Laser

Z Multimediaexpo.cz

(Rozdíly mezi verzemi)
Sysop (diskuse | příspěvky)
(Nahrazení textu)
Porovnání s novější verzí →

Verze z 13. 4. 2011, 12:38

helium-neonový laser

Laser (z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. 'zesilování světla stimulovanou emisí záření') je optický zdroj elektromagnetického záření tj. světla v širším smyslu. Světlo je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku; na rozdíl od světla přirozených zdrojů je koherentní a monochromatické. Princip laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky.

Obsah

Princip laseru

Konstrukce Laseru:
1. Aktivní prostředí
2. Zdroj záření
3. Odrazné zrcadlo
4. Polopropustné zrcadlo
5. Laserový paprsek

Laser je tvořen aktivním prostředím (1), rezonátorem (3,4) a zdrojem energie (2). Zdrojem energie, který může představovat například výbojka, je do aktivního média dodávána ("pumpována") energie. Ta energeticky vybudí elektrony aktivního prostředí ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny, dojde k tzv. excitaci. Takto je do vyšších energetických stavů vybuzena většina elektronů aktivního prostředí a vzniká tak tzv. inverze populace. Při opětném přestupu elektronu na nižší energetickou hladinu dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů. Tyto fotony následně interagují s dalšími elektrony inverzní populace, čímž spouštějí tzv. stimulovanou emisi fotonů, se stejnou frekvencí a fází, i u nich. Díky umístění aktivní části laseru do rezonátoru, tvořeného například zrcadly, dochází k odrazu paprsku fotonů a jeho opětovnému průchodu prostředím. To dále podporuje stimulovanou emisi, a tím dochází k exponenciálnímu zesilování toku fotonů. Výsledný světelný paprsek pak opouští tělo laseru průchodem skrze polopropustné zrcadlo.

Historie

Předchůdcem laseru byl maser, zařízení které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Charles Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953. Tento prototyp však nebyl schopný fungovat nepřetržitě. V roce 1960 Theodore H. Maiman v USA poprvé předvedl funkční laser. Jako aktivní prostředí použil krystal rubínu s využitím tří energetických hladin; laser proto mohl pracovat pouze v pulsním režimu.[1] V roce 1963 C. Kumar N. Patel vynalezl plynový CO2 laser[2]. Sovětští fyzici Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov pracovali nezávisle na problému kvantového oscilátoru a vyřešili problém nepřetržitého výstupu záření tím, že použili více než dvě energetické hladiny a umožnili tím ustanovení populační inverze. V roce 1964 obdrželi Charles Townes, Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov společně Nobelovu cenu za fyziku „za zásadní výzkum v oboru kvantové elektroniky, který vedl ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů založených na principu maserů a laserů“.

Součásti laseru

Rezonátor

Ve většině laserů světlo opakovaně prochází tzv. rezonátorem – optickou dutinou vymezenou zrcadly. V nejobvyklejších případech je rezonátor tvořen dvěma zrcadly, z nichž je jedno zcela odrazivé a druhé částečně propustné. Existují také kruhové rezonátory. Jako nepropustné zrcadlo se obvykle používá dielektrické zrcadlo, někdy se používá leštěný kov, např zlato. V některých případech (laserová dioda) má dostatečnou odrazivost samotné rozhraní aktivního prostředí se vzduchem. Některé lasery s dostatečně velkým ziskem v aktivním prostředí rezonátor nepotřebují a pracují superradiačně – to znamená, že záření stačí jediný průchod k získání dostatečné intenzity. Patří mezi ně např. dusíkový nebo měděný laser. Rezonátor se samozřejmě také nepoužívá u laserových zesilovačů, které slouží jen k průchodovému zesilování vstupujícího koherentního svazku. Zrcadla v rezonátoru zdaleka nemusí být rovinná. Naopak, v řadě případů je výhodné použít nejen konkávní, ale i konvexní zrcadla. Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměrech křivosti zrcadel a délce rezonátoru.

Aktivní prostředí

Aktivní prostředí je látka obsahující oddělené kvantové energetické hladiny elektronů; může se jednat o:

  • plyn nebo směs plynů, hovoříme pak o plynových laserech
  • monokrystal kde hladiny vznikají dopováním; takové lasery se nazývají pevnolátkové
  • polovodič s p-n přechodem v případě diodových laserů
  • organická barviva
  • polovodičové multivrstvy – jsou základem kvantových kaskádních laserů
  • volné elektrony v případě laserů na volných elektronech

Elektrony mohou přecházet z vyššího do nižšího stavu, při současném vyzáření fotonu, jedním z dvou mechanismů:

Ke spontánní emisi dochází při nízkém stupni obsazení vyšší hladiny; pro spuštění stimulované emise ve větším měřítku (generace laserového záření) je třeba čerpáním dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více elektrony než nižší.

Příslušenství

  • Součásti pro optické čerpání aktivního prostředí (např. pomocí elektrického proudu, výbojky, chemické reakce aj.)
  • Chladič
  • Měření výkonu, kalibrace zařízení
  • Případně nelineární krystal měnící vlnovou délku

Typy laserů

Následující tabulka shrnuje základní vlastnosti některých běžných typů laserů.

Typ laseru Aktivní prostředí Vlnová délka Spektrální oblast Příklady použití
Pevnolátkové
Rubínový laser Rubín 694,3 nm červená holografie, odstraňování tetování
Nd:YAG laser Neodym, YAG 1064 nm IR litografie, chirurgie, strojírenství, spektroskopie
Ho:YAG laser Ho:YAG 2,1 μm IR chirurgie, stomatologie
Er:YAG laser Erbium, YAG 2,94 μm IR chirurgie, stomatologie
Titan-safírový laser titan, safír 690 - 1000 nm červená, IR spektroskopie, fs pulsy
Alexandritový laser Alexandrit 700 - 800 nm červená, IR žíhání, řezání
Barvivové
Rhodamin 6G laser Rhodamin 6G 570-650 nm žlutá, oranžová, červená dermatologie
Kumarin C30 laser Kumarin C30 504 nm zelená oftalmologie, chirurgie
Plynové – Atomární
He-Ne laser helium, neon 543 nm, 633 nm zelená, červená zaměřování polohy, spektroskopie
Měděný laser měď 510 nm, 578 nm zelená podmořská komunikace a lokace
Jodový laser jód 342 nm, 612 nm, 1315 nm viditelné, IR věda, termojaderná syntéza
Xenonový laser xenon, neon, helium 140 vlnových délek viditelné, IR
Plynové – Iontové
Argonový laser argon 488 nm, 514 nm modrá, zelená oftalmologie, spektroskopie
Hélium-kadmiový laser helium, kadmium 325 nm, 442 nm UV, modrá spektroskopie
Plynové – Molekulární
Vodíkový laser vodík 100 - 120nm, 140 - 165nm UV
CO2 laser Oxid uhličitý 10,6 μm IR sváření, řezání, stomatologie, gravírování
CO laser Oxid uhelnatý 5 - 6,5μm IR
Excimerové lasery ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF 193 - 351 nm UV oftalmologie, laserová ablace, fotolitografie
Dusíkový laser dusík 337 nm UV
Polovodičové
GaAs laser GaAs 650 nm, 840 nm červená, IR laserová ukazovátka, laserová tiskárna
GaAlAs laser GaAlAs 670-830 nm červená telekomunikace, přehrávače CD, displeje
AlGaInP laser AlGaInP 650 nm červená přehrávače DVD
GaN laser GaN 405 nm modrá Blu-ray disky
InGaAlP laser InGaAlP 630-685 nm červená lékařství

poznámka: UV ~ ultraviolet (ultrafialová), IR ~ infrared (infračervená)

Použití laserů

Díky vysoké koherenci a monochromatičnosti laserového paprsku lze laserovým paprskem soustředit na malé ploše velké množství energie. Toho se využívá v průmyslu pro řezání a vrtání materiálů. Laserové svazky s malou rozbíhavostí jsou využívány v technologiích optických záznamových médií (CD, DVD, magnetooptické disky) a rovněž pro měřicí aplikace. Monochromatičnost a možnost rychlé modulace polovodičových laserů je využívána pro datové přenosy prostřednictvím optických vláken.

Použití argonového laseru v oftalmologii

Průkopníkem v této oblasti byl Francis L’Esperance. V roce 1963 začal používat rubínového laseru při pokusech o léčení diabetické retinopatie.
L’Esperance odhalil, že krví je absorbováno jen zhruba 6–7% výkonu rubínového laseru, a v důsledku toho je potřeba minimálně 10 působení k vypálení poškozených cév sítnice.
Na základě těchto poznatků se začalo s pokusy s argonovým laserem, který byl vyvinut krátce před jejich uveřejněním. Po několika experimentech se prvně v roce 1968 podařilo za pomoci 10-wattového argonového laseru vyléčit pacienta s diabetickou retinopatií. Do konce 60. let se metoda výrazně rozšířila a jen v roce 1970 vyléčil dr. Arnall Patz 285 pacientů za použití tohoto přístupu. Nejvíce efektivním způsobem v průběhu let se stala metoda zvaná pan-retinalní ablace. Metoda používá kvazikontinuálního argonového laseru k odejmutí, nebo odpaření částí sítnice namísto přímé koagulace krevních cév. V současnosti je aplikace laseru k odstranění potíží s diabetickou retinopatií vedoucí disciplínou oftalmologie. Další vadou, která se dá léčit za pomoci argonového laseru je zelený zákal. Léčba je často označována zkratkou ALT - Argon Laser Trabeculoplasty a úspěšně se provádí již řadu let, zvláště na pacientech, u kterých se nedaří kontrolovat oční tlak a zpomalit vývoj zákalu léky, nebo kteří, z jakéhokoliv důvodu, nemohou používat oční kapky nebo mají kontraindikace na používané medikamenty. Při léčbě zaměří lékař laserový paprsek do Schlemova kanálku (Trabe culoplasty), což je hlavní odvodný kanálek komorové vody z oka v záhybu mezi duhovkou a rohovkou. Ten pomocí 40-80 zásahů upraví tak, aby odváděl dostatek tekutiny a tím se docílí snížení očního tlaku. Zákrok se provádí v podstatě ambulantně, znecitlivěno pomocí očních kapek a na rohovku je přiložena speciální čočka, která umožňuje zahnutí paprsku.

Interakce laserového záření s tkání

Během interakce laserového záření s látkou dochází k fyzikálním procesům: absorpce, reflexe, rozptyl a transmitance. V případě biologické tkáně se pro lasery v VIS a IR spektru nejvíce uplatňuje absorpce. Ve srovnání s tímto esenciálním jevem můžeme procesy reflexe a rozptylu zanedbat. Fyzikálně lze tento jev v jistém přiblížení popsat Lambert-Beerovým zákonem pro monochromatické záření <math>I=I_{0}e^{-\mu_{A} l}</math> kde I0 je vstupní intezita záření, <math>\mu_A</math> je koeficient absorpce a l je tloušťka vrstvy. Hloubka průniku <math>\sigma</math> las. záření do tkáně je definována jako vzdálenost, na které je intenzita laserového záření zeslabena na <math>e^{-1}</math> své původní hodnoty. <math>\sigma=\frac{1}\mu_{A}</math> Interakci laserového záření s tkání lze rovněž popsat pomocí mechanismů, jež jsou závislé na <math>\lambda</math>, plošné hustotě výkonu záření, expoziční době a druhu tkáně. Interakční mechanismy můžeme obecně rozdělit na: Fotochemický mechanismus se uplatňuje při nízkých hustotách výkonu 0,1-10 W/cm2 las. záření. Dochází zde k chemickým reakcím na makromolekulární úrovni. Využití nachází při fotodynamické terapii a biostimulaci. Fototermální mechanismus je typický pro kontinuální lasery o hustotách výkonu las. záření v rozsahu 101-106 W/cm2. Různou kombinací expoziční doby a plošné hustoty výkonu lze docílit tkáňových efektů jako např. koagulace, karbonizace a odpaření. Fotoablativní mechanismus je proces, při kterém dochází k přímému rozpadu molekulárních vazeb pomocí vysoce energetických fotonů UV záření např. u pulsních excimerových laserů. Plošné hustoty výkonů se pohybují v řádech 107-1010 W/cm2. Fotoplazmatický mechanismus se uplatňuje při hustotách výkonu záření nad 1011 W/cm2, při nichž vzniká plazma, která sama absorbuje záření a dochází tak expanzi a kolapsu plazmatického obláčku a k následným rázovým vlnám.

Laser ve stomatologii

Ošetření laserem představuje jednu z modernějších a zároveň šetrných alternativ klasické vrtačky, kyret nebo ultrazvuků k odstranění zubního kamene a v neposlední řadě chirurgického skalpelu. Použití laseru ve stomatologii přináší mnohé léčebné výhody a možnosti pro lékaře a velmi široké spektrum bezbolestných zákroků pro pacienta. Nejdůležitější fyzikální veličinou, která úzce souvisí s funkcí laseru a hlavně s jeho využitím v jednotlivých lékařských oborech, je vlnová délka. Právě vlnová délka přesně určuje, na jaké tkáně bude konkrétní laserový parsek nejúčinnější, nebo-li v jakém prostředí se bude nejvíce vstřebávat. Ve stomatologii se nejčastěji používají 2 typy laserů.

Typy laserů pro stomatologii

Diodový laser

Nejlépe se vstřebává v tkáních, kde je přítomno červené krevní barvivo – hemoglobin. Proto je tento laser nejúčinnější při ošetření měkkých tkání jako je dáseň, sliznice nebo kůže. S tímto laserem však stomatolog nedokáže odstranit („odvrtat“) zubní kaz nebo zubní kámen.

Erbiový laser

Narozdíl od diodového laseru se nejlépe vstřebává v tkáních obsahujících vodu. Protože voda je v určitém procentuálním zastoupení přítomna i v zubech, kostech, zubním kameni, atd., je erbiový laser pro zubního lékaře užitečným pomocníkem.

  1. Záchovná stomatologie (léčba zubního kazu) - V záchovné stomatologii se laser používá k bezkontaktnímu (žádné vibrace, žádný tlak, žádný nepříjemný zvuk) odstranění zubního kazu, ke sterilizaci povrchu zubu před pečetěním žvýkacích plošek a k ošetření citlivých zubních krčků. Stejnou koncovku používá zubní lékař k léčbě oparů a aft.
  2. Endodoncie (ošetření kořenového kanálku) - V endodoncii je používán laser ke sterilizaci kořenového kanálku při zánětu zubní dřeně. Touto laserovou koncovkou je rovněž možné proniknout přes kořenový hrot, pokud již zánět pronikl až do oblasti kolem kořenového hrotu.
  3. Parodontologie (léčba zánětu dásní a přilehlé kosti) a implantologie - V parodontologii je používán laser k odstranění zubního kamene a sterilizaci zánětlivého okolí. Laserová koncovka nejprve vyhledá zubní kámen, přístroj vyhodnotí jeho velikost a vypočítá přesnou dávku pro jeho odstranění. Velikost dávky a přítomnost zubního kamene je zobrazena na displeji přístroje pro lepší orientaci zubního lékaře i pacienta. Díky diagnostice laserové sondy přístroj vysílá laserový paprsek pouze do míst, kde je přítomen zubní kámen, samotný povrch zubu zůstává nedotčený, což je velmi podstatné pro následnou regeneraci. Stejný efekt má laser i u zánětu dásně v okolí implantátů.
  4. Chirurgie - V chirurgii se laser používá jako dokonalý chirurgický nůž. Výhodou je, že místo v okolí řezu nekrvácí, je sterilní a hojí se téměř bezjizvy.

Výhody ošetření laserem ve stomatologii

  • zákroky vyžadují minimální množství anestetika nebo mohou být provedeny i bez anestezie
  • nahrazuje klasickou vrtačku - žádné nepříjemné vibrace, zvuky a tlak během vrtání
  • bezpečný a šetrný způsob odstranění zubního kamene včetně dokonalejší a rychlejší regenerace
  • potlačuje bolest a otoky
  • po chirurgickém zákroku není nutné ránu šít
  • zastavuje krvácení během chirurgických zákroků
  • rychlejší průběh hojení
  • nepatrné tvoření jizev
  • sterilizační efekt během zákroku

Bezpečnostní rizika

Bezpečnostní symbol laseru třídy 2 a vyšší

Pokud laser pracuje na určitých vlnových délkách, na které je schopno se oko soustředit a které mohou být dobře soustředěny sítnicí a rohovkou oka, pak může vysoká koherence a malý rozptyl laserového paprsku u některých typů laserů způsobit, že je přijímaný paprsek soustředěn pouze do extrémně malého bodu na sítnici. To vede k bodovému přehřátí sítnice a k trvalému poškození zraku. Lasery jsou rozděleny do bezpečnostních tříd:

  • třída I: možný trvalý pohled do svazku laserového paprsku
  • třída II: kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex
  • třída III:
    • a) totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled)
    • b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W
  • třída IV: totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů).[3] Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny,[3] řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár. Řada laserů je buzena nebezpečnými látkami nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.

Literatura

  • VRBOVÁ, Miroslava. Lasery a moderní optika. Praha : Prometheus, 1994. 474 s. ISBN 80-85849-56-9.  
  • NIEMZ, Markolf H.. Laser-tissue interactions : fundamentals and applications. Berlín : Springer-Verlag, 2004. 305 s. ISBN 3-540-40553-4.  

Reference

  1. ↑ PELANT, Ivan. Laser slaví padesátiny. Osamělý hráč, který porazil velké týmy. Vesmír, 2010, roč. 89 (140), čís. 12, s. 284-285. ISSN 0042-4544.  
  2. ↑ PATEL, C. K. N.. Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2. Physical Review, 1964, roč. 136, s. A1187–A1193. DOI:10.1103/PhysRev.136.A1187.  
  3. ↑ 3,0 3,1 DVOŘÁKOVÁ, Zdenka. Laserové ukazovátko či myš mohou poškodit zrak. Teplický deník [online]. 8-22-2008 [cit. 8-22-2008], s. 11.  

Související články

Externí odkazy


Commons nabízí fotografie, obrázky a videa k tématu
Laser
Citováno z „http://ww.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Laser“