Laser w medycynie i przemyśle

Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego działającym na zasadzie wymuszonej emisji, a jego nazwa pochodzi od skrótu nazwy angielskiej - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoją energię wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcję fotonów światła. Kiedy wzbudzone atomy zderzają się z kolejnymi fotonami, emitują energię w postaci światła.

Wyemitowane światło ma jednakową częstotliwość fali, stąd nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.
Zjawisko wymuszonej emisji odkrył w drodze teoretycznych rozważań Albert Einstein, analizując prawa promieniowania świetlnego. Możliwość otrzymania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na drodze eksperymentalnej uzasadnił w 1940 roku radziecki uczony W. A. Fabrikant.

W latach 1952 - 53 z koncepcją budowy wzmacniacza mikrofal działającego na zasadzie wymuszonej emisji wystąpili, niezależnie od siebie, Charles H. Townes i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych.

Pierwsze takie urządzenie, noszące nazwę lasera, zostało zbudowane w 1954 roku. Wynalazek lasera polegał na rozszerzeniu wykorzystania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na zakres fal świetlnych. Z pierwszym projektem tego rodzaju urządzenia wystąpił w 1958 roku ponownie Townes wraz z innym fizykiem amerykańskim Arthurem L. Schawlowem. Rok później Townes zbudował model lasera, lecz próby nie wypadły pomyślnie. Pierwszy czynny laser został zbudowany po kilku dalszych miesiącach.
W maju 1960 roku młody amerykański badacz Theodor H. Maiman z laboratorium Hughes Aircraft Company zademonstrował laser rubinowy, wytwarzający niezwykle spójną i monochromatyczną wiązkę światła.

Wkrótce po laserze rubinowym, w którym akcja laserowa zachodzi w jonach chromu krystalicznego rubinu, został zbudowany laser gazowy (akcja laserowa przebiega w nim w mieszaninie helu i neonu), a następnie w 1962 roku laser półprzewodnikowy i w 1963 roku laser cieczowy.
Promień lasera ma bardzo różnorodne zastosowania praktyczne - od medycyny, poprzez elektronikę, nowoczesne uzbrojenie, do np. sprawdzania oświetlenia w nowo budowanym tunelu.


Laser w medycynie

Coraz częściej w bardzo wielu dziedzinach medycyny stosuje się lasery. Są one wykorzystywane w chirurgii, medycynie sportowej, dermatologii, okulistyce, reumatologii, stomatologii, w terapii bólu oraz w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.

Historia laserów
•W 1962 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano lasery w dermatologii.
•W 1963 r. zespół naukowców z Katedry Podstaw Radiotechniki WAT pod kierunkiem prof. dr. inż. Zbigniewa Puzewicza uruchomił pierwszy w kraju laser na ciele stałym (rubinowy). W 1965 r. na bazie tego lasera zbudowano koagulator okulistyczny i mikrodrążarkę laserową.
•W 1965 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano laser CO2 w chirurgii.
•Od 1972 r. zaczęto powszechniej wykorzystywać lasery w medycynie światowej. Wiązało się to z możliwością prowadzenia wiązki laserowej w światłowodach, co w efekcie pozwoliło na wprowadzanie promieni laserowych do jam ciała oraz narządów jamistych.
•W 1976 r. w Wojskowej Akademii Medycznej wykonano pierwsze zabiegi laryngologiczne aparaturą wykorzystującą promieniowanie lasera rubinowego.
•W latach 80. w Wydziałowym Instytucie Optoelektroniki WAT pod kierunkiem prof. dr. inż. Zdzisława Jankiewicza zbudowano m.in. lancet chirurgiczny z impulsowym laserem Nd:YAG do zabiegów w przednim odcinku oka oraz zestaw do chirurgii ogólnej z laserem Nd:YAG.
•W 1986 r. po raz pierwszy na świecie użyto lasera do rozbicia kamieni żółciowych.


Typy laserów stosowanych w medycynie

Pierwsze lasery zastosowano w chirurgii gałki ocznej, z biegiem lat zaczęto używać coraz nowszych typów laserów w różnych dziedzinach medycyny. Niektóre schorzenia można obecnie leczyć tylko laserem.
Ze względu na materiał aktywny wyróżnia się:
1.lasery gazowe,
2.cieczowe, na ciele stałym
3.półprzewodnikowe

Do najczęściej stosowanych w medycynie laserów gazowych należą:
•lasery na dwutlenku węgla CO2,
•helowo-neonowe He-Ne,
•lasery ekscimerowe,
•argonowe
•kryptonowe

Z laserów na ciele stałym najbardziej znane są lasery na krysztale granatu itrowo-aluminiowego (YAG) domieszkowanego z:
•neodymem Nd,
•erbem Er (laser erbowy)
•holmem (laser holmowy).

Jest bardzo wiele typów laserów półprzewodnikowych emitujących promieniowanie od czerwieni do podczerwieni.
Innym kryterium podziału jest sposób zasilania i generacji, pozwalający wyróżnić lasery ciągłego działania i impulsowe.

Z punktu widzenia wartości mocy promieniowania lasery dzielimy na:
•małej mocy (4-5 mW),
•średniej mocy (6-500 mW)
•dużej mocy (ponad 500 mW

Lasery dzieli się też na:
•wysokoenergetyczne
•niskoenergetyczne

Jest to umowny podział laserów stosowanych w urządzeniach medycznych. Lasery wysokoenergetyczne, czyli chirurgiczne są wykorzystywane w zestawach przeznaczonych do destrukcji lub usuwania tkanki (cięcie, odparowanie, koagulacja). W laserach niskoenergetycznych (biostymulacyjnych) nie wykorzystuje się termicznego oddziaływania (podgrzewania). Są one używane w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii i stomatologii, a także w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.


Metoda laserowo indukowanej fluorescencji

Jest używana do analizy stanu tkanek biologicznych w diagnostyce miażdżycy, kamicy nerkowej i moczowej oraz wczesnych faz nowotworów. Promieniowanie laserowe wzbudzające fluorescencję, czyli świecenie tkanek jest doprowadzane światłowodem do analizowanego obszaru. Drugim światłowodem lub wiązką światłowodów jest odbierane promieniowanie emitowane przez wzbudzone tkanki. Promieniowanie to po rozszczepieniu jest następnie analizowane. Zmiany w widmach emisji chorych tkanek są spowodowane różnicą ilościową i jakościową występujących w organizmie barwników, tzw. fluoroforów. Fluorescencja w tkankach pochodzi od takich m.in. związków, jak endogenne porfiryny, melanina, beta-karoten, białka zawarte w elastynie i kolagenie, pochodne pirydoksyny. Metoda laserowo wzbudzanej fluorescencji nie jest inwazyjna, a umożliwia wykrycie chorobowo zmienionych tkanek. Światłowody można umieszczać także w endoskopach i laparoskopach.


Lasery biostymulacyjne

są używane w leczeniu uszkodzeń skóry, przy zabiegach chirurgii plastycznej - w przypadku ran pooperacyjnych, owrzodzeń, przy przeszczepach skóry. Często wykorzystuje się promieniowanie laserowe w leczeniu: reumatoidalnego zapalenia stawów, zesztywniającego zapalenia stawów kręgosłupa, zespołu bolesnego łokcia, kręczu szyi, tzw. zespołu bólów krzyża. Promieniowanie laserowe stosuje się też w akupunkturze.


Ciekawe możliwości zastosowania laserowych urządzeń w medycynie

W stomatologii do bezbolesnego leczenia zębów. Zamiast borowania można wykonać sekwencję impulsów laserowych, w wyniku której następuje usunięcie twardej tkanki zęba. Nowym sposobem leczenia niektórych postaci niedokrwiennej choroby kończyn jest przezskórne udrożnienie zmienionych miażdżycowo naczyń tętniczych za pomocą lasera. Zastosowanie "kontaktowego" lancetu laserowego, w którym promieniowanie laserowe doprowadzone światłowodem nagrzewa do wysokiej temperatury odpowiednią końcówkę szafirową umożliwia, wykorzystanie laserów w neurochirurgii.


Na świecie funkcjonują już mammografy laserowe, gdzie stosuje się nieinwazyjne promieniowanie przenikające głęboko przez tkankę. Wielkie nadzieje w okulistyce wzbudza laserowa chirurgia refrakcyjna rogówki, umożliwiająca korektę różnych wad wzroku przez modelowanie kształtu rogówki za pomocą promieniowania laserowego. Prowadzone są też próby z "laską laserową" dla ludzi niewidomych. Systemy laserowe, które się w niej znajdują, wysyłają promienie w różnych kierunkach; jeśli napotykają przeszkodę, sygnalizują jej istnienie za pomocą dźwięku lub wibracji wyczuwalnej na uchwycie laski. Coraz szerzej wykorzystywane są lasery w kosmetyce, między innymi do depilacji i usuwania naczyniaków.


Laser w przemysle

Zastosowanie laserów w przemyśle

A).cięcie
B).spawanie
C).znakowanie
D).drążenie otworów
E).obróbka powierzchniowa
•hartowanie
•stapianie warstwy powierzchniowej
•wzbogacanie warstwy przypowierzchniowej w składniki stopowe
•nakładanie warstwy przypowierzchniowej (natapianie)


Laserowe cięcie
Laserowe cięcie ma obecnie bardzo duże zastosowanie w przemyśle.Jest to jedna z metod termicznego oddzielania materiału. Rozdzielanie materiału może następować w trzech rodzajach, poprzez: sublimację, topienie, wypalanie. Najczęściej stosowana jest kombinacja trzech rodzajów do oddzielania materiału.Cechą ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii i wysokoenergetyczny strumień tnący. Celem cięcia laserowego jest wytwarzanie elementów, które bez dodatkowej obróbki nadaja sie do dalszej przeróbki. Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i wysokiego stopnia utrzymywania wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładnie prowadzony strumień tnący w połączeniu z najwyższej jakości maszyną do cięcia o dużej odporności na drgania i o dobrej własności powtarzania. Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna i ceramiki.

Wyróżniamy następujące metody cięcia laserowego
1.Cięcie przez odparowanie
Polega ono na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego.
Względna energochłonność:40
Zastosowanie: materiały nie ulegające topnieniu- drewno, niektóre tworzywa sztuczne.
2.Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie
Materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega stopieniu i jest usuwany strumieniem gazu obojętnego.
Względna energochłonność:20
Zastosowanie: metale -szczególnie dobre wyniki daje cięcie ciśnieniowe stali nierdzewnych.
3.Cięcie przez wypalenie
Materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki jest wypalany przez strumień tlenu lub mieszaniny gazów zawierającej tlen.
Względna energochłonność:10
Zastosowanie: metale i inne materiały spalające się w wysokiej temperaturze. Jest to najczęściej stosowana metoda cięcia , standardowa metoda dla stali węglowych.
4.Generowanie pęknięć termicznych
Zogniskowana wiązka wywołuje naprężenia cieplne, powodujące pękanie materiału
Względna energochłonność:1
Zastosowanie: materiały kruche, zwłaszcza szkło
5.Zarysowanie
Nacinany jest rowek lub rząd otworów i następnie materiał jest łamany mechanicznie
Względna energochłonność:1
Zastosowanie: płytki krzemowe i korundowe
6."Zimne" cięcie
Promieniowanie lasera ekscymerowego powoduje niszczenie wiązań cząsteczkowych.
Względna energochłonność:100
Zastosowanie: tworzywa sztuczne

Spawanie laserowe
Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l02 do 1011 W/mm2 . Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny, jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie.
Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na gotowo, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kW) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery CO2 jak i Nd:YAG.

Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Głównym obszarem ich zastosowania jest łączenie elementów karoserii samochodowych.
Zasada procesu spawania polega na lokalnym podgrzaniu materiału poprzez skupienie promienia. Wskutek parowania otrzymuje się kapilarę względnie oczko, którego średnica odpowiada 1,5 - 2 razy średnicy punktu skupienia. Zamknięciu sie kapilary zapobiega ciśnienie oparów. Do spawania laserami CO2 najczęściej stosuje się gazy: Ar, N2, CO2 lub He, które wspomagają ten proces, dzięki nim można osiągnąć głębokość spoiny do 25mm, służą one jednocześnie do ochrony wytopu przed skutkami utleniania.


Znakowanie laserowe
W systemach przeznaczonych do znakowania materiałów używa się obecnie ok. 90% laserów Nd:YAG, gdzie wzbudzanie następuje poprzez diody lub lampy. Wydajny komputer PC steruje pracą całego sytemu oraz umożliwia sporządzanie i przygotowywanie grafiki, która ma zostać naniesiona na opisywany materiał. Prędkość znakowania sięga nawet do kliku metrów na sekundę. Typowy przedział mocy wyjściowej to 3 - 150 W.
Lasery Nd:YAG są najczęściej stosowane do znakowania prawie wszystkich metali, tworzyw sztucznych, ceramiki, materiałów emaliowanych. W aplikacjach służących do grawerowania szkła, drewna, skóry stosuje się lasery CO2 o mocach od 10 do 50 W, lecz ich udział w przemyśle jest bardzo mały.
Znakowanie laserowe polega na na noszeniu na powierzchnię przedmiotów znaków przy pomocy wiązki promieniowania laserowego. Promieniowanie to powoduje usunięcie cienkiej warstwy materiału, bądź zmiany termofizyczne lub termochemiczne wywołujące zmianę zabarwienia. Powierzchnia materiału bywa specjalnie pokrywana warstwą np. farby lub tlenku celem zwiększenia kontrastowości oznakowania.
Istnieją dwie podstawowe metody znakowania:
1.Pierwsza z nich polega na naświetlaniu przedmiotu poprzez specjalnie wykonaną maskę odwzorującą obraz, który ma być przeniesiony na przedmiot. Maska jest wykonana zazwyczaj z metalu (np. z miedzi z uwagi min. na dobre odprowadzania ciepła) umieszczona jest na drodze niezogniskowanej wiązki. Promienie przechodzące przez otwory w masce przechodzą następnie przez układ ogniskujący i dalej powodują zmiany w odpowiednich miejscach na powierzchni przedmiotów. Powierzchnia przedmiotu znajduje się poza ogniskiem wiązki.
2.Druga metoda znakowania polega na sterowaniu zogniskowanej wiązki promienia lasera za pomocą dwóch zwierciadeł poruszanych elektromagnetycznie jest to tzw. system galwo. Używa się do tego celu na ogół laserów Nd:YAG ciągłego działania lub impulsowych o mocach od kilkudziesięciu do kilkuset watów. Zwierciadła pozwalają na przeniesienie płaskiego obrazu o wymiarach dochodzących do 300X300 mm bez poruszania przedmiotem. Obraz może być tworzony z pojedynczych punktów lub linii.
Częstotliwość ruchów uchylnych luster dochodzą do 500Hz, prędkość zogniskowanej wiązki dochodzi do 100 m/s. Dokładność prowadzenia wiązki po materiale leży w granicach 0,01 mm.