Lasersko zracenje

1. Profesor:
Dr.sc. Aldina Kesić, docent
Studenti: Kristian Grgić
Muhamed Kamberović
Mario Brčina

2. Laser
Riječ „LASER“ nastala je kao skraćenica od :“Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation“ pojačanje svetlosti preko
stimulisane emisije zračenja. Laser je naziv za optičku napravu koja za
pojačanje svjetlosti koristi stimuliranu emisiju. On je za izvor
svijetlosti kod kojeg se za razliku od konvencionalnih izvora
svijetlosti, svijetlost generiše mehanizmom stimulisane emisije.Iako
na prvi pogled fizika lasera zvuči jako komplikovano, razvojem
tehnologije laseri nas danas u velikom broju okružuju u našem
svakodnevnom životu.Još je davne 1917. godine u svom radu «On the
Quantum Theory of Radiation» Albert Einstain dao teorijski koncept i
predvidio izum lasera. Prvi laser napravio je 1960. Godine Theodore H.
Maiman zaposlen na Huges Research Laboratorie Malibu,
California.Njegov laser je emitovao svetlost talasne duzine 694 nm u
pulsnom režimu, a lasersku emisiju postigao je stimulisanom
emisijom iz rubinskog kristala pobuđenog svijetlosnom lampom.
Nakon toga, laseri počinju na veliko da se proizvode u
eksperimentalnim laboratorijima širom svijeta, a konačno razvojem
tehnologije danas imamo pravu lasersku revoluciju.

3. Princip rada lasera
Laserska svijetlost se može proizvesti jedino ako stimulisana emisija
dominira nad apsorpcijom i spontanom emisijom zračenja. To se
postiže inverznom naseljenošću atoma u radnom tijelu. Broj atoma u
pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom
stanju.Osim emisije fotona, postoje i prelazi sa višeg na niži energetski
nivo, što nije praćeno emisijom fotona nego oslobađanjem toplote.
Talasne dužine ovog zračenja mogu biti u UV, vidljivoj i IC oblasti.
Mehanizami djelovanja su različiti. Kada UV foton (najčešće talasne
dužine 193 nm, 248 nm, 308 nm, 351 nm) padne na materijal, njegova
energija direktno djeluje na atome i molekule i dovodi do ablacije,
fotohemijskih i termičkih efekata. Vidljivo (najčešće talasne dužine
337 nm, 458 nm, 514 nm, 632 nm, 694 nm) i IC (talasne dužine 1,06 μm
10,6 μm) lasersko zračenje u osnovi svog djelovanja imaju toplotni
efekat, koji dovodi do strukturnog slabljenja, odnosno
omekšavanja,topljenja ili isparavanja materijala.

4. Prateći mehanizmi su udarni talas i indukovano X-zračenje.
Ovome treba dodati da tkivo apsorbuje energiju na koju su
najostljiviji fermenti, čijim deaktiviranjem dolazi do
deaktivacije ili smrti ćelije. Denaturacija bjelančevina nastaje na
oko 55°C, a ovo je temperatura koja se lako dostiže nešto dužim
vremenom ozračivanja. Porast temperature dovodi do isparenja
tečnosti (vode) iz ćelija, njihovog nadimanja i bukvalnog
prskanja. Biohemijski efekti sastoje se u tome da lasersko
zračenje mijenja vrstu molekula i uslovljava stvaranje tzv.
slobodnih radikala, koji su uzročnici mnogih bolesti. Mijenjaju
se i biohemijske komponente ćelija, mijenjaju vrste
bjelančevina, oslobađaju otrovne materije .

6. Dijelovi lasera
Radno tijelo;
Sistem za pobuđivanje;
3) 100% propustljivo ogledalo;
4) 90% propustljivo ogledalo;
5) Sistem za hlađenje

7.  - je smješteno između dva paralelna ogledala tako da zraci svjetla koji prolaze između ta dva
ogledala stvaraju horizontalni talas.
 -Predstavljena je aktivnom materijom u kojoj se postiže inverzna populacija atoma. U zavisnosti od
vrste lasera ona može biti u gasnom, tečnom i čvrstom stanju.
 -predstavljaju dva paralelno postavljena ogledala od kojih je jedno potpuno reflektirajuće i ima ulogu
da nastale fotone ponovo vrati u aktivnu sredinu u kojoj će nastaviti reakciju pobuđivanja. Kada
emitovani fotoni dođu do drugog ogledala koje je polupropusno, oni se djelimično reflektiraju i
vraćaju u aktivnu sredinu te se proces pobuđivanja nastavlja, a djelimično prolaze kroz njega i čine
lasersku zraku sa svim njenim karakteristikama. Sistem polupropusnog i nepropusnog ogledala
strogo usmjerava formiranje laserske zrake.
Radno tijelo
Aktivna sredina
Rezonantni sistem

8. Osobine lasera
 Laserska svijetlost je monohromatska, tj. sva svijetlost iz jednog izvora je
potpuno iste talasne dužine (pa stoga i iste boje).Talasna dužina svijetlosti
pojedinog lasera određena je količinom energije koju elektron otpušta pri
prelazu na niži energetski nivo.Laserska svijetlost je koherentna. tj. svi fotoni
se kreću u jednom smijeru. Zbog toga i talas laserske svijetlosti izgleda poput
pravca, a nije sačinjen od udubljenja i ispupčenja, kao talas kod ostalih oblika
svetlosti.Laserska svijetlost je usmjerena, tj. laserski zrak svijetlosti je vrlo
tanak ali je zato "koncentrisan", tj. visokog je intenziteta.
 Za razne svijetlosne efekte, lajt šou, u igračkama sa svijetlećim zracima i
pokazivačima – poiterima i sl., koriste se poluprovodnički laseri – diode.
Njihovo zračenje je usmjereno, velike prodornosti, velike gustine snage i sa
mogućnošću fokusiranja. Ovi laseri spadaju u klasu 3A standarda. Maksimalna
dopuštena snaga za ove uređaje je 5 mW nefokusiranog snopa. Rade u vidljivoj
oblasti zračenja sa talasnim dužinama 635 nm i 670 nm. Domet je različit od
150. do 400 m, a različito je i širenje snopa koji, na primjer, na rastojanju od
100 m može da ima veličinu fleke od 3. do 10 cm.

9. Podjela lasera
1. Čvrsti laseri:
-stakleno-neodimski laser
-granatski laser
-rubinski laser
2. Plinski laseri:
-neutralni atomski laser
-optički pumpani neutralni atomski laser
-jonski laser
-plinski molekularni laser
-impulsni laser sa transferzalnom pobudom
-laser sa Blum
3. Poluprovodljivi laseri
4. Tekući laseri

10. Rubinski laser
 Rubinski laser je laser s krutom jezgrom. Kao jezgru, koristi štapić od rubina. Rubin
je aluminijev oksid dopiran atomima kroma u obliku trostruko nabijenog kationa. Ti atomi
kroma su aktivni medij u rubinskom laseru. Štapić rubina je najčešće sintetiziran umjetnim
putem.
 Rubinski laser je trostupanjski laser. Atomi kroma se pobuđuju optičkim putem u niz d orbitala.
d orbitale, u interakciji s ostatkom kristala čine široke vrpce, pa se na atomima kroma apsorbira
relativno široki raspon valnih duljina. Iz tih vrpci, atomi se relaksiraju u metastabilno stanje.
Relaksacija je brza (nekoliko pikosekundi), i događa se neradijativno: ne emitiraju se fotoni,
nego se energija troši u obliku topline. Metastabilno stanje ima vrijeme života oko 4
milisekunde. Lasersko djelovanje se događa između metastabilnog i osnovnog stanja. Lasersko
zračenje ima valnu duljinu 694.3 nm, što odgovara crvenom svjetlu. Kao pobuda laserskog
medija koristi se ksenonska bljeskalica.
 Rubinski laser je bio prvi laser koji radi u vidljivom dijelu spektra. Izradio ga je Theodore H.
Maiman u Hughes Research Laboratories u Kaliforniji. Prvi rubinski laser je imao ksenonsku
bljeskalicu u obliku spirale, omotane oko štapića od rubina.

12. CO2 laser
 CO2 laser je plinski laser koji kao aktivni medij koristi molekule ugljikovog dioksida. Sastoji se od
staklene cijevi ispunjene smjesom plinova: ugljikovog dioksida, azota, helija i eventualno nekog
drugog plina. Na krajevima se cijevi nalaze dva paralelna ogledala koja reflektiraju lasersku zraku
natrag u cijev i prave rezonator. U cijevi se nalaze i elektrode na koje je priključen visoki napon.
Visoki napon proizvodi mnoštvo brzih elektrona u cijevi koji sudarima predaju svoju energiju molekulama
plina. Molekula azota u pobuđenom vibracijskom stanju ne može predati svoju energiju emisijom fotona jer
molekula azota nema dipolni moment, a njegove vibracije ne pokazuju vremensku promjenu dipolnog
momenta. Zbog toga su pobuđena vibracijska stanja azota dugoživuća, odnosno metastabilna. Sudarima,
molekula azota predaje energiju molekulama ugljikovog dioksida. Energija vibracije molekule azota
gotovo je jednaka energiji antisimetričnog istezanja molekule CO2. Laserski prrelaz je između prvog nivoa
antisimetričnog istezanja i prvog nivoa simetričnog istezanja ili prvog nivoa savijanja molekule CO2.
 Primjena:
-CO2 laseri imaju jako visok stepen učinkovitosti, čak i do 20% . Zbog velike učinkovitosti, CO2 laseri
mogu imati velike izlazne snage, pa se zbog toga koriste za obradu materijala: rezanje, bušenje i
zavarivanje, a također i u hirurgiji.

13. Primjena lasera
 Laseri, zbog kvaliteta svijetlosti koju proizvode danas imaju primjenu u
gotovo svim ljudskim djelatnostima.Čvrstotijelni laseri se koriste za rezanje,
bušenje i varenje. Pošto je moguće postići veliku preciznost prilikom obrade
materijala, često se koriste u hiurgiji; npr. moguće je laserom obraditi kapilar
u oku bez oštećenja okolnog tkiva i bilo kakve operacije na oku. Laserima se
može liječiti i kratkovidost i dalekovidost, obradom očnog sočiva. Laserima je
moguće spaliti mastilo na papiru, a ostaviti papir neoštećen. Zbog svoje
monohromatičnosti, laseri se koriste i za novu defineciju metra.
 Danas je metar redefinisan, pa imamo definiciju: Metar je dužina putanje koju
u vakuumu pređe svijetlost za vrijeme od 1/(299 792 458) sekundi. Brzina
svijetlosti se mjeri pomoću lasera. Laseri se upotrebljavaju za označavanje
položaja na nekom udaljenom mjestu, u mjerenju, a čak i prilikom predavanja
profesori pokazuju na platnu laserskim pokazivačima. Pomoću lasera je
izmjerena udaljenost od Zemlje do Meseca sa preciznošću od nekoliko
milimetara! Laseri se koriste za snimanje i čitanje podataka na različitim
tijelima CD, DVD. Laseri se koriste i u laserskim štampačima. U vojnoj
tehnologiji se koriste, ili se razvijaju laseri kojima bi se uništio udaljeni
objekat.

15. Međudjelovanje laserskog
zračenja sa biloški tkivom
• optička svojstva tkiva: koeficijent refleksije,apsorpcije i raspršenja;
određuju ukupnu transmitivnost tkiva za određenu valnu duljinu
• toplinska svojstva tkiva: toplinska vodljivost,toplinski kapacitet
• svojstva laserske svjetlosti: valna duljina,veličina fokusa, gustoća snage
(intenzitet),gustoća energije (fluenca), vrijeme obasjavanja(u većini
slučajeva identično vremenu trajanja međudjelovanja)
Fotokemijsko međudjelovanje temelji se na kemijskim reakcijama koje
su inducirane svjetlošću.Za fotokemijsko međudjelovanje laserske
svjetlosti s tkivom karakteristične su:
• niska gustoća snage; 0,01-50 W/cm2
• dugačko vrijeme osvjetljavanja; 1s – kontinuirani valovi
• valna duljina laserske svjetlosti iz vidljivog dijela spektra;
• He-Ne i dye laseri
• fotodinamička terapija (PDT)

16. Toplotno međudjelovanje temelji na pretvaranju energije laserske
svjetlosti u toplinu, a karakterizira ga:
• gustoća snage: 101-106 W/cm2
• vrijeme osvjetljavanja: 1μs - 1 min
• laseri: CO2, Er:YLF, Er:YAG, Ho:YAG, diodni laseri
U ovom slučaju lasersko zračenje se primjenjuje kontinuirano ili pulsno,
a najčešće se koriste gore navedeni laseri zbog toga što valne duljine
njihove svjetlosti (Er:YAG-2,94 μm; Er:YLF-2,8 μm; Ho-YAG-2,12 μm)
odgovaraju valnoj duljini od 3 μm na kojoj molekula vode najbolje
apsorbira.
Toplotno međudjelovanje ima najviše primjene u estetskoj kirurgiji,
tretiranju kožnih angioma i određenih vrsta tumora.

17. Reakcije tkiva ne zagrijavanje
o Hipertermija,
o Koagulacija,
o Isparavanje,
o Karbonizacija,
o Taljenje.

18. Hipertermija
-karakterizira umjereni porast temperature od 420°C do 500°C, pucanje
kemijskih veza i promjene u membrani stanice . Ukoliko hipertermija traje dulje
od desetak minuta dolazi do odumiranja tkiva.
-dolazi do odumiranja ali ne i do trenutnog razaranja tkiva. Do koagulacije dolazi
na temperaturama između 500C i 1000C. Na temperaturama višim od 600C dolazi
do denaturacije proteina i kolagena
Koagulacija
Isparavanje
-se odvija na temperaturama višim od 1000C. Uske zone isparavanja koriste se
pri rezanju tkiva (CO2 laseri), a široke zone za uništavanje tumorskog tkiva.

19. Karbonizacija
-karakterizira oslobađanje ugljika u obliku dima. U medicini ju je potrebno
izbjegavati,budući da dim smeta u samom izvođenju operacije a do uništenja tkiva
dolazi i na nižim temperaturama od 1500C, što je granična temperatura za pojavu
karbonizacije.
Taljenje
-taljenja površinskih slojeva dolazi na temperaturama višim od 3000C. Kod
fotoablacije, upotrebom fotona ultraljubičastog zračenja dolazi do izravnog
razbijanja molekularnih veza i isparavanja komponenti tkiva. Kod
fotodisrupcije dolazi do razaranja tkiva zbog djelovanja mehaničkih sila,
primjene kod litotripsije (razbijanje bubrežnih kamenaca) i
kapsulotomije(liječenje zamućenja leće nakon operacije mrene).