Vorlesung Lasermedizin
Klausurfragen
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Fichier Détails
| Cartes-fiches | 97 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 08.07.2013 / 21.07.2018 |
| Lien de web |
https://card2brain.ch/box/vorlesung_lasermedizin
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| Intégrer |
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Erklären Sie Absorption, spontane und induzierte Emission.
Absorption: Photon trifft mit einer Energie von E=h*f auf ein Elektron --> wenn diese Energie des Photons genau der Energiedifferenz zwischen dem Energieniveau des Elektrons und einem höheren Energieniveau entspricht, wird die Energie des Photons vom Elektron absorbiert --> Elektron gelangt in ein höheres Energieniveau
spontane Emission: findet ohne äußere Einwirkung statt; Elektronen fallen nach der mittleren Lebensdauer des oberen Zustands automatissch wieder auf ein niedriges Niveau zurück --> Emission eines Photons (z. B. Fluoreszens)
induzierte Emission: wird durch ein anderes Photon induziert; wenn Photon auf Elektron im angeregten Zustand trifft und dessen Energie genau der Energiedifferenz zwischen dem angehobenen und einem niedrigerem Energieniveau entspricht, fällt Elektron auf niedrigen Zustand herunter --> gibt Photon ab; nur bei langer Lebensdauer des oberen Zustands und starkem Photonenfeld
Wann kann bevorzugt induzierte Emission auftreten?
1. Lange Lebensdauer des oberen Zusatnds
2. starkes Photonenfeld existiert
3. geringere Lebensdauer des unteren Zustands
--> Besetzungsinversion
Welche Beziehung besteht zwischen den Energieniveaus eines Atoms und der Wellenlänge für einen Elektronenübergang zwischen ihnen?
E(2)-E(1)=hc/lambda
Nennen Sie die wesentliche Bedingung für kontinuierliche Laseremission.
Besetzungsinversion
Was charakterisiert einen Gauß'schen Strahl im Grundmode und welche mathematische Beziehung besteht zwischen der Divergenz Phi, der Wellenlänge lamda und dem Radius der Strahltaille omega?
Gauß'scher Strahl: Strahlradius wächst auf beiden Seiten der Strahltaille an
Gaußförmiges Intensitätsprofil: I(r)=I(0)exp(-2*(r/omega)²)
--> Strahl läuft hinter dem Fokus divergent auseinander
Phi=lamda/pi*omega
NA=n*sin(Phi) [NA: Numerische Apertur; n: Brechungsindex]
Was ist ein Laserresonator und woraus besteht er mindestens?
Ein Laserresonator besteht minimal aus zwei Spiegeln, die gegeneinander abbilden, es bildet sich ggf eine stehende Welle aus.
Länge: 2*L=k*lamda (k=1,2,3,4,....)
Erklären Sie longitudinale und transversale Moden.
longitudinal: für bestimmte Wellenlängen ergeben sich stehenden Wellen zwischen beiden Spiegeln des Resonators --> Intensitätserhöhung --> es werden im Resonator nur bestimmte Frequenzen verstärkt --> Moden: unterschiedliche Schwingformen
f=k*c/(2L) k=1,2,3,.....
transversal: Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung --> es entstehen mehrere Fokuspunkte
Nenne Sie je ein Bespiel für einen Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlaser. Was sind typische Wellenlängenbereiche?
Festkörper: Nd:YAG (1064nm), Alexandrit (755nm)
Gas: CO2-Laser (10600nm), Excimer-Laser (193nm, 308nm)
Diode: (630nm-980nm)
Erklären Sie räumliche und zeitliche Kohärenz.
Wellen die in gleicher Phase schwingen, können Interferenzmuster erzeugen
räumlich: Phase in räumlicher Richtung gleich; wie weit dürfen Punkte auf einer Wellenfront auseinander liegen, damit noch Interferenz entsteht; abhängig vom Durchmesser der Lichtquelle, dem abgestrahlten Raumwinkel und der Wellenlänge
zeitlich: Phase in zeitlicher Richtung gleich; Bastand der Punkte in Ausbreitungsrichtung, dei dem Interferenz noch entsteht; abhängig von der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite
In welchem Wellenlängenbereich liegt sichtbares Licht? Ordnen Sie einigen Farben Ihre Wellenlänge zu und geben Sie die ungefähren Grenzen zu UV und Infrarot an. Sind die Grenzen scharf?
sichtbar: 380-750nm
violett: 380-435nm
blau: 435-490nm
grün: 490-575nm
gelb: 575-595nm
orange: 595-650nm
rot: 650-750nm
UV: unter 380nm
Infrarot: über 750nm
Grenzen sind nicht scharf
Welche Phänomene lassen sich mit geometrischer Optik erklären, welche nicht mehr?
Schatten, Beugung, Interferenz, Reflexion an Grenzflächen, Brechung an Grenzflächen, Polarisation, Streuung an Oberflächen
Geometrische Optik: Schatten, Reflexion an Grenzflächen, Brechung an Grenzflächen, Streuung an Oberflächen
Wellenoptik: Beugung, Interferenz, Polarisation
Wie lautet das Brechungsgesetz?
n1*sin(alpha1)=n2*sin(alpha2)
Wie werden die Formeln genannt, mit denen die Lichtleistung, die an einer Grenzfläche reflektiert und transmittiert wird berechnet werden können? Wie viel Licht wird an einer Glasscheibe (n=1.5) bei senktrechtem Strahlauftritt reflektiert?
Fresnel'sche Gleichungen
Pro Grenzfläche werden 4% reflektiert --> 8%
Wie lautet das einfache Abbildungsgesetz für dünne Linsen?
(1/g)+(1/b)=(1/f) V=(b/g)
Ist die Lichtstreuung oder die Lichtabsorptionim sichtbaren Spektralbereich der führende Wechselwirkungsprozess in biologischem Gewebe?
Streuung
Nennen Sie vier wichtige Lichtabsorptinsstrukturen in biologischem Gewebe.
Melanin, Hämoglobin, Wasser, Proteine, Nukleinsäuren
Welche Struktur ist im IR-Spektralbereich des Lichts (1000nm bis 10my m) für die Lichtabsorption in biologischem Gewebe verantwortlich?
Welche im UV-Bereich (150-360nm)?
IR: Wasser absorbiert sehr stark --> schlecht für Gewebeoptik (70% des Körpers ist Wasser)--> Ausbreitung weit und tief
UV: Melanin und Biomoleküle absorbieren sark
Was versteht man unter dem Begriff "Optisches Fenster" von Gewebe und in welchem Wellenlängenbereich liegt es?
Im Bereich des "Optischen Fensters" ist die Streuung des Lichts im Gewebe wesentlich höher als die Absorption.
Wellenlänge: 600-1200nm
Dieser Bereich ist für Untersuchungen am Körper besonders gut geeignet.
Im "Optischen Fenster" gibt es so gut wie keine Absorption durch Wasser.
Nennen Sie die wichtigsten Eigenschaften der Lichtstreuung in biologischem Gewebe.
keine klare Unterscheidung --> abhängig vom Brechungsindex, Größe und räumliche Verteilung --> Inhomogenitäten; schwache Wellenlängenabhängigikeit; vorwärst gerichtet; nahezu polarisationsunabhängig; starke Mehrfachstreuung --> Lichtverteilung in größeren Volumen --> reduzierte Eindringtiefe; räumliche Lichtverteilung ohne Deponierung
Nennen Sie ein therapeutisches oder diagnostisches Beispiel, bei dem eine möglichst große Eindringtiefe in biologisches Gewebe erforderlich ist.
Wie groß ist die maximale optische Eindringtiefe in streuendem Gewebe wie Haut?
OCT (1-2mm)
Wie ist das Verhältnis zwischen Wellenlänge lamda und Größe d der Streupartikel bei Rayleigh- und Mie-Streuung und wie in biologischem Gewebe?
Rayleigh: Wellenlänge ist sehr viel kleiner als die Streupartikel (Wellenlängenabhängigkeit von ~lamda^(-4)
Mie: Wellenlänge ist kleiner als Streupartikel --> schwache Wellenlängenabhängigkeit
biologisches Gewebe: liegt im Zwischen bereich zwischen Rayleigh und Mie --> Wellenlänge ungefähr so groß wie Partikel --> starke Mehrfachstreuung
Welche prominenten Ausnahmen gibt es im Körper und woher rühren sie?
Auge: Transparenz der Cornea: regelmäßige Anordnung der Kollagenfibrillen --> Brechungsindex des Gewebes homogen --> keine streuung erfolgt
neuronale Netzhaut
Was sind die Hauptabsorber im Gewebe und in welchem Spektralbereich absorbieren Sie?
Hämoglobin (250-600nm)
Melanin absorbiert breitbandig (bis 1000nm)
Wasser (oberhalb von 1000nm und unterhalb von 200nm)
Was besagt das Lamber Beer'sche Gesetz und wie lautet es?
I(x)=I(0)*exp(-my(a)*x)
[I...Intensität, my(a)...Absorptionskoeffizient, x...Eindringtiefe]
in der optischen Eindringtiefe d ist I auf 1/e*I abgefallen
Wie hängen optische Eindringtiefe d und Absorptionskoeffizient my(a) zusammen?
d=1/my
Was stellt das Jablonski-Diagramm dar?
Photon-Materie-Wechselwirkung; zeigt Energien der Wechselwirkungen, die bei Absorptionund Emission auftreten; jeder Anregungszustand hat mehrere Schwingungszustände
Wie ist die Quantenausbeute definiert?
Verhältnis von der Zahl der durch Photonen erzeugten Ereignisse zu der Anzahl der ausgestrahlten Photonen
Was bezeichnet man als Wirkungspektrum?
zeigt die spektrale Verteilung einer Strahlungswirkung auf einen Organismus und gibt damit die Abhängigkeit der Strahlungswirkung von der Wellenlänge bei lichtabhängigen biologischen Prozessen wieder, da die verschiedenen Wellenlängen des Lichtes unterschiedlich wirksam sind; zeigt die Wirkung des Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge auf bestimmte Funktionen auf
Was ist der Spin des Elektrons und bestimmt er die Energiezustände eines Moleküls?
Eigendrehimpuls eines Elektrons, Spin ist eine Quantenzahl (Zustände: -1/2; +1/2)
der Spin eines Elektrons bestimmt wesentlich die Besetzung der Energieniveaus (Pauli-Prinzip)
Energiezustände: Singulett (Spins sind gegenläufig); Triplett (Spins in gleicher Richtung)
Ist der Grundzustand eines Moleküls in der Regel Singulett- oder Triplettzustand? Welches Molekül fällt hier raus?
Singulett außer Sauerstoff
Welche photophysikalischen Prozesse führen zu einer inkohärenten Lichtaussendung nach Bestrahlung von Farbstoffen? Welche beiden Energieniveaus sind bei den jeweiligen Prozessen involviert?
Fluoreszens (S1-->S0)
Phosphoreszens (T1-->S0)
Wie können Informationen über die Energiezustände eines Moleküls gewonnen werden?
Emissionsspektrum
Absorptionsspektrum
Beschreiben Sie das Grundprinzip der PDT.
Ziel: gezielte Zell- & Gewebszerstörung
Molekül des Photosensibilisators (PS) absorbiert Photon --> PS wird in S1 angehoben --> Intersystem-Crossing Übergang in T1 --> dort sehr große Lebensdauer, da optische Übergänge in Grundzustand sehr unwahrscheinlich --> Energietransfer: molekularer Sauerstoff in T1, daher Energietausch zwischen PS und Sauerstoff --> Viel Sauerstoff auf S1 --> PS fällt auf Grundzustand
Sauerstoff schädigt Zellbestandteile in Umgebung durch Oxidation
endlose Rekation (bis alle Sauerstoffmoleküle aufgebraucht sind)
Wellenlänge PDT: 600-800nm
Welcher Vorteil ergibt sich, wenn im Rahmen der PDT der photochemische Mechanismus über die Typ II Reaktion läuft?
Typ II: PS kann so lange verwendet werden, wie noch Sauerstoffmoleküle vorhanden sind
Typ I: es müssten immmer wieder neue PS produziert werden, um die chemische Reaktion in Gang zu halten
Welche Faktoren bestimmen die Tumorselektivität einer PDT?
Passiver Transport: Tumor ist stark durchblutet, Gefäßsystem durchlässiger
Membranrezeptoren (z.B. EGFR)
LDL-Rezeptoren
Aktivität der Ferrochelatase
Wie können Sie unter Ausnutzung des Reziprozitätsgesetzes von bunsen und Roscoe, photochemische von photothermischen Effekten unterscheiden?
Photothermisch: bestimmte Leistung nötig --> hohe Intensität kurze Zeit
Welche Einschränkungen des Reziprozitätsgesetzes gelten für die PDT? Begründen Sie diese.
Nur zutreffend im Bereich bestimmter Bestrahlungsstärken (zwischen5 und 200mW/cm²)
unter 5: Reparaturvorgänge der Zelle
über 200: thermische Effekte
Beschreiben Sie das Grundprinzip der PDT mit 5-Aminolaevulinsäure (ALA).
Induktion der Biosynthese und Akkumulation photosensibilisierender Konzentration von zelleigenem Protoporphyrin IX in bestimmten normalen und malignen Zellen und Geweben.
Warum und wie kann man ALA für die Fluoreszensdiagnose einsetzen?
Hohes therapeutisches Verhältnis
Direkte zelluläre Photosensibilisierung
Keine systematischen Nebenwirkungen bei topischer Applikation
Schnelles Ausscheiden aus dem Körper innerhalb von 24 Stunden
--> Hervorragend geeignet für Fluoreszensdiagnostik
Warum ist der Einsatz von PDT gegen Mikroorganismen Erfolg versprechend?
Wirkung auch gegen antibiotika-resistente Keime
lokale Behandlung
keine Resistenzentwicklung
breites Wirkungsspektrum
schnell und kostengünstig
