Egészségügy | Biofizika » Veréb György - Lézerek és orvosbiológiai alkalmazásaik

Lézerek és orvosbiológiai alkalmazásaik A lézerek muködésének fizikai alapjai Vereb György – lézerek 2004 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Vereb György – lézerek 2004 KÖZÖNSÉGES FÉNYFORRÁSOK Idobeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia suruség Nem poláros fény Spontán emisszió Vereb György – lézerek 2004 A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETO ISMÉRVEI Idobeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia suruség Nem poláros fény Spontán emisszió Idobeli koherencia Térbeli koherencia Indukált emisszió Monokromatikus fény (kis sávszélesség) Nagy energia suruség (Polarizált fény) Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási h = E f E1 Random folyamat Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E= E2 hf Einstein, 1917 E fény áram mozgási h = E f E1 Random folyamat Vereb György –

lézerek 2004 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E= hf E2 E= E fény áram mozgási h = E f E= hf hf E1 Random folyamat Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ E= hf E2 E= E fény áram mozgási h = E f E= hf hf E1 Random folyamat 1. Kölcsönhatás 2. E = hf = E2-E1 3. Polaritás (p ~ cos 2φ) Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ Milyen a spontán és az indukált emisszió energia (foton fluxus) mérlege? Lehet-e valamelyikkel fényerosítést (LA) elérni? Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN EMISSZIÓ E2 E fény áram mozgási E1 Vereb György – lézerek 2004 SPONTÁN EMISSZIÓ E2 E2 N2 db gerjesztett részecske E fény áram mozgási E1 E=hf E1 δΝ2 / δt = -α N2 A legerjesztodés (és így az emisszió) sebessége (N2 csökkenése idoegység alatt) a gerjesztett állapotú részecskék számától (N 2) és egy anyagi állandótól (α) függ Vereb György – lézerek

2004 INDUKÁLT EMISSZIÓ (Stimulated Emission of Radiation – SER) E2 E fény áram mozgási E1 N1 δΝ1 / δt = - Β12 F N1 A gerjesztett állapot keletkezési sebessége az F foton fluxustól, a Β 12 abszorpciós valószínuségtol és az alapállapotú részecskék számától (N 1) függ Vereb György – lézerek 2004 INDUKÁLT EMISSZIÓ (Stimulated Emission of Radiation – SER) E2 N2 E2 E E=hf fény áram mozgási E1 E=hf N1 δΝ1 / δt = - Β12 F N1 E1 - δΝ2 / δt = Β21 F N2 Az indukált emisszió sebessége az F foton fluxustól, a Β 21 emissziós átmeneti valószínuségtol és a gerjesztett állapotú részecskék számátólVereb(NGyörgy lézerek 2004 2) –függ AZ INDUKÁLT EMISSZIÓ ENERGIA MÉRLEGE E2 E=hf N1 E1 Belépo fény δΝ1 / δt = - Β12 F N1 A belépo fotonok és az alapállapot fogyásának üteme Vereb György – lézerek 2004 AZ INDUKÁLT EMISSZIÓ ENERGIA MÉRLEGE E2 N2 E2 E=hf E=hf N1 E1 E=hf E1 Belépo

fény Kilépo fény δΝ1 / δt = - Β12 F N1 - δΝ2 / δt = Β21 F N2 A kilépo fotonok szaporodásának üteme (azonos a gerjesztett állapot fogyásának ütemével) Vereb György – lézerek 2004 AZ INDUKÁLT EMISSZIÓ ENERGIA MÉRLEGE E2 N2 E2 E=hf E=hf N1 E1 E=hf E1 N1 fogyása N2 fogyása δΝ1 / δt = - Β12 F N1 Fotonok fogyása δF / δx = - σ F N1 - δΝ2 / δt = Β21 F N2 B12=B21 Fotonok szaporodása δF / δx = σ F N2 σ = abszorpciós keresztmetszet Vereb György – lézerek 2004 AZ INDUKÁLT EMISSZIÓ ENERGIA MÉRLEGE E2 N2 E2 E=hf E=hf N1 E1 Belépo fény E=hf E1 Kilépo fény δF / δx = - σ F N1 δF / δx = σ F N2 δF / δx = σ F (N2-N1) Összesített foton fluxus változás Vereb György – lézerek 2004 A FÉNYEROSÍTÉS FELTÉTELE (Light Amplification –LA) δF / δx = σ F (N2-N1) ∆F ~ N2-N1 E2 N2 F + ∆F F E1 N1 Abszorpció Erosítés Vereb György – lézerek 2004 A FÉNYEROSÍTÉS FELTÉTELE

(Light Amplification –LA) δF / δx = σ F (N2-N1) ∆F ~ N2-N1 E2 N2 F + ∆F Kiindulás: Boltzmann N2/N1= e - ∆E/kT N1>>N2 ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 N1 Abszorpció Erosítés Vereb György – lézerek 2004 A FÉNYEROSÍTÉS FELTÉTELE (Light Amplification –LA) δF / δx = σ F (N2-N1) ∆F ~ N2-N1 E2 N2 F + ∆F Kiindulás: Boltzmann N2/N1= e - ∆E/kT N1>>N2 ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 N1 Abszorpció Erosítés Erosítés: ∆F > 0 N1 < N 2 populáció inverzió Vereb György – lézerek 2004 A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE ∆F ~ N2-N1 E2 F + ∆F N1>>N2 (Boltzmann) ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 Absz ~ N1 Em ~ N2 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre Vereb György – lézerek 2004 A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE ∆F ~ N2-N1 E2 F + ∆F N1>>N2 (Boltzmann) ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 Absz ~ N1 Em ~ N2 pumpált rendszer: N2 no, N1

csökken N1 = N 2 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre Vereb György – lézerek 2004 A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE ∆F ~ N2-N1 E2 F + ∆F N1>>N2 (Boltzmann) ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 Absz ~ N1 Em ~ N2 pumpált rendszer: N2 no, N1 csökken N1 = N 2 Egyensúly, ∆F = 0 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre Vereb György – lézerek 2004 A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE ∆F ~ N2-N1 E2 F + ∆F N1>>N2 (Boltzmann) ∆F << 0 Abszorpció dominál F E1 Absz ~ N1 Em ~ N2 Kétnívós rendszerben nem jöhet létre pumpált rendszer: N2 no, N1 csökken N1 = N 2 Egyensúly, ∆F = 0 N1 < N2 (populáció inverzió) Erosítés Vereb György – lézerek 2004 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA Minimális feltétel: háromnívós rendszer E3 Gyors spontán átmenet Inverzió: N2=N1+1 E2 Pumpálás * mozgási E * fény * áram E1 E=hf E=hf E1 PSpontán relaxáció < PIndukált emisszió Vereb György –

lézerek 2004 POPULÁCIÓ INVERZIÓ LÉTREHOZÁSA Optimális feltétel: négynívós rendszer E3 Gyors spontán átmenet Inverzió: N2=1 E2 Pumpálás E=hf E=hf * mozgási E * fény * áram E1 E0 Gyors spontán átmenet Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 tükör Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 tükör Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 tükör Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 tükör Vereb György – lézerek 2004

LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 tükör tükör Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 Visszacsatoló tükör 99,9 % Kicsatoló tükör 90 - 99 % Vereb György – lézerek 2004 LÉZER EROSÍTO ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR LÉZER ANYAG E3 E2 Pumpálás E1 E0 Visszacsatoló tükör 99,9 % REZONÁTOR: Állóhullám, L = n λ / 2 Módusok: transzverzális és axiális Kicsatoló tükör 90 - 99 % Vereb György – lézerek 2004 Néhány fontosabb esemény a LÉZER történetébol 1917 Einstein megjósolja az indukált emisszió jelenségét, és hogy a gerjesztés és indukált emisszió valószínuségi állandói (B 12 és B21) egyenloek 1954 Az elso mikrohullámú lézer (MASER) 1960 Az elso látható fényu lézer (rubin lézer) 1966 Az elso gáz lézer 1984 Az elso Rtg lézer Vereb György – lézerek 2004 Példa egy egyszeru

gázlézerre He - Ne lézer Gáz (atom) lézer folyamatos üzemu (c.w) Pumpálás: kisüléssel (~, =) Gerjesztett atom: He Lézer átmenet: Ne He:Ne = 10:1 p = 1 torr Kicsatoló tükör: T = 2 % P = 1 100 mW D = 1 mm Divergencia = 1 mrad λ= 632.8 nm λ= 543 nm He* Másodfajú ütközések Ne* Ne* Spontán relaxáció Ne He = Vereb György – lézerek 2004 LÉZEREK CSOPORTOSÍTÁSA Lézer anyag Lézer típusa pumplás módja λ (nm) gáz El. kisülés El. kisülés El. kisülés El. kisülés El. kisülés fény / lézer fény / lézer villanólámpa villanólámpa villanólámpa Xe lámpa villanólámpa áram áram áram folyadék szilárd Dióda He-Ne Ar++ Kr++ CO2 Excimer (ArF, XeCl) Festék Festék (Rh 6G) Rubin (Cr+++ & Al2O3) Nd-YAG Nd-YAG / KTP Nd-YAG Er-YAG GaAs AlGaAs GaInAsP Üzemmód E (W) t (ns) 633 c.w 0.1 488, 514 c.w 10 657,752 c.w 3 10600 c.w 200 193, 308 imp 10 MW 1-3 sokféle imp/c.w 3 600 imp 10000 1 fs 694 imp 200 MW 100 1065 imp 50 MW 10

532.5 imp 2 MW 10 1065 c.w 60 2900 imp 1 MW 10 840 c.w / imp 5 HF 760 c.w / imp 50 1300 c.w / imp 20 Vereb György – lézerek 2004 Ar ion lézer Ar++* Gáz (ion) lézer folyamatos üzemu (c.w) Pumpálás: kisüléssel (~, HF) (gyurukisülés, I ~ 100 A) Gerjesztett atom: Ar, Ar+ Lézer átmenet: Ar2+ Ar p = 10 mtorr Kicsatoló tükör: T = 10 % P = 0.1 100 W D = 0.5 5 mm Divergencia = 0.5 mrad λ = 351, 488, 514, etc nm kiválasztás: prizmával Hutés: víz vagy légáram Hasonló lézer anyagok: Kr, Xe Ar++* Ar++ Rekombináció = Vereb György – lézerek 2004 CO2 lézer Gáz (molekula) lézer folyamatos üzemu (c.w) Pumpálás: kisüléssel (~, HF) Gerjesztett molekula: N 2 Lézer átmenet: CO2 molekuláris vibráció CO2:N 2:He = 0.8:1:7 Kicsatoló tükör: T = 10 % P = 1 W 100 kW D = 0.5 50 mm Divergencia > 1 mrad λ = 10600 nm N2* Másodfajú ütközések CO2* CO2* Ütközés He -mal CO2 N2 CO2 palack = Vereb György – lézerek 2004 Excimer

lézer ArF* ArF* “EXCIted diMER” Gáz (atom / molekula) lézer impulzus üzemu Pumpálás: kisüléssel Gerjesztett atomok: Ar + F 2 Lézer átmenet: ArF P = 10 MW (1 J/cm ) D = 0.5 5 mm Divergencia = 1 mrad λ = 193 nm Impulzus szélesség: 1-3 ns Hasonló lézer anyagok: KrF, XeCl, N 2 ArF Bomlás Ar, F2 Vereb György – lézerek 2004 Nd - YAG Nd3+* Nd3+* Neodímium - Y3Al 5O12 gránát Szilárdtest lézer impulzus üzemu (vagy c.w) Pumpálás: villanólámpa Gerjesztett atom: Nd3+ Lézer átmenet: Nd 3+ 3+ Nd P = 60 W (c.w) 1 MW D = 0.5 5 mm Divergencia = 0.5 - 1 mrad λ = 1065 nm Hutés: víz Impulzus szélesség: 10 ns (Q-kapcsolt) Hasonló lézer anyagok: rubin, Er-YAG, Tm-YAG Nem-lineáris optika: 532, 355, 266 nm Nd3+* Xe lámpa Vereb György – lézerek 2004 Nd - YAG Neodímium - Y3Al 5O12 gránát Frekvencia-duplázás nem-lineáris kristállyal: 1065nm t 532 nm Vereb György – lézerek 2004 Rubin lézer Cr – AlO3 A Neodímium-YAG-hoz

hasonló elven muködik Szilárdtest lézer impulzus üzemu Pumpálás: villanólámpa Gerjesztett atom: Cr3+ Lézer átmenet: Cr3+ P = 100 MW D = 0.5 5 mm Divergencia = 0.5 - 1 mrad λ = 694 nm Hutés: víz Impulzus szélesség: 10 ns Vereb György – lézerek 2004 Dióda lézerek Félvezeto lézer c.w vagy impulzus üzemu Pumpálás: árammal P < 50 W D = 0.1 2 mm Divergencia = 1 - 5 mrad λ > 600 nm (általában) Hutés: nem feltétlenül kell Pumpált dióda lézer telekommunikáció Vereb György – lézerek 2004 Lézerfény vezetése Infravörös (pl. CO2 lézer): Tükrök célzó lézer a látható tartományban (He-Ne, dióda) Vereb György – lézerek 2004 Lézerfény vezetése Látható lézer: tükrök, száloptika (becsatolás lencsékkel) Vereb György – lézerek 2004 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA – Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ)

ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA Vereb György – lézerek 2004 ORVOSI DIAGNOSZTIKA / KUTATÁS és TERÁPIA Nagy teljesítmény diagnosztika Kis teljesítmény áramlási citometria laser nefelometria labor diagnosztika korrelációs spektr. és kutatás mikroszkópiák optikai csipesz endoszkópia klinikai diagnoszt. laser doppler fotodinamikus diag. koaguláció (60-90 C) hyperemizálás laserthermia terápia lágy laser therapia laser sebészet vágás, vaporizáció (100-150 C) excisió (300 C) fotodinamikus thr. Vereb György – lézerek 2004 A lézersugárzás kölcsönhatása a szövetekkel - Elnyelodés Visszaverodés, szóródás Gerjesztés atomizáció Melegítés Fluoresz- Fotokémiai cencia reakciók ionizáció FotoShock wave disszociáció 40 oC 60-90 oC 100-150 oC 300 oC Laserthermia Koaguláció Vaporizáció / Vágás Karbonizáció / Excisió Vereb György – lézerek 2004 KOAGULÁCIÓ (Portói folt eltüntetése)

Vereb György – lézerek 2004 KOAGULÁCIÓ (diabéteszes retinopátia kezelése) Vereb György – lézerek 2004 SHOCK WAVE Vereb György – lézerek 2004 KARBONIZÁCIÓ (nyelocsotumor kiégetése) Vereb György – lézerek 2004 FOTODINÁMIÁS DIAGNÓZIS Fluoreszcens festék Daganat a festéket szelektíven felveszi Ar laser Száloptika /endoszkóp Kr laser Vereb György – lézerek 2004 FOTODINÁMIÁS TERÁPIA A gerjesztett festék O radikálokat hoz létre Daganatsejtek A festékkel Festék laser Ar laser Száloptika Vereb György – lézerek 2004 FOTODINÁMIÁS TERÁPIA Vereb György – lézerek 2004 FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) MÁS RONCSOLÓ ELJÁRÁSOKHOZ VISZONYÍTVA Nd-YAG vaporizáció CO2 karbonizáció Excimer (ArF) atomizáció Vereb György – lézerek 2004 FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya formálás (PRK = fotorefraktív keratektómia) – szemüveg helyett Vereb György – lézerek 2004

Szaruhártya formálás lézerrel Számítógépes tervezés LASIK (laser-assisted in situ keratomileusis) A cornea lecsiszolása elott a felszíni hámot lapmentén bemetszik és a lebenykét felhajtják Az eredmény: domborzati magasság színekkel kódolva Vereb György – lézerek 2004 Femtosecundumos LASIK Alapja: a lézer fókuszpontjában a nagy intenzitás miatt (10 12W/cm2) multifoton ionizáció és kaszkád ionizáció történik, az anyag plazmaállapotúvá válik, és GPa nyomású lökéshullám keletkezik, mely a fókuszpontban piciny folytonosság-hiányt (légbuborékot) hoz létre. A többlet-domborulatot okozó lencseformájú szövetdarabot körülperforáljuk lézerimpulzusokkal, majd a fedo lebenyt felhajtása után eltávolítjuk Vereb György – lézerek 2004 Szaruhártya formálására szolgáló módszerek: PRK, LASIK, LASEK PRK: Ledörzsöljük az "alma" héját, vagyis a hámsejteket, és a felszínen végezzük a kezelést. Ezt

követoen megvárjuk, míg a hámsejtek (2-3 nap alatt) "visszanonek". Elonye, hogy teljesen biztonságos Hátránya, hogy a hámsejtek "visszanövéséig" hiányzik az "alma héja", ami átmeneti panaszokat okoz, fényérzékenységet, idegentest érzést. LASIK: Felvágjuk az almát, félrehajtjuk a felvágott részt és a vágott felszínen végezzük a kezelést. Ezután visszahajtjuk a felvágott részt. Elonye, hogy átmeneti panaszokkal sem jár Hátránya, hogy súlyos szövodményei lehetnek, akár a kezelés alatt, akár a késobbiekben bármikor, mivel a felvágott rész soha nem no vissza, pl. egy autóbaleset, vagy sportsérülés kapcsán leszakadhat LASEK: Az alma hasonlatnál maradva a héjból, vagyis a szaruhártya hámjából képezünk egy védolebenyt . Ezt a lebenyt hajtjuk félre, elvégezzük a kezelést, majd visszahajtjuk a hámsejtréteget. Ezzel a módszerrel jelentosen csökkennek a kellemetlenségek, ugyanakkor nincs szükség

a veszélyeket rejto vágásra. Vereb György – lézerek 2004 FOTODISSZOCIÁCIÓ (ATOMIZÁCIÓ) Szaruhártya “csiszolás” felszíni homály esetén A beteg szem Mutét után Vereb György – lézerek 2004 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA – Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA Vereb György – lézerek 2004 Plazma Rtg lézerek Rtg emisszió mindkét irányba Felhasználások: Bio-holográfia Nanoelektronika Nano (robot) technika Lézerimpulzus (GW) NOVA (LLNL) 1053 nm Nd-glass 120 TW 10 db 70 cm-es sugár 100 KJ 20 ps – 10 ns Nano-áramlásméro Vereb György – lézerek 2004 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA – Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA Vereb György –

lézerek 2004 Holográfia Fotolemez, melyen a hologram képzodik Hologram interferencia Megfigyelo Divergens nyaláb lézer Eredeti nyaláb lézer Konvergens nyaláb Tárgyról szórt fotonok tárgy Virtuális 3D kép Valódi 3D kép Vereb György – lézerek 2004 Holografikus memória memória kristály (Li-niobát) Vereb György – lézerek 2004 A lézerek alkalmazási területei HOLOGRÁFIA – Gábor Dénes IPARI LÉZEREK LÉZERNYOMTATÓK LOKALIZÁCIÓS ÉS CÉLZÓRENDSZEREK KUTATÁS (RTG LÉZEREK, LÉZER CSIPESZ) ORVOSI DIAGNOSZTIKA/KUTATÁS és TERÁPIA Vereb György – lézerek 2004 A lézercsipesz P’test Pfoton Foton suruség P’foton Optikai tengely • Az alkamazott fény számára transzparens test • A fotonok törés miatti irányváltoztatása impulzusváltozással jár, ami a nagyobb fotonsuruség (optikai tengely) felé tereli a testet • A fénnyomás egyensúlyt tart a gravitációval • Mikromanipuláció • Szelekció,

sejtfúzió, megtermékenyítés • pN nagyságú molekuláris erok és nm-es távolságok mérése Távolság Vereb György – lézerek 2004