Laser. Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation Ενισχυση του φωτός από ενεργοποιημένη εκπομπή ακτινοβολίας

Transcript

1 Laser Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation Ενισχυση του φωτός από ενεργοποιημένη εκπομπή ακτινοβολίας

2 Εφαρμογές των Laser στην καθημερινότητα, στην τεχνολογία στην ιατρική

3 Εφαρμογές των Laser στην καθημερινότητα, στην τεχνολογία στην ιατρική

4 Εφαρμογές των Laser

5 Εφαρμογές των Laser

6 Iδιότητες ακτινοβολίας Laser Mονοχρωματικότητα Κατευθυντικότητα Λαμπρότητα Συμφωνία Δημιουργία βραχέων και γιγάντιων παλμών Πόλωση 2/11/2013 6

7 Laser Μονοχρωματικότητα Aκτινοβολία μελανού σώματος LED 2/11/2013 7

8 Μονοχρωματικότητα 2/11/2013 8

9 Λαμπρότητα 2/11/2013 9

10 Κατευθυντικότητα 2/11/

11 Συμφωνία 2/11/

12 Συμφωνία 2/11/

13 Πόλωση 2/11/

14 Πόλωση 2/11/

15 Συμφωνία 2/11/

16 Μέρη από τα οποία αποτελείται μια κάθε συσκευή ή σύστημα Laser Ενεργό υλικό Μηχανισμός άντλησης ή αναστροφής πληθυσμού Οπτική κοιλότητα 2/11/

17 Διαδικασίες αλληλεπίδρασης φωτός - ύλης

18 Εξαναγκασμένη εκπομπή

19 Ενίσχυση φωτός από εξαναγκασμένη εκπομπή

20 Στάσιμο κύμα εντός οπτικής κοιλότητας για n ακέραιος αριθμός 10 6

21 Ηλεκτρονικές μεταπτώσεις διέγερση Απορρόφηση ενέργειας e- e- εκπομπή E=h ν (ενέργεια υπό μορφή ενός φωτονίου)

22 Βασικές και διεγερμένες στάθμες Κανονική διεγερμένη στάθμη Μετασταθής διεγερμένη στάθμη Βασική στάθμη 2/11/

23 Παραγωγή φωτός Laser Αυθόρμητη εκπομπή Κανονική διεγερμένη κατάσταση Μετασταθής διεγερμένη κατάσταση Προκλημένη απορρόφηση Πρόκληση εκπομπής (LASER) Βασική κατάστηση 2/11/

24 Πληθυσμιακή κατανομή σε δύο επίπεδα 2/11/

25 Πληθυσμιακή κατανομή σε δύο επίπεδα 2/11/

26 Πληθυσμιακή κατανομή σε τρία & τέσσερα επίπεδα 2/11/

27 Οπτική κοιλότητα 2/11/

28 Τρόποι ταλάντωσης (modes) Διαμήκης τρόπος ταλάντωσης (longitudinal modes) Εγκάρσιοι τρόποι ταλάντωσης (transverse modes) 2/11/

29 Στάσιμο κύμα εντός οπτικής κοιλότητας για n ακέραιος αριθμός 10 6

30 Τρόποι ταλάντωσης (modes) Διαμήκης τρόπος ταλάντωσης (longitudinal modes) 2/11/

31 Αρχές Laser Τρόποι ταλάντωσης (modes) Εγκάρσιοι τρόποι ταλάντωσης (transverse modes) TEM pq P=αριθμός ελάχιστων οριζόντια q=αριθμός ελάχιστων κατακόρυφα 2/11/

32 το προφίλ της δέσμης

33 Tα είδη των Laser

34 Tα είδη των Laser

35 Tα είδη των Laser

36 Tα είδη των Laser

37 Tα είδη των Laser

38 Tα είδη των Laser

39 Tα είδη των Laser

40 Tα είδη των Laser

41 Tα είδη των Laser

42 Tα είδη των Laser

43 Tα είδη των Laser Laser Αργού Laser βαφής

44 Tα είδη των Laser

45 Laser διεγερμένων διμερών (Eximer Laser) Tα είδη των Laser

46 Tα είδη των Laser Laser CO 2 Σχήμα 13.: Το ενεργειακό διάγραμμα του μορίου διοξυδίου του άνθρακα. Σχήμα 12.: Σχηματική παράσταση των τρόπων ταλάντωσης του μορίου διοξυδίου του άνθρακα 2/11/

47 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser

48 Είδη αλληλεπιδράσεων φωτονίων - ύλης 2/11/

49 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser Βασικά κριτήρια: η πυκνότητα ισχύος η διάρκεια έκθεσης και το μήκος κύματος

50 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser Πυκνότητα ισχύος α) J 10 6 W cm -2 : συμβαίνουν φωτομηχανικά ή θερμομηχανικά φαινόμενα β) J 10 W cm -2 : κυριαρχούν τα φωτοχημικά φαινόμενα γ) ενδιάμεσα : 10 6 W cm -2 > J > 10 W cm -2 θερμικά φαινόμενα

51 Οπτικά φαινόμενα από την αλληλεπίδραση ακτίνας Laser με τον βιολογικό ιστό Ανάκλαση Διαπερατότητα Απορρόφηση σκέδαση

52 Οπτικά φαινόμενα από την αλληλεπίδραση ακτίνας Laser με τον βιολογικό ιστό R ( n i ( n i n 0 n 0 ) ) 2 2

53 Απορρόφηση φωτός από την ύλη Ι(x) = Io exp (-α x) Ο νόμος Lambert - Beer παραδοχή di I0 a x απόδειξη

54 Οπτικά φαινόμενα Αλληλεπίδρασης φωτός Laser εξασθένηση δέσμης

55 η θερμική επίδραση Η θερμική επίδραση της ακτινοβολίας Laser που έχει ως συνέπεια την ανύψωση της θερμοκρασίας, εξαρτάται τόσο από παράγοντες της ακτινοβολίας, όσο και από παραμέτρους και χαρακτηριστικά του ιστού, ήτοι από: 1. την πυκνότητα ενέργειας 2. την διάρκεια της ακτινοβόλησης (χρόνο έκθεσης) 3. τον τρόπο (συνεχή ή παλμικό) της ακτινοβόλησης 4. Τη θερμοχωρητικότητα του ακτινοβολούμενου σώματος 5. Τη θερμική αγωγιμότητα του σώματος 6. Την θερμική μεταφορά και 7. Τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει το σώμα

56 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτός Laser-ιστού α) J 10 6 W cm -2, συμβαίνουν φωτομηχανικά ή θερμομηχανικά φαινόμενα β) J 10 W cm -2, κυριαρχούν τα φωτοχημικά φαινόμενα

57 Οπτικά φαινόμενα Αλληλεπίδρασης φωτός Laser εξασθένηση δέσμης

58 Τρόποι ακτινοβόλησης της δέσμης Laser H ακτινοβόληση της δέσμης Laser στο επιθυμιτό σημείο γίνεται με τρις τρόπους: α) με συνεχή ακτινοβόληση, με β) παλμκή ακτινοβόληση και γ) με διακοπτόμενη εκμπομπή. Στην πρώτη η ένταση της δέσμης παραμένη σχεδόν αμετάβλητη στον χρόνο, όπως αυτή εξέρχεται από την συσκευή Laser. Στην δεύτερη περίπτωση η δέσμη υφίσταται μια διαμόρφωση κατά πλάτος με την χρήση διαφόρων τεχνικών (Q-switch, Mode Loched κλπ), οι οποίες επιτρέπουν την εκπομπή παλμών ελάχιστα μικρής διάρκειας. Οι παλμοί αυτοί περικλείουν το σύνολο της ενέργειας ακτινοβολίας στο μικρό αυτό χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται μ αυτόν τον τρόπο δισανάλογα μια σημαντική μεγέθυνση της έντασης I της δέσμης, αφού είναι: Ι = Ε / Δt S (E=ενέργεια, S=εμβαδόν διατομής) Ο τρίτος τρόπος της διακοπτόμενης δέσμης βρίσκεται ανάμεσα στους άλλου δύο: πρακτικά ανοιγοκλείνεται η παροχή ρεύματος ή μέσω μηχανικών διακοπτών (chopper) ακτινοβολείται μια περιοχή με συνεχή δέσμη, η οποία διακόπτεται για σχετικά μεγάλους χρόνους. Χαρακτηριστικοί παράμετροι αυτού του είδους της διακοπτόμενης χρήσης της δέσμης είναι: ο χρόνος διάρκειας Δt της συνεχούς εκπομπής και ο χρόνος παύσης Τ, ανάμεσα σε δύο διαδιχικές εκπομπές ακτινοβολίας

59 Ο χρόνος έκθεσης ή εφαρμογής της ακτινοβολίας t προκύπτει από την σχέση: (πυκνότητα ενέργειας δέσμης) x (επιφάνεια) [J/cm²][cm²] t = = = [s] (μέση ισχύ) [W] η δε μέση ισχύ P στην περίπτωση παλμικής εφαρμοφής με μέγιστη ισχυ P max υπολογίζεται ως P = Pmax x (διάρκεια παλμών) x (συχνότητα παλμών)

60

61 Σχηματική παρουσίαση των ειδών αλληλεπιδράσεων

62 Φάσμα απορρόφησης μελανίνης και νερού

63 O συντελεστής απορρόφησης α ζώντος ιστού O συντελεστής απορρόφησης α ζώντος ιστού ιστός μήκος κύματος [nm] α [cm-1] οξυγονωμένο αίμα '' μη οξυγονωμένο αίμα '' επιδερμίδα υποδερματικό λίπος '' '' συκώτι (ποντικού) νεφρός (ποντικού) ρετίνη χρωμοφόρος επιθήλιο ''

64 Τρόποι εστίασης της δέσμης στον ιστό

65 Κατηγορίες συστημάτων Laser, ως προς την επικινδυνότητά τους Κατηγορίες Laser

66 Προσοχή στην χρήση των Laser

67 Παραδείγματα υπολογισμών: Κίνδυνοι από δέσμη Laser στο μάτι Σε έντονο φως το μάτι αντιδρά αποφεύγοντας τους κινδύνους α) με αποστροφή της κεφαλής, β) με κλείσιμο των βλεφάρων (χρόνος αντίδρασης ~ 0.25 s) και γ) μέσω αυτόματης σύσπασης της κόρης. Εστω ότι φωτίζεται η ίριδα διαμέτρου d=7 mm από δέσμη Laser ισχύος N=1 mw. Το οπτικό σύστημα, ως φακός του ματιού εστιάζει την δέσμη των παράλληλων ακτίνων του Laser σε κηλίδα διαμέτρου d' =20 μm. Υπολόγισε την ένταση I' στην επιφάνεια του αμφιβληστροειδούς και τον λόγο ενίσχυσής της. Λύση H επιφάνεια της εγκάρσιας διατομής της δέσμης είναι: d 7 mm S 4 4 d' S' m 4 Η ένταση φωτός στην δέσμη είναι: Η ένταση φωτός στην κηλίδα είναι: mm H επιφάνεια της εγκάρσιας διατομής μετά της εστίαση, στην κηλίδα είναι: μm Ο λόγος k της έντασης φωτός στην κηλίδα προς την ένταση φωτός της δέσμης είναι: 2 I' 3.2W / mm k 3 I W / mm Που σημαίνει ότι η δέσμη ενισχύεται περίπου φορές!!! 2 2 E I t S E I' t S' N S 1mW mm N 1mW S' μm 3 1mW W mm mm W mm 2

68 2. Απορρόφηση δέσμης ακτίνων Laser CO 2. Διείσδυση στον ιστό. Να υπολογιστεί το βάθος στον ιστό, στο οποίο έχει απορροφηθεί το 90% της αρχικής ακτινοβολίας δέσμης φωτός από Laser CO 2, δεδομένου ότι ο συντελεστής απορρόφησης του ιστού για λ=10μm είναι α λ = 200 cm -1. Λύση Eστω Ι 0 και Ι χ οι εντάσεις ακτινοβολίας κατά την πρόσπτωση και σε βάθος x αντίστοιχα. Τότε ο λόγος των δύο είναι: I x I 0 10% 100% 0.1 Από τη σχέση απορρόφησης και με αντικατάσταση έχουμε: Αρα το 90% της έντασης της δέσμης απορροφήθηκε σε βάθος 100 μm σχεδόν επιφανειακά καθώς εισήλθε στον ιστό. I x I e e a x a x ln 0.1 a x 2.3 a x 2.3 x cm 1 200cm 100 m

69 Νόμος Lambert-Beer: Απορρόφηση φωτός di I I 0 ln I di I I I 0 I I 0 0 e 0 x a x dx a dx x

70 Παραδείγματα I 1. Δέσμη Laser ενός 1 mw εστιάζεται σε σημείο επιφάνειας 4.2 x m 2. Υπολόγισε την ένταση της δέσμης στην κηλίδα (σε Wcm -2 ). I = 1 x 10-3 = 2.38 x 10 3 Wcm x Ποιο είναι το μέγεθος (το ποσό) της ενέργειας που διαδιβάζει ένας παλμός Laser που έχει διάκεια 0.30 ms και η μέση ισχυς του είναι 5.0 mw; Ενέργεια εξόδου = Ισχύς εξόδου x χρόνος = 5.0 x 10-3 W x 0.30 x 10-3 s = 1.5 x 10-6 J 2/11/

71 Παραδείγματα II 2/11/

72 Βιβλιογραφία 1. Franz Koessler, Umweltbiophysik, Akademie-Verlag, Berlin A. Σεραφετινιδης, Επιθεωρηση Φυσικης, τομος 2ος, τευχος 5, σελιδα 7, Αθηνα A. Ανδριτσακης, Laser και οπτοηλεκτρονικες διαταξεις, εκδοσεις Λυχνος, Αθηνα J.A. Parrish & T.F. Deutsch, Laser Photomedicine, IEEE J. quantum electronics, QE 20, 12, J.Fricke, Wechselwirkung von Laserlicht mit biologischem Gewebe, Physik in unserer Zeit, 62, 2, M.L. Wolbarsht & D.H. Sliney, Laser Safety Standards Move on Laser & Applications, 96, April V.S. Letokhov, Laser biology and medicine, Nature, 316, 325, July J.-L. Boulnois, Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: a Review, Lasers in Medical Science, 1 47, K. Tradowsky, Laser, Vogel-Verlag, 1977.