Kým si povieme podstatu funkcie jednotlivých
laserov, ktoré našli uplatnenie nielen v medicíne,
pripomenieme si princíp generovania laserovým lúčom: Laserujúcim
prostredím môže byť pevná, plynná, kvapalná
látka. Tá prijme zvnútra dodanú energiu - napr.
elektrickú, chemickú či svetelnú. Atómy alebo
molekuly laserového prostredia sa tak nabudia na hornú
laserovú energetickú hladinu. Nutnou podmienkou je, aby vybudené častice
na tejto hladine určitú dobu zotrvali a aby ich
koncentrácia bola väčšia než koncentrácia
nevybudených /hovorí sa tomu inverzné obsadenie
hladín/. Laserujúce prostredie je umiestnené
v optickom rezonátore, v ktorom sa v krátkom čase v dôsledku spontánnej
( samovoľnej ) emisie žiarenia vytvorí stojaté
vlnenie. Pôsobením tohoto vlnenia dôjde k uvolneniu
nazhromaždenej energie v atómoch či molekulách
laserového prostredia - stimulovanej emisii a vyžiari sa intenzívny
svetelný impulz. Po vyžiarení impulzu sa atómy a
molekuly vrátia na dolnú energetickú hladinu. Podľa
toho aké laserujúce prostredie majú jednotlivé lasery
ich delíme na:
1. lasery s pevným laserovým prostredím
2. lasery s kvapalným laserovým
prostredím
3. lasery s plynným laserovým
prostredím
Lasery s pevným laserovým
prostredím
Laserovým prostredím v prípade rubínového
lasera je monokryštál rubínu/Al2O3/,
kde niektoré ióny Al3+ sú nahradené iónmi
Cr3+. Laserové hladiny sú hladiny iónu Cr3+ v mriežke Al2O3.
Energia z vnútra je
dodaná buď vo forme intenzívnych svetelných
zábleskov z xenónových výbojok , pokiaľ laser
pracuje v impulzovom režime, alebo vo forme spojitého
ultrafialového žiarenia z vysokotlakových
ortuťových výbojok. Veľkosť rubínového
monokryštálu býva 5 až 10mm
v priemere a 5 až 20cm v dĺžke. V impulznom režime
sa dá dosiahnuť výkon rádovo 10 MW v impulze o dĺžke 10ns. Vlnová dĺžka generovaného
žiarenia rubínového lasera je 0,694 mm /červené svetlo/.
Neodymový laser je najpopulárnejší typ
laserov, ktoré majú laserové
prostredie pevnú látku. Laserovým prostredím je buď
kryštál Y3AL5O12,
kde niektoré ióny Y3+sú nahradené iónmi
Nd3+/označujeme
ho značkou YAG, z anglického názvu yttrium aluminum garnet/. No prostredie môže tvoriť aj sklo, ktoré je
dopované iónmi Nd 3+. Laser Nd: YAG pracuje buď
v spojitom režime, alebo impulzovom režime.
V spojitom režime je budený svetlom vysokotlakových
kryptónových výbojok a v impulzovom režime je
budený intenzívnymi zábleskami xenónových výbojok.
Rozmery kryštálu Nd: YAG sú podobné ako pri
rubínovom lasery. V spojitom režime sa dá dosiahnuť
z jedného laserového stupňa výkon až 150W, v impulzovom režime okolo
10MW, pri dĺžke impulzu približne10ns.
Tento typ lasera má spolu s CO2-laserom v chirurgii hlavné
slovo. Vlnová dĺžka žiarenia neodymových
laserov je1,06mm/infračervené žiarenie/.
Lasery s plynným
laserovým prostredím
![](01-1.gif)
CO2-laser je označenie pre plynový laser,
kde laserovým prostredím je zmes plynov CO2,
N2 a He. Sklenená trubica je naplnená
uvedenou zmesou plynov, kde horí tlejivý elektrický výboj.
Elektróny vznikajúce vo výboji budia molekuly oxidu
uhličitého na hornú laserovú hladinu. Molekuly
dusíka sú budené tiež pri zrážkach s elektrónmi a
svoju energiu tak pri nasledovných zrážkach prenesú
na molekuly CO2. Tým sa zvyšuje koncentrácia molekúl
vybudených na hornú laserovú hladinu. Do zmesi sa
pridáva kvôli chladeniu hélium. Ľahké atómy hélia
prijímajú pri zrážkach kinetickú energiu
neutrálnych častíc a odovzdávajú ju stenám
výbojky, ktoré sú chladené pretekajúcou vodou. Nízka teplota zmesi je pre
laserový efekt podstatná, pretože inverzné obsadenie
laserových hladín je väčšie. Rozmery laserovej
trubice pri nízko výkonnom systéme sú cca 1m dĺžka
a 5 až 10mm priemer. V medicíne sa používajú CO2-lasery
s maximálnym výkonom do
100W. Vlnová dĺžka žiarenia tohoto lasera je 10,6mm /infračervené žiarenie/.
Na obrázku č.2
je popis priemyselne vyrábaného vlnovodového CO2-lasera: 1- laserový lúč, 2-
piezoelektrický prvok pre jemnú reguláciu dĺžky optického
rezonátora, 3- polopriepustné zrkadlo, 4- elektródy, 5- Brewsterové okienko, 6-
vodné chladenie, 7- dielektrický vlnovod, 8- odrazná
mriežka – pre výber
dĺžky žiarenia / spolu s polopriepustným
zrkadlom tvoria optický rezonátor/.
Laser argónový a laser hélium-neónový našli uplatnenie predovšetkým
v očnom lekárstve. Sú to opäť lasery s plynným
aktívnym prostredím, v ktorom horí výboj.
K vybudeniu na hornú laserovú hladinu sú potrebné
nasledovné zrážky s elektrónmi: prvá zrážka
ionizuje atóm argónu a druhá tento vzniknutý ión Ar+ vybudí na uvedenú hladinu.
Kvôli tomu je potrebná vysoká hustota elektrického
prúdu. Nepriaznivý dôsledok toho je, že celý systém
sa dosť silno zahrieva. Výbojová trubica sa preto
vyrába z materiálu, ktorý účinne odvádza teplo.
Takýmto materiálom je napríklad oxid berýlia alebo
grafit. Argónový laser dáva pomerne veľké výkony
až desiatky či stovky wattov. Žiarenie môže
obsahovať i viac
vlnových dĺžok. Najintenzívnejšie spektrálne čiary
sú 0,488mm
/modrá/ a 0,515mm /zelená/. Laserová reakcia v
hélium-neónovom lasery sa deje medzi energetickými
hladinami atómu neónu. V zrážke s elektrónmi vo
výboji dostáva neónový atóm dostatočnú energiu pre
presun na hornú laserovú energetickú hladinu. K tomu
tiež prispievajú atómy hélia. Výboj horí
v sklenených trubiciach. Typický výkon napr.
z valcového výboja 100cm´6mm je 100mW. Vlnová dĺžka
generovaného žiarenia je najčastejšie 0,633mm/červené svetlo/. Tento laser sa
často používa aj ako “navádzač”- doprovodný
viditeľný lúč pre lúče iných laserov.
Excimerový laser:
je laser , ktorého častice nie sú molekuly tvorené
rovnakými atómmi, ale molekuly vzniknuté spojením
dvoch atómov rôznych vzácnych plynov, alebo spojením
atómu vzácneho plynu a halogénového prvku/napr.
argón a kryptón, kryptón a fluór, xenón a
chlór.../. Tieto molekuly vzniknú pri zrážkach
s vysokoenergetickým elektrónovým zväzkom. Existujú
len vo vzbudenom stave. Pri vyžiarení fotónu prejde molekula do základného
stavu a okamžite sa rozpadne. Laserový prechod je dosť
široký, preto možno laser prelaďovať. Vlnové
dĺžky žiarenia tohoto lasera ležia v ultrafialovej
oblasti. Priemerný výkon v pulznom režime napr. KrF
lasera môže byť 100W.
Lasery s kvapalným laserovým
prostredím
Posledným typom lasera je farebný laser. Laserujúcim prostredím je
kvapalina: roztok zlúčeniny organického farbiva
v etylalkohole, metylalkohole alebo vode. Takýmto
farbivom môže byť napr. kumarin alebo rodamin. Budenie
laserovej kvapaliny sa deje ožiarením buď viditeľným
alebo ultrafialovým svetlom. Po ožiarení vydáva
kvapalina fluorescenčné svetlo s mnohými vlnovými
dĺžkami, na ktoré možno laser prelaďovať zmenou
dĺžky rezonátora. Výkon farebného lasera môže
dosiahnuť aj 100W.
Vlnová dĺžka je daná typom farbiva. Pohybuje sa od 0,4mm až do
1mm. To znamená, že k dispozícii
je viac než celé spektrum viditeľného svetla.
Uplatnenie laserov
Najväčšie uplatnenie
laserov je v :
Využitie laserov v medicíne
![](01-2.gif)
Laser označujú lekári
za vynikajúci chirurgický nástroj, ktorý sa po prvý
krát v ľudskej chirurgii použil v roku 1972. Najväčšie spektrum aplikácii
má CO2-laser.
V čom je tento laser výnimočný? Rez laserovým
lúčom je tenký, naviac okolité tkanivo je žiarením
zasiahnuté len do hĺbky cca 0,1mm. Žiarenie o vlnovej
dĺžke okolo 10mm je tkanivom silne pohlcované.
Pretože voda tvorí 75% až 95% tkaniva. Ďalšia
výhoda je, že tkanivo sa reže bez dotyku rezného
prístroja /bez tlaku/.A ešte jednu prednosť tohoto
“laserového skalpela” treba uviesť: pri hustote
energie žiarenia okolo 400J/cm2 sú konce ciev pri reze
fotoagulované /zvarené/, takže rána menej krváca.
Takýmto spôsobom je možné uzavrieť cievy až o
priemere niekoľko milimetrov. Na fotoaguláciu sa hodí
aj neodymový laser.
V gynekologickej chirurgií sa tiež využíva CO2-laser veľmi úspešne. Hlavne na
operácie, kde by krvácanie bolo vážnym problémom.
Pointa spočíva v tom, že tkanivo, ktoré je
zasiahnuté laserom sa odparí. Zásadný pozor treba
dávať na správne dávkovanie laserového žiarenia. Aj
keď je operácia touto metódou veľmi náročná, počet používania
laserov sa znásobuje. O tom svedčí aj údaj, že
v USA používajú lasery už okolo 30-tisíc
gynekológov.
![](01-3.gif)
Laser sa
používa aj k liečeniu hnisavých ochorení. Uplatňujú sa mnohé výhody:
reže, odparuje tkanív, zatavuje krvné cievy a
sterilizuje oblasť. Veľmi úspešne bol použitý
v brušnej dutine, k preventívnej sterilizácii
poranených brušných stien.
CO2 - lasery
s nižším výkonom do /16 W/ sa používajú ako “skalpely”
/obr.č.4/. Na priemer 0,5 mm sa dá
dosiahnuť rezacia rýchlosť 5 mm/s. Používajú sa aj
lasery stredných výkonov až 35 W a veľké
chirurgické CO2 lasery a majú výkon
od 35 W do 100 W.
Svoje uplatnenie našli aj v neurochirurgii. Prednosti spočívajú
v bezdotykovej operácii, minimálne tepelné
poškodenie okolitého tkaniva vďaka silnej absorbcii
v bunkovej a medzibunkovej vode, presnosť rezu, menší
čas dotovania pacienta. Laser umožnil aj operácie
v nedostupných miestach ako napríklad v mozgu a
mieche. Pacienti sú spokojní, lebo odtok aj strata krvi
sú menšie, menšia je aj pooperačná jazva a
skracuje sa pobyt v nemocnici i následovná
rekonvalescencia.
Jedným z posledných
lekárskych odvetví kam až CO2 -
laser prenikol je stomatologia. Laserový lúč sa používa na
odparenie poškodenej zubnej skloviny, ktorá veľmi
silne absorbuje žiarenie tohto lasera. Pre tieto
aplikácie sa laser prevádzkuje v pulznom režime napr.
s frekvenciou 1Hz a výkonom 4W, aby sa stačilo
odvádzať absorbované teplo. Rovnakým problémom
zostáva vhodné nastavenie optimálnych parametrov
lasera.
Doteraz sme stále písali len o výhodách. Ale čo nevýhody?
Samozrejme aj tie sú. Jednou z nich je, že nie je
komerčne dostupný kvalitný vlnovod CO2-lasera pre infračervené
žiarenie /10.6mm/.Vlnovod by umožňoval
operatívne premiestňovanie lúča na určené miesto.
Zatiaľ sa vedenie lúča umožňuje artikulačným
ramenom. Je zložené z niekoľkých častí a materiál
sú hliníkové a uhlíkové vlákna, ktoré umožňujú
veľký pohyb v priestore. Zalomenie lúča sa deje
pomocou odrazových zrkadiel. Má to veľkú nevýhodu:
nepohodlné ovládanie, straty žiarenia pri odraze na 7až 8 zrkadlách.
V artikulačnom ramene je okrem infračerveného lúča
aj červený navádzací lúč hélium-neónového
lasera. Pre úplnosť ešte treba uviesť, že existujú
tzv. vlnovodové CO2-lasery
/ obr.č2/, kde
výboj horí pri vyššom tlaku pracovnej zmesi
plynov./CO2 ,N2 , a H2 /. Tieto lasery sú umiestnené
v keramickej ceruzke o priemere 2-3mm a dĺžke 10 až
20cm. A tak odpadávajú problémy s artikulačným
ramenom. Výkon takéhoto lasera neprekračuje 10W.
Túto uvedenú nevýhodu však nemajú lasery
argónové a neodymové,
lebo ich žiarenie je možné viesť ohybnými
kremennými vlnovodmi. Obidva lasery sa používajú
v očnom lekárstve. Viac sa využíva argónový
s výkonom 5 až 10 W, ktorého žiarenie sa krvou silno
pohlcuje, takže dochádza už k spomínanej
fotoagulácii malých cievok a kože. Tým sa zastaví
krvácanie na sietnici, či nadbytočný rast ciev pri
cukrovke.
Využitie
laserov v kozmológii
Unikátne vlastnosti
laserov sa využívajú aj v mnohých oblastiach
výskumu kozmu a pri skúmaní Zeme z kozmu. Len
niekoľko rokov po objave lasera bol rubínový laser
využitý ku konštrukcii laserového diaľkomeru
pre meranie veľkých kozmických vzdialeností.
Laserový diaľkomer pracuje na klasickom radarovom
princípe: meria sa čas, ktorý uplynie od okamihu
vyslania krátkeho impulzu do okamihu príchodu impulzu
odrazeného od meraného objektu. Z toho času, pri
uvážení rýchlosti a spôsobe šírenia svetla, je
možné určiť meranú vzdialenosť. Veľkú
vzdialenosť je možné merať len vtedy, keď sú na
meranom objekte umiestnené špeciálne kútové
odrážače. Oni odrážajú
dopadajúci svetelný zväzok späť v rovnakom smere.
Od 60-tych rokov boli na rôzne obežné dráhy okolo
Zeme vypustené družice vybavené kútovými
odrážačmi. Prvý kozmonaut, ktorý vstúpil na Mesiac,
inštaloval na jeho povrchu panel týchto odrážačov.
Presnosť merania
vzdialeností umelých družíc a Mesiaca sa postupne
zvyšuje od počiatočnej hodnoty niekoľko metrov až na
hodnoty niekoľko málo centimetrov pri meraní Mesiaca a
na milimetre pri meraní družíc. V súčasnosti
pracuje na Zemi sieť niekoľko desiatok laserových družicových
diaľkomerov, ktoré merajú opakovane vzdialenosti
družíc s vysokou presnosťou. Namerané výsledky sú
zhromažďované a spracovávané v dátových centrách
NASA a Európskej kozmickej agentúre. Používajú
v geodézii pre meranie veľkých vzdialenosti s extrémnou presnosťou,
v geofyzike, pri skúmaní deformácie a pohybe
kontinentov, pri štúdiu gravitačného poľa Zeme, pre
globálnu ekológiu, skúmanie oceánov a ľadovcov,
v teoretickej fyzike pri štúdiu relativistických
efektov. V 80-tych rokoch bola k Marsu vypustená sonda PHOBOS,
ktorá mala skúmať aj mesiac Phobos s pomocou laserom
budeného iónového spektrometra. Koncom storočia
poletí k Marsu niekoľko sond nového typu ku
komplexnému skúmaniu planéty. Sondy sú
skonštruované na základe širokej medzinárodnej spolupráce. Budú vypustené
ruskou nosnou raketou. V blízkosti Marsu sa rozdelia na
niekoľko častí. Jedna časť bude uvedená na obežnú
dráhu okolo Marsu, ďalšia pristane na povrchu a
vysadí automatické vozidlo, časť sa bude pohybovať
za pomoci balónu v riedkej atmosfére planéty. Pre
balónovú sondu bol vyvinutý miniatúrny laserový
výškomer, ktorý bude merať výšku balónu nad
povrchom planéty. Poznatky získané při riešení
úloh kozmického výskumu sa využívajú i při
riešení úloh “pozemských”. Prístroj pre skúmanie atmosféry Marsu bol upravený
a je používaný na meranie znečistenia atmosféry
v ekológii.
Čo sa dá s lasermi ešte robiť?
Laserom môžeme odpariť
tenké farebné
nápary na skle aj iných materiáloch /obr.č.5/. Rezanie
dreva, hologramov, plexiskla sa môže kombinovať s gravírovaním. Laserom môžeme vyrezávať
šablony, ktoré sú z ocele gumy, fosforbronzu.
Laser sa využíva aj pri
nukleárnych fúziách
![](01-4.gif)
Princíp vychyľovania
Behom značenia
laserom je sväzok lasera vychyľovaný zrkadlami vychyľovacieho systému a
sústredený F-theta objektivom na popisovaný povrch.
Koncentrovaný laserový sväzek vytvára popis vyrytím,
zmenou farvy, alebo odparením povrchu.
Celý proces vychyľovania a značenia je riadený počítačom. Nové grafické uživateľské
rozhranie pod systémem
Windows umožňuje jednoduchý návrh a veľkú
flexibilitu celého systému. Dajú sa priamo používať TTF fonty
(viac než 750 druhov
písma) alebo importovat predlohy z grafických programov
typu CorelDraw, AutoCad, a iné. Tvorba a značenie ľubovoľných obrázkov,
firemních log, nápisov, čiarových
kódov, číslovánia
je už len hračkou.
Využitie
laserov v atómovej fyzike
Žiarenie, ktoré
prijímajú atómy alebo molekuly, je už mnoho rokov
cenným zdrojom informácii o štruktúre mikrosveta.
Viedlo to až k vzniku kvantovej teórie. Táto
disciplína umožňuje popísať chovanie a vlastnosti
najmenších štruktúr hmoty/molekúl, atómov až kvarkov/. Otto Frisch v roku 1933 bol asi prvým, komu
sa podarilo svetlom so sodíkovej výbojky odkloniť
zväzok sodíkových atómov , a tak demonštrovať
mechanické účinky svetla na malé objekty. V dnešnej
dobe sa používajú ako zdroje žiarenia lasery a atómy
dokážeme nielen odkloniť , ale aj spomaliť /čo
znamená schladiť, lebo teplota plynu je daná
rýchlosťou atómu alebo molekúl / a dokonca aj chytiť do svetelnej
paste.
Príklady najrozšírenejších aplikácii
Jednou
z najdôležitejších aplikácii v metrológii sú
atómové hodiny na princípe atómovej fontány. Atómy
Cs sú chytené do optickej paste a potom vymrštené
optickým lúčom hore. Po chvíľke vplyvom gravitácie
padajú voľným pádom späť. To sa opakuje dookola.
Tieto hodiny sa omeškajú o jednu sekundu za milión
rokov. Veľmi presné hodiny sa používajú
v celoplanetárnom záchrannom systéme pre navigáciu
stratených lodí alebo vojakov behom operácii v Perzkom zálive.
Umožnia tiež nové cesty obecnej teórie relativity a
napr. aj presnejšie meranie doby rotácie pulsarov.
Ďalšou aplikáciou
môže byť oblasť týkajúca sa odklonu, fokusácie či
delení atómových zväzkov a nazývame ju atómová
optika. Umožňuje napr. konštrukciu atómového interferometru, ktorého citlivosť je veľmi veľká.
Môže byť použitá pre štúdium interakcie atómov
s povrchmi a naviac bude citlivý napr. i na veľmi
malé zmeny gravitačného poľa. Mohol by tiež
umožniť diaľkové vyhľadávanie nerastných zdrojov či ložísk.
Prvé experimenty
s laserovým chladením boli prevedené na iónoch
Winelandom a Dehmetlom/1975/, ale v rovnakej dobe bol
Hanshom a Schawlowom navrhnutý spôsob jako schladiť aj
atómy. Najjednoduchšia metóda nazývaná Dopplerovo
chladenie využíva rozptyl fotónov na atómoch
šíriacich sa proti laserovému lúču. Žiarenie
z lasera je tvorené mnohými fotónmi a každý z nich
má hybnosť rovnú h/l /h
- Planková konštanta a l-vlnová dĺžka
žiarenia/.Každý absorbovaný fotón udelí atómu
malý kopanec v smere šírenia žiarenia. Absorbovaný
fotón spôsobí nabudenie/excitáciu/ atómu. Po
krátkej dobe /cca 10-9/ sa atóm získanej energie
zbaví Vyžiari fotón, ale v ľubovoľnom smere. Smery
vyžiarených fotónov budú rozličné, preto výsledná
sila, ktorá ovplyvňuje pohyb atómov, bude v smere
absorbovaných fotónov. V tomto prípade proti pohybu
atómov, ktoré sa tak budú spomaľovať. Môže nastať
aj prípad, keď na atóm svietime z dvoch
protiľahlých strán intenzívnymi laserovými
zväzkami. Fyzici si tiež posvietili na atómy troma pármi navzájom kolmých
protibežných zväzkov a dostali usporiadanie, ktoré
umožňovalo chladiť atómy zo všetkých strán, tak
že zostali prilepené v priesečníku zväzkov. Takéto
usporiadanie nazvali “optický sirup” Pri Dopplerovom
chladení sa dosiahlo teplôt 240mK
pre sodík a125mK pre cézium. Optické sirupy sa
nechovali presne podľa očakávania. Snaživé merania
vedcov v NIST/National institute of Standarts and
Technology,Gaithersburg,USA/ odhalili, že je možné
dosiahnuť teplôt až o jeden rád menších, než
predpovedala predchádzajúca teoria chladenia, pokiaľ
sa odtieni magnetické pole Zeme. Ide o takzvaný
Zeemanov jav a typ chladenia sa nazýva supdopplerovské
chladenie. U chytených atómoch sa ich rýchlosti v
pasti prevádzajú na teploty, napr. pri atómoch Cs bola nameraná
rýchlosť 12,5mm/, čo odpovedá 2,5 miliontine Kelvina/teoreticky najnižšia teplota 0K odpovedá
-273K/. Pre porovnanie: pri pokojovej teplote 300K majú
rýchlosti rádovo stovky m/s. So získavaním
zručností bolo jasné, že publikované teórie sa dajú dobre použiť
v jednodimenzionálnych najviac dvojdimenzionálnych
problémoch. Walter v roku 1990 popísal tri typy
chovania sa atómov v trojdimenzionálnej pasti.