Jak działa laser? Część pierwsza: fizyka

Doktor Paweł Grzywacz w klinice LASERMED

lek. specjalista medycyny rodzinnej Paweł Grzywacz

#zdrowawiedza

Kto, słysząc słowo lasery, ma przed oczami coś takiego?

pojedynek udostępniony na licencji Creative Commons: Enemy Prod – Jedi vs Sith: Lightsaber Fight

Dość często lasery w pierwszym odruchu kojarzą się nam z jakąś kosmiczną, odległą od codzienności technologią – głównie za sprawą znanej serii filmów S-F George’a Lucasa.

Proszę jednak pomyśleć o: drukarkach stacjach CD/DVD stacjach Blu-Ray dyskotekach konferencjach wycinaniu w metalu grawerowaniu

W tych wszystkich miejscach lasery znajdują swoje zastosowanie. Chyba nie muszę wspominać o ich wykorzystaniu w medycynie? 😉

  • Ta część artykułu dotyczy tego, jak działa laser w kontekście technicznym i fizycznym

  • Żeby dowiedzieć się, jak laser działa na ciało człowieka, kliknij tutaj.

    Druga część artykułu otworzy się w nowej karcie.

Krótko mówiąc – wynalezienie lasera odmieniło wiele dziedzin naszego życia. Zawdzięczamy je niejakiemu Gordonowi Gouldowi (w LASERMED jesteśmy mu za to naprawdę wdzięczni).

Jestem pewien, że jesteście Państwo w stanie zgadnąć, któremu znanemu fizykowi przypisuje się stworzenie podstaw teoretycznych do wyprodukowania technologii laserowej. W ramach podpowiedzi zamieszczam jego mądre słowa:

Wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy, ponieważ wiedza jest ograniczona.

Zabieg depilacji laserowej wykonywany w naszej klinice

LASER to urządzenie, które ma świecić, ale w inny sposób niż żarówka

Możemy w uproszczeniu myśleć o nim jako o super-latarce. „Światło” (a dokładniej promieniowanie) dawane przez super-latarkę od promieniowania dawanego przez przeciętną latarkę różnią przynajmniej trzy cechy:

  • MONOCHROMATYCZNOŚĆ

    Zwykła latarka świeci wszystkimi kolorami tęczy naraz – nasze oko odbiera to jako światło białe. Super-latarka (laser) świeci tylko w jednym kolorze. W fizyce powiedzielibyśmy, że emitowane przez nią promieniowanie składa się z fal o tylko jednej częstotliwości.

  • silne SKONCENTROWANIE wiązki

    Żarówka oświetla cały pokój, zwykła latarka może koncentrować swoje światło na obszarze kilku centymetrów. Super-latarka może je skoncentrować na obszarze mikrometrów (1:100 000 centymetra).

  • ogromna MOC

    Żeby oparzyć się żarówką lub zwykłą latarką, zazwyczaj trzeba ich dotknąć.  Nasza super-latarka (laser) potrafi stopić tytan i przeciąć diament.

Co należy zrobić, aby uzyskać promieniowanie laserowe?

Schemat budowy lasera:

1
2
3
4
5
6
7
1

Układ pompujący

2

Różnorodne, latające w tę i z powrotem fotony

3

Układ pompujący

4

Zwierciadło półprzepuszczalne połączone z filtrem – wypuszcza poza laser tylko jeden, konkretny rodzaj fotonów

5

Lustro – odbija wszystkie rodzaje fotonów z powrotem do ośrodka aktywnego.

6

Spójna wiązka fotonów (nośników światła) o identycznych właściwościach.

7

Ośrodek aktywny

Informacje ważne dla pacjenta LASERMED:

Krócej niż mrugnięcie powieki

Cały proces zachodzący w laserze trwa niewyobrażalnie krótkie ułamki sekund.

Nd:YAG i Er:YAG

Kiedy mówimy o laserze erbowym (Er:YAG) lub „endowym” (Nd:YAG), to mamy na myśli materiał, z jakiego zbudowany jest ośrodek aktywny. W powyższych przykładach wspólna część YAG to granat itrowo-aluminiowy; Er to erb, Nd to neodym.

Nasza przyjaciółka - FOTONA

Właśnie dlatego tak bardzo cenimy sobie platformę FOTONA – zawiera ona w sobie tak naprawdę dwa różne lasery: Er:YAG i Nd:YAG!

1064 czy 2940?

Pokazałem Państwu powyżej, że z lasera wylatują fotony o określonych, tych samych właściwościach. Jedną z takich właściwości będzie charakterystyka tworzonej przez nie fali elektromagnetycznej. W laserze erbowym fotony będą tworzyły falę o długości 2940 nanometrów, w laserze „endowym” – 1064 nanometrów.

E = mc2

Wydostające się fotony (czy też fale elektromagnetyczne) to nic innego jak czysta energia. A my możemy wykorzystać tę energię na przykład do odnowy Państwa skóry.

Dlaczego medycyna kocha lasery?

W następnej części wytłumaczę, dlaczego tak istotne z perspektywy medycyny jest to, że promieniowanie laserowe jest monochromatyczne, bardzo spójne („zbite”) i wysoko energetyczne.

Sekcja "tylko dla odważnych"

  • Przypomnijmy: atom składa się z protonów i elektronów. Elektrony mogą występować w stanie podstawowym (stabilnym) i wzbudzonym (niestabilnym). W fizyce praktycznie wszystko dąży do „ustabilizowania”, dlatego atom naturalnie przyjmuje stan, w którym większość elektronów znajduje się w stanie podstawowym.
  • Układ pompujący wytwarza w ośrodku aktywnym inwersję obsadzeń – powoduje ona odwrócenie proporcji elektronów w stanie wzbudzonym i podstawowym.
  • Elektrony w stanie wzbudzonym mają zdolność do emisji spontanicznej – mogą powrócić do stanu podstawowego, wyrzucając przy tym foton o określonej energii.
  • Taki foton natrafiający na elektron w stanie wzbudzonym jest w stanie zmusić napotkany elektron do emisji wymuszonej – elektron wyrzuca z siebie foton o identycznej energii i kierunku przemieszczania się jak foton, który wymusił emisję.
  • Każdy kolejny foton wywołuje kolejne emisje, które nie wpływają na jego własną energię, kierunek „lotu” itp.
  • Fotony odbijają się od jednego zwierciadła do drugiego, gromadząc się w coraz większą wiązkę.
  • Poprzez wielokrotne odbicia poza ośrodek aktywny wypadają fotony o kierunku odmiennym do coraz spójniejszej wiązki identycznych fotonów.
  • W pewnym momencie fotonów o identycznym pędzie jest tak wiele, że zwierciadło półprzepuszczalne wypuszcza bardzo spójną i skoncentrowaną wiązkę promieni o identycznej długości fal.

Gdyby mieli Państwo jakieś pytania: zapraszam do zadawania ich w komentarzach lub przesłania na adres: [email protected].

Paweł Grzywacz

specjalista medycyny rodzinnej