História lasera

Historický vývoj konceptu lasera je považovaný za prirodzený vývoj výskumných prác, ktoré boli urobené začiatkom .50 rokov a ktoré zahrňovali práce na zosilňovačoch mikrovĺn (microwave amplifiers). To, .e v základe laser vychádza z teórie maserov odráž.a skutočnosť, .e v začiatkoch boli označované za .optické masery.. Slovo .laser. je acronym pre .Light Am-plification by Stimulated Emission of Ra-diation.. V roku 1917 ako prvý predložil koncept stimulovanej emisie A. Einstein. V rokoch 1917-1950 boli v popredí práce na atómovej a molekulárnej spektroskopii a preto sa vo vedeckých inštitúciách nevenovalo toľko pozornosti fenoménu stimulovanej emisie. V rokoch 1953-1954 sa začali nezávisle od seba venovať použitiu stimulovanej emisie pre zosilnenie mikrovĺn WEBER (1953) (University of Maryland), BASOV a PROKHOROV (1954) (ZSSR) a TOWNES (1965)(Columbia University). Townes, Basov a Prokhorov dostali Nobelovu cenu za fyziku v roku 1964 práve za práce v tejto oblasti a za práce v oblasti kvantovej elektrodynamickej teórie. U. v roku 1946 sa pozoroval proces stimulovanej emisie, ale nebol rozpoznaný. Pri experimentoch nukleárnej indukcie vznikala invertovaná rezonancia. Tento poznatok bol neskôr rozpoznaný ako jedna z možných metód na získanie inverzie populácie potrebnej pre stimulovanú emisiu. V roku 1958 SCHAWLOW a TOWNES predlo.ili výsledky práce o možnosti produkcie stimulovanej emisie v oblasti mikrovĺn v blízkosti optických častí spektra. O dva roky neskôr, MAIMAN (1960), v tom čase pracujúc v Hughes Aircraft Company, zostrojil prvý funkčný model rubínového lasera. Práce začali na hľadaní ďaľších pevných látok vhodných pre konštrukciu lasera. V roku 1961 JAVAN prvý krát demonštroval kontinuálny laser (CW - continuous wave) s náplňou hélia a neónu. Od tohto času vznikol celý rad laserov s rôznymi plynovými náplňami ako aktívnym laserovým médiom. A. do roku 1965 výstupný výkon plynových laserov bol veľmi nízky, a tak sa len ťažko mohli uplatniť v biomedicíne. Od roku 1967 zmenou technológie a technickým vývojom sa výstupné výkony zvýšili a tak sa stal laser zaujímavým aj z hľadiska možných medicínskych aplikácií. V roku 1961 HELLWARTH a McCLU-NG za použitia techniky známej ako .Q-switching. alebo .Q-spoiling. skrátili dĺžku impulzu na nanosekundy a takto do-siahli vo výkone laserov vysoký energe-tický zisk. HERCHER (1964) definuje Q-switching ako: .spôsob funkcie laseru, kedy nadbytok inverznej populácie v porovnaní s množstvom potrebným na normálnu činnosť laseru sa dosiahne skôr, ako začne regeneratívne zosilnenie.. Písmeno .Q. (quality) označuje zníženie kvality rezonančného priestoru ako prevencia predčasnej oscilácie. Potom vo vhodnom čase Q sa razom zmení na vyššiu úroveň. Týmto sa získa vysoká vrcholová výstupná energia. Na získanie Q-populácie je možné použiť rotujúce synchronizované zrkadlo, Kerrovú bunkovú uzávierku alebo saturovateľný filter. Touto technikou získané laserové žiarenia môže mať vrcholovú výstupnú energiu v rozmedzí od 10 do 1000 megawattov, úzku uhlovú šírku lúča a úzke frekvenčné spektrum. Táto technika otvorila úplne nové možnosti nelineárnej optiky a umo.nila fyzi-kom .túdium detailov mnohých nelineár-nych optických procesov. Všetko nasvedčuje tomu, .e Q-prepínacie laserové systémy ostanú ako veľmi dôležitý nástroj vo fyzikálnych laboratóriách. Tento typ laserov sa začal používať v daľšom vývoji ako zdroj na vaporizáciu v emisnej spektroskopii. Je to vynikajúca technika na pohodlnú vaporizáciu malých vzoriek biologických materiálov pre spektroskopickú analýzu. Predpokladá sa, .e tieto laserové systémy budú predstavovať jedinečný spôsob analýzy ľudských materiálov in vivo. V roku l960 sa podarilo T.H.MAIMANovi dať do prevádzky prvý laser.

. Vyvíjajú sa stále novšie a novšie typy laserov a otvárajú sa neustále nové aplikačné oblasti pre lasery. Dnes majú lasery svoje pevné miesto nielen vo výskume a v technike, ale aj v medicíne.

Princíp činnosti lasera

Najlepšie sa dá činnosť lasera opísať na príklade rubínového lasera. Excitácia chrómových iónov v rubíne sa dosiahne optickým pumpovaním rubínovej tyče. Tento proces je jednou z mož.ností, ako dosiahnúť zmenu stavu atómu a zahŕňa absorpciu fotónu určitej presnej energie (t.j. presnej vlnovej dĺžky). Vo všeobecnosti, atómy môžu zaujímať hociktorú pozíciu z rôznych kvantových stavov alebo energetických hladín, ktorá závisí od okolitých podmienok. Ak atómy laserového média (chróm v rubíne, neodymium v skle, argón, CO2 atď.) absorbujú dostatočné množstvo energie o vhodnej frekvencii, môže vzniknúť stav, ktorý sa nazýva inverzia populácie. Tento termín vyjadruje stav, kedy existuje viac atómov v stave energetickej excitácie ako v kľudovom stave. Tento stav je nutnou podmienkou pre stimulovanú emisiu. V prípade rubínového lasera tento stav vyjadruje prírastok a uloženie viac atómov v metastabilnom stave ako v kľudovom stave. Ak je materiál pumpovaný dostatočným množstvom energie, množstvo atómov v metastabilnom stave bude väčšie ako množstvo atómov v excitovanom stave (na vyšších energetických hladinách), lebo dlh.ie pre.ívajú (majú väč.í .lifeti-me.). Strata energie pri prechode z excitovaného stavu do metastabilného stavu sa prejavuje u kryštálového (pevného) média vibráciami a uvoľnuje sa vo forme tepla. Konečný prechod na základnú úroveň sa prejaví vyžiarením žiarenia o nižšej frek-vencii ako absorbované svetlo. U lasera tento proces sa prejaví stimulovanou emisiou. Vybudený atóm prejde do nižšieho energetického stavu a zmena jeho energie sa prejaví ako .iarenie. Za týchto podmienok sa môže svetlo zosilniť v procese stimulovanej emisie. Svetlo, ktoré je spontánne emitované v okamihu, keď atóm prechádza z metastabilného do základného stavu, môže .stimulovať. atómy ostávajúce v metastabilnom stave na podobný prechod do základného stavu a takto emitovať svetlo. Fotóny, ktoré sa takouto emisiou vyžarujú, stimulujú na druhej strane ďaľšie žiarenie a toto zvyšovanie vytvára stav, v ktorom sa obrovské mno.stvo fo-tónov (svetelné kvantá) vy.aruje vo veľmi krátkom čase. Trvanie tejto rýchlej emisie sa nazýva laserový pulz. Jedna z unikátnych vlastností laserového .iarenia je koherencia. Koherencia hrá v laserovej fyzike dôle.itú úlohu. Zdroje .iarenia sa zakladajú na koherentnom zosilňovaní .iarenia stimulovanou emisiou ako aj spätnou väzbou tohto zosilneného .iarenia v rezonátore (WILHELMI, 1989). Ka.dý laser pozostáva principiálne z dvoch komponentov: z optického zosil-ňovača a z optického rezonátora. Optický zosilňovač zosilňuje amplitúdu dopadajú-cej vlny. Optický rezonátor vytvára slučku spätnej väzby. To znamená, časť zosilne-ného svetla sa vracia späť cez systém zr-kadiel k vstupu optického zosilňovača. Slučka spätnej väzby ide cez kruhový re-zonátor alebo cez dvojzrkadlový rezoná-tor. Takýto systém spĺňa v.etky podmien-ky kladnej spätnej väzby. Pri vhodnom zosilnení slučky sa mô.e objaviť samo-činné budenie, tak.e optický zosilňovač so spätnou väzbou sa stane oscilátorom. V prípade optického zosilňovača so spät-nou väzbou hovoríme o laserovom oscilá-tore alebo jednoducho o lasere. Slovo la-ser je tvorené z opisu fyzikálného deja, zo zosilňovania svetla pomocou indukovanej emisie .iarenia. Laser je zdroj svetla s extrémnou stabili-tou amplitúdy. Laser mô.e pracovať aj v pulznom re.ime, pričom sa dajú experi-mentálne generovať svetelné laserové pul-zy aj v subpikosekundovom časovom priestore. S komerčnými laserovými sys-témami, ktoré sú dnes k dispozícii, mo.no generovať koherentné .iarenie v spektrálnej oblasti od infračervenej a. k ultrafialovej. Na vývoji röntgenového lasera sa pracuje. Medzi rozličnými lasero-vými systémami sú značné rozdiely. Podľa zosilňujúcich médií rozli.ujeme plynové, pevné a kvapalinové laserové systémy. Laserový lúč o priemere 1 mm a .iarivom toku 1.0 W, prodkuje intenzitu ziarenia127.3 W/cm2 (.iarivý tok laserového lúča delený veľkosťou plochy). Rozlo.enie e-nergie v laserovom lúči je obyčajne Ga-ussoveho typu. Z toho vyplýva značná va-riabilita .iarivého toku a ťa.kosti pri pres-nej dozimetrii. Pri dozimetrii treba re.pektovať 3 hodno-ty: intenzitu .iarenia, čas .iarenia a priemer laserového lúča (.spot size.). Pri aplikácii laserového .iarenia sú dôle.i-té: 1. trvanie expozície, 2. vlnová dĺ.ka laserového .iarenia, 3. priemer laserového lúča, 4. intenzita .iarenia (pre kontinuálny la-ser) alebo dávka .iarenia (pre pulzný laser). Tieto uvedené 4 hodnoty laserového .ia-renia treba pri hodnotení výsledkov po ap-likácii lasera v.dy re.pektovať, pričom sa málokedy v.etky tieto .tyri hodnoty udá-vajú. Ak sa udáva .iarivý tok a priemer la-serového lúča, mô.eme vypočítať intenzi-tu .iarenia (W/cm2).

6. Vlastnosti laserového .iarenia

Činnosť lasera vychádza zo zákonov, kto-rými sa riadi vzájomná interakcia atómov, resp. molekúl a elektromagnetického poľa, ktorého .peciálnym prípadom je svetelné .iarenie. Predstavme si, .e máme jeden atóm vybudený do excitovaného stavu. Ak fotón s energiou (e2 -e1) vyvoláva na ener-getickej hladine atómu pokles z e2 na e1, táto zmena dáva vznik druhému fotónu, ktorý bude v rovnakej fáze a bude sa pro-pagovať rovnakým smerom, ako pôvodne excitovaný fotón. Tento fenomén, ktorý sa volá stimulovaná emisia, je základom vzniku laserového .iarenia. Ak tieto pô-vodné fotóny prídu do kontaktu s dodatočne excitovanými atómami, z tejto interakcie rezultuje ďal.í pár fotónov, propagujúcich sa v tom istom smere a v tej istej fáze. Ak sa excituje viac atómov, vznikajú dodatkové fotóny a tento proces mô.e neobmedzene pokračovať. Ak je la-serové médium nekonečnej dĺ.ky napl-nené excitovanými atómami, vytvára sa podmienka pre vznik signifikantného .ia-renia (obr. 5). Pre prax sa po.aduje laserové médium konečnej dĺ.ky s doplnkovou optikou, tak.e svetlo sa mô-.e odrá.ať späť cez médium a pri ka.dom ďaľ.om prechode stimulovať dodatkové fotóny. Typický laser pozostáva z optického valca, z laserového média a z dvoch zrkadiel, ktoré sa nachádzajú na oboch koncoch optického valca. Jedno zo zrkadiel je opticky nepriepustné, to zna-mená, .e sa v.etky naň dopadajúce svetelné lúče odrá.ajú späť do laserového média. Cez druhé zrkadlo, ktoré je .čias-točne opticky priepustné., vystupuje laserový lúč mimo laserovú trubicu. Laserové .iarenie vzniká len vtedy, keď viac ako polovica atómov v laserovom médiu sa nachádza v excitovanom stave dosiahla sa inverzia populácie.

obr5

Typy laserov

Rozličné typy laserov mô.eme rozdeliť podľa vlnovej dĺ.ky emitovaného .iarenia do viac skupín (Tab.1.). U laserov so stredne silnou a. silnou hustotou energie sa uplatňuje ich de.trukčný účinok, zatiaľ čo pri nízkej hustote energie mo.no vyu-.iť stimulujúci účinok laserového .iarenia na reparačné a regeneračné procesy v biologickom materiáli (v dne.nej dobe treba tento zoznam doplniť aj o ostatné moderné typy laserových zariadení).

obr7

Plynové laserové systémy

V týchto systémoch sa na vybudenie in-verznej populácie vyu.íva výboj v plyne. Pôvodný plynový laser vyvinutý JAVA-Nom pou.íval nízkotlakovú náplň He-Ne, ktorá sa vybudila vysokofrekvenčným vý-bojom. Pri plynovom laseri sa nachádza zosilňovacie médium v plynovom skupen-stve (plyn, para). Voľné elektróny sa zrýchľujú v elektrickom poli. K vlastnému plynu (laserový plyn) sa tu pridáva ďal.í (.pump gas.), ktorý má veľký účinný prierez.

He-Ne laser

He-Ne laser pracuje so zmesou hélia a neónu. Inverzia sa tu dosahuje medzi e-nergetickými hladinami neónu (laserový plyn), hélium má len pomocnú funkciu (obr. 6).

Jeho atómy prechádzajú po impulze späť do základného stavu, ale mnohé atomy hé-lia ostávajú v metastabilnom stave. Lade-nými zrkadlami je možné laserovú emisiu ohraničiť na jednú čiaru. Výstupný výkon jednotlivých typov He-Ne lasera je podľa vlnovej dĺ.ky a spôsobu stavby medzi 1 a 100 mW.

CO2 laser

Molekula CO2 je lineárna trojatómová molekula. Má tri základné typy kmitov: a) symetrickú priamu osciláciu b) zalomenú osciláciu c) asymetrickú priamu osciláciu pričom ka.dá oscilácia vzniká zo superpo-zície týchto troch druhov kmitov. Pochody lasera pri CO2 molekule sa odohrávajú medzi rozličnými rotačnými stavmi osci-lácie v elektronickej základnej substancii. Roz.tiepenie oscilačného niveau má za následok, .e sa CO2 laser dá pou.ívať na početných čiarach v oblasti od 10600 nm a 9600 nm. CO2 lasery majú často niekoľ-kometrovú dĺ.ku. Sú schopné vyvinúť kontinuálne výstupné výkony a. 100 kW. Pritom dochádza k rozkladu laserového plynu, ktorý sa musí pri vysokej prúdovej rýchlosti stále nahrádzať. V pulznom re-.ime sú výkony a. 200 TW pri energii jednotlivého pulzu a. 100 kJ.

Pevné laserové systémy

Pri kon.trukcii pevných laserov sa ako ak-tívne medium pou.ívajú kry.tály alebo sklá s inkorporovanými iónami kovov alebo iónami vzácnych zemín. Optické bude-nie iónov sa uskutočňuje .iarením svetla (optická pumpa). K tomu sú potrebné in-tenzívne zdroje zábleskového svetla. Pre optimálnu väzbu pumpovaného svetla do laserového materiálu sa pou.íva .peciálne usporiadanie lámp a prídatných reflekto-rov (napr..pirálovité usporiadanie pumpo-vého svetelného zdroja). Predpokladom vysokoúčinných pevných laserov sú op-ticky bezchybné kry.tály alebo sklá. Základné podmienky pre funkciu laseru pracujúceho na systéme pevného kry.tálu sú: . 1Dostatočne .iroký absorpčný pruh pre vstup energie do systému 2. Kry.tál musí fluoreskovať v jemnej frekvencii. 3. Trvanie fluorescencie musí byť čo naj-dlh.ie v porovnaní s inými dôle.itými procesmi relaxačnej absorpcie. 4. Kry.tál by mal byť bez defektov a bez vnútorného napätia. 5. Kry.tál by mal byť primerane trvan-livý a jeho steny by mali byť opraco-vané absolútne opticky plocho. 6. Kry.tál by mal byť dobrý tepelný vo-dič. Pevný materiál, ktorý tvorí aktívne lase-rové médium by mal byť schopný produ-kovať primerane ostré fluorescenčné čiary, aby sa mohla absorbovať dostatočná ener-gia .iarenia a aby potom prevládala sti-mulovaná emisia. Tento stav mo.no do-siahnúť začlenením malého mno.stva a-tómov do aktívneho laserového média, v ktorých sa mô.e objaviť optický pre-chod medzi pomerne dobre tienenými e-lektrónmi. Napr. inkorporácia (.doping.) rubínu atómami chrómu je pribli.ne 0.05%. Absorpčné spektrum takéhoto ru-bínu má vrchol v zelenofialovej časti vi-diteľného spektra (400 nm a 500 nm). Pri neodymiovom type kry.tálového laseru sa ako základný materiál pou.íva sklo alebo kalcium (.tungstate.), do ktorého sú vpra-vené neodymiové ióny (asi v 4%). Na zabezpečenie excitačnej energie pot-rebnej na optické pumpovanie kry.talo-vých laserov sa v.eobecne pou.ívajú xe-nónové výbojky. Výbojky sú buď rovné alebo .pirálovité trubice, naplnené xenó-nom pod nízkym tlakom. Elektrická ener-gia získaná z kondenzátora nabitého na vysoké napätie sa veľmi rýchlo vybíja cez takúto výbojku. Na vytvorenie rezonan-čnej charakteristiky, potrebnej na podpo-renie oscilácií v rubínovej tyči, sú priamo na optické plochy laserového kry.tálu na-nesené mnohopočetné dielektrické vrstvy. Pri malých laserových systémoch zadné zrkadlo má zvyčajne 99% odrazivosť a výstupné zrkadlo má 50% a. 75% odra-zivosť. Pri veľkých systémoch sa nepou-.ívajú reflekčné vrstvy na prednej ploche, lebo Fresnelové odrazy sú dostatočné na udr.ovanie oscilácií. Zrkadlá sú opracova-né optickými vrstvami tak, .e svetlo sa od-rá.a v optimálnych podmienkach parale-lizmu (obr. 8).

Tyč je umiestnená paralelne k lineárnej výbojke a obe takéto súčasti sú umiestne-né vo válci, ktorý má vnútorné steny zr-kadlovo lesklé. Zvyčajne je válec v priečnom reze eliptický kde potom v jednom optickom ohnisku je umiestnená výbojka a v druhom ohnisku je laserová tyč. Záblesk z výbojky trvá krátku dobu a spôsobuje, .e kry.tál uvoľní výboj kohe-rentnej laserovej radiácie len niekoľko sto mikrosekúnd po započatí výboja v lampe. Do roku 1961 doba trvania výstupného impulzu u kry.talových laserov bola rádo-ve v milisekundách. Kry.talové lasery sú ale veľmi neselektívne čo sa týka premeny vstupnej elektrickej energie na výstupnú svetelnú energiu. Maximálna účinnosť ru-bínového laseru je asi 1% a neodymiového laseru o niečo viac ako 4%. pevné lasery nedosahujú kvalitu ply-nových laserov.

Nd:YAG laser

Aktívne médium Nd:YAG lasera pozos-táva z kry.tálu ( YAG: Yttrium-Alumi-nium-Garnet), do ktorého sú vstavané Nd-ióny. Pou.íva sa ako kontinuálny laser s výstupným výkonom a. 500 W, v pulz-nom re.ime dosahuje maximálny výkon a. 106 W.

Polovodičové lasery

Budenie polovodičových laserov je buď opticky alebo elektrónovým lúčom. Tech-nicky najdôle.itej.í spôsob budenia je pri injekčnom laseri. Injekčný laser pozostáva z polovodičovej diódy (diodový laser alebo laserová dioda). Najčastej.ie pou.ívaný základný materiál je gáliumarzenid (Ga-As). GaAs laser emituje infračervené svet-lo pri vlnovej dĺ.ke pribli.ne 840 nm, i-nými polovodičovými materiálmi sa do-sahujú vlnové dĺ.ky od 400 a. do 30 000 nm (DONGES, 1988).

Kvapalinové laserové systémy

Pri kvapalinových laserových systémoch sú laseraktívne atómy alebo molekuly rozpustené v tekutine (voda alebo alko-hol). Ak ide o molekuly farbiva, hovorí sa o dye laseroch. Molekuly farbív majú veľmi kompli-kovanú stavbu a obsahujú veľký počet a-tómov. Budenie sa deje buď opticky (zá-bleskovým svetlom v kombinácii s reflek-torom) alebo laserom. Tieto lasery pracujú podľa zlo.enia farbiva od infračervenej a. k ultrafialovej spektrálnej oblasti. V kontinuálnom re.ime sa dosahujú vý-stupné výkony od 1 W, v pulznom re.ime 105 W. Pou.itím optického hranola mo.no dye lasery kontinuálne ladiť (tunable dye laser).

Preladiteľné dye lasery

V ďaľ.om vývoji sa upriamuje pozornosť na dye lasery s preladiteľnými vlnovými dĺ.kami od 340 nm do 1000 nm a to podľa pou.itého roztoku organických farbív. Napr. akriflavín, 9-aminoakridín, 7-amino-4- metylkumarín, kumarín 35 (7-[dietylamino]-4-trifluor-metylkumarín), 2,5-difenyl-1,3,4-oxa-diazol, rodamín 6G, p-terfenyl. Dye laser umo.ňuje selektívnu de.trukciu ciev, bez po.kodenia okolitého tkaniva. Podobný výsledný efekt má aj excimerový laser, pracujúci v ultrafialovej oblasti s minimálnou absorpciou v okolitom tka-nive. Do selektívnej terapie vaskulárnych afek-cií sa zavádza .argon pumped tunable dye laser. s vlnovou dĺ.kou 577 nm (.lté svet-lo). Väč.ia selektivita interakcie s hemoglobínom umo.ňuje jeho aplikáciu bez ne.iadúceho termického po.kodenia okolitej ko.e. Pri aplikovaní laserového .iarenia na malú pracovnú plô.ku s minimálnou intenzitou .iarenia (počia-točná hodnota .iarivého toku je asi 0.08 W, ktorá sa postupne zvy.uje), nedo-chádza k zuhoľnateniu alebo zvra.teniu okolitej ko.e, tak.e nevznikajú ne.iadúce jazvy. Be.ne sa objavuje za 2-3 dni hne-dočervená farba o.etrenej plochy, ktorá sa stratí za 5-7 dní. Rodamine 590, rozpustený v etanole, 585 nm, vykazuje minimálnu pulznú energiu 30 mikrojoulov v jednotlivom pulze. Prí-prava roztoku je jednoduchá, pridáva sa 10 ml rozpú.ťadla a z toho 4-5 ml sa pou-.íva vo farbivovovej kyvete na bezpros-trednú prevádzku lasera.