej



grzybica jamy ustnej



bóle w stawach skroniowo-żuchwowych,



odczulanie odsłoniętej zębiny



ból i obrzęk pozabiegowy,



opryszczka, afty,



zapalenie ślinianek,



likwidacja szczękościsku,



gojenie zębodołu po ekstrakcji,



ból i obrzęk po złamaniach szczęki



przyspieszanie gojenia po tradycyjnych zabiegach

chirurgicznych w jamie ustnej

Laser

biostymulacyjny

Model GALA-2100

LASERY BARWNIKOWE

Materiałem czynnym jest roztwór barwnika

, szczególną cechą tych

laserów jest możliwość przestrajania emitowanej fali w zakresie

spektralnym prom. barwnika ( duży zakres), np. dla rodaminy w

etanolu zakres wynosi 570-650 nm.

Praca ciągła lub impulsowa, moc - kilka-kilkadziesiąt mW

W przypadku stosowania kilku wymiennych barwników zakres

przestrajania mieści się między 300-1000 nm.

Lasery barwnikowe stosowane są w fotodynamicznej diagnostyce

( 405 nm) i terapii nowotworów (630 nm).

Podstawą tej metody jest selektywna akumulacja substancji fotoczułej

( np. porfiryn) przez komórki nowotworowe.

Tkanki nowotworowe ( gromadzące barwnik) uwidacznia się światłem

fioletowym

(405nm)

występuje

czewona

fluorescencja

fioletowym

(405nm)

występuje

czewona

fluorescencja

(diagnostyka)

Tkanki uczulone substancjami fototoksycznymi naświetla się

promieniowaniem 630 nm, co umożliwia to zniszczenie tkanek,

(właściwy zabieg terapeutyczny).

BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI

Promieniowanie laserowe może być groźne jedynie dla oczu i

skóry.

Ze względu na bezpieczeństwo użytkowania wszystkie

urządzenia laserowe podzielono na klasy:

Kl. I - lasery całkowicie bezpieczne

Kl. II - urządzenia małej mocy ( do 1 μW), emitujące

promieniowanie widzialne w zakresie 400-700nm.

Ochrona oka jest zapewniona przez zamknięcie na skutek

odruchu mrugania.

Kl. IIIa - lasery niebezpieczne w przypadku patrzenia

bezpośrednio na wiązkę laserową.

Moc promieniowania dla pracy ciągłej do 5mW, natężenie

promieniowania – nie przekraczające 25W/m2

Kl. IIIb - lasery niebezpieczne w przypadku patrzenia na

wiązkę padającą bezpośrednio lub po jej odbiciu

zwierciadlanym . Moc pracy ciągłej do 500mW.

Kl. IV - lasery dużej mocy ( 500mW) należy chronić oczy i

skórę zarówno przed promieniowaniem bezpośrednim jak i

rozproszonym.

BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI

SKÓRA

Za niebezpieczne dla skóry uznaje się lasery o mocy większej

niż 500mW, gdy laser nawet o stosunkowo małej mocy jest

wyposażony w układy ogniskujące do małej plamki może

stać się niebezpiecznym narzędziem parząco-tnącym.

Gęstość mocy wzrasta i może przekraczać 500mW/ cm2.

Np. gęstość mocy wynosi 500mW/ cm2 dla laserów:



30 mW i rozmiarach plamki 2,72mm



8 mW i rozmiarach plamki 1,43mm



2 mW i rozmiarach plamki 2,72mm



1 mW i rozmiarach plamki 0,5mm

Podczas pracy należy wystrzegać się przypadkowego

skierowania wiązki na skórę i włosy pacjenta czy innych

osób.

Podczas pracy z laserami dużej mocy w obecności

materiałów łatwopalnych ( wykładziny dywanowe,

stylonowe firanki itp.) może wystąpić zagrożenie

pożarowe, dlatego należy unikać odbić zwierciadlanych.

BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI

Przy długości fali 10,6 μm ( laser CO2) nawet matowe

, metalowe powierzchnie mogą być silnie

odbijające.

Gdy w gabinecie używa się laserów ( szczególnie III i

IV klasy) pomieszczenie musi być oznakowane

( etykieta ostrzegawcza - tło żółte, czarne litery)



np.

Promieniowanie laserowe, chronić oczy i

skórę

UWAGA LASER KLASY IV !

itp.

Document Outline