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LASERS LASERS LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation): monocromático, polarização e colimado -> coerente temporal e espacialmente Importante para muitas aplicações focalização da ordem de microns alta intensidade I= P/área ~ 10 W/10-12 m2 ~ 1013 W/m2 LÂMPADA vs. LASER 1. muitos comprimentos de onda, 2. multidirecional, 3. incoerente, 4. não polarizada 1. monocromática, 2. unidirecional, 3. coerente, 4. polarizada LASER espelho (sistema de realimentação) fonte de excitação - bombeio meio amplificador (ativo) espelho (sistema de realimentação) cavidade ressonante (meio amplificador) gás, líquido, estado sólido, semicondutores... descarga elétrica, óptico -> lâmpada / outro laser... LASER contínuo – CW: potência média LASER pulsado: Q-switched, Mode-locked. Taxa de repetição, Duração do pulso: nanosegundos, femtosegundos – energia por pulso – potência de pico e potência média. tempo po tê nc ia laser cw la se r pu ls ad o Absorção: Emissão espontânea: EMISSÃO ESTIMULADA: ABSORÇÃO, EMISSÃO ESPONTÂNEA, EMISSÃO ESTIMULADA COMO FUNCIONA O LASER? Emissão espontânea Emissão estimulada bombeio inversão de população – estado metaestável AMPLIFICANDO A LUZ AMPLIFICANDO A LUZ MODOS TRANSVERSAIS divergência: espelhos abertura alinhamento: otimizar potência e modo MODOS TRANSVERSAIS FEIXE GAUSSIANO Gaussian propagation MODOS TRANSVERSAIS - TEM 0,0 22 /2 0 wreII −= 2 2 0 0 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ += w zww π λ 00 637.02 ww λ π λ ==Θ I =(1/e2) I0 água deionizada (não conduzir e corroer) circuito primário de resfriamento circuito secundário (água ou ar) ALGUNS ASPECTOS PRÁTICOS ÁTOMOS E LASERS 7s2 6p6 6s2 5d10 5p6 5s2 4f14 4d10 4p6 4s2 3d10 3p6 3s2 2p6 2s2 1s2 Gases nobres Metais de Transição Terras-Raras aquecimento resfriamento LASERS A GÁS – ÍONS GASES NOBRES 7s2 6p6 6s2 5d10 5p6 5s2 4f14 4d10 4p6 4s2 3d10 3p6 3s2 2p6 2s2 1s2 Gases nobres Laser de Argônio Ar+: Bombeio (descarga alta tensão) - Alta potência até 30 W - Linhas principais: 514 e 488 nm Laser de Hélio-Neônio: Bombeio (descarga alta tensão) - Baixa potência (0,5 a 10 mW) - Linha principal 633 nm - contém 10% de neônio - sendo o restante hélio - pode ou não ser polarizado. ÍONS TERRAS RARAS TRIVALENTES: ND3+ +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 3 elétrons f L = 3+2+1= 6; S=3/2 Jmin= 6-3/2= 9/2 - Jmax= 6+3/2= 15/2 Notação espectroscópica: 2s+1 L j L = 0 1 2 3 4 5 6 7 S P D F G H I J 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 Nd:YAG (Ytrium-Aluminum-Garnet) - Nd:Vidro - Nd:YLF Bombeio: lâmpada LASER DE SEMICONDUTOR (DIODO) Banda de valência Banda de condução Baixa potência mW & Modo Retângular - Elíptico Bombeio: injeção de portadores – corrente Operação típica na faixa de 800 nm 7s2 6p6 6s2 5d10 5p6 5s2 4f14 4d10 4p6 4s2 3d10 3p6 3s2 2p6 2s2 1s2 Metais de transição Safira é excelente condutor térmico Laser de alta potência até 3 W sintonizável de 700 - 1100 nm Laser Ti:S substituiu lasers de corante ÍONS METAIS TRANSIÇÃO: TI3+: SAFIRA Laser Argônio Laser Ti:safira Espelho Espelho Bombeio Meio amplificador Espelho Espelho Bombeio Meio amplificador Emissão espontânea Com bloqueador Emissão laser Retira o bloqueador LASER PULSADO: Q-SWITCHED tempo po tê nc ia Laser de Nd:YAG Laser de Ti: safira Laser argônio APLICAÇÃO DE LASER NA MEDICINA Raio-X e Raio Gama são radiação ionizante. O laser é uma radiação não ionizante. O laser tem sido aplicado na Medicina basicamente em duas vertentes: Diagnóstico para obter informação do tecido ou orgão e Terapia para modificar característica do tecido ou orgão. Interação do Laser com os Tecidos Térmica Química Mecânica Ablação e Destruição Estimulação Química PDT Coagulação Efeitos reversíveis Denaturação de Proteínas Coagulação Vaporização e Ablação 37 C 60 C 80 C 100 C absorção e espalhamento potência e comprimento de onda Nd:YAG Hemoglobina Melanina Comprimento de onda nm A bs or çã o % Vísivel Infravermelho Ti:safira Argônio Nd:YAG dobrado Nd:YAG Hemoglobina Melanina comprimento de onda (nm) Vísivel Infravermelho Ti:safira A bs or çã o (% ) biópsia Óptica -> caracterização não invasiva para subsitituir ou guiar biópsia física -> diagnósticos prévios. LASER PARA DIAGNÓSTICO Fluorescência Raman OCT normal maligno benigno LASER PARA TERAPIA PDT Cirurgia nos Olhos Eliminação de Pedras no Rim e Bexiga Tratamento Dentário Tratamento Cutâneo Coagulação Bioestimulação Destruição de Tumores Lasers Usados em Medicina Olhos: miopia correção 100 microns O poder óptico de resolução dos nossos olhos vem em sua maior parte da refração que a luz sofre na interface ar/córnea. Na miopia, o formato do olho, afeta a refração e a formação da imagem não é produzida na retina. Antigamente, essa correção não podia ser feita cirurgicamente e a miopia era corrigida com o uso de óculos e lentes. Agora se existe a possibilidade de através de uma ablação controlada na superfície da córnea usando lasers pulsados se corrigir a miopia. Em 190 nm, a absorção do tecido é bem alta e o dano só ocorre onde o laser está incidindo. Dessa forma então se faz a ablação da córnea e a correção da miopia máscara Destruição dos Vasos Sangüíneos: Epiderme Derme Vasos sangüíneos anormais Os vasos sangüíneos são preenchidos com hemoglobina – maior parte oxigenada. A hemoglobina oxigenada tem pico de absorção em 577 nm. O uso de laser pulsado aquece o sangue em um tempo menor que o tempo de relaxação térmica dos vasos. Litrotripsia: Método minimamente invasivo para pulverizar pedras de rim ou vesícula e assim elas podem ser eliminadas. Outra maneira de fazer isso de forma não invasiva é usando ultrasom Fibra óptica é inserida através de uma pequena incisão e colocada perto da pedra através de visualização por endoscopia. Aciona-se o laser pulsado de nanosegundos de alta potência que forma bolhas no tecido. Depois dos pulsos, a bolha colapsa e se forma uma onda de choque. A onda de choque não danifica o tecido mole, mas quebra a pedra em pedaços menores. Esse processo evita internação e é mais barato para o paciente. Terapia Fotodinâmica (PDT) Bactérias (Doença Periodontal), Fungos (Candidíase), Vírus (herpes), Protozoários (Leishmaniose), Câncer e Acne Oxigênio presente no meio Sistema Biológico Luz Necrose Interatividade Administração do fotossensibilizad or Morte Celular Von Tappeiner and Jesionek (1903). Em 1975, derivado de Hematoporfirina (HpD) no crescimento de tumor mamário. Em 1993, Photofrin® foi aprovada no Canadá. ü O2, H2O2, •OH (Maior duração) CRUZAMENTO INTERSISTEMA S (Menor duração) ü Produção de ROS e O2 Singleto Terapia Fotodinâmica (PDT) ü Absorção com a Fonte de Luz ü Tempo, Área, Potência Oxigênio Singleto tem um tempo de vida menor que 3,5 µs e pode difundir apenas por 10/20 nm durante esse tempo. Assim o dano é limitado no local que há fotossensibilizador. Isto é nas organelas e membrana. Danos no DNA são raros. Geralmente a morteé por apoptose, mas pode existir também necrose. Terapia Fotodinâmica (PDT) Vantagens da PDT ü Não possui efeitos tóxicos acumulativos; ü Paciente pode passar pelo tratamento quantas vezes for necessário; ü Não é necessária qualquer tipo de anestesia; ü Paciente pode ir pra casa no mesmo dia da aplicação; ü Morte das células; ü Destruição de alguns vasos responsáveis por alimentar o tumor; ü Possibilidade de ativar o sistema imunológico. ü Sistemas biológicos não desenvolvem resistência a PDT. ü Absorção da Luz Nd:YAG Hemoglobina Melanina Comprimento de onda nm A b so rç ão % Vísivel Infravermelho Ti:safira Argônio Nd:YAG dobrado Nd:YAG Hemoglobina Melanina comprimento de onda (nm) Vísivel Infravermelho Ti:safira A b so rç ão ( % ) Desvantagens PDT ü Inflamação ü Penetração da Luz (1 cm) ü Pouco efetiva para grandes/internos Tumores ü Fotossensilibizador por ficar de 24 horas até 6 semanas ü Hipóxia Terapia Fotodinâmica (PDT) Porfirinas, Clorinas, Ftalocianinas, Purpurinas, Aminoacridina, Indocianina Verde, Azul de Metileno, Riboflavina (Vitamina do Complexo B) – 1ª e 2ª geração. ü Alto rendimento e meia vida longa no estado tripleto; ü Fotoestável; ü Não ser tóxico no seu estado fundamental (na ausência de luz). ü Estável; Fotossensiblizadores Ideal: ü Fácil de sintetizar; ü Seletivo; ü Absorver no vermelho e infravermelho; Coração
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