Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

Lézerek optikai elemei. Fény-anyag kölcsönhatás. Anyagok, technológiák, minőségi követelmények

Lézerek optikai elemei. Fény-anyag kölcsönhatás. Anyagok, technológiák, minőségi követelmények

A lézerek és lézerberendezések tervezésénél és gyártásánál fontos szempont az optikai elrendezés elemeinek anyaga, minősége és az elrendezés olyan kialakítása, hogy a használat során az optikai jellemzők ne romoljanak számottevően. Ennek elsődleges oka, hogy amíg a hagyományos optikai alkalmazásoknál észre sem vesszük az apróbb szennyeződéseket vagy éppen gyártási hibát, addig – különösen a lézeres méréstechnika vagy a nagyobb intenzitású anyagmegmunkálási alkalmazásoknál – egy ilyen hiba jelentős hatásfokromlást és végső soron a berendezés tönkremenetelét okozhatja. De nem elhanyagolható ok az optikák ára sem.

4.7.1.1. ábra

A nagy tisztasági és pontossági követelmények miatt az optikai elemek rendkívül drágák. Áruk ráadásul a méretük függvényében hatványozottan nő.

A lézerek és lézerberendezések optikai elemeit a lézer fizikai jellemzői határozzák meg elsődlegesen, tehát a hullámhossza, a nyalábátmérője, a teljesítménye.

Az alábbi táblázat a kereskedelemben kapható optikai anyagok (amorf és kristályanyagok) transzmissziós sávjait mutatja:

4.7.1.2. ábra

A közeli infravörös tartományig bezárólag az optikai elemek leggyakoribb alapanyaga az üveg, pontosabban a nagy tisztaságú kvarcüveg, de 200 fölött van az optikai szempontból használható anyagok száma. A hullámhossz növekedésével azonban drasztikusan csökken a választék. 3 μm feletti hullámhosszaknál jószerivel csak kristályos anyagok használhatók, és 40 μm felett mindössze 6 olyan anyag van, amiből optikai elemet lehet készíteni. A leggyakrabban használt UV optika a kvarcüveg vagy kalcium-fluorid.

A lézeroptikai alkalmazások döntő többségében bizonyos anizotrop fizikai tulajdonságok megléte szükséges, továbbá ezek illeszkedése a használt lézerfény hullámhosszához, teljesítménysűrűségéhez, és ahol ez szerepel, a használt elektromos vagy akusztikus jel frekvenciájához.

A 4.7.1.3. ábrán a kvarcüveg és a koronaüveg transzmissziós görbéje látható:

4.7.1.3. ábra

Az alapanyagokból az alkalmazásoktól függően az alábbi optikai elemek készülnek:

Klasszikus optikai elemek

  • lencsék

  • prizmák

  • szűrők

  • optikai ablakok

  • diffrakciós rácsok

  • dielektrikum tükrök

  • fémtükrök

  • nyalábosztók

  • nyalábtágítók

Polarizációs optikák

  • fázisretardáló lemezek (λ/2 és λ/4)

  • polarizáló prizmák (Glan–Taylor, Glan–Thomson, Wollaston-prizmák)

Nemlineáris optikák (nemlineáris kristályok, fotorefraktív kristályok, kettőstörő kristályok)

Hullámvezetők

  • vékony csatorna optikai kristályban

  • aktív tulajdonságú „optikai szál”

Passzív Q-kapcsoló kristályok és festéktartó küvetták

Holografikus tároló anyagok

Optikai szálak

  • tartomány: VIS, IR, UV

  • típusok: képalkotó, fényvezető

Lézerkristályok (pl.: Neodymium-YAG, Titán-zafír, Holmium-YAG, Ytterbium-YAG, Nd-üveg, Erbium-YAG)

Fény és anyag kölcsönhatása

Láttuk, hogy az optikai anyagok kiválasztásánál fontos szempont az anyag transzmissziója. A lézer alkalmazásánál szeretnénk, ha a mintában nyelődne el az energia. Az adott hullámhosszú és teljesítményű lézernyaláb más-más anyaggal más-más módon lép kölcsönhatásba. Ennek elsősorban az az oka, hogy nem egyforma mértékben nyelik el ugyanazt a fényt a különböző anyagok. Legtöbb esetben a kölcsönhatás eredménye hő keletkezése, tehát az anyagok termikus tulajdonságai (fajhő, hővezető képesség) is befolyásolja az eredményt.

Lézerfény és anyag kölcsönhatása

A ma már szinte megszámlálhatatlan lézeralkalmazás a lézerfény valamilyen specifikus tulajdonságát használja ki. A lézer megszületése óta eltelt több mint ötven évben kiforrott technológiák fejlődtek ki. Ezek közül a fény-anyag kölcsönhatások két domináns területe a lézeres anyagmegmunkálások és az orvosi alkalmazások körébe tartozik, bár a CD és DVD technológiában alkalmazott dióda lézerek az eladott lézeres berendezések számát tekintve verhetetlenül az első helyen állnak.

A lézersugárforrások hatásfoka viszonylag alacsony, ezért a lézeres megmunkálások hatékonyságát döntő mértékben befolyásolja az elnyelt energiahányad. Az elnyelt energia mennyisége többek között függ: a lézersugár teljesítménysűrűségétől, módusszerkezetétől és a besugárzott felület abszorbeáló képességétől.

A lézerek anyagmegmunkálás szempontjából fontos tulajdonságai:

  • A lézernyaláb közel párhuzamos, nagyon kis széttartású nyaláb. A nyaláb még nagy távolságokban is nagy teljesítménysűrűségű.

  • A lézerek fénye egyszínű (monokromatikus). Emiatt a fókuszáló optika diszperziója miatt fellépő színi hiba (kromatikus aberráció) nem rontja el a fókuszálhatóságot.

  • Az elméletileg lehetséges legkisebb (hullámhossz-átmérőjű) foltba fókuszálható.

  • Ezáltal a világon ismert legnagyobb (a Nap belsejében uralkodó) energiasűrűség, hőmérséklet is elérhető (egy kis térrészben).

  • A lézer által kibocsátott hullámok polarizáltak, azaz az elektromos és mágneses térerősségének iránya kitüntetett, ami gyakran hátrány.

Ismertebb - anyagmegmunkálásban használt – lézertípusok:

4.7.1.4. ábra

Lézeres anyagmegmunkálások

A leggyakoribb technológiák az alábbiak:

  • Vágás

  • Hegesztés

  • Hőkezelés

  • Felületbevonatolás

  • Markírozás, gravírozás

  • Forrasztás

  • Tisztítás

A megfelelő lézertípus, teljesítmény és sugártovábbítás kiválasztásának szempontjai

Az egyes technológiákhoz alkalmas lézertípus kiválasztásánál a megmunkálandó anyag optikai és egyéb fizikai jellemzőit, a megmunkálás típusát (vágás, hegesztés stb.) a megmunkálandó terület méretét, és ezek ismeretében a megmunkáláshoz szükséges teljesítményt kell elsősorban figyelembe venni.

Lézeres vágásnál a lézernyalábot a vágandó felületre fókuszálják, a nagy teljesítménysűrűségű nyaláb megolvasztja, elégeti, illetve elpárologtatja az anyagot. Az olvadt anyagot nagysebességű gázárammal (gas jet) fújják ki a fókuszfolt vastagságának megfelelő résből, olyan vágósebességet alkalmazva, ami biztosítja a vágási felület jó minőségét.

A lézeres vágás előnyei:

Érintésmentes technológia, tetszőleges bonyolultságú, kis- és nagyméretű alkatrészek egyaránt kivághatók. Nincs szükség kivágó szerszámra vagy szerszámcserére. Precíz, a vágási rés mindössze néhány tizedmilliméter. A nagy energiasűrűség miatt a hőnek kitett zóna keskeny, a vetemedés csekély. A vágás gyors, a vágási felület sima, sorjamentes.

A lézeres hőkezelések esetén a rendkívül koncentrált és gyors lokális hevítés lehetőségét használják ki.

Lézeres hegesztés:

A lézeres hegesztés főbb jellemzői, a hagyományos eljárásokkal összehasonlítva a koncentrált energiabevitel, a csekély vetemedés és a nagy megmunkálási sebesség. A lézeres hegesztéseket védőgáz alatt, általában hozaganyag használata nélkül végzik. A technológia többek között különféle acélok, könnyűfémek, műanyagok tompa, illetve átlapolt hegesztésére alkalmas.

A nyaláb és a megmunkálandó munkadarab egymáshoz viszonyított elmozdulása:

Szilárdtestlézerek esetén:

  • Fix kimenet, a munkadarabot mozgatjuk (ritka)

  • Optikai kábel (akár 100m hosszig)

  • Szkennerfej

  • Kombináció

Gázlézerek esetén:

  • Fix kimenet, a lézerforrást vagy a munkadarabot mozgatjuk

  • „Repülő optika” – XY koordináták mentén mozgatunk tükröket

  • Artikulált kar – csuklós csatlakozásoknál elhelyezett tükrök

  • Szkennerfej

Az alkalmazott lézerek hullámhosszán az egyes anyagok abszorpciója a 4.7.2.1. ábrán látható. Mint látható a 300 nm feletti tartományban jelentősen csökken az elnyelődése a fémeknek. Olvadékállapot esetén ez a probléma kevéssé jelentkezik, mivel ott más abszorpciós mechanizmusok működnek. Az intenzív lézerfény nagyon rövid idő alatt nagyon kis köbtartalmú anyagot hevít fel, így a keletkező plazma abszorpciós együtthatója lényeges jobb, mint a szilárd fázisú anyagé.

4.7.2.1. ábra

Áttekintés a lézerfény testszövetekre gyakorolt hatásáról

A lézerek megjelenése rögtön felkeltette az orvosi alkalmazhatóság iránti igényt, és a kutatások után rövid időn belül az első lézeres orvosi műszereket is kifejlesztették. A lézeres vágás és a retina ereinek lézeres kauterizálása inkább empirikus megközelítéssel indult el, a lézer és a testszövet kölcsönhatások mechanizmusának alaposabb ismerete nélkül. Ez mondható el a biostimuláció bevezetéséről is. A hatásmechanizmusok feltérképezése lehetővé tette, hogy az optikai, lézeres eszközök, eljárások az utóbbi 20 évben a gyógyítás szinte valamennyi szakterületén elterjedjenek a diagnosztikában és a terápiában egyaránt.

A nagyfokú használhatóság oka a fény és a testszövetek kölcsönhatásában keresendő. Az abszorpció hullámhosszfüggősége és az alkalmazott teljesítménysűrűség mellett a kölcsönhatás ideje, vagyis a kölcsönhatás dinamizmusa az a két tényező, amelyek megfelelő megválasztásával a kívánt hatás elérhető. A 16.5. ábrán a víz abszorpciós spektruma a hullámhossz függvényében látható.

Az abszorpció mértéke a testszövet víztartalmán kívül az adott szövet hemoglobin, melanin, keratin és protein összetételétől is függ. Az alábbi felsorolásban a szöveti hatások ily módon kiegészített összesítése látható.

1. Hőhatás

1.1. Fotokoaguláció

A szövet olyan hőmérsékletre hevül, amely irreverzibilis kémiai változásokat okoz, helyi égést és hegesedést eredményez.

1.2. Fotovaporizáció

A szövet olyan hőmennyiséget abszorbeál a hő terjedéséhez képest jóval rövidebb idő alatt, ami a sejteken belüli és a sejtek közötti folyadékokat elpárologtatja, magával ragadva a szilárd részeket. Az eredmény olyan szövetmetszés, amelynél a vérerek kauterizációja miatt viszonylag csekély a vérzés.

1.3. Biostimuláció

A szövetben csak reverzibilis kémiai folyamatok játszódnak le.

2. Ionizáló hatás

2.1. Zúzás (fotodiszrupció)

A szövet molekulái a lézernyaláb hatására ionizálódnak, melynek következtében akusztikus lökőhullám keletkezik, ami szétzúzza a szövetet.

3. Fotokémiai hatás

3.1. Fotoabláció

A szövetet alkotó hosszú szénláncú óriás molekulák a rövid impulzusidejű ultraibolya sugárzás hatására disszociálnak, rövidebb darabokra esnek szét. A rövid szénláncú molekulák már nem szilárd vagy folyadék halmazállapotúak ugyanazon a hőmérsékleten, hanem gázok, így elpárolognak a felületről anélkül, hogy az számottevően felmelegedne.

3.2. Fotodinamikus terápia

Az intravénásan bevitt fotoszenzitív anyag (hematoporfirin derivatív) szelektíven koncentrálódik a metabolikusan aktív daganatszövetben. A megfelelő hullámhosszúságú lézerfény hatására a szelektíven feldúsult szövetben cytotoxikus anyag (sejtméreg) szabadul fel, amely elpusztítja a daganatszövetet.

A leírt kölcsönhatásokat a gyógyászatban eddig használt – és engedélyezett – lézerekkel el lehet érni. Olyan lézerberendezés, ami valamennyi alkalmazási területre univerzálisan használható lenne, nem létezik.

3.3. Lézersebészet

A sebészetben a szövet eltávolítására, elválasztására van szükség. Az anyag eltávolítása, mint azt az előbbiekben láttuk, sokféle lehet: az elpárologtatástól a kirobbantásig. A hő hatására bekövetkező elpárologtatásnál körülbelül 2500 Joule energia kell ahhoz, hogy 1 cm3 testhőmérsékletű folyadék elpárologjon. Ez az egyszerű hőmodell a különböző szöveteltávolítási módok közötti kísérleti összehasonlítást teszi lehetővé.

A hőközlés, azon túl, hogy szöveteltávolítást eredményez, néhány fontos kísérő jelenséggel párosul. Így például a lézeres vágás során jelentős vérzéscsökkentő hatást jelent a vérerek koagulációja. Szén-dioxid-lézeres vágásnál a fél mm-nél kisebb átmérőjű erek összehegednek, és az elmaradó vagy csökkent mértékű vérzés jó megfigyelhetőséget, kímélőbb beavatkozást tesz lehetővé. A nyirokerek záródása a daganatsebészetben csökkenti az iatrogenikus szóródás veszélyét.

A nem kívánt kísérő jelenségek közé tartozik a környezeti, egyébként ép szövet hőkárosodása. Ez kedvezőtlenül befolyásolja a sebgyógyulást, de súlyosabb esetben műtéti komplikációt is okozhat. Fontos szempont ezért, hogy a lézer által generált hő csak a kívánt helyen, a szükséges szöveti elváltozást hozza létre. A legegyszerűbb módja a kívánt hatás elérésének az, hogy a szövet hőrelaxációs idejénél rövidebb időtartamú impulzust használnak az adott hullámhosszúságú lézer szöveti abszorpciójának megfelelően. (A gyakorlatban az abszorpciós együttható helyett az elnyelési mélység fogalmat használják.)

A relaxációs idő jó közelítéssel számolható:

t = l2 / 4k,

ahol k a víz hővezetési tényezője, l pedig az extinciós hossz. A 2.9 mm egészen közel esik a víz abszorpciós maximumához, ezért is igen figyelemre méltó az erbiumlézer. A kommersz Er:YAG-lézerek 1 Joule impulzusonkénti energiával 10 Hz körüli ismétlési frekvenciával működnek.

Számos olyan klinikai alkalmazása lehet a lézereknek, amikor nincs szükség a szövet tényleges eltávolítására. Ilyen a cukorbetegség következtében fellépő retinaleválás. A periféria irányából induló leválás széleit rövid, intenzív lézerimpulzusokkal kezelik. A lokalizált lézeres felmelegítés koagulációt eredményez. A sérült szövet kiváltja a vérkeringés intenzívebbé válását, és a leválás megáll. Sajnos a vérrel átszőtt alapszövetről már levált retina perceken belül elhal, annak „visszahegesztése” lehetetlen, csak a folyamat terjedését lehet megakadályozni a lézeres kezeléssel.

A lézerek gyógyászati alkalmazásánál fontos szerepet játszanak azok a kiegészítő eszközök, amelyek a nyaláb továbbítását, manipulálását végzik, valamint a speciális lézeres műtéti segédeszközök, biztonsági berendezések.

Fényterápia

Az 1970-es években Mester András orvosprofesszor kutatást kezdett a kis teljesítményű lézerek orvosi alkalmazása területén. Lábszárfekélyek és más nehezen vagy nem gyógyuló bőrfelületi sebek kezelésénél a szövetek gyorsabb regenerálódását és gyorsabb sebgyógyulást figyelt meg. A biostimulációnak nevezett jelenséget mint a reflexterápiák egyik változatát azóta is széles körben használják (LLLT= Low Level Laser Therapy).