LASERUL

Laserii sunt dispozitive pentru amplificarea sau generarea undelor electromagnetice din domeniul optic pe baza efectului de emisie fortata a sistemelor atomice care permite o concentrare a energiei corespunzatoare unei temperaturi de zeci de mii de grade.

Scurt istoric:In anii 1916 si 1917 Albert Enstein si-a continuat studiile asupra fizicii luminii

aratand ca moleculele energizate corespunzator emit lumina de o singura culoare, monocromatica.

In 1951 Charles Townes si-a propus sa produca microunde mai puternice cu ajutorul unui oscilator foarte mic. Lui Townes i-a venit ideea ca moleculele de amoniac ar avea dimensiunile corespunzatoare pentru a vibra cu viteza necesara. El a construit primul dispozitiv care amplifica microundele prin emisie stimulata de radiatie si numea acest dispozitiv MASER dupa initialele procesului (Microwave Amplification By Stimulated Emission Of Radiation).

Primul laser a fost construit abia in anul 1960 de Theodore Harold Maiman, iar cercetatorii rusi N. G. Basov si A. M. Prochorov, ca si americanul C. H. Townes au primit in 1964 premiu II Nobel pentru descoperiri in domeniul radiotehnicii cuantice.

Romania este cea de-a treia natiune care a realizat un dispozitiv ce a produs unda laser, fiind reprezentata de colectivul cercetatorilor condus de Ion Agarbiceanu, inca din anul 1962, cand realizeaza un efect laser in amestec de heliu-neon pe radiatia IR de 1,15 u.m.

La inceputul anilor ’60 maghiarul Endre Mester a introdus laserele de mica intensitate ce evitau efectul distructiv la nivel tisular : LOW LIGHT LASER THE RAPY (LLLT).

Utilizari:Laserii la diferite tipuri si-au gasit aplicabilitatea in domenii foarte variate, de la

parcurile de distractii la armament. Deoarece laserii produc fascicule de lumina de mare energie, cu lungimi de unda specifice si care nu devin divergente atat de repede ca razele naturale de lumina, ei pot fi utilizati pentru a transfera energia intr-un anumit punct, precis determinat.

Principalele domenii ale ingineriei in care se aplica laserul sunt : Holografia si interferometria holografica Comunicatiile optice Calculatorul si optica integrata Producerea si diagnosticarea plasmei Separarea izotopilor Realizarea standardelor de timp si lungime

1

Telemetria si masurarea de viteze Alinieri de profile si nivele Controlul automat al masinilor Incalzirea materialelor fara schimbare de faza Topirea si sudarea materialelor Vaporizarea si depunerea de straturi subtiri Fotografia ultrarapida Fabricarea si testarea componentelor electronice

Una din primele aplicatii ale laserului a fost taierea si sudarea, atat in industrie cat si in practica medicala (oncologie, chirurgie, stomatologie, endoscopie). Cei care se ocupa de practica militara spera sa poata utiliza puterea de taiere si ardere a laserilor la arme. Deoarece devin foarte lent divergente, fascicolele laser pot fi folosite pentru determinarea gradului de planeitate a unei suprafete. Fermierii au intrebuintat laserii pentru a se asigura ca ogoarele lor sunt plane, ceea ce le permite sa le protejeze de eroziune. De asemenea, laserii fac parte integranta din actuala revolutie optica. Aceasta presupune inlocuirea dispozitivelor electronice cu dispozitive fotonice. Dispozitivul fotonic utilizeaza fotoni in loc de electroni, iar laserii sunt surse excelente de fotoni pentru multe aplicatii. Desi principalele dispozitive fotonice aflate in prezent in uz sunt retelele de fibre optice de lunga distanta, multi oameni de stiinta prevad aparitia unor computere fotonice.

Printre cele mai bizare se afla utilizarea unor fascicule laser care se intersecteaza pentru a determina atomii aflati in punctul de incrucisare. Printre cele mai obisnuite este folosirea interferometriei laser pentru a localiza pozitiile exacte de pe Pamant, de exemplu exista posibilitatea ca laserii sa detecteze microdeplasarile scoartei terestre care preced cutremurile.

Utilizand o combinatie de laseri sau radar si interferometru, vehiculele cosmice se pot ghida cu precizie mare prin vastele spatii interplanetare.

Despre laser   : Biofotonica, care inglobeaza aplicatiile laserilor in medicina si biologice, s-a impus

ca stiinta abia in ultimul deceniu, odata cu acumularea si aprofundarea cunostintelor legate de interactia radiatiei laser cu materia vie. Fotonica (greaca „phos“, „photos“ - lumina)este stiinta radiatiei luminoase, care, aplicata in stiintele medicale si biologie, ajuta la rezolvarea problemelor fundamentale si clinice in numeroase aplicatii, prin intermediul unor tehnici si produse precum laserii, spectroscopia microscopia, imagistica si fibrele optice. Prin extensie fotonica se ocupa si de radiatiile din afara spectrului vizibil, respective radiatiile ultraviolete si infrarosii.

Fenomenul Laser (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) desemneaza „emisia stimulate si amplificata de radiatie luminoasa“ pe care o realizeaza o anumita „substanta activa laser“ (solida, lichida sau gazoasa).

Un numar mare de tipuri de laseri tehnici a fost posibil de realizat avand in vedere diferitele posibilitati de combinare a parametrilor lor structurale, respectiv :

2

- emisia luminoasa poate fi continua sau in impulsuri, fiind dependenta de tipul substantei active care o genereaza

- substanta activa laser poate fi stimulata prin sisteme de pompaj optic, avand ca surse posibile lumina invizibila, radiatia infrarosie sau ultravioleta, respectiv surse de electroni orientati catre cavitatea rezonatorie a sistemului laser

- in functie de tipul rezonatorului laser (forma, marime, material) se pot obtine un numar diferit de moduri de oscilatie ale luminii in cavitatea rezonatoare.

Principiul de functionare al laserului tehnic este, in esenta, bazat pe absorbtia si eliberarea de energie fotonica (termica) de catre electronii metastabili ai unei substante active laser. In urma absorbtiei unor stimuli fotonici externi slabi, acesti electroni realizeaza tranzitii/salturi de pe un nivel atomic energetic inferior pe unul energetic superior, la nivelul „capcanei de electroni“ intermediare, mai intai, la nivelul „bandei de conductie“, mai apoi. In urma ciocnirii cu alti fotoni sau electroni, energia absorbita de electronii metastabili se elibereaza in conformitate cu mecanismele evidentiate de optica liniara.

Particularitati structuraleComponentele structurale esentiale pentru funcionarea oricarui sistem laser tehnic

sunt : rezonatorul laser (optic), substanta activa, sistemul de „oglinzi“ reflectorizante ale rezonatorului, sursa de pompaj optic (obturatorul extern si intern), sistemul de lentile multiple convex-concave, sistemul de amortizare a socurilor, sistemul de racire, bancul optic si sistemul de obtinere a hologramelor.

1.REZONATORUL LASER (OPTIC)In esenta, se poate considera rezonatorul laser ca fiind un sistem cavitar in interiorul

caruia se gaseste plasata substanta activa laser. La nivelul acestui sistem au loc mari procese de amplificare energetica de tip BEMF (biochimic, electronic, magnetic si fotonic), procese urmate de o emisie laser, in fronturi succesive. Structural, rezonatorul laser este reprezentat se o cavitate care poate avea forme diferite : confocal sferica, bifocala, cilindrica, conica, de tip Fabry-Pérot. Aceasta cavitate protejeaza si totodata asigura desfasurarea tuturor fenomenelor laser (holografice, termice, plasmatice, electromagnetice, chimice).

Geometria sistemului rezonator (tehnic sau biologic) este implicata diferentiat in fenomenele specifice emisiei laser, astfel :

- distributia intracavitara a campului luminos coerent si a focarelor energetice monocromatice se face diferit intr-un sistem confocal sferic, ovoidal, conic, piramidal ; indiferent de distributia lor, insa, in aceste focare se realizeaza amplificarea energetica si informationala a luminii incidente, amplificarea preluata apoi de catre substanta activa ;

- posibila accelerare a vitezei de propagare a luminii in rezonatorul laser, pe anumite portiuni ale peretelui sitemului ;

- amplificarea energetica si informationala a luminii printr-o metamorfoza succesiva a tipului analog de transmisie (prin modulare in amplificare) in tip

3

digital de transmisie (prin modularea in frecventa a impulsurilor laser monocromatice),la acest tip de amplificare se adauga si amplificarea specifica substantei biologice (umane, animale), prin modularea in frecventa a insasi radiatiei monocromatice.

In tehnica laserilor se foloseste adesea lumina emisa de mai multe sisteme de laser drept sursa de pompaj optic pentru unul singur, generandu-se astfel o amplificare uriasa a emisiei luminoase.

√ √ …√ 2√ …2√

Fenomenul tehnic de amplifiare energetica prin modulare in frecventa

2.SUBSTANTA ACTIVA LASERAceasta este reprezentata de o substanta fotosensibila capabila de stimulare optica,

respectiv de absorbtie de fotoni. In urma unui astfel de proces, substanta activa, este in masura sa emita lumina coerenta, monocromatica, amplificata energetic (prin sistemul de oglinzi reflectate din interiorul rezonatorului). Procesul prin care aceasta absorbtie-emisie fotonica se realizeaza este unul de factura cuantica, electronica, atomica.

In functie de tipul substantei active sistemele de laseri tehnici se clasifica in : laseri atomici, laseri cu ioni (cu fosfor, fosfati, sulf, oxigen), laseri moleculari (laser cu O2, CO2,

CO), laseri cu lichide (apa, amoniac, substante organice), laseri cu semiconductori (cu diode laser=LEd-uri), laseri cu cristale lichide, utilizati in tehnica de calcul sau in radio-optica, laseri cu solid (rubin).

3.SISTEMUL DE OGLINZIRezonatorul laser este prevazut la extremitati cu oglinzi reflectorizante – una

transparenta si una semitransparenta – in masura sa genereze inversia de populatie. Prin reflexia repetata in aceste oglinzi se ajunge la atingerea pragului de emisie coerenta a luminii si realizarea fenomenului de emisie amplificata a luminii.

4.SISTEMUL DE POMPAJ OPTICAcest sistem este format din sursa de lumina si sitemul de opturatori, reprezentand

sistemul tehnic cu ajutorul caruia se asigura atat, stimularea optica (atunci cand sursa de lumina incidenta provine de la o sursa exterioara, naturala sau artificiala), cat si sistemul de amplificare energetica tehnica ( prin intermediul unor opturatori externi si interni). Se asigura astfel :

4

LASERGENERATOR PARAMETRIC DE LUMINA

DUBLOR DE FRECVENTA

- orientarea si focalizarea radiatiei spre un centru de maxima intensitate (focar), unde se afla plasata substanta activa din interiorul rezonatorului laser

- amplificarea energetica prin actiunea continua sau intrerupta a sistemului de opturatori externi sau interni, printr-o opturatie periodica se pot realiza astfel de impulsuri la interval de picosecunde, de tip lampa flash cu lumina naturala (solara) sau artificiala, alba sau monocromatica.

5.SISTEMUL DE LENTILE MULTIPLE CONVEX-CONCAVEIn majoritatea tehnicilor holografice pentru care utilizarea radiatiei laser este absolut

necesara, se utilizeaza in sistem de lentile multiple convex-concave care asigura transformarea coerenta si monocromatica a radiatiei externe, respectiv proiectarea/imprimarea imaginii pe un suport de cristale lichide, pe o matrice optica, magnetica, biochimica sau electrica. Acest mecanism este utilizat si in tehnologia computationala, in informatica, televiziune.

6.SISTEMUL DE RACIREUn astfel de sistem este absolut necesar pentru mentionarea fenomenului laser,

respectiv a integritatii fizice a sistemului tehnic, avand in vedere ca emisia laser este insotita de cresteri – uneori foarte inalte – ale temperaturii. Pastrarea in anumite limite a temperaturii sistemului se impune in mod deosebit in cazul laserilor termici, avand o mare putere de emisie.

Aceasta categorie de laseri sunt folositi la suduri, la taierea de materiale. Laserii atermici sunt utilizati mai ales in terapiile medicale. Mediul de racire utilizat in toate aceste cazuri poate fi apa sau gazele lichefiate, in special azotul lichid.

7.SISTEMUL DE AMORTIZARE A SOCURILOR MECANICEAcest sistem este definit de bancul optic de sustinere a sistemului laser si are ca scop

mentinerea directionalitatii si a coerentei emisiei luminoase, necesara in tehnicile holografice, interferometrice, in sudura de inalta precizie.

8.SISTEMUL DE OBTINERE A HOLOGRAMELORTehnica holografica care utilizeaza radiatii laser presupune si elemente structurale

necesare unei bune inregistrari a hologramelor dinamice, respectiv :- existenta unui banc optic de inregistrare a hologramelor (cu o rigiditate relativa)- prezenta unor matrici de cristale lichide fotosensibile, cu rol de suport al

memoriei optice (holografice)- asigurarea unor conditii de amortizare a oscilatiilor luminoase, cat si a celor

electromagnetice, pentru refacerea rapida a suprafetei matricii fotosensibile.

5

Prioritatile radiatiei laser1.COERENTAUn fascicul laser este coerent daca sunt indeplinite doua conditii :

a) fasciculul trebuie sa fie monofrecventa (imprastierea in frecventa sau largimea liniei trebuie sa fie mica) in acest caz, radiatia laser are o coerenta temporala ridicata

b) fasciculul trebuie sa aiba o forma care ramane constanta in timp, in acest caz se spune ca radiatia laser este coerenta spatial.

Coerenta temporalaCoerenta temporala implica posibilitatea prezicerii fazei si amplitudinii undei laser

dupa un interval de timp dat intre observatiile initiala si finala. Coerenta temporala poate fi exprimata in trei moduri diferite :

a. timpul de coerenta ∆t, care este timpul necesar trenului de unde sa treaca prin punctul de observatie

b. largimea linie ∆V (∆λ)c. lungimea trenului de unde sau lungimea coerenta lc

Intre aceste doua marimi exista urmatoarele relatii :∆tc = 1/∆V∆V = c/λ2 *∆λlc = λ2/∆λ = c/∆V

Exemplu : un laser cu CO2 fara circulatie de gaz cu putere medie (10W) are ∆V=100MHZ, rezultand lc=3m daca laserul este stabilizat in freceventa (10-9), largimea liniei de oscilatie se reduce la ∆V=3 MHZ si lc=100m.

Coerenta spatialaIn cazul coerentei spatiale nu suntem interesati de observatii in puncte diferite de-a

lungul trenului de unde, ci de observatii in puncte diferite ale frontului de unda. O unda se spune ca este coerenta spatial daca exista o diferenta de faza constanta intre oricare doua puncte alese pe frontului de unda.

2.MONOCROMATICITATEAMonocromaticitatea este proprietatea laserilor de a emite fascicule de radiatie in

domenii spectrale foarte inguste. Monocromaticitatea este legata de coerenta temporala. Daca un laser oscileaza pe mai multe moduri, monocromaticitatea depinde de numarul modurilor de oscilatie.

Pentru un laser cu mediu activ solid (rubin, semiconductor), in care de obicei este dificil sa se obtina emisia monomod (datorita largimii de banda ∆V mare a mediului activ), largimea benzii de oscilatie laser atinge adesea valori, de peste 1GHZ.

6

Un laser bine stabilizat in frecventa poate atinge valori ∆V=50-500 HZ, adica ∆V/V=10-12-10-13 sau ∆V=6*10-11-6*10-10n.m.

3.DIRECTIONALITATEADin insusi principiul sau de functionare, laserul radiaza toata puterea sa intr-un

fascicul directional, puternic colimat. Totusi, ca orice unda electromagnetica coerenta spatial, fasciculul laser are o divergenta intrisenca datorita defractiei. Pentru o unda care nu are o coerenta spatiala perfecta, divergenta este mai mare. Directionalitatea este legata de coerenta spatiala.

4.IRADIANTA, STRALUCIREA, EXPUNEREA RADIANTA Iradianta (intensitatea, densitatea de putere) [W/cm2] foarte mare a fasciculelor laser

este o consecinta a directionalitatii lor sau a proprietatii de coerenta spatiala.

TIPURI DE LASER

Clasificarea laserilor se poate realiza dupa mai multe criterii :A.Dupa natura corpului de baza laserele se impart in :- laser solid ce utilizeaza, ca mediu activ, corpuri solide, precum rubinul sau semiconductori ; laserii cu semiconductori folosesc lungimi de unda intre 630-980 n m, iar domeniul de putere merge de la cativa mw pana la sute de wati.Primele lasaere AsGa lucrau doar in sistem pulsatil cu putere de pana la cativa wati.

Frecventa maxima era de 10.000 HZ si cu o durata a pulsului de 20 ns. Principala problema a acestui tip de laser, fara monitorizarea puterii optice, era descresterea marcata a puterii de emisie, fata de temperatura emitatorului, incapacitatea de a atinge fluenta programata in j/cm2 sau minute, iar rezultatele erau neconstante. Puterea medie a acestor lasere era data de formula :

Pmd=Putere maxima (de varf) * sursa impulsului * frecventaLaserele semiconductoare, din noua generatie, cu monitorizarea puterii optice,

permit emisia cu o putere constanta, indiferen de temperatura si cu posibilitatea modelarii frecventei. Puterea ramane constanta, indiferen de frecventa.

- laserele prin coloranti : utilizeaza ca medie activ, anumite lichide colorate ca rodamina sau cumarina .

- laseri cu gaze : folosesc drept, mediu activ, un amestec de gaze ca Argon, CO2, Heliu-Neon. Laserele cu Heliu si Neon, au emisie continua, cu o lungime de unda de 633 n m si o putere de pana la 60 m v.

Laserele cu Heliu si Neon, au emisie continua, cu o lungime de unda de 633 n m si o putere de pana la m v.

Laserul cu CO2 este un dispozitiv ce emite in IR la 10,6 μm cu o putere de 12 W, este puternic absorbit de apa si are efectele laserelor atomice prin actiunea rapida pe arii intinse in reumatologie si in medicina sportiva.

7

B.Dupa puterea laserului si a efectului cerut, se pot delimita trei categorii de utilizari :

- laserele cu putere inalta sau laserele grele care sunt folosite pentru efectele distructive

- laserele de putere medie, care au actiune fotochimica - laserele atermice sau usoare, prezinta efecte fotoelectrice si reconstructive.

LASERELE CU PUTERE INALTA

Mediu activ al emitatorului

Lungime de unda (nm)

Absorbtie preferentiala

Efect preferential

CO2 10600 nm Apa Taiere-vaporizareYAG 1060 nm Proteine Coagulare-distructieRubin 694 nm Pigment negru -epilare definitiva

-coagulareArgon 488-514 nm Oxihemoglobina -epilare definitiva

-coagulareExcimer 192-351nm Apa-cornee Taiere-ablatie

LASERE CU PUTERE MEDIE

Mediu activ al emitatorului

Lungime de unda (nm)

Absorbtie preferentiala

Efect preferential

Colorant 400-700nm OhiHb-HPD Absrobtie selectiva in fotochimioterapie

Aur 628nm HPD -Cupru 578nm OxihemoglobinaDioda 800-100nm proteine Coagulare

LASERE CU PUTERE JOASA

Mediu activ al emitatorului

Lungime de unda (n m)

Absorbtie preferentiala

Efect preferential

Heliu-Neon 633nm Proteine -efect fotoelectric-reglarea troficitatii

tisulareAS GAAL 630-1100nm Proteine -efect fotoelectric

-reglarea troficitatii tisulare

CO2 10600nm Apa -analgezie rapida-efect termic

8

1)LASERUL CU RUBINRubinul, primul material in care a fost obtinut efectul laser, estes un oxid de

aluminiu (Al2O3) cristalizat cubic, iar in unele noduri ale retelei este inlocuit cu atomi de crom, triplu ionizati. Concentratia ionilor de crom in Al2O3 este intre 0,03 si 0,05%. Pe masura ce concentratia ionilor de crom creste de la 0,03 la 0,05%, culoarea rubinului trece de la roz deschis la roz inchis. Culoarea roz a cristalului de rubin se datoreaza benzilor de absorbtie in verde si albastru a ionilor de crom, benzi care sunt utilizate pentru pompajul optic.

Din monocristalul de rubin se confectioneaza baze cilindrice cu lungimea cuprinsa intre 3-20 cm si diametrul cuprins intre 0,4 si 2 cm, ale caror fete terminale sunt argintate.

Bara de rubin, este introdusa in lungul axei unui tub cu descarcare electrica de neon, sau amestec de neon si Kripton, care emite lumina verde cu lungimea de unda in jur de 5600Ǻ, intrgul ansamblu fiind introdus intr-un cilindru acoeprit cu un strat reflectant de oxid de magneziu.

Sub actiunea acestei radiatii, ionii de crom trec din stare fundamentala in stare excitata. In stare excitata ionii de crom raman un timp scurt, un numar redus dintre ei revenind in stare fundamentala prin emisia radiatiei cu lungime de unda λ≈5600Ǻ. Cea mai mare parte dintre ionii excitati, datorita intereactiunii acestora cu reteaua cristalina, trec neradiativ in stare energetica intermediara, care contine o stare metastabila formata din doua nivele energetice apropiate.

Fotonii, care apar datorita revenirii ionilor de crom din starea metastabila in starea fundamentala, sunt emisi in toate directiile. Unii sunt emisi paralel cu axa bari de rubin sunt multiplu reflectati in oglinzile ce formeaza rezonatorul optic, stimuland aparitia unor fotoni identici. Pentru obtinerea unui generator cuantic in domeniul optic, adica a laserului, trebuie satisfacute o serie de conditii privind diferenta dintre numarul de atomi n2 si n1

aflati in stare fundamentala, care trebuie sa depaseasca o anumita valoare, numita valoare de prag.

Δn = n2 - n1 >8πv 2 β X V 2c2α (v)d

v=frecventa radiatei d=drumul parcurs de radiatie V=volumul cristalului de rubinPrimii laseri cu cristal de rubin realizau fascicule sub forma de impulsuri cu durata

de 1ms, emise, fiecare, la un interval de 5-10ms unul de altul. Pentru aceste intervalle mici de timp, puterea laserului ajungea pana la 1KW, iar puterea medie era de ordinul catorva W.

Laserul cu rubin face parte din clasa laserilor cu mediu activ solid dielectric. Din aceasta clasa, prezinta o mare importanta laserul cu sticla dopata cu neoden, care lucreaza cu lungimea de unda λ=1,96μm.

9

2)LASERI CU GAZSunt trei tipuri de laser cu gaz:

1. laseri cu gaz atomici, in care se utilizeaza tranzitiile atomilor neutri din punct de vedere electric.

2. laserii cu gaz ionici, care folosesc tranzitiile atomilor ionizati.3. laserii cu gaz moleculari, pentru care inversia de populatie se face, intre

nivelele energetice de rotatie – vibratie ale moleculelor.Laserii cu gaz atomiciPrimul laser cu atomi neutri, realizat a fost laserul cu Heliu-Neon, in care substanta

de lucru este formata din atomi neutri de neon.Intr-o descarcare electrica, o parte din atomii de Neon trec de pe nivelul energetic

fundamental pe unul din nivelele excitate. In cazul neonului pur se realizeaza tranzitii rapide pe nivele energetice diferite, ceea ce ingreuneaza realizarea inversiei de populatie. Prezenta atomilor de Heliu schimba aceasta situatie. Doua nivele excitate energetice ale Heliului coincide cu nivelele neonului. In urma ciocnirilor de speta a doua se transfera energia de excitare de la atomii de Heliu la atomii de neon. Daca numarul atomilor de Heliu este suficient de mare se realizeaza inversia de populatie intre nivelele atomilor de neon, obtinandu-se radiatii stimulate importante pe lungimile de unda λ1=6328Ǻ, λ2=11530Ǻ, λ3=33900Ǻ. Nivelele energetice ale neonului au o structura complexa, constand in mai multe subnivele, ceea ce conduce la faptul ca laserii cu He-Ne pot functiona pe 30 de lungimi de unda in domeniul vizibil si infrarosu.

Laserii cu He-Ne au o emisie de 1-2 mW la nivelul tubului laser, dar exista o pierdere de 50% sau mai mult de 60% in fibrele optice. La formele de emisie cu impulsuri, raportul putere/putere medie a emisiei se reduce la jumatate. Laserul cu He-Ne are corpul de baza format dintr-un amestec de gaze (85% He, 15%Ne) care permite schimburile de excitatie intre atomii respective. Acest amestec este inchis intr-un tub de sticla si supus unei descarcari electrice; functioneaza in regim continuu si are lungimea de unda (in zona vizibila a spectrului) de 632,8 nm.

Laserii cu gaz ioniciInversia de populatie se realizeaza intre nivelele energetice ale ionilor diferitilor

atomi, intr-o descarcare de gaz concentratia relative mare a ionilor asigura o densitate de current electric de zeci de mii de Ǻ/cm2. Sunt identificate 440 de tranzitii ionice la ioni a 29 de elemente. Cei mai reprezentativi laserici ionice sunt:

- cu argon ionizat Ar2+ (λ1=4880Ǻ; λ2=5160Ǻ)- cu ioni de Kr 2+ (λ1=5682Ǻ; λ2=6471Ǻ)- cu ioni de Ne2+, Ar2+, Kr 2+ (in domeniul ultraviolet)

Laseri cu gaz moleculariPrimul nivel excitat al atomilor sau ionilor are o energie egala cu, aproximativ

jumatate din energia de ionizare. Celelalte nivele energetice superioare sunt din ce in ce mai apropiate pe masura ce ne apropiem de energia de ionizare. Din acest motiv, cele mai multe procese de excitare a atomilor nu sunt selective, excitandu-se concomitent mai multe nivele. Ca urmare, puterea si randamentul laserilor atomici si ionici sunt relativ mici. Moleculele, pe langa nivelele electronice, poseda si nivele de vibratie si de rotatie.

10

Substanta dintre nivelele de vibratie joase este mica (10-1 – 10-2 eV). Aceasta permite excitarea numai a nivelelor moleculare de vibratie fara sa fie afectate nivelele electronice. Tranzitiile intre nivelele de acelasi mod de vibratie asigura un randament egal cu 1. Se realizeaza inversie de populatie intre nivelele de vibratie-rotatie la 23 de molecule.

Laserul cu CO2 defocalizat are drept corp de baza CO2, argon, neon in proportie 1: 3: 5. Lungimea de unda a radiatiei emise este de 10600 n m. Fasciculul fiind defocalizat, in afara tubului, capata „soft“ (programat).

3)LASERI CU SEMICONDUCTORIIn corpuri solide, cand densitatile atomice au valori tipice de ordinul

1019atomi/m3 este de asteptat sa determine o perturbare drastica a nivelurilor energetice folosite pana in prezent in descrierea atomilor individuali.

Degenerarea nivelurilor atomilor individuali in conditiile vecinatatii (re)stranse a atomilor din mediul solid conduce la formarea unor benzi de niveluri energetice. Semiconductorii sunt materiale solide a caror rezistivitate are valori uzuale cuprinse intre 103 si 107 Ωm, in timp ce rezistivitatea metalelor si izolatoarelor este cuprinsa intre 10 -8 si 10-6 Ωm si 108 - 1022 Ωm.

Materialele semiconductoare ce nu contine niveluri energetice apartinand unor atomi de impuritate din banda interzisa se numesc conductori intrinseci. Cand atomii de impuritate introdusi intr-un semiconductor determina niveluri energetice in banda interzisa, ce se pot situa in apropierea bandei de conductie ori de valenta, semiconductorul se numeste intrinsec de tip N si respectiv de tip P.

Nivelurile (intermediare) situate in apropierea benzilor de conductie se numesc niveluri donoare si se obtin prin introducerea in materialul semiconductor intrinsec a unor atomi de impuritate ce reprezinta un electron de valenta mai mult decat atomii semiconductorului intrinsec. Un astfel de nivel poate fi obtinut prin doparea siciliului cu fosfor, iar diferenta de energie intre nivelul donor format si banda de conductie este de aproximativ 0,05eV. Cum la temperatura camerei KT≈0,025eV, electronul poate fi cedat usor benzii de conductie, nivelul este numit nivel donor.

Similar, prin introducerea intr-un semiconductor intrinsec a unui atom de impuritate, ce reprezinta un electron de valenta mai putin decat atomii semiconductorului intrinsec, se poate obtine un nivel acceptor.

Zona determinata de separarea energetica dintre benzi, in care electronii nu pot atinge datorita schimburilor cuantificate de energie este denumita banda interzisa.

Intr-o banda nivelurile energetice existente sunt ocupate numai partial de electroni, iar nivelurile energetice din benzile superioare acesteia sunt complet libere. Daca se aplica un camp electric exterior, electronii vor putea prelua energie de la camp, trecand pe niveluri energetice superioare, fie in cadrul benzii in care se gasesc, fie apartinand benzii superioare.

Cand banda inferioara complet populata cu electroni este separata de banda superioara libera printr-o diferenta energetica suficient de mare pentru a nu permit trecerea electronilor pe niveluri libere din banda superioara ; banda complet populata de e- se

11

numeste banda de valenta iar banda superioara, nepopulata, se numeste banda de conductie.

Laserul cu semiconductori sau dioda laser este un dispozitiv ce isi bazeaza functionarea pe fenomene ce apar in zona de jonctiune dintre un semiconductor extrinsec de tip N si/sau un semiconductor de tip P. O jonctiune semiconductoare in care este un dopaj ridicat al zonei P si N ce corespunde la aproximativ 1019 atomi de impuritate pe cm3. In zona de jonctiune a celor 2 semiconductori extrinseci vor exista un numar foarte mare de goluri si electroni ce sunt separati de diferenta energetica ΔW dintre stari. Aplicand un camp electric suficient de intens pentru a depasi diferenta energetica dintre stari si a carui directie este determinata de conectarea regiunii N la polul negativ si regiunea P la polul pozitiv al sursei de tensiune ce il genereaza, electronii vor tinde sa ocupe locurile libere existente, desemnate de goluri, avand loc un proces de recombinare, in care diferenta de energie este eliberata sub forma de pulstoni (pulston = concept fundamental ce impune reprezentarea unitara extrasenzoriala, ca puncte statice pulsatile ce se reduc la propriul continut al diverselor particule din Univers, indiferent de incarcarea electrica, neutralitate). Emisia laser apare crescand intensitatea campului invers aplicat jonctiunii (lumina va deveni mai intensa si generarea de fotoni va ajunge sa depaseasca pierderile de sistem).

4)LASERUL CU LICHIDLaserul cu lichid : cel mai cunoscuti sunt cei cu chelati organici sau cu coloranti.Mediul activ pentru laserii cu coloranti este format de o substanta fluorescenta

dizolvata intr-un solvent (alcool).Largimea spectrala a radiatiei emise este de ordinul sutelor de angstromi, putand

fi selectata lungimea de unda dorita, deci laserul este acordabil intr-o banda larga.

SISTEME LASER MEDICALE

Instalatii cu laseri cu CO2

Instalatiile chirurgicale cu laseri cu CO2 („bisturiele cu laseri cu CO2“) ocupa un segment important al aplicatiilor medicale ale laserilor. Daca la inceput erau utilizati cu CO2 cu curgere longitudinala de gaz, incepand cu mijlocul deceniului ‘80 acestia au fost inlocuiti cu CO2 fara circulatie de gaz (sealed-off), sau cu laseri cu ghid de unda (waveguide), cu descarcare transversala sau in radiofrecventa.

Caracteriscticile principale : laser - laseri cu circulatie de gaz (consum de gaz 30-100 litri normali/ora) ;

12

- laseri fara circulatie de gaz, cu descarcare longitudinala in unda continua ;- laseri cu functionare in impulsuri (CO2-TEA sau cu descarcare in impulsuri); lungime de unda - 10,6 μm (infrarosu);- 9,6 μm (infrarosu); putere laser - putere laser maxima pe tesut de 10, 20, 30, 40, 50, 70 sau 100 W;- reglaj continuu al puterii, intre 0,5 (1)-100% din puterea maxima, sau reglaj in

trepte logaritmice (16) ; structura modala- modul fundamental TEMoo sau moduri de ordin scazut ; diametrul fasciculului laser- 5-10mm ; divergenta (unghi intre) 2-5mrad ; polarizare aleatorie ;- liniara ; marimea spotului focalizat- 0,1-0,8mm pentru distante focale de 50-300mm ; regimuri de functionare unda continua- un singur impuls cu durata reglabila in trepte intre 0,02-5s ;- impulsuri repetate, cu durata impulsului si frecventa de repetitie a impulsurilor

reglabile (comandate cu un obturator electromecanic) ;- functionarea in impulsuri, comandate prin descarcare electrica in impulsuri, cu

frecventa de 10-200 Hz (putere medie de 75-90% din puterea in unda continua) ;- superpuls (durata aproximativ 1ms, frecventa de repetitie a impulsurilor 30-

300Hz), cu puterea de varf de 5-15 ori mai mare fata de puterea in unda continua si puterea medie de aproximativ 35% din puterea in unda continua ;

- fanctionarea la nivele coborate de putere (mW), intre 200-1000 mW ; fascicul de vizualizare- laser cu He-Ne (in rosu, Â=632,8 nm sau verde, /L=543 nm) cu puterea fixa sau

reglabila intre 0,5 si 5 mW posibilitate de modulare;- dioda laser (in rosu, putere reglabila 0,5-3mW) sistem de racire- cu apa de la retea, 2-10 1/min ;- in circuti inchis, cu schimbator de caldura lichid-aer ; controlul functionarii electronic si electromecanic- cu microprocesor (pot fi memorate si rechemate mai multe protocoale) ; sistem de transmitere a fsciculului- brate articulate, cu 5 sau 7 imbinari, tuburi distantoare din metal sau fibra de

carbon, oglinzi fixe sau reglabile, echilibrate cu arc sau contragreutate ;- fibre optice pentru infrarosu ;- ghiduri de unda goale, metalice sau din materiale plastice ; reglaj vertical si orizontal

13

- reglaj vertical : hidraulic sau electric ;- rotatie orizontala: 45-360°; configurare- tubul laser plasat vertical sau in consola ; masa- 35-200 kg ; alimentare electrica- tensiune : 100, 110, 120, 127, 220, 240 V ;- frecventa 50, 60 Hz ;- consum de putere : 200-300 V-A ; caracteristici ale terminalului- terminale specifice, continand lentile de focalizare cu distanta focala fixa sau

sisteme optice cu distanta focala variabila ;- conectare la sursa interna sau externa de N2 pentru curatirea lentilei de

focalizare ;- conectare la micromanipulator ;- conectare la microscopul operator ;- adaptare la scaner ;- conectare la aspirator ; aplicatii- chirurgie generala ;- dermatologie, chirurgie plastica ;- ORL ;- nerochirurgie ;- cardiologie ;- oftalmologie (anexe) ;- ginecologie ;- ortopedie ;- stomatologie .

Instalatii cu laseri cu argon si kripton

Caracteristici principale : laser- laser cu argon, cu lungimile de unda 488 nm (albastru) si 514 nm (verde) ;- laser cu kripton, cu lungimile de unda 520-530 nm (verde)si 568 nm (galben) ; putere laser- laser cu argon : 2-16 W multilinie ; in verde, puterea este 1/3 din puterea

multilinie ;- laser cu kripton : 0,5-5 W multilinie ; in galben, puterea este 1/3 din puterea

multiline ; regimuri functionare- unda continua ;

14

- un singur impuls cu durata de 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,2 sau 5 s ;- impulsuri repetate, cu intervalul de timp intre impulsuri de 0,2, 0,5, 1,2, 5 sau

10s ; fascicul de vizualizare- o fractiune din fasciculul emis de laser ;- lumina alba necoerenta ; sistem de racire- cu apa de la retea, 4-10 1/min ;- racire fortata cu aer ; sistem de transmitere a fasciculului - prin fibra optica ; masa- 50-100 kg ; alimentare electrica- retea trifazata, 15-65 A (laseri de putere mare) ;- retea mofazata, 10-25 A (laseri de putere medie) ; aplicatii- leziuni pigmentate si vasculare in dermatologie, indepartarea tatuajelor;- oftalmologie ;- ginecologie ;- ORL ;- cardiologie ;- neurochirurgie ;

Instalatii cu laseri cu excimeri

Caracteristici principale : laser- XeCl ;- butelie cu gaz premixat ; lungime de unda- 308 nm ; energie pe impuls- 100 mJ ; frecventa de repetitie maxima a impulsurilor- 100 Hz ; sistem de racire- in circuit inchis, cu schimbator de caldura ; sistem de transmitere a fasciculului- fibra optica : 600 μm ; 3x600 μm ; 6x400 μm; 10x200 μm; masa- 310 kg ; alimentare electrica

15

- retea monofozata, 16 A ; aplicatii- cardiologie, pentru recanalizarea arteriala.

Instalatii cu laseri cu Nd :YAG

Carasteristici principale : laser- laser cu Nd :YAG in unda continua ;- laser cu Nd:YAG cu functionare in impulsuri (7-10ns), eventual cu dublare in

frecventa; lungime de unda- 1064 nm ;- 532 nm ; putere laser- putere laser maxima pe tesut de 40, 60, sau 100 W ;- reglaj continuu a puterii intre 0,5(1)-100% din puterea maxima ; expunere radianta- 0-30 J/cm2 la 1064nm ;- 0-16 J/cm2 la 532 nm ; regimuri de functionare- unda continua ;- un singur impuls cu durata reglabila continuu intre 0,01s si 10s ;- impulsuri repetate, cu interevalul intre impulsuri reglabil intre 0,3 si 3s ;- regim declansat ;- regim de cuplare a modurilor ; fascicul de vizualizare- laser cu He-Ne, cu putere maxima de 5mW, cu intensitate reglabila ; sistem de racire- cu apa de la retea, 81/min ;- in circuit inchis, cu schimbator de caldura ; sistem de transmitere a fasciculului prin fibra optica- prin fibra optica cu varf de safir ;- brat articulat ; masa- 100-130 kg ; alimentare electrica- retea monofazata, 15-20 A ;- retea trifazata , 10-15 A ; aplicatii- oftalmologie ; - gastroenerologie ;- ORL ;

16

- neurochirurgie ;- urologie ;- ginecologie ;- dermatologie ;- chirurgie generala .

Instalatii cu laseri cu Er :YAG

Caracteristici principale : laser- laser cu Er :YAG in impulsuri ; lungime de unda- 1940 nm ; energie pe impuls- 0,1-1 J ; frecventa de repetitie a impulsurilor- 2-15 Hz ; putere medie (maxima)- 10 W ; putere de varf (maxima)- 2800 W ; regimuri de functionare- regim de oscilatie libera ;- regim declansat ; durata impulsului laser- 200-300 ps ;- 40 ns ; fascicul de vizualizare- dioda laser (in rosu) ; sistem de racire- in circuit inchis, cu schimbator de caldura ; sistem de transmitere a fasciculului- brat articulat ;- fibra optica din ZrF ; alimentare electrica- 220-240 V, 50/60 Hz, 2 kW maxim ; aplicatii- oftalmologie ;- cardiologie ;- dermatologie ;- chirurgie generala.

17

Instalatii cu laseri Ho :YAG

Caracteristici principale : laser- laser cu Ho :YAG in impulsuri ; lungime de unda- 2120 nm ; energie pe impuls- 3 J ; frecventa de repetitie a impulsurilor- 5-25 Hz ; putere medie (maxima)- 25 W ; 45 W ; 60 W ; putere de varf (maxima)- 15 kW ; regimuri de functionare- regim de oscilatie libera ;- regim declansat ; durata impulsului laser- 150-800 ns ;- 40 ns ; fascicul de vizualizare- dioda laser (in rosu, la 635 nm) ; sistem de racire- racire cu refrigerator ; sistem de transmitere a fasciculului - fibra optica din cuart cu OH scazut ; alimentare electrica- retea monofazata, 50/60 Hz, 20-30 A ; aplicatii- chirurgie generala ;- chirurgie ortopedica (tratamentul artroscopic al meniscului, boala sinoviala,

ablatia osului si cartilajului) ;- ORL ;- urologie.

Instalatii cu laseri cu rubin

Caracteristici principale : laser

18

- laser cu rubin in impulsuri ; lungime de unda- 694 nm ; energie pe impuls- 1,2 J ; expunere radianta pe tesut- 0-20 J/cm2 pentru un spot de 3 mm ;- 0-10 J/cm2 pentru un spot de 4 mm ; frecventa de repetitie maxima a impulsurilor- 1,2 Hz ; durata impulsului laser- 25-40 ns ; fascicul de vizualizare-  laser cu He-Ne (632,8 nm) ; sistem de racire- cu apa de la retea, 51/min ;- in circuit inchis, cu schimbator de caldura ; sistem de transmitere a fasciculului - fibra optica ;- brat articulat ; aplicatii- dermatologie (indepartarea tatuajelor, leziuni pigmentate ale epidermei si dermei).

19

BIBLIOGRAFIE :

1. „Pulstonica si laserterapia clinica neinvaziva“autori :Mihai Botez, Florin G. Frunzaeditura : Bucovina – Iasi, 2007

2. „Laserii – realitate si sperante“autori : L. V. Tarasoveditura : Tehnica – Bucuresti, 1990

3. „Fizica generala“autori :Traian Cretueditura : Tehinca – Bucuresti, 1986

4. „Metamorfozele luminii“autori :Traian Stanciulescu, Daniela Manueditura : Performantica – Iasi, 2001

5. „Laserterapia clinica“autori :Gabriela Titu, V. Botezeditura : Junimea – Iasi, 2002

Ţangara Mihaela Facultatea : Asistenta medicala an I, grupa 1

20