Laser in Bio-und Medizintechnik an der RWTH Aachen

Karteikarten und Zusammenfassungen für Laser in Bio-und Medizintechnik an der RWTH Aachen

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Was ist Licht?

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Wellenlänge λ

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Energie E

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Polarisation

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Kohärenz

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Wie unterscheidet sich die Strahlausbreitung von Lasern und thermischen Quellen?

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Was ist das Strahlparameterprodukt und wie lässt es sich berechnen?

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Wie wird das Mode Locking in der Praxis umgesetzt?

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Photodisruption:

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Photoablation:

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(Photo)-Vaporisation:

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(Photo-)Koagulation:

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Laser in Bio-und Medizintechnik

Was ist Licht?

 Licht ist eine elektromagnetische Welle (Transversalwelle)
 Licht ist auch ein Teilchen ein sogenanntes Photon
o Kleinste Quantelung des Lichts ist ein Photon. Ein Teilchen, dass diskrete Energiequanten trägt und es besitzt die Frequenz/Wellenlängenabhängige Energie: EPhoton=h⋅ν
o Ein Photon ist masselos und sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus. c ist im Medium Abhängig von der elektrischen Feldkonstanten ε0 und der magnetischen Feldkonstanten μ0.

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Wellenlänge λ

kleinster Abstand zweier Punkte gleicher Phase (gleiche Auslenkung) in einer periodischen Welle.

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Energie E

EPhoton=h⋅ν =h∙c/λ Die Energie eines Photons korreliert mit der Frequenz (Schwingungen pro Sekunde), in Kombination mit der Lichtgeschwindigkeit auch über die Wellenlänge. Wobei h das Planksche Wirkungsquantum ist.

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Polarisation

eine Transversalwelle (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ist durch zwei Vektoren charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Ändert der Feldvektor seine Richtung statistisch mit der Zeit, so liegt keine Polarisation vor.

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Kohärenz

beschreibt wie nahe eine betrachte Welle einer zweiten Welle kommt, in Bezug auf ihren Eigenschaften von Amplitude und Phase an verschiedenen Punkten oder zu verschiedenen Zeiten. Zwei Wellen sind dann kohärent, wenn ihre Zeitabhängigkeit der Amplitude bis auf eine Phasenverschiebung die gleiche ist.

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Wie unterscheidet sich die Strahlausbreitung von Lasern und thermischen Quellen?

 thermisch: Ein Einzelatom emittiert Strahlung in alle Raumrichtungen. Betrachtet man ein Ensemble aus vielen Atomen (Körper), so breitet sich thermische Strahlung von jedem Punkt der Oberfläche dieses Körpers unabhängig in den Halbraum über der Oberfläche aus.
 Laser: Im Laserresonator wird die Strahlung gezielt erzeugt und durch den Laserresonator wird eine Vorzugsrichtung der Lichtemission festgelegt. Der Laser emittiert Strahlung entlang der vordefinierten Ausbreitungsrichtung (innerhalb eines bestimmten Divergenzwinkels, der widerum von der Strahlqualität des Lasers abhängt).

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Was ist das Strahlparameterprodukt und wie lässt es sich berechnen?

 Das Strahlparameterprodukt definiert die Strahlqualität und kann durch Abbildungen nicht verändert werden. Eine Abbildung kann z.B. den Fokusradius verkleinern, vergrößert aber damit gleichzeitig die Fernfelddivergenz
SPP=Θ0𝜔0 =M2𝜆𝜋
o Θ0 ist der Fernfelddivergenzwinkel, siehe 2b)
o ω0 ist der Strahlradius in der Strahltaille
o M2 ist dabei die Beugungsmaßzahl: Je größer der Wert, desto schlechter ist der Strahl zu fokussieren und gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist. Minimal kann ein Wert von 1 erreicht werden. Sie gibt an, wievielfach der Strahl beugungsbegrenzt ist.
o λ ist die Wellenlänge des Laserlichts
o π ist die Kreiszahl

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Wie wird das Mode Locking in der Praxis umgesetzt?

Verwendung eines Güteschalters (aktiv oder passiv) zur Herstellung der Phasengleichheit. Im Gegensatz zur gütegeschalteten Laserstrahlquelle im Q-Switch-Laser wird die Resonatorgüte zeitlich anders moduliert, um eine bestimmte Moden zu verstärken und ungewünschte Moden zu unterdrücken und so eine Phasengleichheit zu erzeugen.

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Photodisruption:

Erzeugung eines Plasmas – Trennung von Elektronen und Atomkernen. Die Wechselwirkungszeit ist geringer als die Phononenwechselwirkungszeit – kein thermischer Effekt.

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Photoablation:

Absorption von Laserlicht, wodurch Bindungen direkt gebrochen werden und so Fragmente abgetragen werden können. Die Bereitstellung hoher Energiemengen in kurzer Zeit führt zu einem thermischen Abtrag.

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(Photo)-Vaporisation:

Verdampfung durch Bestrahlung zum Beispiel mit IR-Licht. Langsame Anregung von Schwingung und Vibration (Strahlungsfreie Abregung). Gewebeabtrag über Verdampfung von Wasser.

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(Photo-)Koagulation:

Ähnlicher Prozess wie die Vaporisation, nur dass die Wärme nicht zum Verdampfen ausreicht. Durch Überhitzung können Proteine im Gewebe denaturiert und z.B. Tumore zerstört werden.

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