Características Fudamentales Físicas, Ópticas y Operatorias del
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CAPÍTULO UNO Dr. Hilario Robledo Características Fudamentales Físicas, Ópticas y Operatorias del Láser para el Clínico La Naturaleza de la Radiación El término laser es un acrónimo anglosajón compuesto de las primeras letras de la palabra Light, Amplification by Stimulated Emission of Radiation. De éstas, la más importante es la radiación. Las otras palabras describen los medios por los cuales los láseres generan radiación. La radiación puede ser definida como la transmisión de energía de un punto del espacio a otro, con o sin la intervención de un material que actúe como medio. La radiación electromagnética no requiere medio para su transmisión: puede viajar a través del espacio libre desprovista de cualquier tipo de materia. También puede propagarse a través del espacio que contiene materia en forma de gases, líquidos o sólidos. Al entrar en estos medios desde el espacio libre, en general, la radiación electromagnética, cambiará en su dirección y velocidad de propagación. La radiación puede ser también mecánica: transmisión de vibraciones a través de un medio - material. El sonido es un ejemplo de este tipo de radiación. A diferencia de la categoría electromagnética, la radiación mecánica requiere un medio material para su transmisión. Si embargo, el medio no necesita moverse en su totalidad; sus partículas oscilan elásticamente sobre posiciones fijas, transmitiendo la energía de una partícula a la próxima y así subsecuentemente. Finalmente, la radiación puede ser una corriente de partículas de un material, tales como los electrones, protones, neutrones u otros fragmentos atómicos. Esta clase de radiación no necesita de un medio de material para su transmisión, sino que puede pasar a través de varios medios, usualmente con alguna atenuación y con un mayor o menor cambio de dirección. La radiación de partículas requiere una transferencia de masa, y la energía transmitida es la energía quinética del movimiento de las partículas. Ya que la radiación electromagnética es la que producen los láseres, nos centraremos en este tipo de radiación. Hay dos teorías básicas para explicar el fenómeno físico de la radiación electromagnética: la teoría ondular y la teoría fotónica. La más antigua de éstas es la teoría ondular, descrita por primera vez por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1979) en el año 1.864. Esta teoría puede explicar adecuadamente todos los fenómenos ópticos de la luz que han sido observados desde el nacimiento de la civilización, tal como la reflexión, refracción, difracción, interferencia y polarización. También describe el fenómeno del siglo XX de radio y radar. Sin embargo, no puede explicar adecuadamente la mayoría de los fenómenos físicos descubiertos desde el cambio del siglo veinte, tal como la distribución espectral del poder radiante generado por una fuente de calor. El físico alemán Max Planck (1858-1947) a los inicios del siglo veinte creyó necesario modificar la teoría ondular para realizar la descripción teórica de la radiación de una fuente de calor de acuerdo a los hechos observados empíricamente. Su teoría cuántica tambien cuenta para estos descubrimientos, tales como el efecto fotoeléctrico, emisión de luz por diodos, fluorescencia, fotoquímica y láseres. La Teoría Ondular Esta explicación de radiación electromagnética la describe como el viaje de ondas de campos eléctricos (E) y magnéticos (H) que se mueven a un alta velocidad a través de un espacio vacío de material en líneas rectas. La Figura 1-1 muestra un simple rayo de tal radiación. La dirección del rayo es el eje de su propagación 1 a lo largo del cual la onda se mueve. Las ondas son sinusoidales en su forma y los ejes que cruzan la onda del campo eléctrico coinciden con los de la onda del campo magnético. La figura 1-1 muestra un rayo en un plano polarizado: los campos eléctricos y magnéticos existen sólo en un plano. La onda E y la H son siempre perpendiculares la una a la otra y a la dirección del rayo. Un rayo no polarizado, que es la forma usual, podría tener ondas E radiando hacia fuera desde la dirección del rayo en todos los planos posibles, como los radios de una rueda y por cada onda E debería haber una onda H angularmente desplazada de ella por 90º. Figura 1-1 Luz dibujada como ondas octogonales de campos eléctricos y magnéticos. Lo que se muestra en esta figura es un plano polarizado de un rayo de luz. La luz despolarizada debería tener los vectores, la intensidad de una campo eléctrico y la intensidad de un campo magnético radiando fuera de los ejes de propagación en todas las direcciones posibles, como los radios de una rueda. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:4. Un campo eléctrico puede ser definido como una región del espacio dentro del cual una carga eléctrica experimentará una fuerza paralela a la dirección del vector del campo en todos sus puntos. Un campo magnético puede ser definido como una región del espacio dentro del cual una carga eléctrica en movimiento experimentará una fuerza mútuamente perpendicular a la dirección del vector del campo y perpendicular a la dirección del movimiento de la carga. Un campo eléctrico puede ser producido bien por la separación de cargas eléctricas de polaridad opuesta o por un campo magnético cambiante. Un campo magnético puede ser producido bien por una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento) o por un cambio en el campo eléctrico. Los campos eléctricos y magnéticos pueden existir en cualquier espacio vacío o en cualquier medio material. La velocidad de propagación de estas ondas a través del espacio libre, se designa por el símbolo c: c = 2.998 x 108 metros/segundo. (Ecuación 1-1) Cuando un rayo de radiación electromagnética viaja a través de un medio material homogéneo, isotrópico, su velocidad, v, es reducida: 2 v = c/n (Ecuación 1-2) Donde n es el índice de refracción del medio, una constante numérica mayor o igual a uno. Ya que n > 1 en cualquier medio, otro que el espacio vacío, un rayo de luz cruzando oblícuamente la interfaz entre el espacio libre y un medio material (como una lente) siempre cambiará en dirección o refractará. Lo mismo ocurrirá cuando cuando un rayo cruza de forma oblícua la interfaz entre dos medios o de índices de refracción diferentes. El ángulo de incidencia, q, entre el rayo y la línea perpendicular a la interfaz siempre será mayor en el medio de índice de refracción inferior. La Figura 1-2 muestra un rayo cruzando dicha interfaz. Los parámetros importantes de la radiación de la onda electromagnética son: la longitud de onda, l; la frecuencia, f; y la velocidad de propagación, v. Están relacionadas por esta simple equación: v = f l (Ecuación 1-3) Figura 1-2 Un rayo de luz cruzando una interfax de plano entre dos medios transparentes de diferentes índices de refracción. Medio 1 tiene el índice inferior: n1 < n2. Nótese que la dirección del rayo está más cerca a lo normal en el plano en el medio de mayor índice (Medio 2). Cuando un rayo de radiación electromagnética cruza la interfaz entre dos regiones que tienen diferentes índices de refracción, se cambia su velocidad de propagación. Sin embargo, la frecuencia de la onda (el número de ciclos totales pasando por un punto fijo en el espacio en una unidad de tiempo) es constante, y así la longitud de onda cambia proporcionalmente en la equación 1-3. La Teoría Fotónica de la Radiación Electromagnética En 1905, Max Planck modificó la teoría ondular postulando que la energía transportada por una onda 3 electromagnética no puede ser finalmente subdividida en incrementos siempre más pequeños, sino que la energía radiante consiste de pequeñas, unidades indivisibles. Planck denominó a estas unidades un quantum/cuanto de energía. En la terminología moderna, cuando se habla de energía radiante, podría denominarse como un fotón. Un fotón sería una partícula de energía radiante sin masa que se mueve a tavés del espacio en línea recta a una velocidad c. Aunque no tiene masa, tendría la equivalente de momentum, o [MASA] x [VELOCIDAD] y podría ejercer una fuerza sobre un cuerpo material. Un fotón puede considerarse como el equivalente de una cadena de ondas de longitud finita en el espacio, o una wavelet (ondículas), como se muestra en la figura 1-3. A una intensidad de radiación muy baja, como la recibida por un telescopio astronómico por una estrella lejana, la luz realmente llega en discretos cuantos que pueden ser detectados indivudualmente por un contador de fotones. Figura 1-3 Se dibuja un rayo de luz como un chorro de fotones. Un fotón es un quantum de energía radiante, equivalente a una ondícula (wavelet): una cadena de ondas de longitud finita en el espacio. Por claridad, se muestran solamente algunos ciclos de la onda E en cada ondícula. Las ondículas reales tienen miles de millones de dichos ciclos. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:20. Un concepto importante de la teoría cuántica de Max Planck’s, es que hay un valor de energía definido asociado con cada fotón. Esta energía fotónica es proporcional a la frecuencia de la wavelet (ondícula) equivalente: ep = hf = hc/ l (Ecuación 1-4) En la ecuación 1-4, ep es la energía fotónica, h es la constante de Planck’s (h = 6.626 x 10-34 julios segundo) y f es la frecuencia de la ondícula (wavelet). Esta ecuación fundamental de la teoría fotónica de la luz, muestra que la energía fotónica aumenta directamente con la frecuencia, pero aumenta inversamente con la longitud de onda. Las radiaciones de onda larga, son por tanto menos energéticas que las radiaciones de onda corta (menor longitud de onda) y viceversa. El Espectro Electromagnético El rango de valores de frecuencia, longitud de onda y <> o energía fotónica que se encuentra en el universo natural, se conoce como el espectro electromagnético. En términos de cualquier de esos parámetros, se extiende unas 20 órdenes de magnitud (factores de 10, o ciclos en una escala logarítmica). En el muy corto final de las longitudes de onda del espectro, están los rayos cósmicos, y en el muy largo final, están las ondas de radio. La totalidad del espectro está representado gráficamente en la figura 1-4, en el cual las ecuaciones 1-3 y 1-4 están trazadas en un gráfico logarítmico doble. Nótese que la banda estremadamente corta, es el espectro visible, se pueden ver con nuestros ojos. Fuentes de Radiación Electromagnética 4 Las radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda más largas de un milímetro se generan más eficientemente por dispositivos de circuitos eléctricos com klyntrons (es un tubo especializado de vacío (un tubo a los que se han evacuado los electrones) llamado tubo de haz linear), magnetrones y radio osciladores, mientras que las longitudes de onda más cortas, menores de 1 milímetro, se producen más eficientemente por átomos y moléculas. Debido a que los láseres generan radiaciones comprendidas en el rango de longitudes de onda desde los 100 nanómetros a los 20.000 nm (un nm = 1 x 10-9 m), nosotros debemos centrar nuestra atención en el resto de este capítulo solamente sobre este rango de longitudes de onda (100-20.000 nm). Además, por simplicidad, deberíamos designarlas por el nombre luz, aunque, estrictamente hablando, la luz está solo en el intervalo de 400-700 nm, son aquellas que nuestros ojos pueden percibir, la luz del día. Figura 1-4 Tramo de una doble ecuación logarítmica 1-3 y 1-4 desde 10-9 µm hasta 1.0 m. Observe que la escala de energía fotónica a la derecha del eje vertical está divididido por un factor de 4.14 de tal forma que ambos tramos de ecuaciones tienen la misma línea recta. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:18. Conceptos Físicos Básicos: Energía, Potencia y Materia Energía y Potencia 5 La energía es la capacidad para hacer el trabajo, tal como levantar un cuerpo sólido en contra de la fuerza gravitatoria. En términos de dimensiones físicas, se puede expresar como [ENERGÍA] = [FUERZA] X [LONGITUD], (1-5a) o [ENERGÍA] = [MASA] X [VELOCIDAD]2 (1-5b) El científico alemán Albert Einstein (1.879-1.955) postuló que la materia y la energía son diferentes formas de la misma entidad física y que una puede convertirse en la otra de acuerdo a la siguiente ecuación cuantitativa e = mc2 (1-6) donde e es la energía, m es masa y c es la velocidad de la luz en el espacio vacío. La relación se demostró con una impresionante claridad cuando explotó la primera bomba atómica sobre Hiroshima en 1.945. La potencia es la proporción de tiempo de transferencia o transformación de energía: [POTENCIA] = [ENERGÍA] / [TIEMPO] (1-7) La unidad de energía m.k.s (metro, kilogramo, segundo) es el julio. La unidad de potencia m.k.s. es el vatio (w): 1 vatio = 1 julio / 1 segundo (1-8) Materia: Átomos y Moléculas La materia es el material básico del que está compuesto el universo. Su propiedad más importante es la masa. En la ciencia esto es tan básico que no se puede definir en términos de un concepto más simple. La masa es una de las cuatro dimensiones físicas fundamentales: [LONGITUD], [MASA], [TIEMPO] Y [CARGA ELÉCTRICA]. La masa está incorporada en una deslumbrante variedad de sustancias que se encuentran en el universo, desde un gas de hidrógeno simple a compuestos orgánicos de gran complejidad. Para nuestros propósitos, toda la materia está hecha de átomos y moléculas. Los átomos, unidades básicas de la estructura de la materia, a pesar de descubrimientos posteriores de partículas subatómicas, existen en 108 variedades, conocidos como los elementos. La estructura básica de los átomos, postulada en primer lugar por el físico danés Neils Bohr (1.8551.962) en el año 1.913, es esquemáticamente la misma para todos los elementos. El centro de un átomo es el núcleo, en el cual están agrupadas partículas relativamente masivas llamadas neutrones, que no poseen carga eléctrica y comparablemente también en número importante de protones, que tiene carga eléctrica positiva. Orbitando alrededor de este núcleo, están los electrones, son pequeñas partículas negativamente cargadas que contienen la mayoría de la masa de un átomo, se mantienen en sus órbitas por fuerzas electrostáticas entre ellos y los protones del núcleo. La teoría cuántica de la estructura atómica, permite solamente ciertos tamaños orbitales, formas y distancias del núcleo Las órbitas permitidas pueden ser círculos o elipses, que ocurren en grupos llamadas cortezas. Para cada especie de átomo hay un cierto máximo número de electrones que ocupan cada corteza, aunque no todos los átomos tienen la totalidad del número de electrones permitido. La diferencia esencial entre un elemento y otro, está en el número de electrones orbitando y de protones en el núcleo. En átomos neutrales, el número de protones es igual al de electrones orbitando. Si el número de protones y de electrones no es igual, se dice que el átomo está ionizado: tiene una caraga eléctrica neta positiva o negativa. 6 En la mayoría de los átomos de un elemento dado, el número de protones es aproximadamente el mismo que el de neutrones. Sin embargo, algunos átomos individuales de un determinado elemento pueden diferir en el númerode neutrones que ellos tiene; tales átomos se llaman isótopos del elemento, difieren en masa pero son idénticos en sus propiedades químicas. En la figura 1-5 se muestra esquemáticamente un hipotético átomo con electrones orbitando alrededor del núcleo en trayectorias elípticas. Figura 1-5 Diagrama esquemático de un átomo hipotético con electrones orbitando el núcleo en trayectorias elípticas: se muestra el átomo en estado basal en un nivel de energía bajo. Un átomo excitado tendría uno de sus electrones más periféricos desplazado en una órbita más externa y larga. Las tres trayectorias más largas y periféricas no muestran electrones en las que se permite orbitar bajo las normas cuánticas, cada una de ellas corresponde a un nivel de energía más alto que aquellas órbitas de electrones más cercanas al núcleo con un nivel energético menor. Los niveles de energía que se muestran en el diagrama se corresponden a un sistema de cuatro niveles de energía. En las figuras 1-6, 1-7, 1-8, 1-9, 1-10 y 1-11, se muestran de forma esquemática la teoría atómica y sus fundamentos físicos: 7 Figura 1-6 El átomo está formado por tres tipos de partículas elementales: El electrón, el protón y el neutrón. Figura 1-7 Los átomos se enlazan formando moléculas y estas a su vez macromoléculas como la doble espiral de ADN. Supongamos que tenemos un átomo aislado. En esta modelización, el átomo esta compuesto por dos partes bien diferenciadas, el núcleo y la corteza. El núcleo está constituido por protones y neutrones y la corteza por electrones. Al núcleo se debe la identidad de la materia ( Oro, Plata, Hidrógeno, etc.) y su ordenamiento en la Tabla Periódica, y a la corteza se deben sus propiedades químicas, eléctricas y magnéticas. La corteza del átomo está formada por electrones que giran en ciertas órbitas alrededor del núcleo. Estos son menores que la milésima parte de un protón en masa, aunque ambos tienen la misma carga y signos opuestos. Dado que un neutrón es, aproximadamente igual, al protón, en masa, no es difícil imaginar un mini sistema planetario, con un enorme núcleo en su centro y unos minúsculos satélites eléctricos orbitando a su alrededor (Figura 3). Estos electrones no pueden ocupar en el espacio del átomo cualquier lugar, si no unos determinados por la propia naturaleza del mismo. Figura 1-8 Los electrones giran en la corteza atraídos por los protones del núcleo, permaneciendo en orbitales cerradas alrededor de él. Estos lugares exclusivos, llamados estados permitidos, son llamados orbitales y provocan que cada elemento de la naturaleza tenga su propia “huella dactilar”: el espectro atómico. Todo ello nos permite intuir que la energía de un electrón esta cuantizada. De hecho la energía que posee un electrón se define con cuatro parámetros llamados “números cuánticos”. Un 8 7 átomo con orbitales vacíos presenta un desequilibrio. Esto le crea una cierta avidez en captar electrones errantes o ajenos. Potencialmente tenderá a subsanarlo manteniendo siempre llenos, en orden creciente, los más próximos al núcleo. Estos son los de menor energía. Cuando aplicamos una impulso extra al electrón, este tiende a ocupar órbitas más elevadas. Si esta energía es suficiente, puede incluso abandonar el volumen de influencia del átomo y salir de él. A una cierta distancia del núcleo los orbitales posibles de energía desaparecen y se habla de un “continuo” de energía. Como las perturbaciones sufridas por los electrones son las causantes de las radiaciones electromagnéticas vamos a fijar nuestra atención en este punto. La radiación electromagnética Los electrones son portadores de energía y además de girar alrededor del núcleo, lo hacen también alrededor de su propio eje, particularidad llamada espín y cuyas perturbaciones tienen mucha relación con las propiedades magnéticas de la materia. Cuando dijimos que la energía que poseía un electrón en su órbita estaba cuantizada, lo hicimos con la finalidad de sentar las bases de la emisión electromagnética. Cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro lo hace absorbiendo o emitiendo una radiación electromagnética dada. Usando los postulados introducidos por Einstein, a este paquete de energía radiada (quantum/ cuanto de acción) lo llamaremos fotón. Podemos imaginarnos pues, una radiación, como una sucesión de fotones emitidos en todas las direcciones. Figura 1-10 Al cambiar de un nivel a otro de energía, el electrón emite o absorbe un fotón de radiación electromagnética. Los electrones también giran alrededor de su propio eje. Un fotón tiene como característica fundamental una energía y una frecuencia determinadas que están relacionadas por la conocida expresión E= hv, siendo, E, la energía del fotón. v, la frecuencia y h, la constante de Planck: E=hv, c=300.000 km/s. Dos características importantes de las radiaciones electromagnéticas: La energía fotónica y la velocidad de propagación. Observemos que el fotón se emite, como energía discreta y única por un electrón, cuando salta de una energía mayor, a una menor. Luego una radiación continua exige una emisión continua de fotones y por tanto un trasiego continuo de uno a otro nivel. En general podemos decir que la radiación electromagnética se produce a consecuencia de las perturbaciones sufridas por los electrones. Esta definición tiene consecuencias muy importantes. Por una parte nos dice que si hacemos vibrar un átomo en su conjunto también se perturbarán los electrones y por tanto habrá emisión de fotones. Esta vibración radiaría fotones térmicos (calor) principalmente. Lo mismo es aplicable a una vibración, o rotación, molecular y a una macromolecular. Curiosamente, las estructuras más complejas también tienen energías cuantizadas características. Hemos explicado mucho sobre electrones y energía cuantizada pero entonces ¿qué ocurre con los electrones fuera del átomo, en la región del continuo? (en donde, repetimos, puede tomar cualquier valor energético). Allí en esas áreas podemos someter a los electrones a perturbaciones por medio de campos eléctricos y magnéticos provocados, haciendo que se desplacen a lo largo de un hilo conductor con la cadencia que deseemos y por tanto provocando la emisión de radiación. Pensemos en todo lo expuesto: Se ha presentado la radiación electromagnética como algo universal, común a todos los cuerpos radiantes. Se ha visto que se caracterizan por su energía fotónica, función de su frecuencia y que siempre se produce por perturbaciones de carga, bien sea al desplazarla por un conductor, como en la corriente eléctrica, o por que salta de unos niveles a otros de energía. Adjuntamos una figura donde se puede ver en escala apropiada el espectro electromagnético completo (Figura 1-11). La energía de los fotones de radiación se presenta en e.v. (electrón-voltio) que es una unidad, muy apropiada, para estas escalas. 9 Figuras 1-11 y 1-12 Espectro electromagnético en función de la frecuencia y energía de las radiaciones. Por otra parte la velocidad de transmisión de estas radiaciones es siempre la misma, 300.000 Km./segundo, sin importar su frecuencia o energía. Todo lo que se ha expuesto, se ha presentado con la finalidad, de justificar unos conceptos que son las claves que buscamos y sobre las que descansan los principios de funcionamiento de la luz láser: La radiación electromagnética aparece siempre que se produce una variación en la posición de los electrones de la materia. La radiación electromagnética es portadora de energía. Estados Atómicos Para cada especie de átomo, en su condición neutral, sin perturbar, existe una configuración específica de electrones en sus órbitas sobre el núcleo. A esta configuración se le llama el estado del átomo. Es un compuesto del estado de todos los electrones. El estado de cada electrón se describe por 4 números cuánticos: (1) el principal número cuántico, que caracteriza la corteza de electrones de Bohr; (2) el número cuántico orbital, caracterizado por el momento angular orbital del electrón; (3) la orientación del número cuántico, describiendo la dirección del o.a.m. vector relativo a un campo eléctrico externo; y (4) el número cuántico spin, caracterizando el vector del momento angular del spin/eje del electrón. No hay dos electrones en el mismo átomo que puedan tener grupos idénticos de estos números cuánticos. Niveles Atómicos de Energía En cada estado de un electrón hay un valor específico de energía. Los electrones que están orbitando cerca del núcleo tienen una energía menor que los electrones que orbitan más lejos del núcleo. La suma de las energías de todos los electrones es la energía total del átomo. El valor de esta energía del átomo se le denomina su nivel. Los niveles se expresan usualmente en electrón-voltios, recíproco a centímetros, ya que ep es inversamente proporcional a la longitud de onda, o julios. Estas unidades de energía están relacionadas como sigue: Un eV = 1.6022 x 10-19 J (1-9a) Un cm-1 = 1.9865 x 10-23 J (1-9b) Un eV = 8065 cm-1 (1-9c) En la teoría cuántica de la estructura atómica se requiere que el nivel del átomo pueda cambiar solo por discretos incrementos de energía, correspondientes a los cambios permisibles de energía de un electrón, cambiando de un grupo de números cuánticos a otro (habitualmente saltando de una órbita a otra). Por lo tanto 10 los niveles permisibles de un átomo son un grupo de valores discretos de energía, como una escalera, donde el paso arriba o abajo debe ser hecho de una vez, en vez de un cambio contínuo como ocurriría con una rampa. Excitación y Emisión Espontánea Un átomo aislado, libre de influencias externas, estará normalmente en lo que se llama estado basal, que se corresponde al nivel más bajo de energía posible. Puede alcanzar niveles de energía mayores pero solamente en pasos discretos, por la absorción de energía en incrementos cuánticos desde fuentes externas. Si esto sucede, el átomo está entonces en un estado excitado. Los estados excitados no persisten indefinidamente, usualmente en un corto lapsus de tiempo volverá a un nivel de energía menor y finalmente a su estado basal por la emisión de energía. Esta emisión puede tomar al forma de un fotón (wavelet); se denomina emisión espontánea. La emisión espontánea es el origen de toda fuente de luz que sucede de forma natural en el universo. Cuando esto ocurre, la frecuencia del fotón (wavelet) emitido se da por la siguiente relación: f = De/h Donde De es la diferencia en energía entre el nivel excitado del átomo y el nivel inferior, al cual el vuelve por emisión espontánea. También es posible, por el átomo excitado, que entregue este exceso de energía por colisión con otro átomo (en un gas o líquido) o por la inducción de vibración de un sólido. Emisión Estimulada En una publicación, ahora famosa, Albert Einstein predijo en 1.917 que debería ser posible producir, lo que nosotros ahora llamamos, una emisión estimulada, que es el fenómeno básico de todos los láseres. Su profecía se adelantó 43 años en el tiempo, cuando el primer láser se construyó por Theodore Maiman en 1.960. La emisión estimulada sucede cuando un átomo ya excitado es golpeado por un fotón (wavelet) emitido espontáneamente por otro átomo de la misma especie que está volviendo al estado basal desde un estado excitado idéntico. El fotón entrante no es absorvido, sino que actúa como un desencadenante para que el átomo impactado emita un fotón idéntico y vuelva a su estado basal. El fotón emitido y el fotón desencadenante de esta emisión, son de la misma longitud de onda y frecuencia, se propagan a lo largo de ejes paralelos en un sincronismo temporal y espacial idénticos. Así, la emisión estimulada resulta en una amplificación de la luz en esta longitud de onda y frecuencia: el fotón desencadenante produce otro fotón idéntico. La figura 1-13 muestra esquemáticamente: excitación, emisión espontánea y emisión estimulada. 11 Figura 1-13 A: El átomo de la figura 1-5 dibujado esquemáticamente en un estado excitado, después de haber absorvido un wavelet de luz (fotón) cuya energía es igual al incremento (E3 - 0), correspondiente al salto desde el estado basal a la órbita más externa. Desde este primer y más alto nivel, el electrón desplazado cae a la órbita cuyo nivel es E2, la energía (E3 - E2) habitualmente se pierde en forma de calor. Estados y Niveles de Energía de las Moléculas Una molécula es una colección de átomos, de la misma especie o de especies diferentes, ligadas entre sí por fuerzas asociadas a los electrones en las cortezas, órbitas externas. Cada molécula tiene un estado, el cual es la composición de los estados de todos los átomos que la constituyen, más todos los posibles modos de vibración interna de los átomos constituyentes y las rotaciones de las moléculas como un total. Asociado a cada posible estado, hay un valor específico de energía para la molécula. Al igual que con los átomos, el valor de esta energía se denomina el nivel de la molécula. Los niveles de energía implicados usualmente en la absorción o emisión de la luz por las moléculas son aquellos asociados con las vibraciones y rotaciones, en vez de los niveles electrónicos de los átomos que la constituyen. En las moléculas complejas existe con frecuencia muchos estados y niveles permisibles. Ya que las diferencias entre los niveles rotacionales y vibracionales adyacentes son más pequeños que aquellos entre los niveles electrónicos en los átomos, la frecuencia de emisión espontánea molecular de fotones son inferiores a los fotones atómicos y sus longitudes de onda son mayores. Elementos Básicos de los Láseres El funcionamiento de los láseres de diferentes variedades atómicas o moleculares tienen ciertos elementos comunes en cuanto a su estructura y función. Se excluyen aquí los láseres de electrones libres, que difieren considerablemente de los láseres ordinarios en su construcción y operación. Estos elementos comunes son: 1. Un medio material que posee unos nieveles energéticos apropiados para producir las longitudes de onda deseadas de luz, segú la Equación 1-10. 2. Una cavida de resonancia óptica, en forma de un cilindro cuya longitud es mucho más larga que su diámetro y que tiene espejos coaxiales en la parte final opuesta del mismo, y 3. Una fuente externa de energía para proporcional la excitación de los átomos o moléculas del medio mediante el proceso de bombeo. El medio disponible hoy día para los láseres incluyen cientos de materiales diferentes: gases, líquidos y sólidos. La cavidad de resonancia está habitualmente con espejos que son sectores de esferas teniendo un radio mucho más grande que la distancia enter los espejos, debido a que los espejos planos tienen mucha dificultad para alinearlos apropiadamente. En un extremo del resonador (cavidad más el medio), el espejo debe tener una reflectancia mayor del 99.8% en la longitud de onda del láser. En el otro extremo de la cavidad, el espejo debe tener una transmitancia entre el 1 y 20%, dependiendo de la longitud de onda y de otros factores. Esto es necesario para permitir que la luz del láser pueda escapar del resonador para su utilización externa. La fuente de energía es necesaria ya que el medio no puede generar espontáneamente energía por su propia excitación, excepto en el caso de los láseres químicos, que consumen su medio activo. La bomba de energía es a menudo eléctrica (una corriente eléctrica fluyendo a través del medio) o radiante (luz procedente de una funte no coherente o procedente de un láser). La energía térmica se puede emplear a condición de que produzcan diferencias de temperatura dentro del medio, pero un medio calentado a una temperatura uniforme 12 siempre tiene más átomos o moléculas en niveles energéticos menores, de tal forma que hacen imposible producir más átomos o moleculas individuales en el estado excitado que en el estado basal. Las figuras 1-14, 1-15 y 1-16 muestra esquemáticamente los elementos esenciales del láser. 13 GENERACIÓN DE LA LUZ LÁSER Bombeo del Medio Láser Cuando se bombea el medio láser por la introducción de energía desde la fuente externa, algunos átomos o moléculas (a los cuales nos deberíamos referir como indivíduos) se excitarán a un nivel superior desde el cual hay una posible transición radiante descendente a un nivel inferior que está por encima del nivel basal. La diferencia entre este nivel superior y el que está por encima del nivel basal es la transición láser. Esto determina la frecuencia y la longitud de onda de la radiación láser emitida según la equación 1-8. Cuando comienza el bombeo, los primeros indivíduos excitados efectuarán esta transición láser y emitirán espontáneamente wavelets (ondículas) de la longitud de onda láser deseada. Estas ondículas se emitirán aleatoriamente en todas direcciones. Aquellas que viajan en direcciones no paralelas al eje reflectivo de los espejos, escaparán de la cavidad láser (si el medio activo se encuentra dentro de un cilindro transparente) o bien serán absorvidas en la interfaz (si el cilindro es absorvente). Los rayos de luz emitidos espontáneamente y que se encuentran aproximadamente paralelos al eje del espejo se reflejarán hacia atrás y hacia delante muchas veces a través del medio activo situado entre los espejos. La intensidad de esos rayos reflejados disminuirá por la absorción de indivíduos no excitados de una forma exponencial con la distancia. Sin embargo, si los rayos reflejados axialmente golpean indivíduos ya excitados, su intensidad aumentará exponencialmente con la distancia por la emisión estimulada. Emisión Estimulada Sostenida: Población Inversa Claramente, la probabilidad de que un rayo emitido de luz espontáneamente choque con un indivíduo no excitado es proporcional al número de indivíduos no excitados por unidad de volumen del medio. El mismo tipo de relación exista para el choque con un indivíduo ya excitado. Cuando el número de indivíduos excitados por unidad de volumen exceden al número de los no excitados, la posibilidad de amplificación del rayo reflejado será mayor que su atenuación, comenzando de esta forma la acción láser (emisión estimulada sostenida). Por lo tanto, la condición necesaria para que haya una acción láser sostenida, es que el sistema de bombeo pueda producir un superávit de indivíduos en el nivel láser superior sobre aquellos que están en un nivel láser inferior. A esta condición se la conoce como población inversa. Es muy difícil crear una población inversa entre un nivel superior arbitrario y el nivel basal de especies atómicas o moleculares debido a que los indivíduos excitados tienden al estado basal casi tan rápido como son producidos. Por lo que será necesario utilizar un medio láser que tenga algún nivel energético que se encuentre por encima del nivel láser superior y que sea este nivel láser superior metastable, es decir, que la vida media del nivel láser superior sea considerablemente más larga de la del nivel láser inferior, de tal forma que los indivíduos bombeados al nivel superior caerán rápidamente y se acumulan en el nivel metastable, incluso en una potencia de bombeo relativamente baja. Además, es deseable tener un nivel láser inferior que se encuentre por encima del nivel basal, ya que cualquier temperatura finita del medio habrá muy pocos indivíduos que existan naturalmente en este nivel láser inferior. Por lo que para la creación de una población inversa no se requiere una gran potencia de bombeo. La clase del medio anteriormente descrita se le denomina material de cuarto nivel, ya que tiene cuatro niveles de energía que están involucradas en el bombeo y en el proceso final: el primer nivel alto, el siguiente nivel inferior metastable, el nivel láser inferior y por último el nivel láser basal (al cual todos los indivíduos deben volver antes de que puedan ir al ciclo de bombeo otra vez). La gran mayoría de medios láseres disponibles son materiales de cuarto nivel. Una excepción notable es el rubí (utilizado en el láser histórico de Maiman): que tiene nivel láser inferior y basal, siendo por lo tanto un medio de tres niveles. 14 Efectos de la Temperatura Normalmente el calor no es una forma efectiva de energía para bombear un medio láser. Esto es así debido a que cualquier temperatura finita entre el cero absoluto y la infinidad, siempre tendrá más indivíduos en niveles de energía inferiores que en niveles energéticos superiores, con la gran mayoría en el nivel basal. La distribución de átomos o moléculas individuales entre los niveles energéticos en cualquier medio láser homogéneo a una temperatura uniforme, está definida por la equación de Boltzman, la cual muestra que la población de indivíduos en cualquier nivel energético dado es siempre mucho más bajo que en los niveles por debajo de este nivel determinado. Por lo que la temperatura uniforme va en contra de la creación de una población inversa. En el cero absoluto, todos los indivíduos estarían en el nivel basal y una temperatura infinita todos los niveles energéticos estarían poblados uniformemente. Modos Longitudinales del Resonador Láser Debido a que una acción láser sostenida requiere muchos pases de ondículas espontáneas reflejadas hacia delante y atrás a través del medio láser entre los espejos, está claro que solamente aquellas longitudes de onda que puedan producir ondas constantes (refuerzo) entre los espejos serán amplificadas por la emisión estimulada. Para que existan ondas constantes en el resonador láser, los trenes de ondas que se dirigen hacia delante deben reforzarse por los trenes de ondas que van hacia atrás: las crestas y los valles de las ondas que van hacia delante deben coincidir con las que van hacia atrás. Esto significa que la intensidad de las ondas E, hacia delante y hacia atrás, debe ser cero en la superficie de cada espejo. Esta condición requiere que la distancia entre los espejos debe ser un múltiplo de un número entero de la mitad de la longitud de onda: Zm = xl/2 (Ecuación 1-11) En la ecuación 1-11, Zm es la distancia entre las superficies de los espejos, y x es la integral: 1,2,3,4,5,6,7,... Ya que a longitudes de onda de luz láser muy cortas, los valores de x en los láseres reales son números muy largos: en un resonador 1 m viajando a una longitud de onda de 1.000 nm, x = 2.000.000. 15 Figura 1-17 Diagrama esquemático de un láser que tiene espejos de sección esféricos y lentes de enfoque externas. Nótese que la curvatura de la envoltura de los rayos reflejados en el interior del resonador están exagerados para su mejor comprensión, así como la divergencia del haz emergente. Este láser se ha dibujado emitiendo un haz de luz gausiano: TEM∞. Nótese también que la longitud axial de un resonador láser típico es mucho mayor que su diámetro. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:79. Las longitudes de ondas descritas en la ecuación 1-11, se conocen como modos longitudinales del resonador. La naturaleza selectiva de la frecuencia de la cavidad óptica limita el número de longitudes de onda que pueden ser amplificadas y la ganancia (amplificación) del medio láser selecciona apenas algunos de estos modos longitudinales para ser amplificados por la emisión estimulada. El resultado de este efecto es una banda de longitudes de onda sumamente estrecha en la luz emitida por un láser típico. Aunque, en teoría, la longitud de onda de la luz emitida por un átomo o molécula tiene una propagación de cero (sólamente una longitud de onda y no otra), en realidad los niveles energéticos del medio láser no son líneas nítidas, sino que se ensanchan en bandas de energía por la influencia de campos eléctricos del átomo o de la molécula próximos a otros. El efecto neto es permitir una banda de longitudes de onda centradas alrededor de la longitud de onda central emitida por el láser. Este ensanchamiento es mayor para los láseres de estado sólido (como los cristales de neodimio), cuyos átomos están cercanos unos de los otros, y menos para los láseres gaseosos a bajas presiones (como el helio neón). No obstante, en la mayoría de los láseres, la anchura de la banda de la luz emitida es solamente una fracción de nanómetro. Modos Electromagnéticos Transversos de un Resonador Láser En la figura 1-17 se muestra esquemáticamente el resonador de un láser que tiene espejos de sector esféricos. Debido a que los espejos son curvados, la envoltura de los rayos reflejados en el interior tendrán la forma de un esbelto reloj de arena. Por motivos de claridad, las curvaturas en la figura 1-17 están exageradas. Fuera del láser, donde emerge el haz desde el espejo de transmisión parcial, habrá una ligera divergencia del haz, de nuevo se muestra exagerado en el esquema. Realmente, la mayoría de los láseres divergen solamente algunos miliradianes (1 miliradián = 0.0573º). Casi siempre se necesita una lente focalizadora externa al láser para reducir el diámetro del haz a un pequeño valor para su utilización quirúrgica. En la figura 1-17 se muestra una lente positiva simple. Teóricamente, ya que los rayos del haz láser entran en la lente focalizadora aproximadamente paralelos a su eje óptico, estos convergerán todos en la cara opuesta en el mismo punto focal. Sin embargo, el fenómeno de difracción, que causa que cada punto del avance de la onda frontal del haz láser, sea el origen de nuevas ondas, y origina que el diámetro real del haz en el plano focal sea mayor que cero, ya que la difracción radia la energía fuera del eje del haz. Con espejos esféricos, la intensidad o la densidad de energía del haz láser no será uniforme a través de todo el haz, sino que el mayor punto energético se encontrará más cerca del centro y disminuirá con la distancia radial desde el eje hasta cero en una distancia infinita. En un láser ideal, teniendo una alineación pefecta de los espejos esféricos de reflectividad uniforme, la distribución radial más simple de la densidad de energía a lo largo del haz tendrá un perfil gausiano, que se muestra en la figura 1-17 en la sección S-S. La distribución de la densidad de energía a través del haz láser se denomina el modo electromagnético transverso del haz. Denominado por el acrónimo TEM, derivado por las tres primeras letras de estas tres palabras (transverse electromagnetic mode). Son posibles otras distribuciones diferentes al modo gausiano en un láser ideal con espejos esféricos perfectos. Estos modos de una orden más alta pueden tener varios picos y valles, como la escala de una montaña, si se ve en una perspectiva tridimensional. Las localizaciones de la intensidad de las crestas y los valles 16 serán simétricas sobre el eje del haz en ciertos planos que pasan a través de los picos y de los valles, aunque no todos los planos diametralmente tienen tales crestas y valles. El perfil gausiano tiene una simetría circular completa sobre su eje, como la arena vertida de un pequeño agujero en el fondo de un reloj de arena sobre una superficie bajo el plano horizontal. Toda su distribución se puede designar por el acrónimo TEMmn, donde los números suscritos son pequeñas integrales (1,2,3,4,5,6,7,8, etc). La significación de los suscritos es que pueden mostrar como muchos canales están en la dirección x (m) y en la dirección y (n) de una trama tridimensional del perfil de la intensidad si el eje del haz está en la dirección z. Un caso especial es el modo TEM01, que denomina un perfil como un cráter volcánico simétrico. Los modos de una orden más alta son raramente deseables en los láseres quirúrgicos, la mayoría de los cuales producen una aproximación bastante buena al modo gausiano, o perfil TEM00. El modo gausiano, o fundamental, es el preferido debido a que permite el diámetro más pequeño posible del haz en el plano focal. Si se examina el perfil de la densidad de potencia de un haz gausiano en cualquier plano que pasa a través del eje del haz, se podrá observar que la densidad de potencia es más alta en el eje y cae simétricamente a cero en grandes distancias radiales. Debido a esta asintótica aproximación a cero, no hay un diámetro finito que abarque toda la luz del láser. Sin embargo, el perfil gausiano tiene una descripción matemática simple: pr = pce-2(r2/w2) (Ecuación 1-12) donde pr es la densidad de potencia del haz a un radio r, pc es la densidad de potencia en el eje, e es la base de un logaritmo natural (2.71828---), r es la distancia radial desde el eje y w se le llama al radio eficaz del haz. El díametro eficaz del haz, 2w, es una definición matemática que es útil cuando se trata de haces gausianos. Puede recordarse más fácilmente como el diámetro de un círculo concéntrico, normal al eje, dentro del cual se transmite el 86.3% del total de la potencia del haz. Otro hecho útil que se debe recordar sobre el diámetro eficaz, de, es que un círculo concéntrico del diámetro, 1.5de, tiene el 98.8% del total de la potencia del haz láser. es: El diámetro eficaz más pequeño posible de un haz de luz láser perfectamente gausiano en el plano focal de = 2w = 4Fl/πD (Ecuación 1-13) donde F es la longitud focal de la lente, π = 3.1416----, y D es el diámetro del haz donde entra en la lente focal. Para haces de cuaquier otro TEM, el de será mayor. Para un haz gausiano, puede ser solo para alguans longitudes de onda de la luz láser. Este es el diámetro más pequeño que se puede lograr enfocando cualquier haz de luz de cualquier fuente. Propiedades Únicas de la Luz Láser La luz producida por un láser tiene tres acarcterísticas especiales que no se encuentran en la luz de cualquier otro origen: 1. Colimación, 2. Coherencia y 3. Monocromaticidad. Se van a describir estas propiedades en las siguientes secciones. Por último, se observará que estas propiedades no son igualmente importantes para los láseres quirúrgicos. Colimación En la figura 1-18 se muestran cuatro rayos de luz que emanan de un láser (en la parte izquierda) y que viajan a la derecha a la velocidad c. La colimación significa simplemente que son paralelos entre si. Esta 17 propiedad de la luz láser es la que hace posible capturar toda la luz emitida por un láser, debido a que ella emerge de un haz de pequeño diámetro que no tiene convergencia ni divergencia, a menos que se coloque una lente o espejo en su trayectoria. Figura 1-18 Diagrama esquemático que muestra cuatro rayos de luz láser colimadas (paralelos), polarizados en el plano emanando desde un láser a la izquierda (no mostrado). La coherencia espacial es evidente por la coincidencia de las crestas y los valles a lo largo de las líneas perpendiculares a los ejes de los rayos. La coherencia temporal se evidencia igualmente por el hecho de que todos los rayos tienen la misma frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación. La monocromaticidad también es evidente debida a que todos los rayos tienen la misma longitud de onda. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:72. Coherencia La coherencia significa que las ondas E de la luz de los rayos en la figura 1-18 están en fase los unos con los otros en el espacio y en el tiempo. La coherencia espacial significa que las crestas y los valles de todas las ondas coinciden a lo alrgo de líneas perpendiculares a los rayos. La coherencia temporal quiere decir que la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad de propagación son constantes en todo momento, de tal modo que el valor de la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto a lo largo de su eje puede predecirse en cualquier instante futuro en el tiempo conociendo lo que es ahora en cualquier otro punto. Monocromaticidad La cromaticidad significa que la luz de los rayos mostrados en la figura 1-18 tienen una única longitud de onda que es constante. En la luz de los láseres actuales existe siempre alguna pequeña propagación de la 18 longitud de onda, como se describió previamente, pero esta propagación es tan pequeña en la mayoría de los láseres que es menor del 0,007% de la longitud de onda central. Los láseres de gas como el dióxido de carbono y el helio neón, tienen la propagacoión más pequeña ya que los niveles energéticos de los átomos o moléculas en los gases son líneas nítidas, no se ensanchan por la proximidad de otros indivíduos excepto a altas presiones. La propagación de la longitud de onda en dichos láseres es debido al tiempo limitado que se requiere por un indivíduo para hacer la transición de la energía hacia abajo que origina la emisión de la luz láser. Sólamente una transición que ocurra en un espacio de tiempo muy grande (contínuamente) podría producir una ondícula (wavelet) de luz que tenga justo una longitud de onda. Sin embago, una transición típica en el tiempo es del orden de 10-8 segundos y la anchura de banda de la luz correspondiente a un láser de CO2 es de sólo 0,0375 nm. Los láseres proporcionan la pureza espectral más alta de cualquier fuente de luz conocida. Modos de Funcionamiento Temporales de los Láseres Si un láser entrega radiación contínuamente, se dice que opera en el modo de onda contínua. La mayoría de los láseres son capaces de funcionar en modo de onda contínua (c.w.). Sin embargo, algunos, como los láseres de rubí y neodimio: láseres sólidos (cristales), únicamente pueden funcionar de forma pulsada. En el láser de rubí, el funcionamiento en modo contínuo (c.w.) se previene por los problemas de la creación de una población inversa contínua. En el láser de Nd:cristal, está prohibido por la baja conductividad térmica del cristal. En la cirugía efectuada mediante láseres, hay situaciones en las que se requiere que la luz del láser se entregue de una forma pulsada. Se dispone de varios medios para lograr una salida pulsada de la luz de un láser contínuo (c.w.). A estos medios se les conoce como modo de bloqueo (locking), Q-switching (conmutación, q de quality), vaciado de cavidad (cavity dumping) y el bombeo pulsado (pump-pulsing). Es posible producir también la salida intermitente desde un láser contínuo si se abre y se cierra cíclicamente el obturador (shutter) que se proporciona en todos los láseres médicos para cortar el haz de luz cuando no está en uso. La primera de éstas tres técnicas puede producir pulsos muy cortos, desde picosegundos (1 ps = 1x10-12 segundos) a microsegundos (1 ms = 1x10-6 segundos). El bombeo pulsado puede producir salidas de luz desde un microsegundo a grandes fracciones de segundo. La actuación cíclica sobre el obturador puede producir pulsos desde 10 milisegundos (1 milisegundo = 1x10-3 segundos) a medio segundo o más. El modo de bloqueo, la conmutación-Q y el bombeo pulsado, pueden producir pulsos cuyos picos de potencia son mucho más altos que la media de potencia disponible en el mismo láser cuando opera en el modo de onda contínua. Modo de Bloqueo (Mode-Locking) El modo de bloqueo es un método de acortar la avalancha de ondículas, reflejadas atrás y adelante entre los espejos del láser, en sincronización con el viaje reciprocante de estas ondículas en la cavidad óptica, de tal forma que sólo se transmiten las ondículas cuya intensidad está por encima de cierto umbral. Produce emisiones de luz láser en pulsos de picosegundos, duración estrechamente espaciada en el tiempo bajo un sobre exponencial de la amplitud de duraciones de nanosegundos. Los pulsos más altos de la cadena alcanzan muchos millones de vatios en su pico de potencia, aunque la energía por pulso es de solo unos pocos milijulios. Estos pulsos de luz láser tienen una pureza espectral muy alta. Conmutación Q (Q-switching) Esta es una técnica de estropear cíclicamente o intermitentemente la resonancia de la cavidad óptica por medio de un aparato interruptor electro óptico mientras se mantiene una gran población inversa por un fuerte bombeo. Mientras el interruptor mantiene la cavidad en una condición de no resonancia, el láser no produce emisión alguna. Sin embargo, cuando el interruptor permite una resonancia, repentinamente se de19 sarrolla una corta pero poderosa explosión de luz que emerge desde el láser a través del cristal que transmite parcialmente. Inundación de la Cavidad (Cavity-Dumping) Como su propio noombre indica, este método crea una gran población inversa y una condición de fuerte resonancia en la cavidad óptica, pero que no permite el escape de luz coherente alguna del resonador excepto cuando se activa un interruptor electro óptico. La luz entonces emerge del láser en un pulso de corta duración y de alta intensidad. Bombeo Pulsado (Pump-Pulsing) Como el nombre sugiere, este es un método de interrupción cíclica o intermitente del flujo de potencia desde la fuente de bombeo en el resonador del láser, mediante un interruptor mecánico, eléctrico, electrónico o electro óptico, según la forma de energía utilizada para el bombeo del medio láser activo. Puede producir emisiones de pulsos de luz de 10 a 100 veces más altos que el máximo de la potencia contínua obtenible del mismo láser. Esta clase de pulsado es la más comúnmente utilizada en los láseres quirúrgicos. La tabla 1-1 muestra el rango de duraciones de pulso factibles por cada uno de los medios precedentes de producir salida pulsada de láseres que también pueden operar en onda contínua de modo temporal. Láseres que están Restringidos a Funcionamiento Pulsado Láser Rubí Algunos materiales láser tienen características que previenen el funcionamiento en onda contínua. El rubí, por ejemplo, es un material de tres niveles, en el cual el bombeo excita los iones de cromo a un primer nivel que se encuentra por encima del nivel superior del láser. Los indivíduos excitados caen al nivel superior del láser mediante una transición no radiativa, la energía de esta transición se transforma en calor. El nivel superior del láser es metastable, de tal forma que es posible la acumulación de indivíduos excitados en este nivel. Sin embargo, el nivel láser inferior es el basal. Consecuentemente, para conseguir una población inversa, al menos la mitad de la población del nivel basal (p.e., casi completamente la mitad del total del número de iones cromo en el cristal) se debería bombear al primer nivel. Esto requiere la entrada de una muy alta volumendensidad del umbral de energía: al menos 3.8 J/cm3. Una fracción significante de esto se pierde como calor en la transición no radiativa a el nivel superior del láser. Ya que el tiempo de relajación de los iones de cromo es constante, desde el nivel superior del láser es de 3 milisegundos, el umbral de la potencia de entrada en el cual la acción del láser comienza es de 1,27 kilovatios/cm3. La potencia de entrada térmica es enorme, elevando la temperatura del cristal a valores destructivos. Por lo tanto, el láser debe funcionar en modo pulsado para permitir el tiempo suficiente para el enfriamiento del cristal entre los disparos. 20 Láser Excímero Un excímero es una molécula que consta de un átomo de halógeno combinado con un átomo de un gas noble, y que existe únicamente cuando los átomos constituyentes están en un estado estimulado, ionizado. Después de que está molécula transitoria emita radiación, se descompone en sus partes atómicas, la cuales están en sus estados basales. Debido a que la molécula de excímero tiene una vida media que se mide en nanosegundos y que los excímeros son sistemas de energía de dos niveles, incluso para una salida pulsada, debería igualar la potencia de salida deseada dividida por la eficiencia del proceso de bombeo pulsado. Para esta molécula no hay un nivel láser superior metastable, de tal forma que la no acumulación de dímeros excitados puede ocurrir a bajas potencias de bombeo para que puedan ser liberadas súbitamente en un pulso gigante de potencia radiante. La eficiencia de este proceso de bombeo pulsado es bajo, a menudo por debajo del 1%. Experimentos han mostrado que un láser XeCl puede entregar 180 milijulios (mj) de energía radiante en un pulso de 30 nanosegundos (ns) con excitación de una descarga eléctrica de 150.000 amperios a 48.000 voltios. La eficencia de este proceso es sobre el 0.08%. De esta forma, si se quisiera una entrega de onda contínua de láser XeCl de 10 vatios (w), la potencia de entrada eléctrica requerida al tubo del láser debería ser de 12.500 vatios. Aunque esto es físicamente posible, es prácticamente muy dificultoso por razones de tamaño, enfriamiento, etc., por lo que los excímeros están confinados a operaciones pulsadas. Láser Holmium:YAG El elemento holmium perteneciente a las tierras raras se ha utilizado com un dopante en cristales de YAG (yttrium-aluminium-garnet, o Y3AL5O12) en conjunción con el erbio y el talio, que aumentan la eficiciencia del bombeo óptico del holmio. Este material, conocisdo como Ho:YAG, emite radiación alrededor de los 2.100 nm. Aunque el Ho:YAG es técnicamente un material de 4 niveles, el nivel de láser inferior está tan cerca del estado basal que el umbral energético por uunidad de volumen de material es muy alto. Cosecuentemente, a temperatura ambiente, no es posible la operación de onda contínua. Láser Erbio:YAG Este material emite radiación láser a 2.940 nm. Es un sistema de cuatro niveles de energía, pero el nivel láser inferior tiene una vida media muy larga, lo que produce los iones de erbio se acumulen en este nivel inferior después de la emisión de radiación. Esta acumulación interrumpe la población inversa y limita el láser a operaciones pulsadas. Láseres Importantes Utilizados en Medicina y Cirugía La tabla 1-2 muestra los láseeres importante utilizados en medicina y cirugía, con sus caraterísticas importantes operacionales y sus aplicaciones actuales y futuras: El lector debería tener en mente que se están explorando nuevas longitudes de onda en el momento que este artículo se está escribiendo (1440, 1530, 2790 nm, etc), por lo que la tabla no puede ser escrita en granito. A pesar de este hecho, dos láseres han dominado 21 22 23 las aplicaciones quirúrgicas, otros de los empleados en oftalmolgía, durate los pasados 15 años: el dióxido de carbono - CO2 y el Neodimio:YAG. En los pasados más de 5 años, el Neodimio:YAG ha aumentado el número de aplicaciones (tanto en el tratamiento de lesiones vasculares, tanto faciales como en los miembros inferiores, restauración cutánea no ablativa, depilación láser en fototipos de pie oscura, semiablativa con modificiaciones en la cavidad de resonancia en cuanto a las emisiones de longitudes de onda 1440 para restauración cutánea semiablativa y de longitudes de onda de 1360 nm). Este láser, Nd:YAG tiene aplicaciones, como se ha mencionado a su longitud de onda original 1064 nm y en su longitud de onda doblada de 532 nm en el llamado KTP láser (KTP es el acrónimo de potassium-titanyl-phosphate, un no lineal material óptico desarrollado en USA por E. I. DuPont de Nemours and Co.). También es posible triplicar la frecuencia puede entregar longitudes de onda de 355 nm, en el rango de la luz ultravioleta, ahora dominado por láseres excímeros de fluoruro de xenon, para el desarrollo de futuras aplicaciones médico-quirúrgicas. El láser de KTP ha ido aumentando el número de aplicaciones previamentes realizadas por el láser de argón, ya que el KTP posee una eficiencia más alta, mayor confiabilidad y la capacidad para cambiar desde una longitud de onda de 1064 nm a 532 nm al doblar la frecuencia, con tan sólo en los láseres actuales presionando un interruptor. Triplicando la frecuencia de un láser de Nd:YAG se puede obtener una longitud de onda de 355 nm, en el rango de la radiación ultravioleta, hoy día dominada por el láser excímero, fluoruro de xenon. El YAG como un material huésped para los elementos del láser, tiene muchas ventajas: una buena resistencia mecánica, alta conductividad térmica, buena transmisión óptica, estabilidad dimensional y una alta potencia de salida c.w. desde pequeños cristales. Un cristal de Nd:YAG de 1 cm de diámetro y 10 cm de longitud puede entregar 150 W de potencia radiante c.w. a 1064 nm. Se han explorado una variedad de tierras raras dopantes para producir varias longitudes de onda. En el caso del láser de Ho:YAG, la motivación ha sido que los 2100 nm es una longitud de onda que está enre las más altas que puede ser transmitida eficientemente por fibras de cuarzo quirúrgicas. El láser Er:YAG a 2940 nm podría ser casi el láser ideal para la realización de una cirugía precisa y atraumática si estuviesen disponibles fibras quirúrgicas adecuadas para esta longitud de onda. Estas consideraciones se discutirán en detalle más adelane en el capítulo 4. Los detalles esenciales dela construcción de un láser típico de CO2 y Nd:YAG se muestran en las figuras 1-19 y 1-20, respectivamente. Debe ser observado que los láseres de CO2 que están en los 100 W o menos de potencia con casi universalmente hechos con tubos sellados, pre-llenados con la mezcla CO2-N2-He, de modo que no es necesaria una fuente de gas y no se requiere ninguna bomba de vacío. La eliminación de estas piezas permite un tamaño total más pequeño para el montaje de un láser que uno con un sistema de flujo de gas con la misma salida de potencia. Sin embargo, la vida de funcionamiento de un tubo sellado de un láser de CO2 es menor que la de un sistema con tubo de flujo de gas de la misma energía y el tubo sellado será considerablemente más larga. 24 Figura 1-19 Diagrama esquemático en el que se muestra los detalles esenciales de la construcción de un láser típico de flujo de gas de dióxido de carbono. Nótese que la mayoría de los láseres de CO2 quirúrgicos actuales tienen tubos que están llenos de la mezcla apropiada de CO2, N2 y He, y son sellados posteriormente. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:51. Figura 1-20 Diagrama esquemático en el que se muestra los detalles esenciales de la construcción de un láser típico de Nd:YAG. Nótese que la lámpara de bombeo es lineal y está posicionada coaxialmente con un eje focal del alojamiento elíptico que tiene una superficie altamente reflectiva, de tal forma que todos los rayos que emanan desde la lámpara se convergen al interior de cristal del láser que está posicionado coaxialmente con el eje focal opuesto de la elipse. Las turbulencias y burbujas en el torrente de líquido refrigerante distorsionan la trayectoria óptica en el interior del alojamiento, por ese motivo, el extremo de los cristales protuyen del alojamiento. Los espejos se montan externamente. El final de los cristales se muestran cortados en el ángulo de Brewster para minimizar la reflexión de la cara del extremo. Esto se puede lograr también con exremos cuadrados por medio de capas anti reflectantes. Reimpresión de Fisher JC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:49. Con el incremento en el énfasis de procedimientos quirúrgicos en cirugía endoscópica, ginecología y cirugía general, al igual que esta época es la efervescencia de procedimientos cutáneos y estéticos, se puede esperar que los láseres cuyas longitudes de onda que sean fibro-transmisibles serán cada vez más utilizados, indepedendientemente de que esas longitudes de onda sean las óptimas o no, sino simplemente debido a la conveniencia de la entrega a través de una fibra óptica. En mi opinión esta no es una buena tendencia. Las compañías fabricantes de algunos de estos láseres tienen una política de sobreventa agresiva, alegando al cirujano que determimados láseres en particular, como en el caso del KTP, será capaz de hacer cualquier tipo de cirugía. El posible médico comprador de un láser quirúrgico (nota: todos los láseres tipo IV, es decir, mayores de 500 mW, son denominados quirúrgicos), debería ser consciente de los efectos biofísicos de la cirugía láser y no confundir la conveniencia de la entrega del haz de luz láser con la óptima ejecución quirúrgica en todas las situaciones. 25 Bibliografía 1. Maxwell IC. A dynamical theory of the electromagnetic field. Royal Society of England. 1864. 2. Bohr N. On the constitution of atoms and molecules. Philos Mag 1913;26:1. 3. Einstein A. On the quantum theory of radiation. Physikal Zeitschr 1917;18:121. 4. Maiman TH. Phys Rev Lett 1960;4:564. 5. Sze RC. Scott PB. Intense lasing in excited noble-gas monochlorides. Appl Phys Lett 1978;28:358. 6. Sze RC, Scott PB. 1/4-J discharge pumped KrF laser. Rev Sci Instrum 1978; 49 (6): 772. 7. Barnes FS. ed. Laser theory. New York: IEEE Press. 1972. Beesley MJ. Lasers and their applications. London: Taylor 1& Francis. 1978. 8. Charschan RR. ed. 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