4tipurilaser

CAPITOLUL 4

Tipuri de laseri utilizati n medicina

Cuprins4.1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Laseri. Clasificare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Laserul cu rubin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Laserul cu semiconductori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4 Laserul Nd : YAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5 Laserul cu excimer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.6 Laserul cu colorant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.7 Laserul cu CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.8 Laserul cu Ar+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.9 Laserul cu He Ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.10 Laserul cu electroni liberi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.11 Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1 Introducere

Explozia puternica de numarului de aplicatii ale laserului n medicina impune

discutarea ntr-un capitol separat principalele caracteristici ale celor mai folositi

41

42 CAPITOLUL 4. TIPURI DE LASERI UTILIZATI IN MEDICINA

laseri n medicina (Basting et al. [1], Fitz-Ritson [2], Herman [3], Benedikt [4], Julia

et al. [5], Pirastru [6], Robertson and Clark [7]).

In cuprinsul acestui capitol vom ncerca o clasificare a laserilor dupa mai

multe criterii astfel ncat sa fie surprinse principalele caracteristici ale laserilor

medicali.

Laseri. Clasificare.

Dupa starea de agregare a mediului activ

Primul criteriu de clasificare a laserilor nu numai a laserilor medicali se refera

la mediul activ n care au loc procesele de pompaj si emisie stimulata. Astfel,

laserii pot fi clasificati n:

laseri cu corp solid: laserul cu rubin, laserul Nd : YAG, laserul cu semicon-ductori, etc.

laseri cu lichid: laseri cu colorant; laseri cu gaz: laserul cu CO2, laserul cu Ar, laserul cu N2 etc.

Pe langa acesti laseri mai putem considera si o categorie speciala de laseri: laserii

cu electroni liberi1 n care mediul activ este format dintr-un fascicul de electroni

care trece printr-o regiune cu camp magnetic variabil realizand emisia coerenta

de radiatii.

Cunoscand natura mediului activ al laserului se poate proiecta modul de rea-

lizare a pompajului laser. In plus se cunoaste foarte bine ntre ce nivele energetice

ale sistemelor atomice se realizeaza emisia stimulata si de aici lungimea de unda

a emisiei laser. Ajungem astfel un alt criteriu de clasificare a laserilor:

Dupa lungimea de unda a radiatiei utile

Laserii utilizati n medicina pot fi clasificati n:

laseri cu emisie n domeniu infrarosu: laseri cu CO2, ...1en. Free Electron Laser (FEL)

4.2. LASERUL CU RUBIN 43

laseri cu emisie n spectru vizibil: laseri cu Ar, ... laseri cu emisie n ultraviolet: laserii cu excimeri, ... laseri cu emisie n domeniul radiatiilor X

Lungimea de unda a radiatiei utile a unui laser este un parametru foarte impor-

tant pentru aplicatiile medicale (v. Capitolul 6) datorita faptului ca interactiunea

ntre radiatia laser si diferite tesuturi este selectiva, n sensul ca pentru anumite

aplicatii se vor utiliza diferite radiatii cu diferite lungimi de unda.

Dupa timpul de emisie a radiatiei utile

De multe ori laserii pot fi clasificati si dupa timpul de emisie a radiatiei utile:

laseri cu emisie continua; laseri pulsati: radiatia utila este emisa n pulsuri cu perioade care pot sa

ajunga pana la valori foarte mici de ordinul femptosecundelor (1015 s).

Nu trebuie confundat modul de emisie al radiatiei utile cu modul de utilizare

a radiatiei n aplicatiile medicale, adica nu trebuie sa se identifice perioada de

emisie a radiatiei utile cu timpul de utilizare ntr-o anumita aplicatie. De exem-

plu: se poate utiliza un laser cu emisie continua cum este laserul cu CO2 pentru

operatii bazate pe fenomenul de ablatie cand timpul de interactiune ntre tesut si

laser este foarte scurt (maxim 103 s).

Uneori, mai ales n aplicatiile medicale, se considera ca pulsurile laser care

au perioada de ordinul secundelor sau zecilor de secunde identica cu timpul de

interactiune ntre radiatie si tesut sunt date de laseri cu emisie continua.

In sectiunile urmatoare vor fi descrisi cativa laseri utilizati n medicina.

4.2 Laserul cu rubin

Laserul cu rubin este primul laser care emite n domeniul vizibil si a fost con-

struit de catre Theodore MAIMAN (Maiman [8]). Rubinul este un oxid de alu-

miniu (Al2O3cunoscut si sub numele de safir) n care o mica parte din ionii de


aluminiu este nlocuita cu ioni de crom (Cr3+ : Al2O3). Nivelele energetice im-

plicate n tranzitia laser a rubinului sunt reprezentate n figura 4.1. Este cunoscut

0

1

2

3

4

R1

4F

2

E(e

V)

Po

mp

aj

694,3nm laser

4F

1

1

2

3

32

Figura 4.1

Nivelele energetice pentru tranzitia laser la rubin

faptul ca laserul cu rubin este un laser care lucreaza cu trei nivele energetice: ni-

velul 3 este format din doua benzi energetice situate la 550 nm (verde) si 400 nm

(violet). Aceste benzi de absorbtie sunt responsabile si de culoarea roz a rubi-

nului. Radiatia laser are lungimea de unda = 694, 3 nm (radiatie de culoare

rosie). Pompajul se realizeaza optic de pe nivelul 1 pe nivelul 3 utilizand o lampa

cu descarcare care nconjoara rubinul. Lampa de descarcare are un spectru are

de emisie dar o fractiune din fotonii emisi sunt absorbiti si se produce tranzitia

ionilor Cr3+ pe nivelul 3. Faptul ca nivelul 3 este un nivel larg duce la marirea

eficientei procesului de absorbtie. Au loc tranzitii foarte rapide a ionilor de crom

4.3. LASERUL CU SEMICONDUCTORI 45

de pe nivelul 3 pana pe nivelul 2 (ntr-un timp de ordinul picosecundelor) n timp

ce timpul de viata a tranzitiilor spontane de pe nivelul 2 pe nivelul 1 este relativ

lung (3 ms). In acest fel se realizeaza o inversiune de populatie ntre nivelul 2 si

1. Amplificatorii rubin laser comerciali sunt livrati sub forma bare de rubin cu

lungimi cuprinse ntre 5 si 20 cm avand o valoare a castigului de aproximativ 20

n mod puls. Eficienta unui astfel de laser (raportul dintre energia utila a radiatiei

laser si energia electrica consumata) este de aproximativ 0.1% iar energia utila a

radiatiei laser este de aproximativ 5 J (Orszag and Hepner [9], Saleh and Malvin

[10]).

In medicina laserul cu rubin este utilizat n mod comutare Q2 ca un laser cu

pulsuri scurte pentru tratarea leziunilor pigmentate benigne ale epidermei sau

dermei. Deasemenea, acest laser este utilizat n medicina cosmetica pentru epi-

lare. Laserul cu rubin are rezultatele cele mai bune pentru ndepartarea parului

roscat deoarece radiatia laser rosie emisa de catre rubin este puternic absorbita de

pigmentul din parul roscat (bogat n melanina). Din acest motiv radacina (folicu-

lul) parului se ncalzeste pana la distrugere fara a afecta epiderma sau structurile

celulare nvecinate (acest proces se numeste fototermoliza).

4.3 Laserul cu semiconductori

Laserul cu semiconductor este astazi cel mai cunoscut si utilizat tip de laser n

diferite tipuri de aplicatii (acesti laseri sunt utilizati inclusiv la citirea CD-urilor,

la imprimante ca sa amintesc doar doua din cele mai cunoscute aplicatii ale aces-

tui tip de laser). In medicina laserul cu semiconductor este utilizat nca n putine

ramuri medicale datorita faptului ca laserul cu semiconductori este o realizare re-

lativ recenta. In ultimii ani se ncearca nlocuirea laserilor asa-zisi clasici pentru

aplicatiile medicale cu laseri cu semiconductori datorita faptului ca acesti laseri

sunt mai compacti, sunt laseri portabili si mai ieftini. De exemplu, n urologie, se

2engl. Q-switch mode


ncearca nlocuirea laserului Nd:YAG cu un laser cu semiconductori. Vom insista

ceva mai mult asupra aplicatiilor n medicina la sfarsitul acestei sectiuni.

Mediul activ al laserului cu semiconductori este similar unei diode cu semi-

conductor si, din acest motiv, laserul cu semiconductor este denumit si dioda

laser. In cele ce urmeaza sunt explicate principiile de functionare a unei diode

laser fara nsa a intra n amanunte legate de structura si fizica cristalelor semi-

conductoare3.

Diodele laser sunt formate dintr-o jonctiune p-n cu o dopare puternica (concentratia

impuritatilor de dopare este 3 1023 2 1024m3). Principalele procese care in-tervin la emisia laser n astfel de sisteme sunt:

emisia laser are loc la recombinarea electron-gol de pe nivelele energeticedin banda de valenta si banda de conductie;

o cuanta absorbita n jonctiune duce la generarea unei perechi electron-gol,crescand astfel probabilitatea de recombinare.

Ca urmare a acestor procese poate avea loc o emisie stimulata de fotoni.

Inversiunea de populatie necesara pentru realizarea efectului laser se obtine

prin aplicarea unei tensiuni electrice directe pe jonctiune astfel ncat prin scaderea

barierei de potential creste rata de obtinere a perechilor electron-gol prin tranzitii

ntre cele doua benzi energetice. Prezenta impuritatilor contribuie si mai mult la

realizarea inversiunii de populatie. Deoarece n emisia laser emisia stimulata tre-

buie sa fie principalul proces de emisie si absorbtia trebuie sa fie neglijabila ten-

siunea aplicata pe jonctiune trebuie sa depaseasca o valoare prag data de relatia:

U >We

(4.1)

unde W este energia corespunzatoare benzii interzise si e este sarcina electrica

elementara.

3Structura si fizica semiconductorilor sunt subiecte discutate pe larg n orice curs de corp

solid sau de electronica

4.3. LASERUL CU SEMICONDUCTORI 47

Din punct de vedere tehnologic dioda laser este realizata, de exemplu, din

cristale semiconductoare de GaAs si GaAlAs dopate cu impuritati acceptoare de

Zn si impuritati donoare de Te (Figura 4.2).

Figura 4.2

Dioda laser

Faptul ca laserii cu semiconductori sunt foarte compacti reprezinta un alt

avantaj fata de celelalte tipuri laseri. Acest lucru se datoreaza si unei cavitati de

rezonanta de dimensiuni micronice formata de cristalul semiconductor a caror

suprafete sunt taiate si polizate corespunzator radiatiilor laser emise precum si a

modului de functionare a laserului.

Laserii cu semiconductor emit n domeniu infrarosu sau n vizibil. Este de

remarcat faptul ca lungimea de unda a radiatiei laser emise de astfel de sisteme

poate fi modificata prin ajustarea temperaturii la nivelul jonctiunii sau prin intro-

ducerea diodei ntr-un camp magnetic a carei intensitate poate fi modificata.


Laserii cu semiconductori pot lucra n regim continuu cand se obtin puteri de

ordinul 1W = 106W pana la cativa W sau n regim declansat la puteri mult mai

mari de ordinul 1 MW = 106 W. Pentru cresterea puterii utile n regim continuu

de functionare se utilizeaza mai multe diode dispuse ntr-o matrice astfel ncat

de ajunge pana la puteri utile de pana la 100 W. Randamentul acestor laseri se

apropie de 100% datorita faptului ca aproape toata energia electrica consumata

este utilizata la producerea efectului laser.

Diodele laser se utilizeaza foarte frecvent n sisteme mobile de laseri cu aplicatii

n oftalmologie pentru coagulari. Deasemenea diodele laser pot fi folosite si n

dermatologie pentru tratamente ale diverselor afectiuni legate de pigmentarea

pielii sau n cosmetica la ndepartarea parului. Asa cum am mai mentionat de

cele mai multe ori dioda laser tinde sa nlocuiasca sistemele bazate pe alte tipuri

de laseri. De exemplu, n cardiologie se utilizeaza diode laser de mica putere pen-

tru suturi la nivelul vaselor de sange, operatii care erau candva apanajul laserilor

cu CO2 si Ar.

4.4 Laserul Nd : YAG

Laserul Nd : YAG este unul din laserii cei mai utilizati nu numai n medicina

dar si n alte aplicatii. Laserul Nd:YAG4 este un laser care emite n infrarosu care

foloseste ionii de Nd3+ sub forma de impuritati introduse ntr-un cristal de YAG

(tipic concentratia de Nd n granat este de 1, 3 1026m3). Acest tip de cristal estede culoare roz pal.

Laserul Nd:YAG este considerat un laser cu 4 nivele energetice corespunzatoare

ionului Nd3+. Castigul acestui laser este substantial mai bun decat cel al laseru-

lui cu rubin datorita faptului ca este un laser cu 4 nivele (Figura 4.3). Nivelul 1

are energia de 0, 2eV fata de nivelul fundamental, o energie suficient de mare fata

4Formula acestui cristal de granat de Y si Al impurificat este: NdxY3x Al5O12 dar pe scurt senoteaza Nd3+ : YAG sau pe scurt Nd : YAG

4.4. LASERUL Nd : YAG 49

0

1

2

4I9/2

32

Energ

ia (

eV

)

3

2

1

0

1,064m laser

Po

mp

aj

4I11/2

4F

3/2

Figura 4.3

Schema nivelelor energetice pentru Nd (s-au folosit notatiile spectroscopice)

de kBT = 0.026 eV la temperatura camerei, ncat se poate considera ca n conditii

normale de temperatura acest nivel practic nu este populat. Pompajul se reali-

zeaza pe nivelul 3 format din 3 benzi de absorbtie largi de aproximativ 30 nm

centrate pe 810, 750, 585 si respectiv 525 nm. Timpul de viata a nivelului 3 fata de

nivelul 2 este foarte mic (32 100 ns) n comparatie cu timpul de viata pentrutranzitia spontana sp 1, 2 ms. Timpul de viata a nivelului 1 este de aproxima-tiv 30ns astfel ncat se poate realiza inversiunea de populatie ntre nivelul 1 si 2

ntre care are loc tranzitia laser corespunzatoare ( = 1, 064m).

Pompajul laserului Nd : YAG se poate realiza fie optic direct pe nivelele de

absorbtie ca si n cazul laserului cu rubin fie, mai eficient, prin utilizarea unor

laseri cu semiconductori. Randamentul laserului Nd : YAG este de aproximativ


2 3% fiind randamentul cel mai mare pentru laserii cu solid cu exceptia laserilorcu semiconductori. Cavitatea rezonanta este asemanatoare celei utilizate n cazul

laserului cu rubin.

Laserul cu Nd : YAG este un laser care functioneaza n regim continuu si se

obtin puteri de pana la 50 100 W5. Deasemenea, laserul cu Nd : YAG poatefunctiona si n mod blocat, ceea ce permite atingerea unui puls scurt > 20 ps cu

un intervalul de timp ntre pulsuri de 1 3 ns.Laserul Nd : YAG este un instrument folosit intens n chirurgie datorita fap-

tului ca prin efectele termice pe care le produce poate provoca vaporizarea si/sau

taierea diferitelor tipuri de tesuturi. Singura problema care se ridica n calea uti-

lizarii pe scara larga a acestui tip de laser n chirurgie este costul ridicat al fibrelor

optice si a sondelor utilizate pentru transmiterea radiatiei catre tesut.

In ultimii ani s-au realizat o serie ntreaga de laseri care utilizeaza cristalul

YAG dar impurificarea se face cu ioni diferiti. Astfel: laserul Holmiu:YAG este

un laser n infrarosu = 2, 1m utilizat n artroscopie, pentru lithotripsie (dis-

trugerea calculilor biliari sau renali) n cazul utilizarii unor puteri mari sau n

oftalmologie pentru sistemele mai putin puternice. Laserul Erbiu:YAG emite tot

n infrarosu = 2, 94m are foarte multe aplicatii n ortopedie sau n stomato-

logie (datorita taieturilor extrem de precise ce se pot realiza n tesutul osos, acest

laser este denumit si mai plastic ferastrau si masina de gaurit pentru oase).

Laserul Er:YAG mai este utilizat si n dermatologie pentru rentinerirea pielii.

4.5 Laserul cu excimer

Laserul cu excimer ocupa un loc deosebit n panoplia laserilor din lume. Acest

loc deosebit este dat de faptul ca sunt laseri care emit n ultraviolet (lungimea de

5La functionarea n regim continuu a acestui tip de laser contribuie si caracteristicile de

bun conductor de caldura a cristalului Nd : YAG (coeficientul de transmisie a caldurii este

K = 0, 14 W cm1 K1)

4.5. LASERUL CU EXCIMER 51

unda pentru ArF este = 193nm iar pentru KrF are valoarea = 248nm) si pen-

tru ca folosesc drept mediu activ molecule excimere. Aceste molecule sunt fluoruri

de gaze nobile (exemplu KrF) care nu pot exista decat n stari electronice exci-

tate deoarece starea fundamentala este o stare repulsiva (de aici si denumirea de

excimer). Tranzitia laser (v. Figura 4.4) are loc ntre nivelul excitat si nivelul fun-

damental, ntre care exista o inversiune de populatie naturala (nu exista molecule

n starea fundamentala). Halogenurile gazelor rare se formeaza rapid n stare ex-

1 2 3 4 5 6

0

2

4

6

8

10

12

Kr

+

(

2

P

1/2

)+F

-

Energia (eV)

d (x10

-10

m)

X

1/2

(A

3/2

,A

1/2

)

Kr+F(

2

P

3/2,1/2

)

B

1/2

C

3/2

D

1/2

Kr

+

(

2

P

3/2

)+F

-

tranzi ia laser

Figura 4.4

Tranzitia laser la un laser cu excimer (KrF).

citata deoarece gazul nobil n stare excitata are aceeasi afinitate pentru halogeni

ca si metalele alcaline.

Laserul cu excimer lucreaza n regim pulsat cu o energie maxima pe puls de

aproximativ 500 mJ.

Datorita faptului ca radiatia laserului cu excimer este n domeniul ultraviolet


principalele efecte asupra tesuturilor vii sunt efectele fotochimice si ablatia laser

prin fotodescompunere (v. Capitolul 6). Datorita acestor efecte laserul cu excimer

se utilizeaza atat n microchirurgie (ideal pentru operatii la nivelul ochiului sau

n stomatologie) dar si n terapia fotodinamica sau n tratamentele dermatologice.

Vom sublinia doar una din caracteristicile laserului cu excimer ca un instrument

ideal n microchirurgie: laserul cu excimer ndeparteaza prin actiunea directa

asupra tesuturilor doar 0,25 microni din tesut pe puls, adica 1/200 din grosimea

unui fir de par.

4.6 Laserul cu colorant

Moleculele colorantilor organici sunt molecule mari si foarte complexe. Ca

orice molecula complexa si molecula de colorant are stari energetice de vibratie

si rotatie atat n starea de singlet (S) cat si n starea de triplet (T) (v. Figura 4.5).

Starile de singlet au un electron cu spinul antiparalel cu ceilalti electroni n timp

ce n starea de triplet electronii au spinii orientati paralel.

Tranzitiile laser au loc ntre diferite nivele energetice astfel ncat laserul cu co-

lorant este un laser acordabil (lungimea de unda a radiatiei fotonilor laser variaza

functie de nivelele energetice ntre care are loc tranzitia). De exemplu: laserul

cu rodamina-6G este acordabil n mod continuu ntr-un domeniu de lungimi de

unda cuprins ntre 560nm si 640nm. Pompajul la acest laser se realizeaza de obi-

cei prin utilizarea radiatiei provenite de la un alt laser (de obicei cu Ar+). Laserul

cu rodamina functioneaza n regim continuu si are o putere maxima n fascicul

de 100mW.

Laserul cu colorant este utilizat n medicina mai ales n tratamentele dermato-

logice si cosmetice n care, spre exemplu, se ndeparteaza semne din nastere (asa

numitele pete de vin6) cu un laser acordabil pe o lungime de unda de 585 nm.

6engl. port-wine stains

4.7. LASERUL CU CO2 53

0

1

2

3

4

5

6

T

3

T

2

S

2

S

1

eV

Energia

St ri singlet

St ri triplet

S

0

T

1

Laser

Figura 4.5

Nivele energetice si tranzitia laser n cazul unui laserului cu colorant

4.7 Laserul cu CO2

Laserul cu CO2 este unul din cei mai eficienti laseri care emit n infrarosu.

Acest tip de laser lucreaza n mod continuu si poate ajunge la o putere maxima

n fascicul de 100W.

In laserul cu CO2 (si n general n cazul laserilor a caror mediu activ este un

gaz poliatomic: N2, CO, HCl etc.) tranzitiile laser au loc ntre diverse nivele ener-

getice de vibratie (v. Figura 4.6) caracterizate de numerele cuantice de vibratie

corespunzatoare notate aici (q1, q2, q3) corespunzatoare modului simetric si anti-

simetric de vibratie dar si unei miscari de vibratie tip ndoire7. Inversiunea de

populatie este realizata prin ciocniri ale moleculei de CO2 cu moleculele excitate

7engl. bend


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

eV

Energia

mod simetric

mod antisimetric

mod "ndoire"

(001)

(000)

(100)

(200)

(010)

(020)

(030)

(040)

(050)

10,6mm

9,6mm

Figura 4.6

Nivelele energetice de vibratie a moleculei de CO2 utilizate la tranzitiile laser.

de N2 (obtinute ntr-o descarcare n atmosfera de azot).

In medicina, laserul cu CO2 este un dispozitiv care nu ar trebui sa lipseasca

din orice sala de operatii chirurgicale (indiferent de specialitatea medicala) fiind

cunoscut prin efectele termice, de taiere si de evaporare ceea ce permite si o cau-

terizare rapida a zonei afectate. In chirurgia moderna laserul cu CO2 este perfect

adaptat unei metode moderne: laparoscopia ceea ce permite obtinerea unor rezul-

tate maxime fara distrugeri prea mari a tesuturilor sanatoase nvecinate.

4.8 Laserul cu Ar+

Laserul cu Ar+ este un laser care lucreaza n mod continuu iar principalele

tranzitii laser corespund unor lungimi de unda de 514, 5 nm (verde) si respec-

4.9. LASERUL CU HE NE 55

tiv 488 nm (albastru). Fiind un laser cu emisie n domeniul vizibil al spectrului

electromagnetic se pot utiliza cu succes fibrele optice pentru dirijarea fasciculului

catre zona de interes n diverse aplicatii. Puterea maxima emisiei laser pe 514 nm

este de aproximativ 10 W. Ionizarea si pompajul se realizeaza ntr-o descarcare

continua n gaz la o presiune mica (1 10torr). Un asemenea sistem are un ran-dament scazut de aproximativ 0, 05%. Pentru a creste eficienta emisiei laser se

aplica un camp magnetic axial de 500 1000 Gs ceea ce duce implicit la crestereadensitatii de curent pe descarcare.

Laserul cu Ar este utilizat n primul rand n oftalmologie pentru fotocoagu-

lare. In trecut a fost utilizat si n dermatologie la tratamentul leziunilor pielii n

zonele puternic vascularizate pentru coagulare dar a fost nlocuit de laserii cu

vapori de cupru sau de laserii cu colorant. In cele mai multe cazuri laserul cu Ar

se utilizeaza ca laser de pompaj pentru laserii acordabili care utilizeaza coloranti.

4.9 Laserul cu He NeLaserul cu He Ne este unul din cele mai utilizate dispozitive nu numai n

medicina dar si n multe alte aplicatii (de exemplu: cititoare de coduri de bare

n magazine universale sau, nainte de realizarea pe scara larga a laserului cu

semiconductori, se utilizau si ca indicatoare luminoase) deoarece poate fi realizat

n variante compacte si relativ ieftine.

Schema nivelelor energetice pentru laserul He Ne este prezentata n Fi-gura 4.7. Laserul He Ne poate emite n vizibil 0 = 632, 8 nm si n infrarosu0 = 3.39m n mod continuu cu o putere de aproximativ 1 mW. Pompajul n

cazul laserilor cu He Ne se realizeaza prin obtinerea unei descarcari n He ncare predomina procesele de ionizare:

He + e He+ + 2e


16

17

18

19

20

21

22

16

17

18

19

20

21

22

Ne

2p

5

3p

2p

5

4p

2p

5

3s

2p

5

4s

Energia (eV)

Energia (eV)

1s 2s

1

S

0

1s 2s

3

S

1

2p

5

5s

3.39mm

632.8nm

He

Figura 4.7

Schema nivelelor energetice si tranzitiile laser pentru laserul He Ne.

si de excitare:

He + e He + e

Atomul de Ne este adus n stare excitata prin ciocniri cu atomii de He:

Ne + He Ne + He

Laserul cu HeNe se utilizeaza n medicina n tratamentul diferitelor afectiuniORL [11] datorita efectelor fotochimice pe care le induce. Acest tip de laser mai

este utilizat si n tratamentul artritelor [2].

4.10. LASERUL CU ELECTRONI LIBERI 57

4.10 Laserul cu electroni liberi

Laserul cu electroni liberi, prescurtat FEL8 utilizeaza un camp magnetic varia-

bil produs de un ansamblu de magneti asezati periodic cu polaritati alternante.

Mediul activ este format dintr-un fascicul de electroni relativisti care se misca n

acest camp magnetic variabil. Acesti electroni nu sunt legati n atomi (de aici si

denumirea de laser cu electroni liberi) dar nici nu sunt electroni cu adevarat liberi

deoarece miscarea acestora este guvernata de campul magnetic variabil. Prin di-

rijarea miscarii n campul magnetic variabil electronii pot fi accelerati (n cazul

acesta are loc echivalentul inversiunii de populatie) si apoi toti acesti electroni

sunt franati puternic cand are loc emisia stimulata.

Prin modul n care are loc emisia laser n cazul laserului cu electroni liberi

(n functie de energia fasciculului de electroni si de perioada campului magne-

tic) fotonii emisi pot avea lungimi de unda de la ultraviolet pana la infrarosu

ndepartat. De exemplu: laserul cu electroni liberi de la Universitatea Paris emite

n ultraviolet 200 nm, la Universitatea Stanford, California emite n vizibil si infrarosu

0 = 500 nm 10m. De regula acest tip de laser lucreaza n mod pulsat cu oenergie de emisie laser pe puls de aproximativ 1 mJ.

Prin excelenta laserul cu electroni liberi este utilizat n cercetare deoarece pen-

tru realizarea acestuia este nevoie de obtinerea unor fascicule de electroni relati-

viste cu o energie foarte bine controlata. Legat de aplicatiile n medicina, laserul

cu electroni liberi a fost utilizat de exemplu la studiul ablatiei laser pe diferite

materiale de interes medical [12, 13]. In lume sunt n derulare o serie ntreaga de

cercetari privind aplicatiile medicale ale laserului cu electroni liberi ncat se pro-

pune nlocuirea altor tipuri de laser cu acest tip [4]. Marele avantaj al laserului cu

electroni liberi consta n faptul ca se poate controla foarte bine energia fasciculu-

lui laser, modul de aplicare a pulsurilor laser si nu n ultimul rand lungimea de

unda a radiatiei laser.

8engl. Free Electron Laser


4.11 Bibliografie

[1] Dirk Basting, Klaus Pippert, and Uwe Stamm. History and future prospects

of excimer laser technology. RIKEN Review, 43:1422, 2002.

[2] Don Fitz-Ritson. Lasers and their therapeutic applications in chiropractic. J.

Can. Chiropr. Assoc., 45(1):2634, 2001.

[3] Sonia Herman. Aparatura medicala. Editura Teora, Bucuresti, 2000.

[4] Jean Benedikt. Medical and surgical applications of fels. invited paper, 1995.

[5] J. E. Julia, V. Aboites, and M. A. Casillas. Co2 laser interaction with biological

tissue. Instrumentation and Development, 3(10):5359, 1998.

[6] Alessio Pirastru. Laser in medicina. Seminario conclusivo, Corso di Ottica

Quantistica, 2001.

[7] John H. Robertson and W. Craig Clark. Lasers in neurosurgery. Kluwer Aca-

demic Publishers, Boston, 1988.

[8] Th. Maiman. Nature, 187:493, 1960.

[9] Alain Orszag and Georges Hepner. Les lasers et leurs applications. Masson,

Paris, 1980.

[10] E.A. Bahaa Saleh and Carl Teich Malvin. Fundamentals of photonics. Wiley

series in pure and applied optics. John Wiley and Sons, Inc, New York, 1991.

[11] ANDREW F. MESTER, JAMES B. SNOW, and PAUL SHAMAN. Photoche-

mical effects of laser irradiation on neuritic outgrowth of olfactory neuroe-

pithelial explants. OTOLARYNGOLOGY: HEAD AND NECK SURGERY, 105

(3):449456, September 1991.

[12] J. Sturman, J. Adair, Z. Marka, M. Albert, P. Hari, and N. Tolk. Photoablation

studies at the vanderbilt free electron laser. reserch notes.

4.11. BIBLIOGRAFIE 59

[13] Kin Foong Chan, Daniel X. Hammer, T. Joshua Pfefer, Ashley J. Welch, and

E. Duco Jansen. Fluorescence-based temperature measurements in laser-

induced vapor bubbles. reserch notes.

4tipurilaser

Documents