Rédey Tibor - Kozma László
LASER
TERÁPIA - AKUPUNKTÚRA KÉZIKÖNYV
PÉCS, 1995 KOZÁG Bt.
Előszó... 9
Bevezetés...13
1. Az optika szerepe a tudományos - technikai haladásban...19
2. Az optika alapjairól...23
2.1. Geometriai optika ...23
2.2. Afényminthullám...34
2.3. Afény kettős természete...40
2.4. Klasszikusfényforrások...41
3. Alaserműködésfizikai alapjai... 45
3.1. Kényszerítettsugárzás, fényerősítés...45
3.2. Rezonátorok...47
3.3. A laserfény tulajdonságai... 51
3.4. A terápiában leggyakrabban alkalmazott laserek...56
3.5. Egyéb lasertípusokról...62
4. Fény ésanyag...70
4.1. Afény-anyag kölcsönhatásokról...70
4.2. Megjegyzéseka bioregulációról...74
4.3. Alaserakupunktúra néhány kérdéséről...76
5. Laserkezelési módszerek optikája...78
5.1.Direktkezelés... 78
5.2. Kezelés száloptikánkeresztül... 79
5.3. Pásztázó kezelés...82
5.4. Dozírozás...T...83
5.5.A laserenergia mérőkről...95
5.6. Biztonsági előírások...95
1.Fejfájásszindrómák...100
1.1Vascularis fejfájás...100
1.2 Temporalis fejfájás...v...101
1.3Triggerpont fejfájás...101
1.4 Sinusitistkísérő fejfájás... 102
1.5 Cervicalis fejfájás... 1...102
1.6 Epehólyag diszfiinkciótkísérőfejfájás... ...103
1.7. Hormonálisfejfájás... 103
1.8 Migraine...104
2. Arcfájdalmak...’... T...105
2.1 Trigeminus neuralgia...105
2.2 Rhinitis allergica...'... 106
2.3Sinusitis (sinobronchitis)...107
2.4 Arhtralgia temporomandibularis (trismus)...108
2.5 Herpes symplex (labialis)...109
3. Nyakifájdalmak...110
3.1 Occipitalis neuralgia...110
3.2 Krónikus cervicalis izomspasmus... Ill 3.3 Spondylosiscervicalis...112
3.4 Cervicalis discopatia...114
3.5 Cervicobrachialissyndroma...114
3.6 Torticollis...116
3.7 Scalenus syndroma...116
3.8 Ganglion stellatum irradiato...117
4. Vállövi fájdalmak...119
4.1 Plexusbrachialis besugárzás...119
4.2 Periarthritis humeroscapularis...119
4.2.1 Periarthritishumeroscapularis acuta...120
4.2.2 Periarthritishumeroscapularischronica...123
4.3Acroparaesthesiás syndroma...124
4.4 Vállrándulás... 125
4.5 Vállficam...126
5.Kar- és kézfájdalmak...127
5.1 Epicondylitis humerilateralis et medialis...127
5.2 Bursitis olecrani...129
5.3 Könyökrándulásés ficam...131
5.4 Könyöktörés...131
5.5 Tendovaginitis-tendinopathia...132
5.6 Styloiditis radii...133
5.7 Carpal-tunnelsyndroma...134
5.8 Ganglion carpi...135
5.9 Digitus saltans...135
5.10Dupuytren contractura...136
5.11Heberden csomó...137
4
6. Mellkasi kórképek...’...138
6.1Tietze syndroma...138
6.2 Herpes zoster... 138
6.3 Postherpeticus neuralgia...140
6.4 Asthmabronchiale...141
7. Hátfájások...143
7.1 Funkcionális (pszichogén) hátfájás...143
7.2Visceralis eredetű hátfájás...146
7.3Morbus Scheuermann... 147
7.4MorbusBechterew...148
8. Hasi, genitalis, és végbélbántalmak...150
8.1 Colitis chronica...150
8.2 Herpes genitalis...151
8.3 Nodus haemorrhoidalisinflammata (incarcerata)...151
9.Derékfájdalmak...153
9.1Lumbago acuta... 153
9.2 Recidiváló krónikus derékfájdalmak...154
9.2.1Receptorfájdalom...154
9.2.2 Kompressziósfájdalom...155
9.2.3 Triggerpont fájdalom...155
9.2.4 Viscero-cután reflex fájdalom...155
9.3 Coccygodynia... 157
9.4 Ischias syndroma...157
9.5 Gerincműtétutáni fájdalom...160
10.Csípő- és lábbetegségek...162
10.1 Coxarthrosis...162
10.2 Bursitis trochanterica...164
10.3Lovaglóizomsérülés...165
10.4 Arthrosis genus...165
;• 10.5Bursitis praepatellaris suprapatellaris...168
10.6 Hoffa-félecsomó...168
10.7 Baker-cysta (cysta poplitea)...169
10.8 MorbusSchlatter-Osgood...170
10.9 Térdrándulás (elogantioligamentorum)...170
10.10 Térdízületi törések (szalagműtét utánirehabilitáció)...171
10.11 Haemarhtros genus...173
10.12 Bokarándulás...173
10.13 Bokatörés, szalagszakadás...174
10.14Achillodynia... 175
10.15Bursitis Achillei...176
10.16Tarsal-tunnel syndroma...176
10.17 Pes planovalgus...177
10.18 Apophysitis calcanei...178
10.19 Fractura metatarsiV...178
10.20Hyperkeratosisplantae... 179
10.21 Exostosis calcanei...179
11. Mozgásszervi syndromák... 181
11.1 Sudek-syndroma... 181
11.2 Osteoporosis...183
11.3 Rheumatoid arthritis...184
12. Fájdalmas elváltozások a báron... 186
12.1 Dermatitis...186
12.2 Ekzema...186
12.3 Elhúzódó sebgyógyulás.... .*... 187
12.4 Rhagades, fissurae...188
12.5 Cicatrix (heg), keloid... 188
12.6 Decubitus... 189
Irodalomjegyzék...190
Előszó
Életünk során sokszor kerülünk olyan helyzetekbe, amelyek meghatározzák továbbielőrehaladásunkat, érdeklődéseinket, éstörekvéseinket. Szerzőpárosunk fi zikus tagja pályakezdőként Budó Ágoston vezetésével kezdte a molekuláris lu
mineszcencia kutatásokat. 1968-ban Ketskeméty Istvánnal tette az első lépéseket Szegeden a laserfizikai kutatások megalapozására, a következőévektől pedig be kapcsolódott a laserek biomedikális hatásának a kutatásába, amelyet Mester Endre kezdeményezett és vezetett. 1983-ban a Pécsett szerveződőit egyetem keretében kapta feladatula nemzetközi szintű fizika oktatás és kutatás feltételeinek a megte remtését és megindítását. A Pécsett megindult munkák során a laserfizikai és spektroszkópiai kutatásitémák mellett a laserek biomedikális hatásának a vizsgá
lata is a célkitűzések közé került. Czopf Józseffela reflexterápiában, Török Zol tánnal azégésisérülések kezelésében, Rédey Tiborral a laserterápia megalapozásá ban kezdődtek eredményeskutatások. A szerzőpáros orvos tagja az 1970-es évek elsőfelében ismerte meg és kezdte alkalmazni az akupunktúrát. 1978-tól rend szeresaktívrésztvevőjevolt a nemzetközi rendezvényeknek. Kezelési eredményei nek elismeréseként, minisztériumi hozzájárulással elsőként indíthatott az ország ban szakrendeléstaMecsekiÉrcbányászati Vállalat polyklinikáján. Eredményei és tevékenysége alapvetőekvoltak az akupunktúra és laserterápia elterjesztése és hiva taloselismertetéseszempontjából. Az 1989-ben megalapított Magyar Akupunktú rásOrvosok Társasága- amelynek jelenleg isfőtitkára - aktív részvételéveljöttlét
re. 1984. óta a korábban külön-külön folytatott laserterápiás vizsgálatainkat együtt végezzük, és hozzá kapcsoltuk a már korábban elkezdett akupunktúra laseres megalapozását. Ezekben az időkben sem az akupunktúra, sem a laserterápia nem volt agyógyítás elfogadott eszköze. Mester Endreés a vele dolgo zók eredményeitől olyan mély megalapozást vártak el, amelyet csak hosszú évek során a nemzetközi tudományos kutatás adhat meg. Ebben a helyzetben meghatá rozóvolt munkánkban Bank Józsefnek a Mecseki Ércbányászati VállalatEgész
ségügyi Központjaigazgató főorvosának a támogató segítsége.
Egyre többen kapcsolódtak hozzánk, tapasztalatainkat egyénitovábbképzés keretében adtuk át. Fokozatosan az egész országban kezdett elterjedni a laserterápia alkalmazásának igénye. Felvetődött egy átfogó továbbképző tanfolyam szervezésének a lehetősége. E könyv szerzői 1990. novemberében a laserkezelések eredményeinek a bemutatásávaljavaslatot tettek Kulka János professzornak, az Orvos Továbbképző Egyetem rektorának egy intenzív lasertanfolyam indítására,
aki azelső megbeszélés alatt a tanfolyamelindítása mellettdöntött. 1991. tavaszán indult az OTE első Pécsrekihelyezett softlaser terápiás tanfolyama. Azóta éven ként két-három alkalommal kerül lebonyolításra, s az elmúlt ötév alatttöbb mint 300 gyakorló orvos végezte el, és kezdte meg a gyógyításban alkalmazni a laserterápiát.A modem eszközökés módszerek orvosiellátásban valóelterjedésének támogatására 1991-ben létrehoztuk a „Gyorsabb Gyógyítást a Legkorszerűbb Eszközökkel” alapítványt, amelynek keretében többek között a laserek beszerzé séhez és a laserterápia elterjedéséhez szükséges ismeretek átadására nyílottlehetőség.
A lasertanfolyamok és az Alapítvány által évente két alkalommal szervezett két napos munkamegbeszélések kiváló lehetőséget biztosítottak arra, hogy az egész or szágban egységes laserterápiás és laserakupunktúrás kezelési elv alakuljon ki. A tanfolyamokon átadott ismereteketsokhelyen alkalmazzák a háziorvosi ellátásban, rendelőintézetekben, kórházi ambulanciákon ésa gyógyítás más területein. Ezek eredményei teljes egészében egybecsengnek ami anyagunkkal. Avelünkkapcsolatot tartóorvos kollégák, az egészségügy átszervezésén dolgozókvéleménye arra buzdí
tott bennünket, hogy a másfél évtizedalatt összegyűjtött kezelési anyagot, az okta
tásbanjólbevált ismereteket adjuk közre könyv formájában.
A laserek orvosi alkalmazása témakörben eddig megjelent könyvek, monog ráfiák nagyon átfogó jellegűek, felölelik a teljes témakörfizikai alapjait, az alkal
mazott készülékeket, valamennyiorvosi szakterület alkalmazási lehetőségét ésfőbb eredményeit. Úgy ítéljük meg, a továbbiakban arra vanszükség, hogyjelenjenek megolyan kézikönyvek, amelyekegy-egy terület problémakörétmutatják be olyan részletességgel, amelyben a mindennapi munkák során felvetődő problémákra is választalálható. Ennek megfelelően azt a célt tűztük magunk elé, hogy a softlaser terápia és laserakupunktúra területén általunk összegyűjtött anyagot tegyük ilyen módon közzé.
Könyvünketajánljuka laserekorvosialkalmazása utánérdeklődő orvosok nak az alapvető ismeretek megszerzéséhez, a laserterápia és a laserakupunktúra területén dolgozóknak agyógyítás közben felvetődőkérdések megoldásához, mint útmutatót, és a témakört oktatók illetve tanulók számára mint tankönyvet. A könyv anyagának további javítása érdekébenkérjük olvasóinkat küldjék el észre
vételeiketa szerzőknek vagy a kiadónak.
A szerzők köszönetüket fejezik ki mindazon kollégáknak, akik hosszabb- rövidebb idő óta részt vesznek ebben a kezelési módszereketoptimalizáló munká ban. Külön köszönet illeti a pécsitovábbképző tanfolyam vezető oktatóit, akik az . 1991-es kezdettől, vagy később bekapcsolódva jelentősen hozzájárultak ahhoz, hogy ma már többmint háromszázorvos sajátította el a lágylaser terápia elméleti és
gyakorlati kérdéseit: CzopfJózsef professzor (neurológia), Gáspár Lajosegyetemi docens (szájsebészet), Halmos László főmérnök (biztonságtechnika), Kovács Bá lintprofesszor (szemészet), Kránitz János professzor (ortopédia), Morvai Márta egyetemi adjunktus (bőrgyógyászat), MesterÁdám főorvos' (sebgyógyulás), Ribári Ottó professzor (fül-orr-gége gyógyászat), Rózsa György főorvos (kórházi laserambulancia), Szabó Istvánprofesszor (nőgyógyászat), Török Attila főorvos (endoszkópia), Török Zoltán főorvos (égéssebészet), Varga Levente főorvos (kórházi laserambulancia), és a JPTE Fizika Tanszék munkatársai: Erostyák János adjunktus, Erostyákné Buzády Andrea tanársegéd, Negrea Katalin tanszéki fizikus, Német Béla adjunktus, Sánta Imre egyetemi docens (optika és laserfizika gyakorlatok).
Dr. FodorMiklóst, a Országos HáziorvosiIntézetfőigazgatójátnemcsaka laserterápiának a háziorvosigyakorlatban valóelterjedése érdekébentett lépéseiért, hanema könyvünk megjelenésétszolgáló támogatásáértis külön köszönet illeti.
A szerzőkhálávaltartoznak a könyv lektorainak, akik észrevételeikkel, ta
nácsaikkal a könyv anyagánakjobbításához jelentősen hozzájárultak.
Köszönet illeti a könyv szerkesztésében végzett lelkiismeretes munkájukért Budainé KissZsuzsannát és SzalaiKrisztinát. .
Pécs, 1995. július
A szerzők
Bevezetés
Az utóbbi évtizedekben rohamosan teijedő lasertechnika az orvosi gyakorlatban is egyre több helyen került alkalmazásra, és jelentősége napjainkban is folyamatosan nő. Az orvosi laseralkalmazás főbb területei a következők: 1. A különleges méréstechnikai lehetőségek a lasereket a biomedikális kutatások nélkülözhetetlen eszközévé tették. 2. A laseres méréstechnika széles körben alkalmazást nyertalabordiagnosztikában. 3. A 2-100 W teljesítményű kemény lasereka műtéti technika gyökeres átalakulásához vezettek. 4. Az 5-50 mW teljesítményű softlaserek egyúj terápiás eljárás kialakulását, a lágylaser terápia létrejöttét eredményezték.
5. Az akupunktúra kezelésekben a tűs eljárás mellett kialakult a lágylaserekkel végzett laserakupunktúra.
A laserek felfedezése után rövidesen megindultak az orvosi alkalmazást célzó kutatások, és akezdeti pozitív eredmények alapjánelkezdődött a klinikai bevezetés. A kutatási, adiagnosztikai és a sebészeti alkalmazás a szakmai közvé lemény teljes egyetértésével töretlenül fejlődik a kezdetektől fogva. A 60-as évekvégén magyar kezdeményezéssel indult lágylaser terápia viszont nehezen tudott létjogosultságot nyerni, elsősorban azért, mert a kezelések során leját szódó élettani folyamatokat még nem tisztázták. A' laserakupunktúra és vele együtta tűs akupunktúra hasonló múltra tekinthet vissza. Az utóbbi tíz évben végzettmunkálatokeredményei azonban egyértelműenbebizonyították, hogy a gyógyításeszköztárában a lágylaser terápia és alaseres akupunktúra sokszem
pontból előnyös kezelési mód. A gyógyulás időtartamának lerövidítése, a gyógyszer felhasználás csökkenése, a kezelésiköltségek alacsonyszintje,a beteg terhelésének a hiánya mindolyan tényező, amelymagyarázza ezeknek a gyógyí tási eljárásoknak a rohamosan növekvő népszerűségét a gyakorló orvosok, a betegek, és az egészségügyi ellátást finanszírozók körében. Nyilvánvaló, mint ahogy a gyógyítás eddigi történetében az új eljárások nem tették feleslegessé a korábban alkalmazott kezelési módokat, hanem kiegészítették azokat, úgy a laserterápia semegy önálló, sok mindent egyedül megoldó eszköz, hanem egy sok helyen előnyösen alkalmazható eljárás.
Kézikönyvünk közreadásával az volt a célunk, hogy az egyre szélesebb körben elterjedő laserterápia és laserakupunktúra alkalmazási területén össze gyűlt ismeretanyagot hozzáférhetővé tegyüka kérdéskör után érdeklődők szá
mára. Könyvünkkét részből áll. Az első rész összefoglalja azokat az optikai és laserfizikaiismereteket, amelyek szükségesek a terápiás és akupunktúra alkal mazáshoz, továbbá alapot adnak a kezelések során kiváltott élettani folyamat-
változások megismerésében jobban elmélyedni szándékozóknak. A második rész foglalja összea különböző kórképeknél alkalmazható eljárásokat.
A könyv olvasóinak körét feltehetően olyan orvosok alkotják döntő többségben, akik tanulmányaikat több évefejezték be, ezérta fizikaiösszefogla
lótúgy állítottuk össze, hogyazfelelevenítseaklasszikus optikai ismereteket és átvezessena laserfizikaterületére.Ebben a részben nem törekedhettünkteljes
ségre, ezért azokat a kérdéseket ragadtuk ki,amelyek agyakorló orvosimunká
hoz szükségesek. A fejtegetéseket matematikai apparátus felhasználása nélkül, modelleken bemutatva végeztük, a modellek adta egzaktsággal.
Ebben a részben nem ragaszkodtunk az egyes kérdések szokásos elkü
lönítéséhez, csoportosításához, hanem a Pécsett tartott továbbképző tanfolya
mokon kialakult gyakorlatnak megfelelően a megértés szempontjábólegymás
hozkapcsolódó problémák soravezet végig azanyagon.
Amásodik rész anatómiai egységeken keresztül csoportosítja abetegsé
geket.Ebbenarészbenazokata kezelési módokat adjuk meg, amelyek sikeresen alkalmazhatók az adott kórkép gyógyításában.Amennyibenvalamelyik kezelési módot nem célszerűalkalmazni, azt az jelzi, hogy nem szerepel a javasolt elő
írásokban, nemmindig jelezzük különazalkalmazás célszerűtlenségét.
Mivel a velünk kapcsolatban álló munkák elsődlegesen He-Ne laserekkel folynak,és a hazai gyakorlatban ezek a készülékek nagyon elterjed
tek, ezért könyvünk tengelyébe a He-Ne laserekkel történő kezeléseket állítot tuk.
Meggyőződésünk, hogy a más típusú lasert alkalmazók is jól tudják használni a közölt anyagot, hiszen például az egyes betegségeknél alkalmazott akupunkturás pontkombinációk a terápiás kezelési módok többségében alig, vagycsak adozírozásbantérnek el.
A második részbenrészletesen leírt kezelésimódszerek mellé azértírtuk le a módszer alkalmazásának fizikai alapjait, hogy a kérdéskörben elmélyedni akaróknak segítséget adjunk a fizikai ismeretek megszerzéséhez, másrészről pedig a témával ismerkedők tankönyvként tudják használni.
Nem tartalmazza amásodikrésza folyamatos és impulzusüzeműIRdi
ódalaserekkel végzett munkáink eredményeit. Ahol célszerűbb ezek alkalmazá
sa a He-Nelaserhelyett, ott ezt a tényt külön kiemeltük. Nem tértünkki a Ids teljesítményű argonlaserrel végezhető eljárásokra sem, mivel egyrészt ezek eredménye gyakorlatilagazonos a He-Ne laserkezeléssel, másrészről pedig az argonlaser a terápiás gyakorlatban aligfordul elő. Ugyancsak hiányzika Nd laserrel való terápiás kezelési mód leírása.
Nem tarthattuk feladatunknak a kezelés során lejátszódó élettani folya matok leírását, a kezeléshatásának azelméletitisztázását, részben azért, mert ez egy gyakorlatikézikönyvnek nem kell,hogyrésze legyen, másrésztazért, mert az erre vonatkozó ismeretekbenatudományosirodalomis hiányos. Ennek az elhatározásunknak nemmond ellentazsem, hogy bemutatunk az első részben néhány hipotézist, amellyel a laserrel kiváltott folyamatok értelmezhetők, és érintettünk néhány olyanalapkutatást, amelyek egy-egyrészfolyamattisztázását célozták. Ezek bemutatását azért tettük, hogy bizonyítsuk,aterápiás beavatko
zás eredményességé mögött tudományos módszerekkel nyomon követhető fi
ziológiás változások vannak, amelyek megismeréséhez megvannak a jó hipo
tézisek, a törvényszerűségek megállapítása a közeljövő alapkutatásának a feladata. Ugyancsak nem vállalkozhatunk a másokáltal más típusú laserekkel végzett kezelések eredményességénekaz összehasonlítására, részben a rendel
kezésre álló adatokhiányossága, részben pedig célkitűzésünkmiatt.
I. rész
Fizikai alapok
1 .
Az optika szerepe a tudományos-technikai haladásban
A tudományos megismerés során az optika mindig kiemelkedő szerepet ját szott. Elég itt arra utalni, hogy a távcső segített megismerni a kozmikus világot, a fénymikroszkóp tette lehetővé a mikroszkopikusvilágrészleteinek a feltárását és az optikaispektroszkópia adta az első ismereteket a mikroszkopikus és makroszkopikus világfelépítéséről, szerkezetéről. Mielőtt rátérnénk az optika szerepének taglalására a napjainkban lejátszódó tudományos-technikai robbanásban, tegyünk néhány megjegy
zést atudományos-technikai fejlődés korábbi menetére. Jellemezzük a társadalomfej
lettségét valamilyen Qmennyiséggel. Ha ennek amennyiségnek azidőben valóválto zását akarjuk megadni, akkor egyfolyamatosan emelkedő görbét kell rajzolnunk az időtengelymellé, amely kifejezi afolyamatos fejlődést (1. ábra).
1500 1600 1700 1800 1900 2000 t(év)
1.ábra
Az időtengelyen aközelünkbenlévő 2.000 évtől mérjünk visszafelé 40 éves in tervallumokat. Egy ilyen intervallum jó közelítéssel egyember aktív munkával töltött idejének felel meg. Haa történelmünkben azzal az egységgel méljük az időt, amely eltelik, míg egy pályakezdő átveszi az elődjétől amunkát és majd mintnyugdíjas to vábbadjaazt, altkor azt látjuk, hogy mindössze 12ilyen váltással túljutunk a mohácsi
vészen.Azábrán berajzolt fejlődési görbéről akövetkezőket lehet látni.A régebbi idő
ben a görbe emelkedése lassú volt. Ebből következik, hogy ha valakitanulmányaisorán jól felkészült életpályájára, akkor élete végéig jól képzett embernekszámított,viszony lagkevésúj ismerettel kellett megismerkedniemunkája során. Századunk közepe táján a fejlődés ütemeugrásszerűen megnőtt, azaz afejlődést jelentő görbe egyre merede
kebben emelkedik. Ez a robbanásszerű változás napjainkbanisfolytatódik és előrelát
hatóan folytatódni isfog. Ha kikeressükaz időskálánpl. az 1995-ös évet, ésmegnéz
zük,hogy 20vagy 40 évmúlva milyen fejlettséget, és természetesen annak megfelelő ismeretanyagotér el a társadalom, akkor elgondolkoztató mennyiségű többlettel kell számolnunk.
A tudományos-műszaki robbanásnak több nagyon fontos következményevan.
Elsőnek nézzük a képzésregyakorolt hatását. Nyilvánvaló,hogy bármely területen fo
lyóképzés csak a közeli évekre elegendő ismeretet tud adni. Az egyénaktív tevékeny
sége során elviekben is új eszközökfognak megjelenni, új technológiák honosulnak meg, amelyek oktatását jelenleg nem lehet megoldani. Ebből következik, hogy az alap képzés során a konkrét ismeretek megtanítása mellett nagyonfontosa tanulás módsze
réneka megtanítása. Ugyancsak fontos szerepet kap a felnőttoktatás, merta munka soránnem lehet rutinból elsajátítani az új technológiákat, azok elvi alapjait a tovább képzés adja meg. Jó példák ezekre a folyamatokra bőventalálhatóknapjainkban. Elég itt utalni a számítástechnika mindennapi életbe való berobbanására, vagy a jelen könyvbenis érintett lasertechnikára. 10-15 évvel ezelőtt nem lehetetta mai követel ményeket mindenrészletében kielégítő képzéstmégegyetemeken semmegvalósítani.
A tudományos-technikai robbanás különböző országok,földrészek között kü
lönböző időben játszódottle. Nyilvánvaló,hogy alegfejlettebb országokidőben meg előzik afejletleneket.Az első ábránfolyamatos vastag görbe egyfejletttársadalom fej lődési ütemét mutatja. Tegyük fel, hogy egy fejletlen ország harminc év késéssel megismétli az előző fejlődését.Szaggatott vonallal egy ilyenharminc évvel eltolt gör bét mutat az ábra. Látható, hogy az időben késleltetett fejlődés a meglévő elmaradás relatív megnövekedését eredményezi az idő haladásával. Ezzel az elmaradt országok relatív visszaesése lenne prognosztizálható. A század elején néhány fejletlen ország (Japán, Singapur,Hong Kong stb.) úgy vette fela versenyt a fejlett országokkal atechnikai robbanás első évtizedeiben, hogy kihasználva földrajzi, népességi, munkaerőpiaci adottságait, intenzívebb fejlődési ütemet biztosított (1. ábra pontozott görbe), s ezzel megközelítette,bizonyos területeken túlis szárnyalta afejlettországokat.
A tudományos-technikai robbanás érinti a betegellátást is. Alapvetőváltozáson megy átpl. aműtéttechnika. Anéhány éve még nagy feltárást igénylő műtétek nagy ré
sze ma már a test belsejébe vezetetthang vagy fényimpulzusokkalvégezhetők.ígya beteg terhelése,a mellékhatások, aköltségekjelentősen csökkennek.Hasonlóan gyors fejlődésmegy végbe a diagnosztikában a műszeres technika alkalmazása következté
ben. Például ma már nem csak elvi,hanem gyakorlati lehetőség is van arák sejtszinten valómegjelenésének kimutatásáraésabetegsejtek„műtéti”eltávolítására.
A második világháború után kibontakozó tudományos-technikai robbanásnak néhány jól megfogható összetevője van. Ilyen pl. az anyag szerkezetének megismerése
és különleges tulajdonságú anyagok előállítása, a számítógép és a számítástechnika fej lődése. Ezeknélkül nem létezne a mai modem ipar és technológia.
Az utóbbi száz évtechnikai fejlődésébenaz elektronika kulcsszerepe vitathatat lan,amelya félvezetőtechnika kifejlődése miatt az utóbbi évtizedekben még erőtelje
sebb lett. Azelektronika az alapja napjaink műszaki gyakorlatának. Lényegében minden modem eljárásban és a hozzákapcsolódó eszközökben fellelhető. A gyors fejlődéssel együtt megjelentek az elektronika korlátai is, ami elsődlegesen abban fogalmazható meg,hogy 10-9s-nál nagyobb időfelbontás, azazennél rövidebb folyamatok tanulmá nyozása nem oldhatómegelektronikus úton,pedig sok tudományos-technikai feladat ezt szükségessé teszi. Ilyen pl. a számítógépek nagy műveleti sebességének biztosítása, vagy az élő és az élettelenanyagban lejátszódó ultragyors folyamatok nyomonkövetése.
A probléma megoldásáraaz optika adhat lehetőségetolyanfényforrásszerkesztésével, amellyel a fény tulajdonsága széles határok közöttváltoztatható, mint az elektromos jeleké.
Az elektromosságra vonatkozó első ismeretek az ókorra nyúlnak vissza. Az elektrosztatika és a stacionárius áram alapvető törvényeit amúlt század közepéig tisz tázták.Az elektronika karrierje az elektromágneses indukció felfedezésével, az elekt romos rezgőkörök megismerésével kezdődött. Ezt követően lehetett az alkalmazási célnak megfelelő, gyakorlatilag tetszőleges tulajdonságú elektromosjeleket előállítani.
Ezért is lett az elektronika a technikai fejlődés alapja.
A klasszikus ún. nemkoherensfényforrásoktechnikai szerepe hasonló, mint az elektrosztatikáé vagy a stacionárius áramé. Az elektromos úton táplált fényforrások már sok technikai probléma megoldására alkalmazhatóak, azonban ezek a fényforrások előnyös új tulajdonságaikmellettmagukban viselik az elektronika korlátait is.Többek között ezekkel a fényforrásokkal sem lehet a méréstechnika időfelbontását növelni.
Ahhoz,hogy a fényadtakülönlegeslehetőséget (pl.az igen nagy haladási sebességei) ki le
hessen használnitechnikai feladatok megoldására, olyan fényforrásokat kellene építeni, amelyekkel a megoldandó feladatoknak megfelelő tulajdonságú fény állítható elő. A klasszikus optika elvén alapuló fényforrások nem ilyenek. A klasszikus optika tehát analóg helyzetet foglalel a technikai felhasználásban, mint az elektrosztatika, illetve a stacionárius áram. A megoldást egy teljesen új elven működő fényforrás-család, a laserek felfedezése adtameg.Mint alább látnifogjuk,a fényerősítéselvénalapulóopti kai rezonátorok lehetővéteszik a legkülönbözőbblaserek megépítését, azaz gyakorlati lagtetszőleges tulajdonságú laserfényelőállítását. Hangsúlyozni kell, hogy a laserfoga lom nem egy eszközt jelent, hanem egy adott elven alapuló fényforrás-családot, amelynek egyes típusai sok esetben méretekben, az előállított fény tulajdonságaiban, stb. alig hasonlítanak egymásra. Jó hasonlat, haa jármű és a laser fogalmat állítjuk egymás mellé.Ahogy egy bicikliésegyszuperszonikusutasszállító repülőgép ismagán hordja a jármű jegyeit, desokbankülönböznek is egymástól, úgy hasonlíthatóösszea néhány milliwatt teljesítményű He-Nelaserésa kemény tárgyak vágásárakifejlesztett kilowatt teljesítményűCO2technológiai laser.
Visszatérve a technikai fejlődés problémájára, megkell állapítani, hogyalaserek kifejlesztésével, alasertechnikára épülőnemlineáris optika kialakulásával lehetővévált
nagyon soktudományos-technikai probléma igényeit kielégítő fényjel előállítása.Ezzel az optika lehetőségetbiztosít a tudományos-technikairobbanásbanaz elektronika hatá
rainak a túllépésére. Ahogy századunk elmúlt részét nevezhetjük az elektronikakorá nak, úgya közeli jövőt afény részecskéjéről, a fotonról, a fotonika korának.
2.
Az optika alapjairól
Röviden tekintsük át a fény tulajdonságára, terjedésére, keletkezésére vonatkozó azon klasszikus ismereteket, amelyek szükségesek a laserműködés megértéséhezés a laser terápiás alkalmazásához. Természetesenebben a fejezetben sem törekedhetünk teljességre, feltételezzük, hogy olvasónkkorábbi tanulmányaisoránmélyismereteket szerzett e téren, ezért az itt leírtak részben az ismeretek felújítását, részben pedig könyvünk megértéséhez szükséges előismeretek rendszerbeszedésétadja.
2. 1 . Geometriai optika
Amakroszkopikus körülmények között szerzett tapasztalatok azt bizonyítják, hogy a fény geometriaiegyenes sugár formájábanterjed. Nagyon sok optikaijelenséget meg lehet ezzel a képpelmagyarázni.Az így felépíthető optikatudományt geometriai optikának nevezzük. Ennektehát az alaptétele az, hogy homogén közegben a fény egyenesvonalban teljed. A fénysugarak geometriai egyenesek. Ezt az elképzeléstiga
zolják az árnyékjelenségek vagy pl.a sötétkamra működése. •
A fényterjedésesorán különböző anyagokkal érintkezik. A fény kétközeg határ
felületére érve részbenvisszaverődik,részbenpedig áthalad. Ezt a folyamatot az R ref lexiós és a T transzmissziós koefficienssel szokás jellemezni, amelyeket úgy definiá
lunk, minta visszavertill. a határfelületen átlépő fény és a beeső fény intenzitásának a hányadosát (lásd2. ábra).
23
Ezeknek az anyagi felületeket jellemző, dimenzió nélküli mennyiségeknek az értéke 0 és 1 között változhat. Haa (2) közeg nemfényáteresztő - pl. fém- akkora nem reflektáltfény a felülethez közeli vékony rétegben teljes egészében elnyelődik.
Ilyen esetekbena reflexiókövethető nyomon.
Nagyon sokesetben nem két anyagot elválasztófelületen, hanem egy vékony rétegen játszódnakleaz optikai folyamatok. Ilyen rétegek a modem technikávalkészí tett ún. dielektrikum tükrök, amelyekelsősorban a lasertechnikában nyertek alkalma zást (3. ábra). Ezekatükrök úgykészülnek, hogyegy üvegvagy kvarc hordozóra vé
kony (fényhullámhossználvékonyabb) fényáteresztő rétegeket párologtatnak egymásra.Az egyes rétegek törésmutatója különböző. Változtatva a rétegek vastagságát, a közöttük lévő törésmutató-különbséget, több réteget alkalmazva (gyakori a 15-20 réteges tükör) szinte tetszőleges tulajdonságú tükörállítható elő.
Amennyibenegy rétegen vizsgáljuk a reflexiós és transzmissziós folyamatokat, akkor arra is figyelemmelkell lenni, hogy a rétegen valóáthaladás közbenafény elnye
lődhet. Ekkor a réteg reflexiós, abszorpciós és transzmisszióstulajdonságait lehet defi
niálni (l)-hez hasonlóan. Nyilvánvaló, hogy ekkor (4. ábra)
R + T + A = 1, (2)
ahol A a réteg abszorpciójátjellemző állandó, R és T pedig a reflexiós és transzmissziós együtthatók.
4.ábra 5. ábra
Alasertechnikában nagyonnagy energiasűrűségű fénysugarak esneka tükrökre, ezértbár a rétegekfényelnyelése kicsi,az elnyelt energia mégis jelentős és tönkreteheti a tükröt. Az említettdielektrikum rétegtükrökkel elérhető, hogy a tükörrétegben ne le
gyen fényelnyelés, így a fényterhelhetőségigennagy.
Visszatérve a felületeken lejátszódó fényreflexióra, a felület minőségétől függő
en két határesetet figyelhetünkmeg. Az egyik a szabályos visszaverődés, amelynél a párhuzamosan beeső fénysugarak a visszaverődés után is párhuzamosakmaradnak. A másik a diffúz fényvisszaverődés, amelynél a párhuzamosanbeeső sugárnyaláb a tér minden irányába gömbszimmetrikusánverődik vissza (5. ábra). Az első eset valósul meg az említett dielektrikum rétegeken, felületre kémiai úton vagy párologtatással felvittfémrétegeken,jól polírozottfémfelületeken,átlátszó anyagok felületén. Diffúz fényszórásfigyelhető megporózus felületeken. Ilyen pl. a füstölésselfelvitt MgOré
teg, amelynekareflexiós együtthatója elérheti a0,98 értéket is. Az esetek nagyrészé ben akétféle szórás együttesenjelenikmeg. A 6. ábra mutatja a párhuzamosan beeső
fénynyaláb szóródás utáni eloszlását egy nem tükröző denem is tökéletesen diffúzán szóró felületről (ilyen lehet pl. egygyalult deszkalap).
AzR,TésA együtthatók értéke függ a fény hullámhosszától,azaz színétől.Fe hér felületeknél (pl. az említettMgO-nál) gyakorlatilag a látható fény minden színére azonosazRértéke. A dielektrikumtükröknél pedig szabadonkialakíthatók areflexiós tulajdonságok. A7. ábra háromkülönböző tükör reflexióképességét mutatja a látható színképtartományon. Az 1 görbe a kék tartományon keskenysávú, 100% reflexiójú tükröt szemléltet. A 3görbéheztartozó tüköratávolivörös tartományon keskeny sá-
7. ábra
vú, maximális 50% visszaverő képességgel, míg a2 görbe a 550 nm (zöld) 650 nm (vörös) tartományon80% visszaverőképességgelrendelkezik.
A szabályos fényvisszaverődést biztosító felületekkel optikai leképezést lehet megvalósítani.Leggyakrabban alkalmazzák a sík és gömb tükröző felületeket, de sok feladatmegoldására alkalmasak a parabolikus, elliptikuséshiperbolikus tükrök is.
8. ábra
Két átlátszó közeg határfelületén átlépő fénysugárnak nem csak az intenzitása változikmeg, hanem a haladási iránya is.A 8. ábra mutatjaennek afénytörésnek neve zettjelenségnek akét módját,nevezetesenazt, hogy a megtört fénysugárvagy köze lebb kerül a beesésimerőlegeshez, vagytávolabb.Azt a közegetnevezzük optikailag sűrűbbnek, amelyben a fénysugár és abeesési merőleges közöttiszög kisebb.Ha fény
9.ábra
optikailag sűrűbb közegből optikailagrit kábba halad, akkor a beesési szöget növelve elérünk egy olyan esethez, amikor a meg tört fénysugár a két közeg határfelületén halad. Tovább növelve a beesési szöget a fény nem lép ki asűrűbb közegből, hanem visszaverődik. Ezt a jelenséget nevezik teljes visszaverődésnek (9. ábra). Azt a beesési szöget, amelynél nagyobb beesési szög esetén már teljes visszaverődés lép fel,határszögneknevezzük. A határszögnél nagyobb beesési szög alatt érkező fénysu
garak nem tudnak kilépni az optikailag sűrűbb közegből. Ezt a tényt használják fel a fényvezetők készítésénél. Afényvezetők vékony optikai szálak, amelyekbe a fényt úgy képezzükbe, hogy a haladási irány a
henger alakú szál optikai tengelyével kis szöget zárjon be, így a fény a fallal nagy szög alatt ütközik és totál reflexiójátszó dik le,vagyis afénysugárvégigfutaz opti
kai szálon, nem tud abból másutt, csak a másikvégén kilépni (10. ábra).
10.ábra
A fénytörés alapvető tulajdonságáta Snellius-Descartes törvény írja le:abeeső és megtört fénysugár és a beesési merőleges egy síkban van.A beesésiszög (a) és atö rési szög (b)szinuszának hányadosa afénytörésben részt vevő két közegre jellemző ál
landóúgy,hogyteljesüla következő egyenlőség:
Az n2i anyagi állandót a második közegnek azelső közegre vonatkoztatott rela
tív törésmutatójának hívjuk. Ha az elsőközeg vákuum, akkoif abszolúttörésmutatót határoz meg a (3) összefüggés.Az általános hullámtan szerint arelatív törésmutató ki fejezhető a fény kétközegben mért sebességének a hányadosával:
A törésmutató abbanaz értelemben állandó, hogy változtatva az a szög értékét, ágyváltozik a fi szögértéke, hogy szinuszaik hányadosaugyanaz az érték marad. A tö résmutató értéke viszont nagyonsok paramétertől függ. ígymindenekelőtta megtört fényszínétől (hullámhosszától), aközegek hőmérsékletétől, gázok esetében a gáznyo
másától, folyadékoknál azoldott (átlátszó) anyag koncentrációjától.
A fénytörésnek az egyik főalkalmazásiterületeaz optikailencsékkelvaló képal kotás. Leggyakrabban használt lencsék az ún. gömbi lencsék, ahol két gömbfelület metszetehatárolja a fénytörő(üveg, kvarc,műanyag kősó, stb.) közeget (11.ábra). A lencse anyagának átlátszónak kell lenni az alkal mazott fénnyel szemben. Az üveg nem átlátszó a 400 nm-nél rövidebb hullám
hosszú ultraibolya (UV) tartományban.
Itt kvarc alkalmazásalehetséges. Hasonló módon elnyeli az üveg is, a kvarc is a CO2 laser10,6 p hullámhosszú ún. infra
vörös (IR) fényét. Itt megoldást jelent a kősóoptika alkalmazása.
11.ábra A lencsék a tengelyük irányába
beeső párhuzamos sugárnyalábot a ten gelyegypontjába az ún. F fókuszpontbagyűjtikössze (12. ábra). Alencse ésafókusz pont közöttitávolság a fókusztávolság.A vékony lencsék ffókusztávolsága a törő anyag n törésmutatójával és alencsét képző gömbök r sugarával a következő kapcsolatban van:
13. ábra
■ Több fizikai jelensége így elsősorban fényelhajlás miatt a fókuszpontban nem pontosan egy pontbanmetszik egymást a tengellyel párhuzamosan érkező sugarak, ha
nem a 13. ábrán mutatott sugármenet valósul meg, aholDafénynyaláb átmérője a len csén, Dqanyalábátmérő a nyalábnyakban (fókuszpontban), Zo a nyalábnyak hosszúsá
ga. A nyalábnyak átmérőjeéshossza a következő módon adható meg:
(6)
ahol X a fényhullámhossza. Az elmondottakazt jelentik, hogy a D átmérőjű, párhuzamoslasemyalábban lévő energia vagy teljesítmény egyDqátmérőjűkör terüle
tére esik a nyalábnyakban. Pl. a633 nm hullámhosszú D =2 mm átmérőjű fénynyalá
bot egy f = 5cm fókusztávolságú lencse Do =5 p átmérőjű foltra képezi le a lencse fó
kuszsíkjában. Ha alasernyaláb teljesítménye 5 mW, akkor anyalábnyakban 25 kW/cm2
teljesítménysűrűséget érünkel. '
A gömbi lencsékkétcsoportraoszthatók. Azún. gyűjtőlencsék a 12. ábrának megfelelően a fókuszpontba összegyűjtik arájuk eső párhuzamos fénysugarakat, míg az ún. szórólencsék úgy szórják szét a beesőpárhuzamos nyalábot, mintha ezek alen cse előtt lévő fókuszpontbólindultakvolna ki. Agyűjtőlencsékf fókusztávolságát po
zitív, aszórókét negatív előjelűnek vesszük Hasonlóan pozitív előjelet adunk az (5) egyenletben szereplő görbületi sugárnak,ha domború lencsefelülethez tartozik, nega tív viszont homorú felület esetén. Ezzel az előjel konvencióval számított f érték lehet pozitív (gyűjtőlencse)vagynegatív(szórólencse).
(a)
14.ábra
Többközöstengelyű lencsébőllencserendszer állítható össze (14. ábra). A leg több esetben nemegy lencsét, hanem több tagból állólencserendszertalkalmaznak. Pl.
így korrigálhatóka lencsehibák. A lencserendszer egyes tagjainak fókusztávolságából meghatározható a rendszer eredő fókusztávolsága. Alegegyszerűbb esetben, amikor két f] és f2 fókusztávolságú vékony lencse egymással érintkezveképez lencserendszert (14.a. ábra), azeredő f fókusztávolságra teljesül az
összefüggés.Ha alencsék egymástól d távolságravannak(14.b.ábra), akkor
Afénytörésen alapszik a prizmákműködése.Prizmának nevezzükazegymással szöget bezáró, síkokkalhatárolt fénytörő közeget.A síkokmetszésvonalát törőélnek,a síkok <p szögét törőszögnek nevezzük(15. ábra). Essenegyszínű fénysugár a prizma törőélére merőleges síkban az egyik lapra (15.b. ábra). Aprizmánáthaladó fénysugár kétszer megtörik és azeredeti irányhoz képest 8 szöggeleltérül. A8 deviáció függ a fénybeesésa szögétől, a q> törőszögtől ésa prizma anyagának törésmutatójától. Változ tatvaa beesés a szögét 8értékébenegyjólmeghatározottminimumot találunk. A mi
nimálisdeviáció a prizma törésszögénekfelezőjére szimmetrikus fényáthaladásnak fe lelmeg(15.c. ábra). Kimutatható, hogyekkor fennáll az
n = (9)
összefüggés, amely alapján meghatározható a prizma anyagának n törésmutatója.
Haa beeső fény fehér, akkor a prizma mögötti ernyőn színessávjelenikmeg,
16.ábra
amelyet színképnek, spektrumnak nevezünk. A jelenséget diszperziónak hívjuk, amelynek magyarázata az, hogyafehér fénykülönböző színű fénynyalábokkeveréke, és a törésmutató értéke minden színűfényre más. Legkevésbétörik meg avörös fény, legjobbanpedig az ibolya (16. ábra), teháta prizmán valóáthaladásnála különböző szí nű fénysugarak különböző módon térülnek
el,térben elválnak.
Optikaileképezés soránaz optikai esz
köz egyértelmű megfeleltetést hoz létre a tárgytér és a képtér pontjai között úgy, hogy a tárgy egy pontjából kiinduló sugarakat újra egyesíti egy másik pontban. Ezt a pontot a tárgypont képének nevezzük. Ha az egy pontból kiinduló sugarak valóban újra egy pontban találkoznak, akkor akép valódi, haa
leképezésutánaz egy pontból kiinduló sugarakszéttartókmaradnak, de meghosszabbí-
18.ábra 17. ábra
tásaik egy pontban metszik egymást, akkor a képetlátszólagosnak nevezzük. A17. ábra egy gyűjtő és egy szórólencse esetében szemléltetiegy Ppont valódi ill. látszólagos P’
képénekkeletkezését.
Aképalkotás legegyszerűbb eszközei atükrök és a lencsék. Asíktükör a pont
szerű fényforrásból ráeső fénytúgy veri vissza, minthaa sugarakegy tükör mögötti pontból indultak volnaki, tehát virtuális képet hoz létre. A kép és tárgypontot tartó egyenes merőleges atükörre. Aképésa tárgypont azonostávolságra van a tükörtől (18.
ábra). Kiteijedt tárgy képét pontonként megszerkesztve állíthatjukelő.A 19. ábra egy vonalszerű tárgy két végpontjával szerkesztettképét mutatja. Minden síktükör képal kotásánáligaz: akép látszólagos,akép tükörtőlvaló távolsága azonos atárgyéval, a kép és a tárgyazonosállású, a forgásirány viszontmegfordul.
Gömbtükörnél hasonlóan lehet definiálni afókuszpontotésafókusztávolságot, mint alencséknél.Könnyűkimutatni, hogy gömbtükrökeseténa fókusztávolság felea gömbfelület görbületi sugarának. Mindkét optikai rendszernél vezessük be at tárgytá volság és a k képtávolság fogalmát, amely nem más, mint a tárgynakill. a keletkezettképnek a leképező op tikai elemtől való távolsága. A keletkezett képre fennáll
nak az
19.ábra
egyenletek, aholK és T a kép és atárgy ugyanazon részének lineárismérete,N pedig az ún. nagyítás. A fenti két összefüggés leíijabármely gömbtükörvagy gömbilencse
képalkotását, ha alkalmazásuknál figyelembe vesszük a fentebb említett előjelkonvenciókat.
A geometriai optikanagy eredménye,hogy le tudja írniegyszerű (lencse, tükör) ésösszetett(távcső, mikroszkóp) rendszerek képalkotását. Azonban részletesebb vizsgála toknál kiderül,hogy a fent idézett elképzelések csak jókö zelítések.így pl. az idealizált vékonylencsefogalom nem valósul meg a gyakorlatban, azaz több vonatkozásban a lencse vastagságaproblémát okoz a (10) (11) egyenletben szereplő f, t, k távolságok meghatározásában (20. ábra).
Ugyancsak problémaa 13. ábrán vázolt fókusznyak kelet kezés értelmezése, amelycsak a fény hullámtermészetével oldható meg.
A gömbi tükrök és lencsék reális leképezése eltér a geometriai optika idealizációjától, leképezési hibák lépnek fel.
Mindkét esetben igaz az, hogyaz elmondott leképezés csak azoptikai tengelyhez kis szöggel haladó leképező fénysuga rakra igaz, a tengelytől távoli pontokranem. Ez azt jelenti, hogy ha a gömbfelület távolabbi részei vesznek részt aképal kotásban, akkormás lesz a fókusztávolság(21. ábra), azaz a szélső sugarakmáshol hozzák létre a képet, mint a belsők. Ez az ún. gömbi eltérítés (szférikus aberráció). Amennyiben a tárgypont az optikai tengelytől távol helyezkedik el (kiterjedt tárgyak külső része), akkor egy pontnak nem egy pont lesz a képe, hanem egy „üstökös”-szeru folt. Ezek az ún. asztig
matikus éskómahibák.
22.ábra
A lencséknél még fellép egy további zavaró effek tus,neveztesenaz, hogyaz n törésmutató függ afény szí
nétől, hullámhosszától . Ebből következik, hogy ahány szín, annyi ffókusztávolság (22. ábra),amelyek egymáshoz közeli értékűek, s ennek megfelelően a tárgyról alkotott kép különböző színekben előállított képeksorozata. Ez a (kromatikusaberráció) észlelhető pl. az egyszerű távcsőben, ahol a nézett tárgy kontúiján az optikai spektrumnak megfelelő csíkrendszerjelenik meg. A leképezési hibák korrigálhatók. A gömbi eltérítés úgy, hogy a szélső lencse
részek leképezési felületének sugarát változatják meg a felületek csiszolásával.Az asztigmatizmushengerlencsék beiktatásával, a színi eltérítés pedig különböző törésmutatójú lencsék kombinációjával csökkenthető. A korrekció egy-egy szűk tartományravonatkozik. A korrigált optikai elemek alkalmazásiminősége sokkaljobb,mint a nem korrigáltaké, de ennek megfelelően áruk is többszörös.
2.2. A fény mint hullám
(a) A geometriai optika sok
fénytani jelenséget nem tud értel mezni, megmagyarázni. Nézzük példakénta 23. ábrán vázolt kísérle tet.Az F 'pontszerű monokromatikus
fényt sugárzó fényforrás elé tegyünk egy L átlátszatlan lemezt ésazon fúrjunk két kicsiny Rj és R2 rést.A fény egyenes vonalúterjedése miatt azt várhatjuk, hogy az E er
nyőnek az A és B pontjai lesznek megvilágítottak. A vázolt kísérlet nem ezt mutatja, hanem az ernyő több más pontja, pl. a C pont is lehet
megvilágított hely. A geometriai optika számára paradox jelenség még érthetetlenebb lesz, ha az azonos rések egyikét elzárva azt látjuk,C-ben a fényintenzitás nem felére esik, mint aztvárnánk arra gondolva, hogy fele fényjut oda, hanem ittgyakorlatilag megszűnik amegvilágítottság.Ajelenségmagyarázataa fény hullámtermészetével ad ható meg: az F fényforrásbólgömbhullámok indulnak ki, samikora gömbfelületetké
pező hullámfrontelériazL lemez síkját, akkora hullámból csak az Rj ésR2 rés enged áthaladni fényt a lemez síkján. Haarésekmérete összemérhető a fény hullámhosszá
val, akkorarésekpontszerűfényforrásokként viselkednek, azaz egy-egygömbhullá
mot bocsátanakki, amelyektalálkoznak az E ernyő felületén, és otthol erősítik hol • kioltjákegymást.
A fenti és hasonló jelenségek értelmezése során kialakult a fény hullám elmélete. Eszerint a fény elektromágneses hullám, amelynek hullámhossza igen ki csiny.A látható fényspektrum ibolya szélén ahullámhossz 4tízmilliomod méter, azaz 400nanométer, míga vörösszélén 8 tízmilliomod méter, azaz 800 nanométer.Több okmiatt azoptikai tartományhoz soroljuk a szemmel nem látható rövidebb hullám hosszú (100-400 nm) ultraibolya (UV), és a hosszabb hullámhosszú (800-1000nm) infravörös (IR)tartományt is.Az elektromágnesesszínképtartományt a24. ábra szem
24.ábra 34
X lélteti. A fény transz
verzális elektromágne ses hullám, amelybena terjedési sebességre merőleges E elektro
mos térerősségvektor és B mágneses induk cióvektor egymásra merőleges XY ill. YZ síkokban rezeg (25.
ábra). Afényhullám le
írására azEésBvektor egyaránt alkalmazható, azonban megállapodás szerint általában azEelektromos térerősségethasználjuk.Egy sugárnyalábban a25. ábrán látható ún. elemihullámoksokasága terjed. Egy-egy elemi hullámvonulat kezdete és vége közötti távolságméter nagyságú. Ha ezen elemi hullá
mok XZ rezgés síkja mind párhuzamos egymással,akkor a fény lineárisan poláros, ha ezensíkokrészben szögetbezárók, akkor afény részben poláros, ha a rezgési síkok Z
26.ábra
körül bármely irányban azonos valószínűséggel fordulnak elő, akkor természetes fényrőlbeszélünk(26. ábra.). Legegyszerűbb az átlátszó homogénés izotróp közegben terjedősíkhullám,amelyet a következő egyenlettel írhatunkleatér x koordinátája és a t idő függvényében.
ahol ψ ahullámállapototjellemző mennyiség, Aaz amplitúdó, T a rezgésidő,X a hul
lámhossz, a afázisállandó.Azntörésmutatójú közegben x geometriai út helyett az nx
optikai utat kell használni. Több fény
hullám találkozásakor az egyes hullám függvények összegződnek,azaz eredő ha
tásuk érvényesül. Ennél az ún. interfe
renciajelenségnélazeredő attól függ, hogy hogyan találkoznaka hullámok. A 27. ábra három találkozási esetet mutat. Tegyük fel, hogy két hullám azonos időben indult ugyanarról ahelyről (pl. a 23. ábrakétrésén átjutó hullámoknál az FRjC és FR2C úthos szakközötti különbség függvényében azinterfe
rencia eredménye az Eernyőkülönböző pontja
iban más és más). A hullámok haladjanak jobbról balra. Az ábra, felső része olyan esetet mutat, aholaz első hullám már a tér Apontjába jutott, amásodikhullám pedig csak C-be.Ekkor a tér jobbra eső felében végtelennek tekinthető két hullám min denütt „azonos lefutású”, a két hullám görbe fedi egymást. Ezt úgy mondjuk, hogy a két hullám azonos fázisú. Az AC távolságéppen két fél hullámhossznak fe lelmeg. Hasonló fedés tapasztalható, ha az útkülönbség 4,6,8... félhullámhossznak felel meg, azaz a hullámtalálkozás azonos fázisú lesz. Ezekben az esetekben az adó
dik, hogy akét hullám mindenütterősíti egymást. Abbanazesetben amikor a második hullám a B pontigér el, míg azelső A-ig(egyfélhullámhossznyi útkülönbség), akkora ha
tás összegzésekormindenütt kioltás jönlétre.Mindenafélhullámhossz páratlan számú többszörösének megfelelő útkülönbség esetén ellentétes fázisú találkozásjön létre, és azonos amplitúdókesetén teljes kioltás történik. .
27.ábra
K21.ábra alsó része azt azesetet mutatja, amikor a másodikhullám az A' pontba ér.Ekkor az történik, hogy egyes tartományokban erősítik egymást ahullámok, má
sokban pedigkioltják. Az előbbimaximális erősítéstől illetve tökéletes kioltástól való eltérést az AA'útkülönbség adja meg, ugyanis ettől függ az ábra alsó részén függőleges vonalakkal elválasztott erősítési (nem satírozott) és kioltási (satírozott) szakaszok aránya.
AzAA' =As útkülönbséggel tehát megadhatjuka maximális erősítés és kioltás feltéte
lét:
A(13) összefüggés a27. ábrafelsőés középső részénekfelel meg, az alsó rész köztes esetében As nemegész számútöbbszöröseX/2-nek.
Meg kell még jegyezni, hogy a (12) összefüggésben szereplő fényhullám amplitúdójának négyzetével arányos a fényintenzitás:
I«A2. (14)
A fény hullámtermészetétigazoljákaz interferencia jelenségek, amelyekmegta lálhatóka természetben is pl. vékonyrétegek(olajfoltvízen) elszíneződésénél, ésmes terségesen előállíthatókbizonyos feladatokmegoldására. Nagyon kicsi elmozdulások, vagy nagyon kis törésmutató változások úgy mérhetők nagypontossággal, hogy két . fénysugár találkozásánál azegyiknél biztosítjuk az nx optikai út változtathatatlanságát, a másiknál pedig (n+An)x vagf n(x+Ax) megváltozás jöhet létre, ígya X/2 érték rendkí vül kicsinyvolta miatt jelentős változásjöhet létrea két sugár interferenciájában.Ezen azelven alapuló eszközök az interferométerek.
A hullámtermészet másik megnyilvánulásiformája afényelhajlás, amit a 23. áb
rával kapcsolatban már bemutattunk. A jelenségeta Huygens-Fresnel féle elvértelme zi,amely szerint a fény terjedése során a hullámfront mindenpontja elemi hullámcent
rum, az abból kiinduló elemi gömbhullámok burkológörbéje lesz az új hullámfront, mert az elemi hullámokinterferálnakés 'mindenütt kioltják egymást, csak a burkoló
28.ábra
görbe menténjön létreerősítés.A28. ábra mutatja azelhajlás jelenségét. Balról jobbra haladva egy monokromatikus síkhullám keskeny résre esik és a rés mögött nem a geometriai optika szerintvárható sugármenetlesz megfigyelhető(szaggatott vonallalje lölt nyaláb), hanem atovahaladó fény behajlik az árnyéktérbe. Minél kisebba rés, annál nagyobb szögbenhajlik el a fény. Nemcsak réseken, hanem kisméretű tárgyakon is létrejön a fényelhajlás.
Monokromatikus fény résen való elhajlása esetén az elhajolt hullámok interferálnak,s attól függően, hogy mekkora az útkülönbségük, erősítik vagy gyengítik
egymást, ezért a rés mögötti er
nyőn több réskép jelenik meg.
Legvilágosabb a direkt áthala dásnak megfelelő középső folt, amit jobbról és balról egyre halványabb vonalsorozat követ (29. ábra). Az ernyő felső részén lévő görbék az intenzitás elosz lását mutatják a képzónában.
Ha a beeső nyalábban két vagy több hullámhosszú fény van, akkora különböző hullámhosz-
29.ábra szakra más-más irányban talál
' ható meg az erősítéshez szük
séges útkülönbség, ezértarésnekakülönböző színű elhajlási képei egymás mellettje lennek meg.Ha nem egy rést,hanemazonos távolságralévő réseksorozatát,ún. opti kai rácsot alkalmazunk,akkor a résképekbenaz intenzitáseloszlás görbéje keskenyebb, mint egy rés esetében. Optikai rácsra fehér fényt ejtveazelhajlásitérbenateljes látható színkép megjelenik. Bármely fényforrás által kibocsátott fény spektrális vizsgálatát prizmán vagyoptikairácson való fényfelbontással lehet elvégezni.
A tapasztalat azt mutatja, hogy az interferencia csak akkor jelenik mega klasszi kus fényforrásoknál, ha a fényforrás ugyanazonpontjából származó sugarak találkoznak egymással. Ebben az esetbensem lehetazonban tetszőleges nagy az útkülönbség. En nek az az oka,hogy afényforrásokrészecskéivéges hosszúságúelemi hullámokat bo
csátanakki, és biztosítani kell azazonosemissziósaktusból származóktalálkozását. Az interferenciáraképes fénysugarakatkoherens sugaraknaknevezzük.
Térbeli és időbeli koherenciáról beszélhe tünk. A 30. ábra egy Michelson féle inter ferométertmutat. Ebben az50%-osT osztótükör a beérkező sugarat kétazonos intenzitású részre bontja,amelyek a Tlés T2tükörrőlvisszaverőd
ve újra azosztótükörre esnek, segyik-egyik újabb felezett intenzitású részük a Ttükörutánhaladaz E ernyő felé. Ha a TT j és TT2 távolság azonos, akkor a két nyaláb között nincs útkülönbség, erősítikegymást. A T2 tükröt kifele mozgatva út
különbséget hozunk létre, az 1' és 2* nyaláb fel váltva erősítimajdkioltja egymást annak megfele
lően, hogy az útkülönbségre hány félhullám fér rá.Egybizonyos útkülönbségután megszűnik az interferencia jelenség, azaz nem váltakozik az erősítés és kioltás, hanem változatlan fényintenzitás lesz az ernyőn, bár a tükör tovább távolodik. Ekkor a két fénynyaláb kö
zött nincsmeg a szükséges fáziskapcsolat.Aztaz útkülönbséget, amelynél megszűnik az interferencia, koherenciahossznak nevezzük. Az interferencia megszűnése után
olyan két fénynyalábtalálkozik azernyőn, amelyek afényforrásból egymástól különbö ző időpontban léptek ki, ezért a koherenciahossz a fény időbelikoherenciáját jellemzi.
Klasszikus fényforrásoknál a koherenciahossz kicsi. Izzólámpánál mikron, spektrál lámpáknál centiméternagyságrendű, lasereknél pedig több méteris lehet.
A 23. ábrán vázolt kísérletben tegyünk egy kis módosítást. Essen az interferométerre párhuzamos su
gárnyaláb (31. ábra), amely egy S felületet világít meg azon. Az interferométeren lévő két rés a fényforrásból azonos időpontban kilépett, de a térnek két különböző pontjábanlévő sugárnyalábját hoz
za kapcsolatba azernyőn, ahol in terferenciacsík-rendszer keletke zik. Növelve fokozatosan az inter
ferometerréseinek atávolságát, az interferenciakép elmosódását fog juk tapasztalni, majd végül meg
szűnik az interferencia. A fénynyaláboknak azzal a keresztmetszetével szokták ezt a térbeli koherenciát jellemezni, amelynek ellentétes széleiről származó fénynyalábok méginterferálni képesek. Mindkét féle koherenciátlehet kvantitative jellemezni.
31.ábra
A25. ábrával kapcsolatbanmár említett polarizációazegyik fontosjellemzője a fénynek Kísérleti tanulmányozásáratöbb lehetőség is van. Legkézenfekvőbbegyolyan kristályt felhasználni, amely csak egy meghatározott síkban rezgő fényhullámokat en ged át, más irányú rezgést nem. Egy ilyen kristályt állítsunk természetes fény útjába (32.b. ábra), és forgassuk folyama tosan körbe az ábra szerint. Azt tapasztal juk, hogyminden állásnál lineárisan po
láros fényhalad a kristályon való átlépés után, és a fényintenzitás mindigazonos.
Ez érthető, mert a természetes fényből mindig átengedi azokat az elemi hullá
mokat, amelyek rezgési síkja a kristály áteresztő síkjával megegyezik. Amennyi
ben a kristályra eső fénylineárisan polá ros (32.d. ábra),akkor a kristálynakabban az állásában enged át fényt, amelyikben a lineárisan polárosfényrezgési síkja egy beesik a kristályáteresztési síkjával. Eb ből a helyzetből elforgatva a kristályta fényintenzitás rohamosan nullára csök
ken. Az ábra c részeolyan esetet mutat, amikor a beesőfény részben poláros.Ekkor minden polarizátor állásnál van fényáteresztés, azintenzitás viszont minden irányban
32.ábra
más. A maximális intenzitás iránya merőleges a minimálisirányra. Az intenzitásviszo
nyokirányeloszlását azábrán a kristálylap felületén rajzolt nyilakkal jelöltük.
2.3. A fény kettős természete
A fény elektromágneseshullámelméletével hatalmas kísérleti tapasztalathalmazt lehetett értelmezni, azonban maradt néhány jelenség, amely ezzelaz elmélettel sem volt értelmezhető. Ilyenjelenségaz ún.külsőfényelektromoshatás (fotoefféktus),amely abban áll, hogy ha bizonyos fémek felületét rövid hullámhosszú fénnyel világítjuk meg, akkor a fémfelületből elektronok lépnek ki. A fénynekeza hatása nem egyeztet hető össze a hullámtermészettel.Ajelenség értelmezésére Einstein feltételezte, hogy a fénynek részecskéi vannak, amelyekenergiával rendelkeznek.Ezek afénykvantumok - amelyeket fotonnak nevezett el- ütköznek a fémben lévő atomi kötelékbenem tartozó szabadelektronokkal, s afotonenergiája fedezi azelektronnaka fémből való kilépésé
hez szükséges A munkát, azenergia maradékrésze pediga kilépettelektronmozgási energiáját biztosítja. A fénykvantum E energiája a fényhullám rezgésszámának egy konstansszorosa. Azarányossági tényező a h Planck-féleállandó: *
Ennek alapjána fotoeffektusra fennáll
egyenlet, amelybenm az elektrontömege, v pedig a kilépésnélazelektron sebessége.
A fentiek értelmében a fotonnak tömegének (nyugalmi tömeg) és impulzusának kell lenni, amelyek értéke:
itt m a foton nyugalmi tömege, c a fény vákuumban mért sebessége, h a Planck- állandó, v a fényrezgés frekvenciája, I pedig a foton impulzusa.
A fotonhipotézishelyességét Compton bizonyította beegy teljesen egyértelmű kísérlettel. Nagy energiájú röntgenfotonokkal bombázott grafit réteget.A fotonoküt-
köztekolyan elektronokkal, amelyek agrafitban gyengén atomokhozvoltak kötve, és azütközés során az elektron kilökődött,a beeső foton pedig úgyszóródott, hogy im
pulzusa megváltozott. Abeesőfotonenergiája,impulzusa ismert, a szórt foton éskilö kődött elektron energiájaésimpulzusa mérhető. Amennyiben igaz a fotonokra a ré
szecskeképből adódó (17) összefüggés, akkor a folyamatra az energiamegmaradástés az impulzusmegmaradást leíró összefüggéseknek kellteljesülni.Azeffektus pontos kimé rése és azelvégzett számítások teljes egészébenbizonyították a fotonképhelyességét.
Ezek szerint a fény bizonyosesetekben úgy viselkedik, mint ahullámok (elhajlás, in terferencia, polarizáció), más esetekben pedig mintha részecskékből állna (fotoeffektus, Comptoneffektus).A hullám és részecske felfogás kapcsolatát a (15) egyenletadja, amely a foton energiájátahullám frekvenciájával kapcsolja össze. A fény tehát kettős termé
szetet mutat. A mikrofizikai kutatások a továbbiakban arra az eredményre vezettek, hogy nem egyedül a fénynek van ilyen kettőstermészete.Kimutatták,hogy amennyi ben elemi részecskék (elektron, mezon, stb.) nyalábjahaladnagy sebességgel, akkor a ré
szecskenyalábhozhullámrendelhető. Arészecskék mechanikai értelemben vett töme ge,impulzusa, valamint a nyalábhoz rendelhető hullámfrekvenciája közöttugyanaz a (17) egyenletben felírt kapcsolat állfenn, minta fotonesetében.Ezeknek az anyag-, vagy de Broglie-félehullámoknak aléte kísérletileg bizonyított.
2.4. Klasszikus fényforrások
cm)
Afényforrásokegyik nagy csoportjátaz ún. termikusfényforrások adják, ame lyeknéla test magas hőmérséklete miatt a kibocsátott elektromágneses sugárzásban látható fényisvan. A tárgyakugyanis minden hőmérsékletensugároznak. Akisugárzott k elektromágneses hullámok egy nagyon széles
hullámhossztartományon oszlanak el, a távoli IR-től a láthatónkeresztülazUV-ig.A 33.ábra az abszolút feketetest sugárzási spektrumát mutatjakülönböző hőmérsékleteken. Teljesül a következőkét törvény: 1. A kisugárzott energia (amit a színképalatti terület ad meg)a hőmérséklet negyedik hatványával arányos. Ezt mutatja a görbékemelkedése ahőmérséklet növekedésé
vel.2. A hőmérsékletemelkedésévelaszínkép a rövidhullámokfelé (nagyfotonenergiák felé) toló dik el,úgy, hogy a színkép maximumához tar
tozóA-max hullámhosszés a hőmérséklet szorza ta állandómarad
Az ábra jól mutatja aspektrumok hőmérséklettől való függését. Aláthatófény
nek megfelelő tartományt satírozással jelöltük Atermikus sugárzók által kibocsátott fény jelentős része az IR tartományba esik Látható fény emissziója csak magasabb hőmérsékleten figyelhető meg, alacsonyabb hőmérsékleten csak IR sugárzás keletke zik. A kisugárzott energiát a testtermikus energiája fedezi. Meg kell itt említeni, hogy a 33. ábránlátható sugárzási spektrumokelméleti értelmezése vezetett a modem kvan tumfizika kialakulásához. Planck 1900-banmegjelent dolgozatában írta le az elektro
mágneseshullámot kibocsátóoszcillátor kvantáltságát, azazazt a tényt, hogyaz oszcil látor E energiájanemvehetfel tetszőleges értéket, csakegy állandó h mennyiségnekaz egészszámútöbbszörösét,aholha Planck féleállandó, a v egészszám pedig az oszcil látor rezgésszáma. .
Ezzela feltételezéssela 33. ábránbemutatott kísérletilegmért spektrumokelmé leti úton is kiszámíthatók. Ezenelméletfontosságamellett a termikus sugárzókazért jelentősek, mert korábbana fényforrások döntő többségét adták, demég napjainkban is
széleskörbenalkalmazzák őket (izzólámpák), bár a láthatófény kibocsátásának hatásfoka igen kicsi.
A klasszikus fényforrások másik nagy csoportjaa hidegsugárzók. Ez aztjelenti, hogy alacsony hőmérsékleten a sugárforrás részecskéi nagy energiájúfotonokat sugá roznak ki. A részecskék (atomok, ionok vagy molekulák) valamilyen módon energiát vesznek felakörnyezetüktől, majd rövid idő múlvakisugározzákazt fény formájában.
A mikrorendszerek kvantáltanvehet nekfel energiát és csak adottértékkel változtathatják meg energiájukat. A 34. ábrán két egymástól különböző részecske lehetséges energiaértékét tüntettük fel úgy, hogy a függőleges skálánberajzoltuk a részecskék lehet séges energiaértékét és egy-egy víz
szintes vonallal jelöltük ezeket a le hetséges állapotokat. Sokszornem az E energiaértékekkel számolnak és jellemzik grafikusan a mikrorend
szereket, hanem az energiának egy konstans számmal szorzott értékével,az úgynevezetttérmértékkel. Ennek a mennyi
ségnek a mértékegysége 1/cm, ígya termek különbsége (ami arányos az energiaértékek különbségével) közvetlenüla közöttük lehetségesátmenetekheztartozó fény hullámhosz- szávalhozhatókapcsolatba.Azarányosságpontos ismeretében hol az energianívókról, hol a termnívókról beszélnek, amitmi is felváltva teszünk a következőkben.Ezek a termrendszerek minden anyagra jellemzően különböznek egymástól. A legalsó Eq
