Lazerių veikimo principas, panaudojimas terapijoje

REFERATAS
Tema: veikimo principas, panaudojimas terapijoje

Lazeris – tai koherentinių optinio dažnio elektromagnetinių bangų generatorius, veikiantis priverstinio spinduliavimo būdu. Pats žodis ‚‚lazeris‘‘ yra sudarytas iš pirmųjų angliškojo šio įrenginio pavadinimo raidžių Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tai yra šviesos stiprinimas priverstiniu spinduliavimu. Pavadinimas iš esmės atspindi lazerio veikimo principą.
Pirmasis koherentinių elektromagnetinių bangų spinduolis buvo sukonstruotas 1945 m. beveik tuo pačiu metu Č. Taunso su bendradarbiais bei N. Basovo ir A. Prochorovo, buvo mazeris. Mazerio pavadinimas taip pat sudarytas iš pirmųjų angliško apibrėžimo raaidžių, kuris yra analogiškas minėtajam, tik vietoje žodžio ‚‚light‘‘ yra ‚‚microwave‘‘. Pirmajame mazeryje buvo stiprinamos centimetrinio ilgio bangos (mikrobangos), naudojant sužadintas amoniako molekules. Už šiuos darbus 1964 m. N. Basovui, A. Prochorovui ir Č. Taunsui buvo paskirta Nobelio premija.
Pirmasis koherentinių elektromagnetinių bangų spinduolis – lazeris – sukurtas 1960 m. T. Meimeno JAV. Tai buvo rubino lazeris. Rubinas – tai aliuminio oksido (Al²O³) kristalas, kuriame yra nedaug (apie 0,05% ) chromo jonų (Cr³) priemaišų. Šie jonai yra priverstinio spinduliavimo centrai. Tų pačių metų pabaigoje A. Džavanis su bendradarbiais suukūrė λ=1,15µm bangos ilgio He-Ne dujinį lazerį.

Lazeriai klasifikuojami pagal:
1. aktyvųjį elementą – dujos, kietas kūnas ar skystis;
2. veikimo pobūdį – nuolatinės veikos (cw), impulsinės;
3. kaupinimo būdą lygmenų užpildos inversijai sudaryti – optinio kaupinimo šviesa, elektrinio išlydžio, elektros srove ir cheminėmis reakcijomis;
4. spinduliuojamą bangos ilgį;
5. spinduliuotės ga

alią/energiją.

Pagal aktyvųjį elementą: I. Dujiniai:
• atominiai lazeriai (indukuotieji šuoliai vyksta tarp atomų lygmenų),pvz., He-Ne dujų lazeris, spinduliuojantis 632.8 nm bangos ilgio spinduliuotę. He atomai yra pagalbiniai, padedantys sužadinti Ne atomus.
• joniniai lazeriai (šuoliai vyksta tarp jonų lygmenų), pvz. Ar+ lazeris, spinduliuojantis keletą bangos ilgių – 476.5, 488, 496, 514.5 nm, Kr+ lazeris – 406.7, 461.9, 647.1, 676.5 nm, arba helio kadmio He-Cd lazeris, spinduliuojantis 325.0, 354.0, 441.6 nm.
• molekuliniai lazeriai (šuoliai vyksta tarp molekulių lygmenų). Indukuotieji šuoliai vyksta tarp pagrindinės elektroninės būsenos vibracinių lygmenų, pavyzdžiui, CO2 lazeris (bangos ilgis 10.6 μm), CO lazeris (bangos ilgis ~ 5.3 μm) bei eksimeriniai lazeriai.

II. kietojo kūno ir puslaidininkiai:
• kietojo kūno lazeriuose aktyvią terpę sudaro dielektrinės kristalinės arba amorfinės medžiagos, papildytos pereinamųjų metalų (Ti3+, Co3+) arba retųjų žemės elementų (lantanoidų Nd3+, Er3+, Ho3+, Yb3+ ar aktinoidų) priemaišiniais jonais, kurių energijos lygmenų sistema panaudojama užžpildos apgrąžai gauti. Pvz., rubino lazeryje aktyvioji medžiaga susidaro iš chromo jonų, pasiskirsčiusių aliuminio oksido Al2O3 kristale.
• puslaidininkiniai lazeriai – sudarius pn sandūroje elektrinį lauką, elektronai ir skylės judės priešpriešiais. Sandūros srityje susidarys nepusiausvyroji būsena – laidumo juostoje bus labai daug elektronų, o valentinėje – skylių. Taigi ploname pn sandūros sluoksnyje bus gauta juostų užpildymo inversija, todėl sudarius grįžtamą ryšį, prasidės elektronų ir skylių indukuotieji šuoliai.

III. Skysčio – dažų: naudojami įvairūs organinių dažų tirpalai (Rhodamine 6G) ir specialūs skysčiai aktyvuoti retosiomis žemėmis (chelatai). Šie lazeriai ge

eneruoja 0.3 – 1.8 μm spektro srities spinduliuotę, todėl yra ypač populiarūs įvairiuose taikymuose esant atrankiam žadinimui.

Pagal kaupinimo pobūdį: I. Optinis kaupinimas – naudojamos inertinėmis dujomis (Xe, Kr) arba metalo garais, užpildytos išlydžio blykstės; puslaidininkiniai lazeriai; lankinio išlydžio lempas (kriptono ar aukšto slėgio gyvsidabrio lempos).
II. Kaupinimas elektros išlydžiu – pvz., dujiniuose lazeriuose (Argono jonų, He-Ne ir kt.).
III. Kaupinimas cheminėmis reakcijomis – užpildos inversijai sukurti panaudojama cheminės reakcijos energija (pvz., molekulių fotodisociacijos metu). Galimos dviejų tipų reakcijos: kai molekulė sugėrusi šviesos kvantą skyla į dvi, iš kurių viena jau yra sužadinta – susidaro taip vadinamas aktyvusis centras; arba aktyvieji centrai gali susidaryti vykstant cheminėms reakcijoms, kurias sukelia fotodisociacijos produktai, pvz., jodo lazeris.
IV. Kaupinimas elektros srove – pvz., puslaidininkiniai lazeriai.
V. Kaupinimas kitais lazeriais.

Pagal spinduliuojamą bangos ilgį: I. vienadažnius – generuotys tik tam tikro bangos ilgio spinduliuotę, pvz., diodiniai lazeriai, eksimeriniai, kristalai su retųjų žemės elementų – lantanoidų priemaišiniais jonais (pvz., Nd: stiklo lazeris).
II. daugiadažnius – generuojantys keletą skirtingų bangos ilgių, kuriuos galima nusiderinti (pvz. Ar ar Kr jonų lazeriai)) ir lazeriai laisvai derinami kelių dešimčių ar net keletos šimtų nanometrų intervale (dažų lazeriai, kieto kūno lazeriai Cr3+ ar Ti3+ jonų pagrindu (titano safyro Ti3+:Al2O3 lazeris, Cr3+:Mg2SiO4).

Pagal spinduliuotės galią: I. mažos galios (iki 5 mW).
II. vidutinės galios (nuo 6 iki 500 mW).
III. didelės galios (> 50

00 mW).

Pagal veikimo pobūdį: I. Tolydiniu (nuolatinio generavimo, cw) (nuolatinis kaupinimas – pastovi užpildos apgraža, pvz. dujiniai lazeriai, puslaidininkiniai).
II. Impulsiniu laisvos generacijos režimu (esant impulsiniam kaupinimui, lazeris generuoja trumpų impulsų seką, µs – 10-6 s).
III. Impulsiniu: valdomo rezonatoriaus koeficiento (kokybės moduliacijos režimu) (mažinama rezonatoriaus kokybė (didinami nuostoliai); arba rezonatoriaus kokybė staiga padidėja (nuostoliai sumažinami); ns –10-9 s). Modų sinchronizacijos režimu (surišamos rezonatoriaus išilginės modos – priverčiamos turėti vienodas fazes, ps 10-12s ir fs 10-15s ).

Lazerio sandara

Kiekvieną lazerį sudaro trys pagrindinės dalys:
1. veiklioji lazerinė medžiaga, kurios atomai, jonai arba molekulės turi reikiamą energijos lygmenų struktūrą užpildos apgrąžai sudaryti;
2. kaupinimo šaltinis, kuriam veikiant veikliojoje medžiagoje sukuriama užpildos apgrąža;
3. rezonatorius – tai veidrodžių sistema, kurios paskirtis grąžinti į veikliąją medžiagą tam tikrą dalį elektromagnetinės spinduliuotės kvantų. Taip prailginama generaciją inicijuojančių fotonų sąveika su veikliąja medžiaga. Paprastai vienas veidrodis būna neskaidrus, o kitas – iš dalies skaidrus

1 pav. Lazerio sandara.

Lazerių veikimo principai

Lazerių veikimas pagrįstas trimis fundamentaliais principais. Pirmasis – elektromagnetinės spinduliuotės energija yra kvantuota, tai yra sudaryta iš diskrečių energijos porcijų. Tai pasireiškia spinduliuotei sąveikaujant su medžiaga, kai fotonai yra sugeriami arba išspinduliuojami. Antrasis – fotonų spinduliavimas yra priverstinis, esant pakankamai dideliam spektriniam tankiui (proporcingai tapačių fotonų srautui). Priverstinio spinduliavimo atveju pirminiai ir antriniai kvantai yra tos pačios fazės, dažnio, poliarizacijos ir sklidimo krypties. Spinduliavimo ti

ikimybė proporcinga spinduliuotės įtėkio spartai. Trečiasis – tapačių elektromagnetinės spinduliuotės kvantų skaičius yra neribojamas.
Lazerio generacijai būtinas toks medžiagos energijos pusiausvyros pakeitimas, kad energija būtų sukaupta šios medžiagos atomuose, jonuose ar molekulėse. Jiems peršokant iš žemesnio energijos lygmens į aukštesnįjį sukuriama užpildos apgrąža. Ji atitinka termodinamiškai nepusiausvirą energijos skirstinį, todėl elektromagnetinio lauko stiprinimas ir generacija dėl priverstinio spinduliavimo galimi tik termodinamiškai nepusiausvirose kvantinėse sistemose.

2 pav. lazerio veikimo principas.

Kaupinimas Savaiminis Indukuota Indukuota

spinduliavimas sugertis Sugertis

Pusiausvyros sąlygomis:

Balanso lygtis:

Pusiausvyros sąlygomis N2 = N1 – t.y. indukuotos sugerties tikimybė lygi spontaninei ir priverstinių šuolių tikimybėms. Arti pusiausvyros N1 > N2 – indukuotos sugerties tikimybė bus didesnė nei spindulinių šuolių tikimybės. Esant pakankamai intensyviam kaupinimui (ρν) N2 > N1 – tuomet spindulinių šuolių tikimybė bus didesnė nei indukuotos sugerties.
Norint gauti spinduliuotės stiprinimą N2 >N1, turime sukurti užpildos inversiją.

Lazerio spinduliuotės savybės

Lazerių spinduliuotė išsiskiria koherentiškumu, monochromatiškumu ir kryptingumu. Koherentiškumo nuotolis gali būti dešimtys kilometrų, t.y. būti 10∙7 karto didesnis negu įprastų šviesos šaltinių. Lazerio spinduliuotės spektrinės linijos plotis gali būti 10∙ (-11) m, t.y. 10∙6-10∙8 kartų mažesnis už įprastų šviesos šaltinių spinduliuotės linijos plotį. Erdvinis lazerio spinduliuotės koherentiškumas taip pat labai didelis, todėl spinduliuojamas pluoštas yra artimas plokščiajai bangai, sklindančia labai maža skėstimi. Apskriti, lazerių spinduliuotės skėstis gali būti 10∙6-10∙8 kartų mažesnė nei įprastinių šviesos šaltinių. Lazerio monochromatinės ir kryptingos spinduliuotės energija gali būti sufokusuota į dėmelę, kurios skersmuo artimas bangos ilgiui (~ 1 µm). Šiuo atveju šviesos elektrinio lauko stipris gali būti artimas atomo vidinio elektrinio lauko stipriui ir net būti 10∙8 kartų didesnis negu iš tokios pačios galios įprasto šviesos šaltinis lauko stiprio.

He – Ne lazeris

1961 m. Ali Javan, William Bennet ir Donald Herriot pademonstruotas pirmasis He-Ne lazeris λ=1.15µm. Po metų – 632.8 nm, dar vėliau – 3.39µm.
He – Ne lazerio veiklioji medžiaga yra inertinių dujų – helio ir neono – mišinys. Šis lazeris, tolydžiai skleidžiantis nedidelės galios griežtai monochromatinę šviesą, yra naudojamas optinėms sistemoms derinti, interferometrijoje, įvairių optinių elementų (pvz., difrakcinių gardelių) kokybei nustatyti, lazeriniams giroskopams ir t.t.
Pagal veikliųjų dalelių rūšį He – Ne lazeris yra atominis (būna dar molekuliniai ir joniniai), pagal kaupimo metodą – dujų išlydžio. Tokiuose lazeriuose užpildos apgrąža susidaro vykstant atomų ir elektronų susidūrimams elektros išlydžio metu. Kaupimo efektyvumas padidinamas, sumaišius dviejų rūšių dujas: vienų (Ne) atomai yra veiklios dalelės, o kitų (He), vadinamųjų buferinių, atomai reikalingi energijai metastabiliajame lygmenyje sukaupti.
He – Ne lazeryje:
• lazerinis šuolis vyksta tarp sužadintų Ne atomų energijos lygmenų.
• kaupinimas vyksta per He atomų sužadinimą dėl susidūrimų su elektronu (e-) elektros išlydžio vamzdyje.
• He atomo masė sudaro 1/5 Ne atomo, todėl e- daug lengviau atiduoda energiją He.
• He sužadintų energijos lygmenų sutapimas su Ne: He 21S ↔Ne 3s, He 23S ↔Ne 2s.
• keturių lygmenų sistema: sparti apatinio darbinio lygmens depopuliacija.
• maža pluošto skėstis.
• galia 0.5 – 100mW.

3 pav. He – Ne lazerio veikimas.

He atomo 23S ir 21S – metastabilios bangos. He*(21S)+Ne+48meV→He (pagr.b.) + Ne*. Analogiškai He (23S) → Ne (2s). Užpildos inversija sukuriama, jei energijos pernaša He (metastabilios bangos) → Ne vyksta daug sparčiau nei Ne* relaksacija iš 2s ir 3s į apatinius lygmenis. Intensyviausi – 1.15µm ir 632.8nm.

Kiti įvairūs 3s → 2p šuoliai sąlygoja keletą regimos spektro srities bangos ilgio spinduliuotę: žalią (543.5 nm, GREEN Ne lazeris), geltoną (594 nm), oranžinę (612 nm).

4 pav. He atomų sužadinimo mechanizmas He – Ne lazeryje:

Pridėjus įtampą tarp katodo ir anodo, vyksta elektronų emisija iš įkaitinto katodo. Elektriniame lauke elektronai įgauna kinetinės energijos ir susidūrimo metu su He atomais dalį šios energijos atiduoda, taip He atomas sužadinamas.

5 pav. Bangos sklidimas He – Ne lazeriu.

He-Ne lazerių pirminis dujų mišinys atitinka 9:1 santykį. Darbinės srovės – 3-6mA, priklauso nuo šerdies skersmens ir plazmos kanalo ilgio (gali siekti 50mA).
Bangos ilgis parenkamas parenkant rezonatoriaus veidrodžių dangas arba patalpinant prizmę į rezonatorių.

6 pav. Bangų sklidimas lazeryje.
Lazerių taikymas medicinoje

Gydymas šviesa siekia senovės laikus – Herodotas laikomas helioterapijos – gydymas saulės šviesa – tėvu. Danų gydytojas Niels Finsen 1903 m. gavo Nobelio premiją už šio metodo ištobulinimą, bei mokslinio pagrindo suteikimą. Naujos galimybės šviesos panaudojimo medicinoje – lazerio sukūrimas.1960 m. T. H. Maiman mokslinėje Hughes laboratorijoje Pietų Karolinoje įžiebė pirmąjį lazerį, spinduliavusį 694 nm. (rubino lazeris Cr:Al2 O3). 1961 m. Ali Javan, William Bennet ir Donald Heriot (Bell lab.) sukūrė pirmąjį dujų lazerį –naudojant helio ir neono dujų mišinį (1.15 μm). 1962 m. R.N.Hall puslaidininkinis lazeris – diodinis lazeris (GaAs, 850 nm). 1964 m. C.K.N. Patel – molekulinis lazeris – CO2 (10,6 μm). Tais pačiais metais jonų dujinis lazeris – Ar jonų lazeris; kieto kūno lazeris – Nd: YAG; 1965 m. cheminis lazeris. 1966 m. metalo garų lazeris (Zn/Cd). Tais pačiais metais sukurtas ir dažų lazeris. 1970 m. pirmasis eksimerinis lazeris inertinių dujų Xe pagrindu (N.Basov grupė). Tuo tarpu pirmasis inertinių dujų halidų eksimerinis lazeris – 1974 m. (λ=172 nm).
Atsiradus pirmiesiems lazeriams, jie iš karto susilakė didelio medikų dėmesio. Šis susidomėjimas sietinas su unikaliomis lazerio spinduliuotės savybėmis: dideliu energiniu šviesiu, maža skėstimi ir didele vidutine galia. Nuo 1961 m. pradėti lazerių taikymai medicinoje.
Pirmieji naudoti lazerius medicinoje pradėjo oftalmologai, ir jau 1965 m. buvo sėkmingai atliktos pirmos operacijos privirinant argono lazerio spinduliuote tinklainę prie akies dugno. 1962 m. Goldman pirmą kartą panaudojo lazerį dermatologijoje. 1965 m. pirmą kartą pasaulyje panaudotas CO2 lazeris chirurgijoje. 1972 m. lazerio šviesa perduodama skaidulomis Laringologijoje, endoskopijoje. 1986 m. panaudotas tulžies akmenų skaldymui.

Kosminiai spinduliai – Radio bangų sritis – 10 m -1 cm
didelės energijos elementarių

dalelių srautas (daugiausia protonai).

BMR ir EPR spektroskopijoje

(elektronų ir branduolių)

sukinių perorientavimas.

Gama spinduliai –
100 pm – 1 pm.
Energijos pokyčiai siejami
su branduolių persitvarkymo
energija.

Mikrobanginė sritis –
1 cm – 100 μm
Rotacinė spektroskopija.

Infraraudonoji sritis – 100 μm – 1 μm
Vibracinė spektroskopija.
Rentgeno sritis –
10 nm – 100 pm indukuojami kvantiniai

šuoliai tarp atomų ir molekulių
vidinių elektronų energijos lygmenų Regimoji ir UV sritis –

1 μm – 10 nm elektroninių šuolių

spektroskopijoje.
7 pav. spinduliai, naudojami medicinoje.

Šiuo metu lazeriai taikomi daugelyje medicinos sričių: diagnostikoje, terapijoje, chirurgijoje, oftalmologijoje, dermatologijoje ir kt. Pagal lazerio spinduliuotės poveikį biologiniams objektas skiriamos tokios lazerių taikymo medicinoje kryptys: lazerinė chirurgija, lazerinė terapija ir lazerinė fotodinaminė terapija.
Lazerinėje chirurgijoje naudojami lazeriai, kurių vidutinė galia ~ 10 – 100 W. Tokios galingos spinduliuotės poveikis biologinis audiniams yra terminis. Lazerio spinduliuotė audinyje sugeriama, pakyla jo temperatūra ir, priklausomai nuo sugertos energijos kiekio, biologinis audinys įšyla, koaguliuoja,verda ar garuoja. Toks poveikis dažniausiai naudojamas chirurgijoje tada, kai reikia padaryti mikropjūvius. Unikalios lazerinių skalpelių savybės chirurgijoje – tai absoliutus tokio įrankio sterilumas (su operaciniu lauku kontaktuoja tik lazerio spinduliuotė, t.y. šviesa), aliekamos operacijos mažiau kraujingos (lazerio spinduliuotė, pjaudama biologinį audinį, užpildo mažas kraujagysles). Lazeriai taip pat naudojami aterosklerozinėms plokštelėms kraujagyslėse, ypač koronarinėse, garinti, inkstų ir šlapimo pūslės akmenims garinti ir skaldyti; apgamams bei tatuiruotėms šalinti; stomatologijoje karieso pažeistiems audiniams šalinti ir pan.
Lazerinei terapijai naudojami labai mažos galios (1 – 100 mW) lazeriai, dažniausiai He – Ne, He – Cd dujiniai ir GaAsAl puslaidininkinis lazeriai. Veikiant biologinius objektus mažos galios lazerio spinduliuote, ląstelėse žadinami fotofizikiniai ir fotocheminiai vyksmai. Lazerio spinduliuotę gyvajame organizme sugeria įvairūs chromatoforai, fermentai, pigmentai, baltymai, dezoribonukleininės rūgštys ir kt. Sugerto šviesos kvanto energija molekulėje yra naudojama įvairioms cheminėms reakcijoms skatinti arba slopinti. Taip organizme suaktyvinami vieni ar kiti procesai. Lazeriai plačiai naudojami refleksoterapijoje – biologiškai aktyviems taškams veikti ir t.t.
Lazerinės fotodinaminės terapijos pagrindas – tai atrankus žadinimas navikinėje ląstelėje tokių fotocheminių procesų, kurie susikaupia navikinėse ląstelėse (palyginti su sveikomis, porfirinų koncentracija navikinėse ląstelėse yra iki 1000 kartų didesnė). Įšvirškus į organizmą tokį vaistą, po 24 – 48 valandų jo koncentrcija navikinėse ląstelėse tampa maksimali. Šiuo momentu apšvietus naviką spinduliuote, kurios dažnis sutampa su porfirino sugerties juosta, yra žadinama fotocheminė reakcija, kuri ląstelės viduje generuoja labai aktyvius radikalus arba singletinį deguonį – abu labai efektyvius oksidatorius. Vykstant tolesniems cheminiams virsmams, navikinė ląstelė žūsta.

8 pav. Lazeris medicinoje.
1 lentelė. Lazeris, jo bangos ilgis ir impulso trukmė:
Lazeris Bangos ilgis, nm Impulso trukmė
Argono jonų 488514 nm CW
Kriptono jonų 531568647 nm CW
He-Ne 633 nm CW
CO2 10.6 mm CW ar impulsinis
Dažų 450 – 900 nm CW ar impulsinis
Diodininis 670 – 900 nm CW ar impulsinis
Rubino 694 nm 1 – 250 ms
Nd:YLF 1053 nm 100 ns – 250 ms
Nd:YAG 1064 nm 100 ns – 250 ms
Ho:YAG 2120 nm 100 ns – 250 ms
Er:YAG 2640 nm 100 ns – 250 ms
Aleksandrito 720 – 800 nm 50 ns – 100 ms
XeCl 308 nm 20 – 300 ns
ArF 193 nm 10 – 20 ns
Nd:YLF 1053 nm 30 – 100 ps
Nd:YAG 1064 nm 30 – 100 ps
Laisvųjų elektronų 800 – 6000 nm 2 – 10 ps
Ti:Safiro 700 – 1000 nm 10 fs – 100 ps

Literatūra:
1. doc. dr. L. Bastienė ir kiti ,,Fizika biomedicinos ir fizinių mokslų studentams“ II d. Vilniaus universiteto leidykla, 2004 m., Vilnius;
2. www.biofotonika.ff.vu.lt/biophotonics/

Leave a Comment