Einführung in die Biomedizinische Optik

Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz, desto schwieriger wird es, die Reduzierung er Besetzungsinversion durch spontane Emission zu vermeiden.

Spontane Emission \(\propto \nu ^3 *\) stimulierte Emission

stehende Welle innerhalb des Resonators -> konstruktive Interferenz

\(\Delta \nu = \frac {c} {2*L}\)

\(\Delta \lambda res= \frac { \lambda ^2} {2*L}\)

\(\omega 0\)= Strahltallie

\(\theta=\)Fokussierungswinkel

\(\omega0=\frac {\lambda} {\pi} * \frac {1} {\theta}\)

Das Strahlprodukt  \(\theta \omega\) ist für einen perfekten Gauss'schen Strahl minimal. Alle anderen Srahlen haben einen höheren Wert \(\theta' \omega'\).

\(M^2=\frac {\theta real * \omega0 real} { \theta \omega}\)

Kurze Pumpzeiten, und daraus folgend kurze Pulse. Bzw. Pumpimpulse die in kurzen Laserpulsen resultieren.

Aktiver Q-switch:

• Rotierende Apertur (im Resonator)
• Rotierender Spiegel oder Prisma (als HR Spiegel)
• Elektro-optischer Schalter
• Akusto-optischer Schalter

Passiver Q-switch:

• Sättigbarer Absorber

Keine Energiespeicherung zur Erzeugung der kurzen Pulse, sondern Energieumverteilung. Phasenkopplung der Longitudinalmoden führt zu konstruktiver Interferenz à sehr hohe Intensitätsspitzen

Modulationsfrequenz entsprechend der Laserumlaufzeit(?)

• Externe Spannung erzeugt Inversion in der Übergangszone
• Elektronen-Loch Rekombination erzeugt Photonen
• Hohe Konversionseffizienz elektrischer Energie à Licht (ca.30-50%)
• Es werden keine Spiegel benötigt, da der Brechungsindex von GaAs so hoch ist (n=3,6)

Es werden keine Spiegel für den Resonator gebraucht, da der Brechungsindex von GaAs so hoch ist (n=3,6), daraus resultiert Totalreflexion, deshalb sind die Polierten Endflächen des Halbleitermaterials der Spiegel des Resonators.

Skizze siehe Folie 32, Vorlesung 6.

„Brightness Konverter“ genannt, da die Helligkeit des Festkörperlasers viel höher ist als die der Pumpdiode

Skizze siehe Folie 36, Vorlesung 6 Die Fasern Leiten, da Totalreflexion innerhalb der Faser.

Skizze siehe Folie 39, Vorlesung 6.

Vorteile:

• Diodenlasergepumpt
• Sehr einfach Kühlung
• Homogenes Pumpen
• Keine thermische Linse
• Exzellente Strahlqualität durch langen Resonator
• Sehr hohe Spitzenleistungen möglich

• Photosynthese
• Biolumineszenz
• Sehen
• Vitamin-D Stoffwechsel
• Endokrinologische Faktoren (Hormone, Tag-Nacht)
• Sonnenbrand/Bräunung

Elektronische Anregung in höhere Energieniveaus kann zu zwei konkurrierenden Pfaden führen:

1. Photodissoziation des Moleküls -> Bindungsbruch
2. Innere Konversion des angeregten Zustandes in Vibrationsniveaus -> Aufheizung

Photonenenergie müssen siginifikant oberhalb der Bindungsenergien liegen -> Photochemische Zersetzung erfordert UV Wellenlängen.

Vgl. auch Vertiefung 2, Folie 3

Die photochemische Wirkung H wird durch das Produkt aus Zeit (s) und Bestrahlungsstärke (W/cm²) bestimmt H= I*t, d.h. durch die Anzahl der Photonen.

Gesetz: Die totale Anzahl von absorbierten Photonen bestimmt den Umfang eines photochemischen Prozesses.

Nur zutreffend im Rahmen bestimmter Bestrahlungsstärken. (5-200 mW/cm²)

Unterhalb: Reperaturvorgänge der Zellen

Oberhalb: Thermische Effekte

1. 8-Methoxy-Psoralen bindet nach Interkalation in die DNA an Thymin unter UVA Bestrahlung
2. Bildung von Einzelstrangaddukten und Quervernetzung zwischen den DNA Strängen (Crosslinks)
3. Verhinderung der Zellteilung

Folie 22, 14, Vorlesung 7

PS (Photosensibilator) : nicht toxisch, Licht: unschädlich

PS+Licht = Zell + Gewebszerstörung

Selektivität durch Anreicherung des Photosensibilisators und selektive Bestrahlung

5-ALA sorgt für eine Induktion der Biosynthese und Akkumulation der photosensibilisierenden Konzentration von zelleigenem Protoporphyrin IX. Protoporphyrin IX ist toxisch, dessen Konzentration in den Zellen ist im Normalfall durch intrazelluläres Feedback  minimiert, wobei 5-ALA entscheidend ist. Eine Externe Gabe von ALA umgeht dieses Feedback, dadurch kann Lokal Phototoxizität erzeugt werden.

• Behandlung von Hauttumoren
• Karzinom/Basalinom Entfernung
• Blasenkatheter (Blasentumor)
• Diffusor fürs Gehirn (oberflächiger Hirntumor)
• Altersbedingte Makuladegeneration

Gefäßverschluss ohne Photorezeptorschäden.

"Modensynchronisation mittels Kerr-Linse", Verfahren zur Phasensynchronisation (mode locking) enies Lasers, das insbesondere zur Erzeugung ultrakurzer (Femtosekunden-)Impulse verwendet wird. Es handelt sich hierbei um ein passives mode locking, ähnlich wie bei einem schnellen sättigbaren Absorber, wobei in dem aktiven Medium des Lasers oder einem zusätzlich optischen nichtlinearen Medium (Glasplatte) bei hohen Intensitäten eine Selbstfokussierung erfolgt.

Die Primäre Proteinstrukur ist eine Verkettung verschiedener Aminosäuren.

• Primär: Aminosäuren
• Sekundär: alpha- Helix
• Tertiär: Polypeptidkette
• Quartiär: Zusammengelagerte Untereinheiten

Die denaturierte Polypeptidkette verliert ihre Struktur höherer Ordnung und ist nun zufällig verteilt.

• H-Bindungen brechen auf
• Proteinstruktur ändert sich
• Proteinmoleküle aggregieren ("koagulieren") in einer unphysiologischen Struktur

von der Temperatur und der Zeit

Arrheniusgleichung für den Grad des thermischen Schadens

Exponentiell von der Temperatur, linear von der Zeit

37°C  Keine irreversiblen Gewebeschäden

40-45°C Enzyminduktionen, Ödemausbildung, Membranauflockerung, Zelltod (i.A. von Zeit)

65°C Proteindenaturierung, Koagulation, Nekrosen

80°C Kollagendenaturierung, Membrandefekte

100°C Trocknung

>150°C Karbonisierung

>300°C Ablation

Für ausreichend kurze Wärmeexpositionszeit steigt die zur thermischen Denaturierung notwendige Temperatur oberhalb der für einen Phasenübergang notwendigen Temperatur am Melanosom (ca. 160°C)

• Laser-Thermo-Keratoplastik (LTK)
• Photokoagulation der Netz- und Aderhaut
• Glaukombehandlung
• Interstitielle Thermotherapie (LITT) von Tumoren
• Selektive thermo-mechanische RPE Behandlung

Durch Narbenbildung.

Wärmediffusion vom RPE in die Netzhaut

-> Proteindenaturierung und -koagulation

-> Weiße Spots durch erhöhte Lichtstreuung

• IR ns Puls
  • Iridotomie zur Glaukombehandlung (erhöhter Augeninnendruck). Loch in Membran im AUge schießen, Kammerwasser fließt ab, Druck sinkt
  • Kapsulotomie nach Katarakt-OP, Auf Rückseite der IOL bilden sich Epithelzellen und trüben die Linse ein -"frei" schießen mit Laser
• fs Puls
  • Zellnanochirurgie Membranpermeabilisation
  • LASIK Flap- und Lentikelschneiden zur Korrektur der Fehlsichtigkeit

Laser-in-situ-Keratomileusis. Myopiekorrektur durch ArF Excimerlaser Ablation. Flaperzeugung durch Mikrkeratom, Flaperzeugung durch fs Laser.

• Erzeugung freier Elektronen durch Photoionisation (Multiphotonen- und Tunnelionisation)
• Beschleunigung der freien Elektronen durch inverse Bremsstrahlenabsorption
• Stoßionisation, wenn Elektronen genügend Energie besitzen -> Lawinen- oder Kaskadenionisation
  • Bei ns zusätzlich Aufheizen des Fokusvolumens während des Laserpulses, thermische Ionisation

1. Plasmabildung
2. Temperaturerhöhung
3. Stoßwellenabstrahlung
4. Kavitatioin

Vertiefung 2, Folie 32