Jak działa laser? Część pierwsza: fizyka
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? 😉
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.
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:
Co należy zrobić, aby uzyskać promieniowanie laserowe?
Schemat budowy lasera:
Układ pompujący
Różnorodne, latające w tę i z powrotem fotony
Układ pompujący
Zwierciadło półprzepuszczalne połączone z filtrem – wypuszcza poza laser tylko jeden, konkretny rodzaj fotonów
Lustro – odbija wszystkie rodzaje fotonów z powrotem do ośrodka aktywnego.
Spójna wiązka fotonów (nośników światła) o identycznych właściwościach.
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
