Laser

Ve většině laserů světlo opakovaně prochází tzv. rezonátorem – optickou dutinou vymezenou zrcadly. V nejobvyklejších případech je rezonátor tvořen dvěma zrcadly, z nichž je jedno zcela odrazivé a druhé částečně propustné (aby světlo vznikající v laseru mohlo unikat ven a laser tak svítil). Existují také kruhové rezonátory.

Jako nepropustné zrcadlo se obvykle používá dielektrické zrcadlo, zvláště ale pro delší vlnové délky (μm) není ale dielektrická struktura realizovatelná a proto se používá leštěný kov, např. zlato nebo měď. V některých případech (laserová dioda) má dostatečnou odrazivost samotné rozhraní aktivního prostředí se vzduchem, neboť reflexivita rozhraní závisí na indexu lomu materiálu podle Fresnelových vzorců.

Některé lasery s dostatečně velkým ziskem v aktivním prostředí rezonátor nepotřebují a pracují v režimu zesílené spontánní emise – to znamená, že záření stačí jediný průchod k získání dostatečné intenzity. Patří mezi ně např. dusíkový nebo měděný laser. Rezonátor se samozřejmě také běžně nepoužívá u laserových zesilovačů, které slouží jen k průchodovému zesilování vstupujícího koherentního svazku.

Zrcadla v rezonátoru zdaleka nemusí být rovinná. Naopak, v řadě případů je výhodné použít nejen konkávní, ale i konvexní zrcadla. Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměrech křivosti zrcadel a délce rezonátoru.

Pro klasifikaci stability rezonátoru jsou pak zaváděny dva bezrozměrné parametry g₁ a g₂

${\displaystyle g_{1}=1-{\frac {L}{r_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{r_{2}}}}$

Rezonátor je stabilní v případě že splňuje podmínku ${\displaystyle 0<g_{1}\cdot g_{2}<1}$. r₁ a r₂ jsou poloměry křivosti zrcadel rezonátoru a L je vzájemná vzdálenost zrcadel.

Časový pokles celkové energie záření uvnitř rezonátoru může být zpravidla popsán exponenciálním zákonem:

${\displaystyle U(t)=U_{0}\cdot \exp {-{\frac {t}{\tau _{c}}}}}$

Kde τ_c je doba života fotonu v rezonátoru. Ta obecně závisí na ztrátách v rezonátoru. V ideálním případě je ji možné exaktně vyjádřit na základě reflektivity zrcadel rezonátoru R₁, R₂.

${\displaystyle \tau _{c}={\frac {2L}{c\cdot \ln \left({\frac {1}{R_{1}R_{2}}}\right)}}}$

Vyjadřuje míru schopnosti rezonátoru uchovat energii. Čím menší jsou ztráty rezonátoru, tím větší je doba života fotonu v rezonátoru (foton se v rezonátoru déle „udrží“) a tím je také větší činitel jakosti rezonátoru Q (schopnost uchovat energii je větší).

${\displaystyle Q={\frac {U(0)}{U(0)-U\left({\frac {T_{0}}{2\pi }}\right)}}=2\pi \left[1-\exp {\frac {-T_{0}}{\tau _{c}}}\right]^{-1}}$

Ztrátové mechanismy kromě toho, že omezují dobu života fotonu v rezonátoru, zmenšují intenzitu oscilací a omezují dobu oscilací, tak způsobují také rozšíření rezonanční frekvenční čáry. Šířka spektrální čáry laseru ∆ν (definovaná jako šířka, na které intenzita záření klesne na 1/2 maximální hodnoty) je dána:

${\displaystyle \Delta \nu =\left(2\pi \tau _{c}\right)^{-1}}$

Vztah mezi dobou života fotonu v rezonátoru a činitelem jakosti je potom následující

${\displaystyle Q={\frac {1}{\Delta \nu T_{0}}}}$

Aktivní prostředí je látka obsahující oddělené kvantové energetické hladiny elektronů; může se jednat o:

• plyn nebo směs plynů, hovoříme pak o plynových laserech
• monokrystal kde hladiny vznikají dopováním; takové lasery se nazývají pevnolátkové
• polovodič s p-n přechodem v případě diodových laserů
• organická barviva
• polovodičové multivrstvy – jsou základem kvantových kaskádních laserů (QCL)
• volné elektrony v případě laserů na volných elektronech

Elektrony mohou přecházet z vyššího do nižšího stavu, při současném vyzáření fotonu, jedním z dvou mechanismů:

• spontánní emise (foton se vyzáří samovolně)
• stimulovaná emise (okopíruje se jiný foton procházející atomem).

Ke spontánní emisi dochází při nízkém stupni obsazení vyšší hladiny; pro spuštění stimulované emise ve větším měřítku (generace laserového záření) je třeba čerpáním dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více elektrony, než nižší.

• Součásti pro optické čerpání aktivního prostředí (např. pomocí elektrického proudu, výbojky, chemické reakce aj.)
• Chladič
• Měření výkonu, kalibrace zařízení
• Případně nelineární krystal měnící vlnovou délku

Laser je zařízení používané pro neinvazivní laserovou terapii (LLLT, Low Level Laser Therapy). Lasery fungují na principu biostimulace – stimulují mitochondrie v buňkách k výrobě ATP (adenosintrifosfátu). ATP energizuje buňku a tak probíhá rychlejší reprodukce, což vede k větší produkci kolagenu. Softlaser rovněž podporuje výměnu přes buněčnou stěnu. Oba tyto efekty vedou ke zdravější kůži a snížení léčebné doby. Neinvazivní terapie nezpůsobuje bolest, poranění či zarudnutí.^[zdroj?!]

Průkopníkem v této oblasti byl Francis L’Esperance. V roce 1963 začal používat rubínového laseru při pokusech o léčení diabetické retinopatie.
L’Esperance odhalil, že krví je absorbováno jen zhruba 6–7% výkonu rubínového laseru, a v důsledku toho je potřeba minimálně 10 působení k vypálení poškozených cév sítnice.
Na základě těchto poznatků se začalo s pokusy s argonovým laserem, který byl vyvinut krátce před jejich uveřejněním. Po několika experimentech se prvně v roce 1968 podařilo za pomoci 10wattového argonového laseru vyléčit pacienta s diabetickou retinopatií. Do konce 60. let se metoda výrazně rozšířila a jen v roce 1970 vyléčil dr. Arnall Patz 285 pacientů za použití tohoto přístupu. Nejvíce efektivním způsobem v průběhu let se stala metoda zvaná pan-retinalní ablace. Metoda používá kvazikontinuálního argonového laseru k odejmutí, nebo odpaření částí sítnice namísto přímé koagulace krevních cév. V současnosti je aplikace laseru k odstranění potíží s diabetickou retinopatií vedoucí disciplínou oftalmologie.

Další vadou, která se dá léčit za pomoci argonového laseru je zelený zákal. Léčba je často označována zkratkou ALT – Argon Laser Trabeculoplasty a úspěšně se provádí již řadu let, zvláště na pacientech, u kterých se nedaří kontrolovat oční tlak a zpomalit vývoj zákalu léky, nebo kteří, z jakéhokoliv důvodu, nemohou používat oční kapky nebo mají kontraindikace na používané medikamenty. Při léčbě zaměří lékař laserový paprsek do Schlemova kanálku (Trabe culoplasty), což je hlavní odvodný kanálek komorové vody z oka v záhybu mezi duhovkou a rohovkou. Ten pomocí 40–80 zásahů upraví tak, aby odváděl dostatek tekutiny a tím se docílí snížení očního tlaku. Zákrok se provádí v podstatě ambulantně, znecitlivěno pomocí očních kapek a na rohovku je přiložena speciální čočka, která umožňuje zahnutí paprsku.

Během interakce laserového záření s látkou dochází k fyzikálním procesům: absorpce, reflexe, rozptyl a transmitance. V případě biologické tkáně se pro lasery v VIS a IR spektru nejvíce uplatňuje absorpce. Ve srovnání s tímto esenciálním jevem můžeme procesy reflexe a rozptylu zanedbat. Fyzikálně lze tento jev v jistém přiblížení popsat Lambert-Beerovým zákonem pro monochromatické záření

${\displaystyle I=I_{0}e^{-\mu _{A}l}}$

kde I₀ je vstupní intenzita záření, ${\displaystyle \mu _{A}}$ je koeficient absorpce a l je tloušťka vrstvy. Hloubka průniku ${\displaystyle \sigma }$ las. záření do tkáně je definována jako vzdálenost, na které je intenzita laserového záření zeslabena na ${\displaystyle e^{-1}}$ své původní hodnoty.

${\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\mu }}_{A}}$

Interakci laserového záření s tkání lze rovněž popsat pomocí mechanismů, jež jsou závislé na ${\displaystyle \lambda }$, intenzitě, expoziční době a druhu tkáně. Interakční mechanismy můžeme obecně rozdělit na:

Fotochemický mechanismus se uplatňuje při nízkých intenzitách 0,1–10 W/cm² las. záření. Dochází zde k chemickým reakcím na makromolekulární úrovni. Využití nachází při fotodynamické terapii a biostimulaci.

Fototermální mechanismus je typický pro kontinuální lasery o intenzitách las. záření v rozsahu 10¹−10⁶ W/cm². Různou kombinací expoziční doby a intenzity lze docílit tkáňových efektů jako např. koagulace, karbonizace a odpaření.

Fotoablativní mechanismus je proces, při kterém dochází k přímému rozpadu molekulárních vazeb pomocí vysoce energetických fotonů UV záření např. u pulsních excimerových laserů. Intenzity se pohybují v řádech 10⁷−10¹⁰ W/cm².

Fotoplazmatický mechanismus se uplatňuje při intenzitách nad 10¹¹ W/cm², při nichž vzniká plazma, která sama absorbuje záření a dochází tak expanzi a kolapsu plazmatického obláčku a k následným rázovým vlnám.

Ošetření laserem představuje jednu z modernějších a zároveň šetrných alternativ klasické vrtačky, kyret nebo ultrazvuků k odstranění zubního kamene a v neposlední řadě chirurgického skalpelu. Použití laseru ve stomatologii přináší mnohé léčebné výhody a možnosti pro lékaře a velmi široké spektrum bezbolestných zákroků pro pacienta. Nejdůležitější fyzikální veličinou, která úzce souvisí s funkcí laseru a hlavně s jeho využitím v jednotlivých lékařských oborech, je vlnová délka. Právě vlnová délka přesně určuje, na jaké tkáně bude konkrétní laserový paprsek nejúčinnější, neboli v jakém prostředí se bude nejvíce vstřebávat. Ve stomatologii se nejčastěji používají 2 typy laserů.

Nejlépe se vstřebává v tkáních, kde je přítomno červené krevní barvivo – hemoglobin. Proto je tento laser nejúčinnější při ošetření měkkých tkání jako je dáseň, sliznice nebo kůže. S tímto laserem však stomatolog nedokáže odstranit („odvrtat“) zubní kaz nebo zubní kámen.

Na rozdíl od diodového laseru se nejlépe vstřebává v tkáních obsahujících vodu. Protože voda je v určitém procentuálním zastoupení přítomna i v zubech, kostech, zubním kameni, atd., je erbiový laser pro zubního lékaře užitečným pomocníkem.

1. Záchovná stomatologie (léčba zubního kazu) – V záchovné stomatologii se laser používá k bezkontaktnímu (žádné vibrace, žádný tlak, žádný nepříjemný zvuk) odstranění zubního kazu, ke sterilizaci povrchu zubu před pečetěním žvýkacích plošek a k ošetření citlivých zubních krčků. Stejnou koncovku používá zubní lékař k léčbě oparů a aft.
2. Endodoncie (ošetření kořenového kanálku) – V endodoncii je používán laser ke sterilizaci kořenového kanálku při zánětu zubní dřeně. Touto laserovou koncovkou je rovněž možné proniknout přes kořenový hrot, pokud již zánět pronikl až do oblasti kolem kořenového hrotu.
3. Parodontologie (léčba zánětu dásní a přilehlé kosti) a implantologie – V parodontologii je používán laser k odstranění zubního kamene a sterilizaci zánětlivého okolí. Laserová koncovka nejprve vyhledá zubní kámen, přístroj vyhodnotí jeho velikost a vypočítá přesnou dávku pro jeho odstranění. Velikost dávky a přítomnost zubního kamene je zobrazena na displeji přístroje pro lepší orientaci zubního lékaře i pacienta. Díky diagnostice laserové sondy přístroj vysílá laserový paprsek pouze do míst, kde je přítomen zubní kámen, samotný povrch zubu zůstává nedotčený, což je velmi podstatné pro následnou regeneraci. Stejný efekt má laser i u zánětu dásně v okolí implantátů.
4. Chirurgie – V chirurgii se laser používá jako dokonalý chirurgický nůž. Výhodou je, že místo v okolí řezu nekrvácí, je sterilní a hojí se téměř bez jizvy.

• zákroky vyžadují minimální množství anestetika nebo mohou být provedeny i bez anestezie
• nahrazuje klasickou vrtačku – žádné nepříjemné vibrace, zvuky a tlak během vrtání
• bezpečný a šetrný způsob odstranění zubního kamene včetně dokonalejší a rychlejší regenerace
• potlačuje bolest a otoky
• po chirurgickém zákroku není nutné ránu šít
• zastavuje krvácení během chirurgických zákroků
• rychlejší průběh hojení
• nepatrné tvoření jizev
• sterilizační efekt během zákroku

Laserové paprsky nacházejí též bohaté uplatnění ve vědě a výzkumu. Jsou to například výzkum stavů hmoty za extrémních teplot a tlaků, laserové chlazení atomů, používané naopak při sledování chování částic za velmi nízkých teplot [4], a aplikace v chemii a biologii. Například laserovým paprskem o vysoké intenzitě lze uvést hmotu do stavu, podobnému prvním sekundám po Velkém třesku [5]. V chemii a biologii lze laserovou spektroskopií sledovat chemické reakce téměř v reálném čase díky přesnému zaměření a přesně definované frekvenci, na které laserový zdroj vyzařuje [6].