xciii congresso nazionale - S.I.O.e.Ch.CF.

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C. Bocciolini 1. Definizione La parola LASER è un acronimo di “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation” (amplificazione di luce per mezzo di emissione stimolata di radiazioni). 2. Storia del laser Einstein nel 1917 pubblica il suo saggio sull’assorbimento e l’emissione della luce ed introduce per la prima volta le nozioni sull’emissione spontanea e stimolata della luce nella rivista: ”Physikalische Zeit”. Solo nel 1954 Townes, Gordon e Zeinger realizzano il primo “dispositivo ad emissione stimolata di radiazione” utilizzante come mezzo attivo un sistema molecolare: il laser ad ammoniaca (fu chiamato MASER: Microwaves Amplification Stimulated Emitted Radiations). Blombergen nel 1956 propone un laser a tre livelli funzionante con un materiale allo stato solido. Makhov nel 1958 ottiene oscillazioni elettromagnetiche a microonde da un laser a rubino. Townes e Schawlow nel 1958 indicano il modo per estendere il funzionamento del laser nella regione dell’infrarosso, del visibile e dell’ultravioletto, utilizzando la tecnica dei risuonatori ottici tipo Fabry-Perot (MASER viene sostituito da LASER). Schawlow nel 1960 avanza la proposta di impiegare un cristallo di rubino come mezzo attivo per ottenere emissione stimolata nella regione del visibile. Maimen, pochi mesi dopo, accoppiando all’idea di Schawlow l’impiego di una cavità risonante costituita da un interferometro Fabry-Perot, ottiene per la prima volta emissione laser sottoforma di impulsi di luce rossa monocromatica e coerente (694 nm). Javan nel 1961 realizza un laser con emissione continua luminosa coerente nel vicino spettro dell’infrarosso impiegando come mezzo attivo una miscela di gas Elio-Neon. Flocks e Zweng usano il laser a rubino nell’uomo per la cura degli occhi. Nel 1964 vengono realizzati laser che utilizzano livelli energetici di gas ionizzati (laser a mercurio, laser ad argon). Patel nello stesso anno costruisce il laser molecolare ad anidride carbonica: l’importanza è enorme poiché permette di ottenere rendimenti che raggiungono il 10% rispetto agli altri laser che rendono “qualche” per mille. L’uso del laser nell’ambito medico si sviluppa nel 1968. Polanyi sviluppa il braccio articolato per l’uso del laser CO2. Egli stesso con Jako utilizzano questo laser per l’asportazione di papillomatosi laringea. Da questo punto in poi il laser viene utilizzato nelle chirurgia otorinolaringoiatrica e della testa e del collo. 3. Fisica del laser Descrizione del laser Ci sono tre elementi in un laser. Il primo elemento è il mezzo laser, che nel primo laser era un cristallo di rubino; poi abbiamo un elemento stimolante, che nel primo laser era una lampada flash, simile a quella di una macchina fotografica. Infine sono necessari due specchi per fornire un feedback ottico. Il mezzo laser viene collocato in una cavità risonante, che è formata da due specchi allineati in modo preciso, paralleli l’uno all’altro. Una volta che il mezzo laser è 54
Il laser nella chirurgia dell’orecchio medio posto nella cavità risonante, esso viene stimolato. Quando il mezzo laser è stato eccitato, si avrà un processo definito “emissione spontanea”. Questo termine significa che, dopo un certo lasso di tempo, alcuni degli atomi o molecole decadono spontaneamente dallo stato eccitato allo stato di base. Perché questa decadenza avvenga, l’atomo o la molecola deve emettere o cedere l’energia che ha assorbito. Questa energia emessa può essere luce. Nella emissione spontanea gli atomi eccitati decadono spontaneamente dal loro stato eccitato a stati di energia più bassa. Dunque l’energia precedentemente assorbita viene poi emessa come luce. L’emissione è casuale ed avviene in tutte le direzioni, una parte della luce può essere riflessa indietro nel mezzo laser. Se la luce rientra nel mezzo laser, essa può stimolare una radiazione aggiuntiva. In altre parole, quando la luce viaggia attraverso il mezzo laser se trova una molecola od un atomo in uno stato eccitato, stimolerà quell’atomo per rilasciare la sua energia ed effettuerà la transizione allo stato di base. In questo modo un’onda di luce diventa due onde di luce. Entrambe queste onde di luce continuano a propagarsi attraverso il mezzo laser. Se le onde di luce sono incidenti su atomi addizionali nel mezzo laser, c’è un’ulteriore emissione stimolata. Per raggiungere una netta amplificazione della luce, più atomi o molecole devono essere nello stato eccitato rispetto a quelle allo stato di base. L’emissione stimolata continua fino a quando la luce raggiunge lo specchio anteriore e poi viene riflessa indietro di nuovo attraverso il mezzo laser. La luce continua ad essere amplificata dall’emissione stimolata finché più atomi o molecole sono in uno stato eccitato rispetto a quelle nello stato di base. La luce laser si espande poi dalla cavità risonante rendendo gli specchi parzialmente riflettenti. Una frazione di luce fuoriesce dalla cavità laser, mentre la frazione rimanente di luce resta nella cavità per mantenere il processo laser. Il processo laser continua nella cavità di risonanza finché la sorgente di eccitazione mantiene eccitate le molecole o gli atomi nel mezzo laser. La luce viene emessa o come onda continua o come impulso a seconda se l’eccitazione è continua o ad impulsi. Proprietà del laser La luce laser ha quattro proprietà intrinseche. La prima proprietà è che la luce è monocromatica (Fig. 1). La proprietà monocromatica del laser è importante in medicina. Infatti, la specifica lunghezza d’onda consente di usare i laser per colpire i vasi sangugni, ottenere l’emostasi e di ottenere la fototermolisi selettiva nel trattamento di lesioni vascolari. La specifica lunghezza d’onda della luce laser cambia anche la profondità a cui la luce laser penetra nel tessuto, la quantità di emostasi raggiunta influenza la zona di necrosi termica (Fig. 2). Anche se i laser non hanno ancora raggiunto la selettività che molti speravano, c’è ragione di credere che in futuro possano agire selettivamente su certi tipi o classi di cellule. La seconda propietà della luce laser è che essa è coerente (Fig. 1). La coerenza della luce laser significa che tutte le onde si muovono allo stesso tempo. Questa coerenza è dovuta al processo di emissione stimolata. Non solo la luce viene stimolata per essere emessa nella stessa direzione, ma viene anche emessa 55
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