เทคโนโลยีเลเซอร์science.sut.ac.th/physics/courses/105113/55-T1/June_2012.pdf ·...
Transcript of เทคโนโลยีเลเซอร์science.sut.ac.th/physics/courses/105113/55-T1/June_2012.pdf ·...
เทคโนโลยเีลเซอร์
โดย
ดร. สุกญัญา เตชะไตรภพ
ประโยชน์ของเทคโนโลยเีลเซอร์Contents:
•Laser Theory:
– Spontaneous Emission– Stimulated Emission– Amplification / Radiation
•Light source
•Properties of Laser
•Applications of Laser: Material Processing, Storage,Medical, Display, Telecommunication, Biophotonics,Optical computer
•Trend
Definition of Laser
Light Amplification Stimulated Emission ofRadiation
Spontaneous Emission
•Excited atoms ใหแ้สงออกมาไม่พร้อมกนั ไม่มีความสัมพนัธ์ซึ$ งกนัและกนั
•แสงที$ไดจ้ึงไม่มีความสัมพนัธ์กนั ต่างความยาวคลื$น ต่างทิศทาง
Incoherent light
SUN Flash Light
Stimulated Emission by Albert Einstein 1916
•Excited atoms ถกูบงัคบัใหป้ลดปล่อยพลงังานพร้อมกนั ที$ความยาวคลื$นเดียวกนั
•แสงที$ได้ เหมือนกนัทุกอยา่ง
Coherent light
Laser
Spontaneous/Stimulated Emission
Amplification
•Stimulated emission can amplify light.
•Duplication is perfect; photons are clones
– Wavelength
– Phase
– Polarization
Laser Medium สารเลเซอร์
กระจกLaser Medium สารเลเซอร์
@Laser medium
โดยกระจกเป็นตวัช่วย
Radiation
Photon inside the laser resonator radiated partial energy from the laser cavity.
แสงส่วนใหญ่ถกูกกัอยูภ่ายในระบบ และแสงที$หลุดลอดออกมาและถกูนาํไปใชง้าน -แสงเลเซอร์
กระจกหนา้Laser Medium สารเลเซอร์
กระจกหลัง
Fiber Laser
•Ytterbium-fiber laser: 1035 nm, Pump 975: Quantum defect 6% Yb fiberLaser: 978->1018 nm ->1070 •1400 nm improve the safety margin of the retinal damage by 100 to 1000 time. •Thulium (Tm) fiber:~2000 nm Single photon 790 nm excites two Tm atoms: QE 40% to 80%
Ruby Laser
First working laser: Ruby Laser byTheodore Maiman
Light Source
SUN Flash Light Laser
Light Source Light Power Power Density
Sun 1026 Watt 5 x 102 Watt/cm2
100 Light Bulb 3 Watt 10-2 Watt/ cm2
He-Ne Laser 1 mWatt 4 x 104 Watt/ cm2
Fiber Laser 20 Watt 8 x 108 Watt/ cm2
Pulsed Laser 1 GWatt 1014 Watt/ cm2
Properties of Laser
•Coherence (Time/Space)
•High power density
•Directionality เดินทางเป็นเส้นตรงไดร้ะยะทางไกล ๆ
•Brightness �Dangerous to eyes
•Monochromatic
Monochromatic Light with a singlewavelength is calledmonochromatic light.
ตามนุษย ์กบัสิ$งที$เป็น???
PURE
สิ�งที�เรียกว่าเลเซอร์
Laser produces intense, coherent, monochromatic parallel beam.
นาํไปสู่การประยกุตใ์ชง้านอยา่งกวา้งขวาง
Biophotonics
Biophotonics = Biology + Photonics
ใชโ้ฟตอนไปทาํการศึกษา-ดู (Detect) โครงสร้าง การทาํงาน สร้างภาพ (Image) ควบคุม (Control) biological material and process
โดยใชเ้ทคนิคของโฟโตนิกส์ที$ถูกนาํมาใชค้ือ :
Emission, Absorption, Radiation, และอื$นๆ
ขนาด : organs /Tissues/Cells/Molecules
ข้อจํากดัทางเทคนิค และขนาด
Fluorescence and Emission Spectrum
Figure: www.probes.com Figure: W.E. Moerner and M. Orrit, Science 283, 1670 (1999)
วเิคราะห์สญัญาน Fluorescence ทางแสงของ single molecule โดยดูจาก -การ absorption and emission dipole moment (polarization)
-ระยะเวลา fluorescence หรือ excited state lifetime
-ดู spectral emission ที$ได ้
Absorption
Emission
วเิคราะห์ขอ้มูล Absorption และ Emission ของ Tissue
Information about thebiochemical composition oftissue can be obtained byanalyzing its absorption andfluorescence spectra
Thomas Huser, Introduction of Biophotonics
ตัวอย่างภาพที�ได้จาก Fluorescence
ภาพAutofluorescence ของ human kidney tubules : แสงตกกระทบที� 532 nm : ให้แสง emission ที� 700-1000 nm
Thomas Huser, Introduction of Biophotonics
Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (TIRFM)
TIRFM เพิ$ม contrast ใหก้บัภาพของcell
Thomas Huser, Introduction of Biophotonics
เทคนิคทางแสง ให้คณุภาพของ Image ที�ดกีว่า
Thomas Huser, Introduction of Biophotonics
ใชแ้สงเพื$ม label proteins in cells
Absorption spectrum
Emission spectrum Beta-can structure of thegreen fluorescent protein (GFP)from the jellyfish Aequorea victoria
Thomas Huser, Introduction of Biophotonics
Interaction of Laser Light with Tissue
� Photothermal effect
� Photomechanical effect
� Photochemical effect
� Photoablative effect
Photothermal Effect
� Rise in temperature following
absorption of laser energy, potentially denaturing proteins and inactivating
enzymes.
� Tissue whitening due to
increased optical scattering
� Tissue shrinkage
Photochemical Effect
Photochemical effects occur when a laser beam’s photons interact with tissue cells. Photon interactions can result in changes in cell chemistry, or the conversion of individual molecules to one or more different chemical molecules, which in turn may result in damage to cells and tissue. Photochemical effects depend greatly on wavelength.
Photoablative Effect
� Explosive vaporization of intracellular water(Water undergoes a x1000 increase in volume on vaporization)� Tissue water acts as a heat-sink, limiting the temperature to 1000C� The remaining tissue is thermally coagulated to a shallow depthAblationis removal of material from the surface of an object by vaporizationprocesses.
Photomechanical Effect
Laser fragmentation of a kidney stone
Effect of Q-switch treatment laser on a tattoo
Laser Absorption and Tissue Penetration
Wavelength Specific Therapy
For muscle-healing application: Laser 830 nm penetrates skin to the depth 2”.
532 nm: Center portion650 nm: บริเวณขอบ940 nm: Outside wound
Laser Wavelength and Tissue Absorption
Anatomy of Eye
� Cornea = Lens Cover
� Iris and Pupil = Aperture of Camera
� Lens = Camera’s Lenses
� Retina = Camera’s Film
Four Vision Problems
Myopia สายตาสั6น� Nearsightedness
� Nearby objects can be seen perfectly
while objects at distance appear blurry
� Light rays occur in front of retina
Four Vision Problems Continued
Hyperopia สายตายาว� Farsightedness
� See objects at distance more clearly
Than nearby objects
� Light rays focus behind retina
Astigmatism� Both objects far and near appear blurry
� Light focuses on multiple area
Four Vision Problems Continued
Presbyopia� Common vision problem for
old age
� Dependent with reading glasses
� Human eye loss flexibility of the lens
� Weakening in the muscle
Four Vision Problems Continued
LASIK
Laser-Assisted In Situ Keratomileusis
� Changes the shape of the cornea, the clear covering of the front of the eye, using an excimer laser
LASIK continued
Uses a knife, called a microkeratome,
to cut a flap in the cornea
LASIK continued
� The excimer laser is then
� used to remove tissue and
� reshape the center of thecornea.
Material Processing
•Laser Welding
•Laser Marking
•Laser Cutting
•Laser Polishing
•Laser Cladding
•Laser Cleaning
•Laser Drilling
Laser Welding: metal, plastic, glass
•ไม่ทาํความเสียหาย (โดยความร้อน เปลี$ยนรูป บิดตวั) ใหก้บัสิ$งที$อยูใ่กลเ้คียง
•รอยเชื$อมเลก็ heatand localizedmelting
•บริเวณทาํการเชื$อม ไม่สามารถดว้ยวธิีเดิม-ลึก บาง ผา่นหลายชั6น
Material
การประกอบชิ6นงาน รอยเชื$อม ความลึก Speed
ตัวอย่างการเชื�อมงานด้วยเลเซอร์
Stainless หนา 0.25 mm: รอยเชื$อม หลงัจากขดัแลว้
Old Tech: UV or Solvent (One side UV, anther side solvent) ->นาน ยาก ยุง่ยาก ของเสียมากNew: Laser welding
Laser Cutting
Gas is needed to aid the cutting operation and to protect the optic from “spatter”.
Nitinol stent: Dia: <2 mm
Welding/Cutting/Marking Airbag
Laser Assisted Metal and Plastic (LAMP)
Micro polishing
TiAl6V was polished with fiber couple Nd:YAG laser 70-300 W.Process time: 10-200 sec/cm2
Data Storage
�Numerical aperture (NA)เพิ$มขึ6น ทาํให ้beam สามารถถูกโฟกสัใหม้ีขนาดเลก็ลง
2NA
D
λ
π�
2NA
D
λ
π�
NA ~ πD2λ
15 GB (sl) 25 GB (sl)0.7 GB
หนังสืออ้างอิง•www.intel.com
•Laser Focus World Magazine
•Industrial Laser Solutions for Manufacturing
•Laser Processing of Engineering Material by J. C. Ion
•Fiber Optics Communication Systems by G. P. Agrawal
•Laser knowledge –Any book
•Wikipedia
•เลเซอร์ฟิสิกส์ โดย ศ. ดร. วฑุฒิ พนัธุมนาวิน
•Optical computers
-Debabrata Goswami
-NASA group (H. Abdeldayem, D. O. Frazier, and etc.
References continued
•Laser Focus World Magazine
•Food and Drug Administration. <www.fda.gov>
•The Physician and Sports Medicine. <www.physsportmed.com>
•www.avclinic.com
•www.eyesearch.com
•www.emedicine.com
•www.foreyesight.com
•American Academy of Ophthalmology www.aao.org/
•http://ezeedictionary.com/forum/showthread.php/6650-Image-Mnemonic-For-The-Word-MYOPIC