A terápiában leggyakrabban alkalmazott laserek

A laserek működésének alapját képezőkényszerített fényemissziós folyamatokat Einstein 1917-ben írta le. Kísérleti megfigyelésük 1960-igváratott magára.Ennek több oka volt. Azegyik hiányosság,hogy nem voltak kellőmértékbenismertek a potenciális laseranyagok energiatermjei, így nem lehetett meghatározni a laserműködéshez szük­ séges molekuláris vagy atomi paramétereket. A másik nagy problémaköteg technikai tulajdonságúnak tűnik, de megoldásáta tudományos eredmények biztosították. Első helyre kívánkozik a nagy tisztaságú anyagok előállítása, ami szükséges laserkristályok előállításához, dielektrikum rétegtükrökkészítéséhez, és a lasertechnikában alkalma­ zott nemlineáris kristályok kifejlesztéséhez. Hiányoztak a nagyon nagy teljesítményű pumpálástbiztosító fényforrások,pl. impulzuslámpák, a megfelelő pontosságot biz­ tosítóoptikai elem előállítási módszerek. Aszázad elsőfelében felhalmozott tudomá­ nyos-műszaki ismeretekbázisán, amásodik világháború utánmegindult gyors fejlődés tette lehetővé afelsorolt nehézségek elhárítását, s a laserműködéshez szükséges tudo­

mányos-műszaki feltételek megteremtését.

Korábbifejtegetéseinkben kétszintes termrendszerrel jellemeztüka laserfolya- matokban résztvevő részecskéket. Ez a közelítés elfogadható, ha közvetlenül a laserátmenetet akaijuk szemléltetni a felső és azalsó laserszinttel.Azonbanhaa teljes folyamatot le akarjukírni a pumpálás kezdetétől a részecskéknek az újbóli alapállapotba való jutásáig, akkor kiderül, hogya kétenergiaszintes rendszerben nem lehet laser-folyamatot létrehozni. Az egyik nagy problémaaz, hogy a nagyszámú alapállapotú ré­

szecske abszorbeálja az erősítendő íaserfényt(lásd a 39.ábrával kapcsolatbanelmondottakat).

A másik problémátaz jelenti, hogy a keskenyenergiaszintekközöttkicsiny abszorpciós teljesítmény valósítható meg, nehéz hatásos pumpálást létrehozni. Szerencsére az anyagok döntő többségelényegesenösszetettebbtermrendszerrel rendelkezik. Példa­ ként rézatom teljesenergia-nívórendszerét mutatjuk be, megjelölvea közöttük létre­

jövő optikai átmeneteket is. A vízszintes termvonalak felett a térmértékektalálhatók cm'1egységekben (0,1 cm'1 pontosággal), azoptikai átmeneteketjelölőferde vonalakban az átmenethez tartozó hullámhossz vanbeírva 0,01 nm. pontossággal. Amennyiben ilyenrészletességgel ismertek a termek, az egyes szintek élettartama, a szintekközötti

55.ábra

átmeneti gyakoriságok,a gerjesztésihatáskeresztmetszetek, akkor meg lehet ítélniafé­ nyerősítés lehetőségeités az inverzió létrehozásának feltételeit (55. ábra).

A továbbiakban sem fogjuk a nagyon bonyolult teljestermrendszert megadni a laserfolyamat leírásánál, hanem olyan egyszerűsített diagramot használunk, amely a teljes laserfolyamat leírásához szükséges szinteket tartalmazza, a többieket pedigel­ hagyjuk. A szovjet Prohorov és Baszov valamint az amerikai Townes által elsőként működésbe helyezettlaser (1960) rubinkristállyal működött. Arubin nem más, mint Cr+++ ionokkal szennyezett zafírkristály.A zafíra látható színképtartományban átlát­

szó, ezért a kristály belsejében lévő Cr+++ ionok fénnyel geijeszthetők. A zafírba ágyazott Cr+++ionok egyszerűsített termrendszerét az56. ábra mutatja.A Sjszinglett gerjesztett állapot,ahova azionok fényabszorpcióval jutnak, kétszéles sávból összetett szint, ezértaz abszorpciós spektrum széles (ábra jobb oldali része), és így egy folytonos spektrumú fényforrás­

sal nagy teljesítményű pumpálás hozható létrp. A geijesztési aktus után nem jön létre S]—>S0 fény­

emissziós aktus, az io­ nok nagyon rövid idő alatta hullámos vonal­ lal jelzett átmenetek­

kel átkerülnek az egy­ máshoz közel lévő két szintből álló Tj triplett

(a) (b)

56.ábra

állapotba, amelynek az élettartama hosszú (10~3s). Laboratóriumi körülményekközött a felső triplettállapotüres,valamennyi ion az alsó szinten helyezkedik el. Tiltott az So—>T] abszorpciós átmenet, a fordított Tj->So pedig megengedett átmenet, amely során a kényszerített emisszió is létrejön 694,3 nm hullámhosszon. Nagyon fontos szerepet játszik a triplett állapot hosszú élettartama.A nagy teljesítményű So—>Sj pum­

pálás és a gyors Sj->T] átmenet utánaz ionoksokáig a felső laserszinten tartózkodnak, ezérta pumpált térfogatban felgyülemlenek ageijesztettrészecskék, azazinverzió ala­ kul ki,tehát lehetőség van fényerősítésre.

A rubinlaserek felépítését az57. a. ábra mutatja. Az 5-10 mm átmérőjű, 6-10 cm hosszúhengeralakú rubinkristály arezonátor optikaitengelyén helyezkedik el.Azop­

tikaipumpálásra Xe töltésű, kvarcból készített impulzus villanó lámpát használunk, amelynek táplálására egy C kondenzátort töltenekfel 5­

10 kV feszültséggel a T töl­ tőegységről. A lámpa gyúj­

tási feszültségekisebb, mint a kondenzátorra adott fe­

szültség,ezért a K kapcsoló zárásakor a lámpa begyújt, azaz a kondenzátorra vitt töltés nagyintenzitású ívki­ sülés formájában átfut a lámpán. A kisülésnél kelet­ kezett napfényre hasonlító spektrumú fehérfény akristályraesikés létrehozza apopulációinverziót. A pumpáló fény jobbhasznosítását lehetbiztosítani, ha a lámpát és a rubinrudategyelliptikusref­ lektorral vesszük körül úgy,hogyazegyikfókuszvonalbaalámpa, másikbaarubinrúd kerüljön (b. ábra). Ekkor ugyanis alámpából kiinduló bármely fénysugár úgy verődik vissza azelliptikus felületről, hogy áthalad a másik fókuszvonalon, azaza besugárzandó térfogaton (c. ábra). A pumpáló fény megindulását követően megkezdődik a laseroszcilláció ésa 43. ábrán taglaltidőbeli lefutású 10~3sidőtartamú laserimpulzus áll elő.Amennyibena rezonátorba egy passzív Q kapcsolót helyezünkel, akkor10-8s im­

pulzusidejűmonoim-pulzust kapunk. A laserfény spektruma nagyon keskenysáv.

A rubinhárom szintes termrendszerétől alapvetően különbözika neodímium termje. Itt négy energiaszintvesz részt a laserfolyamatban. Az optikai abszorpcióaz So állapotból a több széles sávból álló Sj szintre gerjeszti a Nd ionokat. Eztkövetően azok sugárzás nélküli átmenettel a Tj metastabilis szintrekerülnek, amelynek azélet­

tartama 10~3s. Alaserátmenet nem az alapállapotra, hanem az afelett lévőTo szintre történik,amelyrőlegyigengyors, sugárzás nélküliátmenet vezet visszaaz alapállapot­ ba (58. ábra). A Toszint gyors ürülése miatt a laserátmenetalsó szintje mindig üres, ezért a felső szint gyenge pumpáltságaesetén is invertálta Tj ésTo energiaszintpár.

Ezért az ilyen négy energiaszintes rendszerekben a laserfolyamat megindulásához

58.ábra

szükséges ún. küszöb pumpálási. energiasűrűség na­

gyon kicsi, s a laserimpulzusban nagyon nagy telje­ sítmény érhető el.

A Nd+++ ionokat yttrium alumínium oxid (Y^ljO^ ún. YAG kristályba vagy különböző üveg hordozókbaviszik be mint szennyezést. Jó termikus tulajdonságamiatt nagyon elteijedta foszfátüvegNd laser. Bármely hordozóban 1060 nm hullámhosszon egy kicsit kiszélesedett sávban sugároznak a Nd io­

nok. Laserműködés az 57. ábrán vázoltberendezéssel biztosítható azzal a módosítással, hogy a tükröknek nem a vörös, hanem a közeli IR tartományban kell biztosítani avisszacsatolást.Gyakran alkalmaznak Q kapcsolókat.

A legtökéletesebben növesztett kristály, ideálisan egyenletes ioneloszlás és az ezzel biztosítottegyenletes térfogati abszorpció, amit egyenletes térfogati hőfejlődés kísér, sem elegendő a zavartalan laserműködéshez, mert jelentős termikus torzulások lépnek felalaseraktívközegben.Ennek egyik oka azlehet, hogy az elliptikus reflektor­

ral biztosítotthengerszimmetrikus besugárzás esetén isapumpáló sugárzás intenzitása befelé haladva a térfogatbanrohamosan csökken, ezért a hengerpalásttól befele haladva az abszorpciót követő felmelegedés is

egyrekisebb lesz (59. ábra). A pumpálás következtében tehát különböző törésmu­

tatójú rétegek jönnek létre a laser-közegben, aminek az lehet a következ­

ménye, hogy pl. az ábránberajzoltsugár nem lép ki a gerjesztett térfogatból, ha­

nem teljes visszaverődést szenved, a re­

zonátorban marad, és jelentősen rontja a lasemyaláb minőségét. Ezeknek a termi­

kus hatásoknak akristályroncsolódása isleheta következménye. Ezért ha nincs meg­ oldva a pumpálásnál fejlődő hő elszállítása, akkor a laserfelvillanásután meg kell várni a lehűlést, azaz az ismétlési frekvencia nagyon kicsi lehet. Ma már megoldható a laserekbenahűtés, ezért például folyamatos Nd laserműködést lehet biztosítani 100 W fényteljesítmény mellett, ami igen nagy termikus teljesítmény elszállítást követel megalaserhatásfokemlítettértékei mellett.

A termikus problémákmegoldásában,jó minőségű és olcsó laseraktív elemek előállításában jó lehetőséget biztosít a gázok alkalmazása. A gázmolekulák diffúziója biztosítja aközegigengyors homogenizálását, vagypedig a gáz fáradása esetén egysze­ rű megoldania gázcserét. Arubin szilárdtest laserután a He-Ne gázlaserekjelentek meg. A He és Ne gázok megfelelő keverékében a laserfolyamat lényegében egynégy­

szintes termrendszerben játszódik leúgy,hogya geijesztést szolgáló két szint a Hegáz atomjához tartozik, alaserátmenet pedig a Ne atomok termjeiközött jön létre. Akét termrendszert az atomok közöttienergiaátadáskapcsoljaössze,amiakétféleatom má­

sodfajú ütközésévelrealizálódik.

6O.ábra

6Lábra

A60. ábra mutatjaa ke­

verék egyszerűsített termrend- szerét. A bal oldalon látható a He három energiaszintje, ame­

lyek nagyon jól gerjeszthetők elektronokkal való ütközéssel.

Ugyanolyan magasságban van a Ne3és 5jelölésűenergiaszint­ je, amelyek azonban gyengén

gerjeszthetők elektronütközés­

sel. Ha tehát a gázkeverékeket elektromos ívkisülési csőbe helyezzük, akkor az ívkisülés­ ben felgyorsult elektronok ütközneka He atomokkal, és létrejönnekaz l->3 ésl->2 gerjesztési átmenetek. Agerjesztett Heatomok ütköznekaz alapállapotban lévő Ne atomokkal és avízszintes hullámos nyíllal jelölt sugárzás nélkülienergiaátadásifolya­ matjátszódik le,amely során a Heatomvisszakerülalapállapotba aneon pedig a 3vagy 5gerjesztett állapotba jutFolyamatos ívkisülésben ez a gerjesztési folyamat olyan in­ tenzív, hogy a neon5 szintje invertált lesz 4 és 2 szintekhez, a 3 pediga2-höz képest, így azábrán kettős nyíllaljelölt laserátmenetek jönnek létre. Az ábrán feltüntettük az átmenethez tartozó hullámhosszakat is. A 61. ábrán He-Ne laser sematikus ábrája lát­

ható. A folyamatos ívkisülés kapilláris cső­ ben jön létreazelektródok között. Azüre­ geshenger alakú elektródok nagy térfogata a gáz mennyiségéneknövelését is szolgálja.A He-Ne gázkeverékben az erősítés kicsi, ezérta rezonátorból csak kevés energiavi­

hető ki. Ezt úgy oldják meg, hogy a 100 % reflexiójú zárótükörmellett 98 % reflexiójú kicsatolható tükröt alkalmaznak. 2 % -os

energia kicsatolás mellett a fény nagyon sokszor átfut a rezonátoron,így a laserfény ideálisan formálódik. Ennek az a következménye, hogy a He-Ne laser fényének koherenciafoka,a sugárnyalábpárhuzamosságaideálisan jó. A 632,8nm hullámhosszú vörös fényt folyamatosansugárzó He-Ne laserek teljesítményekicsi. Tipikus az 1-10 mWteljesítménytartomány a kereskedelmi forgalomban lévőkészülékeknél. Ekkor a lasercső hossza 25-40cm tartományba esik. Ma már megjelentek a piacon a 20-25 ésa 40-50 mW teljesítménnyel működőcsövek, amelyekáraa teljesítmény növekedésével rohamosan nő. Speciáliscélokra készítenekegy módusbanműködővagynagyonnagy polarizáltságú fényt sugárzó He-Ne lasercsöveket,amelyek ára szintén magas.Aspe­ cializált lasereknek méréstechnikai célra kialakított előnyei nem használhatók ki a laserterápiában, ezért elegendő olcsóbb lasereket beszerezni terápiás alkalmazásra.Az említett, ideális lasertulajdonságok miatt a He-Ne laserek terjedtek el a legjobban, ezért ezek igen jó eredménnyelalkalmazhatók a lágylaserterápiában.

Hasonló tulajdonságúa He-Cd laser. Eltérés afény hullámhosszában van (több hullámhosszon sugároz a kék tartományon), továbbáabban, hogy a Cd gáztérbe juttatását

biztosító elektronika és kezelési procedúra bonyolultabb. Részbenaz utóbbi lehet a kisebb népszerűségnek az oka.

Agázlaserek közöttkülönleges helyet foglalela korábban máremlítettargonion laser, amelyben a pumpálás szintén elektromos ívkisüléssel történik. Folyamatos üzemmódbanműködik.Alaserfény több hullámhosszonsugárzódik akékeszöld hul­ lámhossztartományban. Legintenzívebb a 488 és 514nm hullámhosszú átmenet. Szé­ lessávú rezonátorban valamennyivonalonmegjelenika laserfény. Szelektív rezonátor­

ban beállítható egy-egy sávban való működés, vagy megoldható az egyik emissziós sávbóla másikra valógyorsáthangolás.Viszonylag egyszerű kivitelben állítanak elő50­ 200mWteljesítményű berendezéseket,amelyek több célra, így terápiai feladatokra is jólalkalmazhatók. A nagyobbteljesítményű változatok 2-4 W -ot biztosítanak folyama­

tos üzemben.Ezek a berendezések többféle sebészeti feladatmegoldására alkalmasak.

Nagyon elterjedtek a bőrgyógyászat ésa szemészet területén.

Az utóbbi évtizedben kezdtekelteijedni az excimer gázlaserek, amelyekben a pumpálás szintén elektromos ívkisülésben történik, de a gerjesztés molekuláris me­

chanizmusa más. Azaktív közeg gázkeverék, amelyben azegyikmolekula gerjesztődik apumpálás során, és a gerjesztett részecskék dimereketképezneka másik gázkompo­

nens részecskéivel. Ezek a gegesztett dimerek(inná az excimer elnevezés) igenjóinver­

ziót hoznak létre a gázban, mivel itt nem létezik alapállapotú nem gerjesztett dimer.

Ezek alaserek impulzus üzemmódban működnek az ultraibolya színképtartományban egészen a vákum UV tartományig.A laserimpulzus időtartama 20-100ns nagyságren­ dű, impulzusteljesítményben könnyű elérni a MW értéket.Azexcimerlaserekterápiás elterjedésétgátolja az,hogyaz UVtartománybanműködnek. Anagy impulzusenergia és teljesítményalkalmazásukban sok perspektivikus lehetőséget sejtet, így elsősorban a fotodinámiás terápia és diagnosztika területén.

Végezetül megkell említeni a félvezető diódalasereket. A47. ábrával kapcsolat­ ban ismertettük működésielvüketés sugárzásuk főbb jellemzőit. Az általuk kisugár­ zott fény hullámhossza aközeli infravörös tartománybaesik.Az utóbbiidőben megje­ lentek a vörös fényt sugárzó (670 és 630nm) laserdiódák is.A diódák típusátólfüggően működhetnek folyamatos ésimpulzus üzemben. A folyamatos diódalaserek általában néhány tíz mW teljesítménytbiztosítanak, míg az impulzus üzeműek impulzustelje­ sítményeeléri a 30-50 W-ot, ami átlagteljesítményben szintén a 10 mW tartománynak felel meg. A diódalaserek előnyös tulajdonsága (nagy mechanikai teherbírás, kicsiny méret, nagyon egyszerű táplálási igény)lehetőséget biztosít a terápiás alkalmazásra, amit viszont lerontanak a kibocsátott fénysugár más laserekhez viszonyított rossz paraméterei.

Ugyancsak gondotokoz a táplálás nagyonegyszerűmegoldása. Egyes kivitelezéseknél egyszerű elemekrőltápláljákadiódákat, nincsmegoldvaa tápfeszültség szintjének el­ lenőrzése és kijelzése, így a diódák viszonylag nagy fogyasztása miatt az optimális üzemi feltétel csak rövid ideig valósul meg. A lecsökken tett teljesítmény aluldozíro- záshoz vezet, tehát a kezelés eredményességeveszélyeztetett.