Laser: największy (?) wynalazek XX wieku

„Na scieżkach fizyki współczesnej”

Wykład 3

Laser, największy (?) wynalazek XX wieku

Grzegorz Karwasz

Toruń, 22.03.2018

„Laser” Google

Popularne, ale czy bezpieczne?

• We're in the middle of bikini season, which means many women are looking for easy hair removal options. Laser hair removal, which is offered in medical offices as well as in freestanding medi-spas and salons, has become a sought-after method.

According to the American Academy for Aesthetic Plastic Surgery, laser hair removal was the third most popular nonsurgical aesthetic procedure (after Botox and

hyaluronic acid fillers) in 2012, totaling more than 1.2 million treatments. But a new study puts its safety into question.

• This past May at

the American Society for Laser Medicine and Surgery's annual meeting, Dr. Gary S.

Chuang, dermatologic surgeon at Tufts Medical Center in Boston, reported the

preliminary results of a study he conducted that demonstrated that laser hair removal releases potentially harmful toxins into the air.

• He and his team discovered 300 different chemical compounds in the plume, 13 of which have been shown to be harmful to humans and animals, like benzene, toluene, ethyl benzene, and diethyl phthalate. These results are consistent with previous

studies that demonstrated that using ablative CO2 lasers and heat cauterization in operating rooms releases mutagenic substances into the air.

Naukowiec prezentuje opinie: konsument dokonuje wyborów

http://www.elle.com/beauty/health-fitness/advice/a2/dangers-of-laser-hair-removal/

Einstein (1917) „emisja wymuszona”

• Ligth

• Amplifier

• by Stimulated

• Emission

• of Radiation

Basov, Prochorov, Townes – nagroda Nobla 1964

The Nobel Prize in Physics 1964

Charles H. Townes, Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1964/press.html

Zastosowania laserów

CD, DVD

(półprzewodnikowy, P=3 mW, λ≈1μm)

Laser na CO

(λ≈10 μm, P=3 kW)

Lasery neodymowe (λ≈1 μm, P=3 TW)

Pierwszy laser (rubinowy) 16.05.1960

• Theodor H. „Ted” Maiman: działa do dziś

• Rubin – jony Cr

w Al

O

• „wzbudzenie optyczne” – lampa Xe

G. Karwasz, Rubiny... Chemia w Szkole

Laser gazowy: He-Ne

https://it.wikipedia.org/wiki/Laser_a_elio-neon

© 2004 David Monniaux - en:Kastler-Brossel Laboratory at en:Paris VI: Pierre et Marie Curie, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=295187

Deglr6328 da en.wikipedia.org, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4568826

„Układ poziomów atomowych”

• wyładowanie elektryczne

• „wzbudzenie zderzeniowe”

He:Ne 10:1

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M01_C01/co/Contenu_08.html

Di Roland Brierre - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5907365

„Układ poziomów atomowych”

• „inwersja obsadzeń”

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M01_C01/co/Contenu_08.html

Rubin Cr

: Al

O

. Granat YAG Nd

: Y

Al

O

Absorpcja, emisja, „emisja wymuszona”

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M01_C01/co/Contenu_08.html

Równowaga termodynamiczna

T /

max  1



https://en.wikipedia.org/wiki/Planck's_law

Absorpcja, emisja, „emisja wymuszona”

dN

/dt = - B

N

ρ(ν) dN

/dt = A

N

B

– współczynnik absorpcji A

– współczynnik emisiji spontanicznej

(wsp. Kirchhoffa)

dN

/dt = B

N

ρ(ν)

B

– współczynnik emisiji wymuszonej

B

=B

Promieniowanie wymuszone = identyczne

• taka sama częstotliwość (=kolor)

• tak samo spolaryzowane

• taka sama faza

• taki sam kierunek

speckle Ugięcie (dyfrakcja) światła

zielonego i czerwonego

lasera na siatce dyfrakcyjnej

Zauważ: „speckle”

Emisja wymuszona, w fazie → laser

Laser jonowy argonowy (Ar ⁺ )

• 454.6 nm, 457.9 nm, 465.8 nm, 476.5 nm, 488.0 nm, 496.5 nm, 501.7 nm, 514.5 nm, 528.7 nm

220px-Argon_laser_beam_and_diffraction_mirror

http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserweb/Ch-6/F6s1t4p1.htm

Laser jonowy argonowy (Ar ⁺ )

http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserweb/Ch-6/F6s1t4p4.htm Rami Ariel: Laser adventure

The Argon Ion laser applications:

1. A source for optical pumping of dye laser.

2. Entertainment - in laser light shows, discoteques, and laser displays.

3. General Surgery - for applications that use absorption at specific wavelengths.

4. Ophthalmic welding of detached retina.

5. Forensic Medicine - for fluorescence measurements.

6. Holography - Because of its high power in the visible spectrum.

„Układ poziomów atomowych”

• A tak naprawdę: coś wpuścimy, a później się zobaczy...

http://www.optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M01_C01/co/Contenu_21.html

Granat YAG Nd

: Y

Al

O

Nd:YAG (neodymium-dopped yterbium- alluminium granate)

Poziomy laserujące Nd

[B. Ziętek, „Lasery”]

Lasery barwnikowe

• „kumaryna”

(zielona)

• „rodamina”

(czerwona)

• niebieska

„fluoresceina”

By Zaereth - http://en.wikipedia.org/wiki /File:Rhodamine6G_Chloride.JPG, 7423205

Laser CO ₂ – prototyp (1964)

Widma cząsteczek (H ₂ , CO ₂ )

2000 4000 6000

0 5 10 15

H₂O

H₂O H₂O

CO₂

assorbimento (unità relative)

numero d'onda (cm^-1)

Laser CO ₂ – zasada działania

realizacja rezonatora

He 65%

N

32%

CO

3%

Realizacja praktyczna lasera CO ₂

Laser światłowodowy – realizacja

Bystronic, BySprint Fiber 3015

Laser CO ₂

Lasery w akcji

http://www.youtube.com/watch?v=8qZWHoTKUUY

https://www.youtube.com/watch?v=m_2aEvOMbow

Do wyboru, do koloru...

1163px-Commercial_laser_lines.svg

Lasery półprzewodnikowe

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode

Złącze półprzewodnikowe

https://en.wikipedia.org/wiki/P%E2%80%93n_junction Doemtreder,

Spektroskopia laserowa

Laser+radar = lidar

• Zanieczyszczenia atmosfery, chmury, pyły:

koncentracja ↔ wysokość

LIDAR

• KRZYSZTOF ERNST LIDARY W BADANIACH ATMOSFERY

• Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 6/1997

• NOWE URZĄDZENIA LASEROWE POZWALAJĄ SZYBKO I DOKŁADNIE OKREŚLIĆ ZANIECZYSZCZENIA ATMOSFERY, BADAĆ JEJ DYNAMIKĘ ORAZ ZAGROŻENIA UPRAW.

• LIDAR jest akronimem od angielskiego określenia LIght Detection And

Ranging, co oznacza wykrywanie i określanie położenia za pomocą światła.

Zmieniając dwie pierwsze litery w nazwie dobrze znanego wszystkim radaru

(RAdio Detection And Ranging),

Lidar aerozolowy

• Zanieczyszczenia atmosfery: pyły

Lidar: wybuch wulkanu w Rosji (Sierpień 2009)

Lidar: wybuch wulkanu na Islandii (Maj 2010)

Lidar: wybuch wulkanu na Islandii (Maj 2010)

Lidar: zanieczyszenia chemiczne, warstwy powietrza (inwersja)

K. Ernst, Wiedza i Życie, 1997

Jak się pani czuje, pani orchideo?

„fingerprints” – dopasowanie linii CO

Wzbudzenia wibracyjne C

H

Spektroskopia fotoakustyczna (IR)

• dojrzewanie bananów

• zapylanie orchidei

• urwany liść

• spadanie jabłek

Czułość: 10 ppb

Fotochemioterapia nowotworów i chorób skóry

• Tlen w stanie „singletowym”

https://pl.wikipedia.org/wiki/Fotochemioterapia

https://en.wikipedia.org/wiki/Photodynamic_therapy https://en.wikipedia.org/wiki/Allotropes_of_oxygen

Kwas aminolewulinowy

„Photofrin"

IR (1 eV)

https://www.realself.com/review/oceanside-ca-photodynamic-therapy-32-hormonal-acne

1500$

Badanie oka w mgnieniu oka (tomografia optyczna)

Wojtkowski, Kowalczyk

Dodatek: motyl impresjonista

• This butterfly has extreme color vision

• By Virginia Morell Mar. 8, 2016 , 4:00 PM

• Butterflies may not have a human’s sharp vision, but their eyes beat us in other ways. Their visual fields are larger, they’re better at perceiving fast-moving objects, and they can distinguish

ultraviolet and polarized light. Now, it turns out that one species of swallowtail butterfly from Australasia, the common bluebottle (Graphium sarpedon, pictured), known for its conspicuous blue-green markings, is even better equipped for such visual tasks. Each of their eyes, scientists report in Frontiers in Ecology and Evolution, contains at least 15 different types of photoreceptors, the light-detecting cells required for color vision. These are comparable to the rods and cones found in our eyes.

• To understand how the spectrally complex retinas of butterflies evolved, the researchers used physiological, anatomical, and molecular experiments to examine the eyes of 200 male bluebottles collected in Japan. (Only males were used because the scientists failed to catch a sufficient

number of females.) They found that different colors stimulate each class of receptor. For instance, UV light stimulates one, while slightly different blue lights set off three others; and green lights trigger four more.

• Most insect species have only three classes of photoreceptors. Even humans have only three cones, yet we still see millions of colors. Butterflies need only four receptor classes for color vision, including spectra in the UV region. So why did this species evolve 11 more? The scientists suspect that some of the receptors must be tuned to perceive specific things of great ecological importance to these iridescent butterflies—such as sex. For instance, with eyes alert to the slightest variation in the blue-green spectrum, male bluebottles can spot and chase their rivals, even when they’re flying against a blue sky.

www. sciencemag.org

Dodatek: motyl impresjonista

http://www.sciencemag.org/news/2016/03/butterfly-has-extreme-color-vision?utm_campaign=email-news-latest&et_rid=35353469&et_cid=327254

Rodopsyna – barwnik w siatkówce ssaków

https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/photchem.htm

Literatura

• J. Ziętek, Lasery, PWN Warszawa

• W. Dömtroder, Spektroskopa laserowa, PWN Warszawa

Literatura dot. laserów CO_2:

• J. C. Polanyi, "Proposal For An Infrared Maser Dependent on Vibrational Excitation,"

Journal of Chemistry and Physics, Vol. 34, (Jan., 1961) p. 347.

C. K. N. Patel, "Continuous-Wave Laser Action on Vibrational Rotational Transitions of CO2," Physics Review, Vol. 136 A, (Nov., 1964) P. 1187

C. K. N. Patel, "CW High Power N2 + CO2 Laser" Applied Physics Letters, Vol. 7, (July 1965) p.

15

G. Moeller and J. D. Rigden, "High-Power Laser Action in CO2-He Mixtures," Applied Physics Letters, Vol. 7, (Nov. 1965) p. 274

F. Horrigan, "High Power Gas Laser Research," Final Technical Report on Contract DA-01- 021-AMC-12427/(z), U.S. Army Missile Command, Redstone Arsenal, Ala., (March, 1966).

D. R. Whitehouse, "High Power Gas Laser Research," Final Technical Report on Contract DA- 01-021-AMC-12427/(z), U.S. Army Missile Command, Redstone Arsenal, Ala., (May, 1967)