Laser ( Tarihçe, Çalışma Mekaniği ve Çeşitleri )

Laser ışın teorisi ilk olarak 1917 de A. Einstein tarafından quantun fizik teorisinin bir parçası olarak ortaya atılmıştır.

1959 yılında Mainman tarafından sentetik Ruby aktif maddesi ile ilk laser geliştirilmiştir. İlk lazerin çalıştırıldığı 1959 yılından günümüze kadar geçen zaman içinde değişik dalga boylarında onlarca lazer ışını elde edilmiştir.

Bu ışınlar kullanıldıkları alanlara göre değişik önemlere sahiptirler. Ancak Ruby lazeri, çeşitli kutanöz patolojilerde 1963 yılında ilk kullanan kişi olması sebebiyle Goldman “lazer tıbbının babası” olarak Kabul edilmiştir

1970 ’lerin başında argon ve karbondioksit (CO2) lazerlerin üretilmesi ile birlikte lazerler plastik ve estetik cerrahide daha yaygın kullanım alanı bulmuştur. Ancak, bu sürekli dalga (continuous wave=C/W) lazerlerin kullanımları, tedavilerin sonrasında yara iyileşmesinin geç olması ve tahmin edilenin üzerinde hipertrofik skar görülmesi üzerine sınırlanmıştır.1983 yılında Anderson ve Parrish' in geliştirdikleri “selektif termoliz” teorisi ile birlikte lazer doku etkileşimi daha iyi anlaşılmış ve plastik ve estetik cerrahide lazer uygulamaları evrim geçirmiştir. ilerleyen yıllarda, bu alandaki hızlı gelişmele*rin sonucunda, lazerler, doğumsal ve kazanılmış pek çok deri hastalığının tedavisinde ve plastik cerrahinin destekleyici girişimlerinde ilk seçenek tedavi yöntemi haline gelmiştir.

Deri gençleştirme amacıyla ilk kez 1980'lerin sonunda sürekli-dalga CO2lazer kullanılmaya başlanmıştır. İlerle*yen yıllarda yüksek enerjiye sahip (high energy) atımlı (pulsed) CO2 ve hızlı tarayıcılı (flash scanned) sürekli-dalga CO2 lazerlerin ve ardından 1990'ların ortalarında erbium: yttrium aluminyum garnet (Er: YAG) lazerlerin üretilmesiyle birlikte lazer ile deri gençleştirme ivme kazanmıştır. CO2ve Er: YAG lazerlerin birlikte kullanıldığı sistemlerin yanısıra, son birkaç yıl içinde geliştirilen non-ablatif lazer sistemleri ve yoğun atımlı ışık kaynakları gibi yeni teknolojiler ile tıbbi lazer uygulamalarında büyük ilerleme sağlanmıştır.

Günümüzde laser; tıptan sanayiye, çeşitli bilim alanlarından (Fizik,kimya, elektronik, biyoloji, jeoloji, astronomi vs.) araştırma labaratuvarlarına , ışık oyunlu gösterilerden müziğe, videodan silah sanayine kadar çok geniş bir spektrumda kullanılmaktadır.

LASER NEDİR?

Laser bir ışık kaynağıdır. LASER kelimesi bu kaynağın prensiplerinin ingilizce ismi olan “Light Amplification by Stimulated of Radiation” (Işığın uyarılması ile elde edilmiş güçlendirilmiş ışık demeti) kelimelerinin baş harflerinden oluşur.

LASER IŞINININ ÖZELLİKLERİ :

Laser ışınının en önemli özelliği bu ışını meydana getiren fotonların hepsinin tek fotonun etkisiyle oluşmuş olmaları ve bu sebeple de hepsinin bu ilk fotonla aynı karaktere sahip olmalarıdır. Tersine normal bir ışık kaynağının yaydığı ışıkta aynı karaktere sahip iki foton bile yoktur. Lazerde ışını oluşturan aktif madde homojen yapıda bir ışık demeti oluşturur ve ışık demetinin dik bir kesiti alınırsa tüm fotonların aynı karakterde olduğu görülür. Burada bahsedilen homojenite ve aynı karakteristik özellikler şunlardır;

1.Fotonlar birbiri ile uyum içindedirler (Coherent).
2.Fotonlar birbirleri ile aynı yönde, dağılım göstermeden paralel ilerlerler (Directional).
3.Fotonlar aynı dalga boyundadırlar bu da aynı renkte olmalarıyla eş anlamlıdır (Monochromatic).
4.Tek ve standart bir enerjiye sahiptir. Bu özellik Laser ışınının hedef üzerinde aynı etkiyi göstermesini garanti eder. Bu etki yoğun ve güçlüdür (İntensive).

LASERİN MEKANİĞİ ve KOMPONENTLERİ :

Laser; laser materyali, pompa kaynağı ya da eksitasyon medium, optik kavite ya da laser kavitesi ve çıkış ünitesinden oluşur.

1)Laser materyali: Katı, sıvı, gaz ve yarı iletken olabilir
2)Pompa kaynağı(Eksitasyon mediumu): Laser materyalini ışık yayabilmesi için eksite eden kısımdır. Bir güç kaynağıdır. Elektrik, lamba, Floresan ya da başka bir laser olabilir.
3)Laser kavitesi(Optik kavite): Optik kavite her iki uçta birbirine paralel aynalar içeren ve ışığı yansıtarak git-gel hareketi (bounce) yapmasını sağlayan sonuç olarak eksitasyon mediumdan gelen enerjiyi ışık olarak amplifiye eden kısımdır.
4)Çıkış ünitesi(Output Coupler): Laser ışınının çıkışı devamlı(continuous) laserlerde olduğu gibi devamlı veya pulse laser’lerde olduğu gibi kesik kesik olabilir. Sürekli (continuous) dalga oluşturan laserlerde ise sabit bir güç çıkışı vardır. Bu güç watt ile ölçülür. Q-switch laserler ise nanosaniyeler içinde yüksek pikli (enerjili) laser pulse oluşturabilir. Optik yoldaki bir Q-anahtarı(switch), laser atımlarının(pulse’ larının) çok kısa bir sürede sağlanmasını mümkün kılar. Q-switch dönen bir prizma (packellcell) veya kesici cihaz içerebilir.

LASER’İN ÇALIŞMA PRENSİBİ :

Atom proton ve nötronlardan meydana gelmiş bir çekirdekten ve bu çekir*değin etrafında dönen elektronlardan oluşurlar.
Bu elektronlar, sahip oldukları enerjilere gör
e çekirdeğe değişik uzaklıktaki seviyelere (yörüngelere) dağılırlar ve atom bir dış etkiye maruz kalmadıkça hareketlerine bu seviyelerde devam ederler.
Çekirdeğin çekme gücüne en iyi karşı koyabilen elektronlar diğerlerine nazaran çekireğe en uzak seviyelerde bulunurlar. Böyle olunca herhangi bir dış müdahaleden ilk etkilenen*lerde bunlardır.
Herhangi bir şekilde bir atoma dışarıdan bir miktar enerji verilirse (mesela başka bir atomla, bir iyonla, bir elektronla veya bir fotonla çarpışma sonucu) en dış elektron bu enerjiyi kendisine alıp çekirdekten daha uzak bir seviyeye geçebilir. Elektronların çekirdeğe en yakın seviyeleri teker teker doldurmadığı ve boşluk bırakıp daha yüksek seviyelere çıkmış olduğu atomlara "eksite olmuş atom" diyoruz.
Yüksek bir enerji seviyesine çıkmış olan (Eksite olmuş) elektron belli bir zaman sonra ya kendiliğinden yada yine dış bir etki ile eski seviyesine düşer. Bu iki seviye arasındaki enerji farkı da bir foton olarak dışarıya yayınlanır. Yayınlanan fotonun frekansı bu iki seviye arasındaki enerji farkı ∆E ye bağlıdır. Bu bağlılık ∆E = hv formülüyle ifade edilir (“h” Planck sabitidir h =6,62*10-34 Joule. saniye).

Bu eksite olmuş elektronun yüksek seviyeden alçak seviyeye düşmesinin kendiliğinden veya dış etkiyle, yani indükleme ile olması arasındaki fark çok önemlidir. Bu fark, laserin diğer ışık kaynaklarına göre büyük önemini ve değişikliklerini oluşturur.
Laser dışındaki ışık kaynaklarının atomları eksite olduktan sonra kendiliklerinden dezeksite olurlar. Bu dezeksitasyonlar atomların değişik seviye çiftleri arasında olur, bu yüzden yayınlanan fotonlar aynı frekansta olmazlar. Bunun yanısıra, kendiliğinden (spontan) dezeksitasyon bir olasılık kanununa tabi olduğundan fotonlar aynı anda değilde birbirlerinden bağımsız olarak düzensiz bir şekilde ve değişik yönlerde yayınlanırlar.
Bazı maddelerin atomlarının bazı seviye çiftleri arasından kendiliğinden dezeksitasyon olasılığı düşüktür, yani atomun eksite hale gelmesiyle kendiliğinden yayın yaparak normal seviyeye düşmesi arasında geçen ortalama zaman daha uzundur. Böyle olunca bu zaman zarfında bu atomlara dışarıdan etkiyle sitimüle ederek (uyarılarak) yayın yaptırabilme olasılığı ve gerekliliği vardır.

Farzedelim ki bir atomun bir elektronu “i” seviyesinden “s” seviyesine çıkmış olsun. Bu iki seviye arasındaki enerji farkı (Es−Ei) dir. Eğer bu atomon üzerine, enerjisi bu enerji farkına eşit, yani frekansı;

( V=Frekans, Es=enerjiseviyesi son, Ei=enerji seviyesi ilk, h=Planck sabiti )
olan bir foton gönderirsek, bu atom bunu bir stimülasyon olarak alır ve kendini indükleyen fotonun aynı karakteristiklerinde (aynı enerjide, aynı frekansta aynı yönde ve aynı fazda) bir foton yayınlayarak “s” seviyesinden “i” seviyesine düşer.

Çok büyük sayıda atomdan (1022 -1023 civarında) meydana gelmiş bir maddeyi ele alalım. Bu maddenin atomlarını dışandan eksitasyonla (elektrik deşarjı, kimyasal reaksiyon, flaş v.s.) “i” seviyesinden “s” seviyesine çıkartalım. Enerjisi bu iki seviyenin enerji farkına eşit bir fotonun atomlardan birine çarpması sonucu foton sayısı ikiye çıkacak, bu iki foton iki başka atoma çarpınca elimizde 4 foton olacak, böylelikle zincirleme bir şekilde çok kısa bir zaman içerisin*de aynı yönde ilerleyen aynı frekansta, aynı fazda ve çok yüksek sayıda foton elde edilecektir.
Ama bütün bu atomların her biri birer fotonla çarpışmış olamayacağından, bu şekilde en yüksek etkiye elde etmiş olamayacağız.
Efektiviteyi arttırmak için (Amplification) bu aktif madde iki aynanın arasına konulur ve oluşan foton*ların bu aktif maddeyi hiç durmadan katetmeleri sağlanır.
Bu yüksek güçlü ışığın bir kısmı, iki aynadan birisinin %1-%30 civarından geçirimli olmasıyla dışarıya verilir. Çıkan ışın laser ışınıdır.

Bu ışının devamlı çıkması isteniyorsa aktif madde devamlı eksite edilmelidir.

LASER ÇEŞİTLERİ :

Laserin ismi içerdiği maddenin katı, sıvı veya gaz oluşuna ve oluşturduğu ışığın dalga boyuna göre belirlenmektedir.
Katı aktif maddeli laserler,
Sıvıaktif maddeli laserler / Boyalı (dye) laserler
Gaz Aktif maddeli laserler,
Aktif madde olarak yarı iletkenleri kullanan laserler,

KATl AKTIF MADDELİ LASERLER

1 - Rubi Laseri:
Bu laser, gerçekleştirilen ilk laser olmasıyla tarihi bir değer taşır. Aktif maddesi içine az miktarda Cr+++ iyonu karıştırılmış alumin (Al203) kristali olan pembe rubindir. Işının dalga boyu 694,3 nm dir.
Çeşitli teknik sebeplerden dolayı rubi laserin ışınını devamlı bir şekilde elde etmek mümkün değildir. Belli aralıklarla milisaniye süreli hüzmeler elde edilebilir. Bunun yanısıra ışının rengi kırmızı olduğundan sadece mavi-yeşil ve siyah renkli maddeler tarafından absor*be olabilmesi, rubi laserinin, tıpta uygulamalarının nadir deneyler dışında yok denebilecek bir seviyede kalmasına neden olmuştur.

2- Nd:YAG (Neodymium : Ytterium - Aluminium Garnet):
Aktif maddesi, Nd+++ iyonu katılmış Itrium Alüminyum Silikatı kristalinden oluşan bu laser tıpta en çok kullanılan üç laserden biridir.
Nd:YAG'ın yayınladığı ışının dalga boyu 1064 nm dir. Pulse lı (pulsed) Nd:YAG laseri ileride açıklayacağımız fotomekanik etkisi ile oftalmolojide kullanılır. Devamlı (continue) Nd:YAG laseri ise hemoglobin tarafından absorbe olmasından faydalanılarak vas*külerize dokular üzerinde kullanılır.

SIVI AKTİF MADDELİ LASERLER

1- Boyalı (dye) laserler:

Genellikle methanol gibi bir çözücüde floresent boyalı maddelerin çözülmesiyle elde dilmiş aktif madde içerirler.

Kısa atım süreli (300 ns-1500ns) ve 510nm-600nm dalga boyu aralığında yeşil-sarı ışık oluştururlar. Düşük dalga boylarında lentigo ve efelid gibi epidermal pigmente lezyonlar ve kırmızı, turuncu dövmelerde başarıyla kullanılmaktadır. 600nm ‘ye yakın (570nm-600nm) dalga boylarında ise deri damarlarında tipik termal hasara yol açar. Dalga boyu 577 nm iken 0.5 mm derinliğe penetre olup selektif oksihemoglobin yıkımı meydana getirmektedir.

GAZ AKTIF MADDELİ LASERLER

1- Helium - Neon Laseri (He - Ne):
Burada aktif madde olarak yaklaşık % 85 He % 15 Ne karışımlı bir gaz kullanılır. He - Ne karışımından birçok laser ışını elde etmek mükündür. Bunlardan en çok kullanılanı kırmızı renklı 632,8 nm dalga boylu olanıdır.

2 - Argon Laseri:
Bu laserin aktif maddesi Argon gazının yüksek bir elektrik deşarjıyla iyonizasyonundan elde edilen Ar+ iyonlarıdır. Argon laserinden de değişik dalga boylarında birçok ışın elde etmek mümkündür. Pra*tikte en çok kullanılanı bunların içinde en güçlü olan mavi renkli 488 nm dalga boylu olanıdır. Tıpta oftalmoloji ve dermatolojide kullanılır.

3- CO2 Laseri:
Adından da anlaşılacağı gibi bu laserin aktif maddesi karbondioksit gazı moleküllerinden oluşur. CO2 gazına cihazın teknik gereksinmelerine göre değişen miktarlarda azot ve helyum gazları da karıştırılır.

İnfraruj ışınlar su altından çok yüksek miktarda absorbe olurlar. Canlı dokularda su miktarının çok önemli olmasından dolayı bu dokular üzerine düşer düşmez absorbe olup sadece yüzeysel bir etki yaparlar.

Bu yüzden CO2 laseri cerrahide bistüri yerine kullanılabilir. Bunun yanısıra dermatoloji ve jinekolojide çok sayıda uygulama alanları vardır.