How are the properties of laser light used in laser eye surgery?

The most important property of laser light is that it can be precisely collimated into a parallel beam. What this enables is focusing of the beam at an extremely precise location in space, with subsequent divergence of the beam past the focal point. I can hear you grumbling about the relevance of this to laser eye surgery. Well, you see, if you can focus a high-intensity beam to a point in space, it will burn (or cut) at precisely that location, but not harm adjacent tissue since the energy of the beam is dispersed over a larger area than at the focal point. This allows the eye surgeon to precisely ablate the lens to correct astigmatisms and so forth.

Well, the other answer is right. Lasers can be well focused which allows them to be used to ablate precisely (though this is done to the cornea, not the lens, as the other person suggested). However, there are much more important aspects of lasers that make it suitable for laser eye surgery. First off, lasers are monochromatic (which is one of the reasons why they can be well focused).

But this is more important because it allows the surgeon to use a color of light that gets absorbed in the cornea without having colors of light that get transmitted by the cornea. This is important because you want all the light to get absorbed by the cornea and not get transmitted back to the retina, which would likely cause retinal burns, permanently blinding the patient.

The second, and by far the most important property of lasers that make them good for laser eye surgery is that they can be pulsed. With laser light, you can pulse the laser so that you get pulses of light with no light between the pulses (kind of like using a shutter to flash the light on and off). But the thing about lasers is that the when you do this correctly, the average power doesn't change. If you did this to a room light, you would simply get less total power, since some portion of the time, the light is off. But with a pulsed laser, you get MORE light during the pulse than you would get if you didn't pulse it. By making very short pulses, the total power in each pulse can be EXTREMELY high. In fact, the peak power in a pulse can be higher than the peak power of an entire electrical power plant. But the AVERAGE power remains fairly low. So why is having very high peak power useful? Well, as you start to heat something up, the heat transfers through the entire substance. So, if you heat something continuously, the entire object will heat up to that temperature, over time. If you wanted to get the cornea of the eye hot enough to remove material, you would have to heat the whole area up, which would end up cooking the person's eye (not good). But if you have very high peak power laser, the heating only occurs when the light is on, which is only for a tiny fraction of a second. During that time, there is an extreme amount of energy deposited in the target, but that energy doesn't have time to transfer to neighboring parts of the eye. So the target part of the eye becomes very hot, hot enough to remove material, before the rest of the eye heats up at all. And then the light turns off and the hot area cools off, without significantly heating the rest of the eye. This results in removed material without cooking the whole eye!

So, yes, lasers can be focused well, which makes them good for eye surgery. But they are also just one color (the eye surgery ones are infrared, which you can't see with your eye), which makes them easier to control and safer. And they can be pulsed, which makes the difference between successful surgery and a cooked eyeball.

ليزر النتروجين (NITROGEN LASERS):

الليزر الغاز الجزيئي الآخر التي ينبغي ذكره هو ليزر النيتروجين (superradiant ) اي النظام عالي الاشعاع. يصدر اشعاعات الليزر فى القريب للاشعه فوق البنفسجية ( near UV ) عند الطول الموجي 337،1 نانومتر. في نمط تكرار النابضة فان غاز النيتروجين الليزر يمكن ان يصدر الى حد كبير ذروة قدرة (<100>كيلوواط) عند معدلات تكرار نبضة المرتفعة بحدود (<100>هرتز). ان نظام ليزر النتروجين يستخدم في المقام الاول باعتباره وسيلة فعالة للضخ الضوئي لليزر الصبغة السائل المنتاغم (optically pumping tunable dye lasers).

** ليزر الاكزايمر (EXCIMER LASERS):

ليزر الاكزايمر الذي يستخدم سبعة جزيئات مختلفة كوسط فعال يمكن ان يشييد. الجزيئات تتكون من ذرة غاز خامل و ذرة الغاز هالوجيني ذات الفعالية العالية . هذه الليزرات تنتج نبضة ضمن حدود من 10 إلى 40 نانو ثانية مع طاقات نبضة تتراوح الى 100 جول . النماذج المتاحة تجاريا تبعث عادة بضع عشرات من جزء من ألف جزء من الجول لكل نبضة (few tens of millijoules per pulse ) مع معدلات تكرار تعد باجزاء قليلة من هرتز.

ليزر الاكزايمر يهيج بواسطة تيار المتدفق خلال خليط الغاز التي تتضمن كل من ذرات الغاز الخامل وذرات الغاز الهلوجيني . الكثافة العالية للتيار يمكن تحققها باستخدام تفريغ ذو مدة بقاء قصيرة (short-duration discharges ) او حزم الالكترون (electron beams). جزيئات الاكزايمر يتم انشاؤها في احد المستويات المتهيجة اثناء التفريغ. ليزر الاكزايمر ذو اهمية كبيرة في مجالات عديدة من البحث بسبب ارتفاع ذروة القدرة الى (100 ميكا واط) وفي اطوال موجات ضمن مدى الاشعة فوق البنفسجية.

Q-switched Lasers

Definition: lasers which emit optical pulses, relying on the method of Q switching

A Q-switched laser is a laser to which the technique of active or passive Q switching is applied, so that it emits energetic pulses. Typical applications of such lasers are material processing (e.g. cutting, drilling, laser marking), pumping nonlinear frequency conversion devices, range finding, and remote sensing. Note that the article on Q switching contains more details on Q-switching techniques.

Q-switched lasers can be pumped either continuously or with pulses, e.g. from discharge lampsgain medium should have a long upper-state lifetime to reach a high enough stored energy rather than losing the energy as fluorescence. In any case, the saturation energy should not be too low, because this could lead to excessive gain, so that the premature onset of lasing is more difficult to suppress. The latter problem can occur particularly for fiber lasers. (particularly for low pulse repetition rates). For continuous pumping, the

Types of Q-switched Lasers

Figure 1: Schematic setup of an actively Q-switched laser.

The most common type is the actively Q-switched solid-statebulk laser. Solid-state gain media have a good energy storage capability, and bulk lasers allow for large mode areas (thus for higher pulse energies and peak powers) and shorter laser resonators (e.g. compared with fiber lasers). The laser resonator contains an active Q switch – an optical modulator, which in most cases is an acousto-optic modulator.

For wavelengths in the 1-μm spectral region, the most common pulsed lasers are based on a neodymium-doped laser crystal such as Nd:YAG, Nd:YVO₄, or Nd:YLF, although ytterbium-doped gain media can also be used. A small actively Q-switched solid-state laser may emit 100 mW of average power in 10-ns pulses with a 1-kHz repetition rate and 100 μJ pulse energy. The peak power is then ∼ 9 kW. The highest pulse energies and shortest pulse durations are achieved for low pulse repetition rates (below the inverse upper-state lifetime), at the expense of somewhat reduced average output power. A somewhat larger Nd:YAG laser with a 10-W pump source (e.g. a diode bar) can reach pulse energies of several millijoules. Nd:YVO₄ is attractive particularly for short pulse durations and high pulse repetition rates, or for operation with low pump power.

Q-switched lasers with longer emission wavelengths are often based on erbium-doped gain media such as Er:YAG for 1.65 or 2.94 μm, or thulium-doped crystals for ∼ 2 μm.

Significantly larger pulse energies can be obtained from amplifier systems (MOPAs). For high average powers combined with moderate pulse energies, fiber MOPAs, also called MOFAs, can be used.

Figure 2: Schematic setup of a passively Q-switched laser. The saturable absorber is a crystal (e.g. of Cr:YAG) within the laser resonator.

Particularly for low pulse repetition rates, lamp pumping can be an economically favorable option, since discharge lamps are much cheaper than laser diodes for a given peak power. For higher powers, however, diode pumping becomes more attractive, also because thermal effects in the laser crystal are strongly reduced.

A passively Q-switched laser contains a saturable absorberpulse repetition rate increases with increasing pump power. The most frequently used saturable absorbers for 1-μm lasers are Cr:YAG crystals. (passive Q switch) instead of the modulator. For continuous pumping, a regular pulse train is obtained, where the timing of the pulses usually cannot be precisely controlled with external means, and the

Figure 3: Microchip laser, passively Q-switched with a SESAM. The left-hand side of the laser crystal has a dielectric coating, serving as the output coupling mirror.

Passively Q-switched microchip lasers have particularly compact setups. Such lasers typically emit pulses with energies between nanojoules and a few microjoules, average output powers of some tens of milliwatts, and repetition rates between a few kilohertz and a few MHz.

Particularly some of the smaller Q-switched lasers, but also some lasers with longer resonators containing an optical filter such as a volume Bragg grating, operate on a single axial resonator mode. This leads to a clean temporal shape and to a small optical bandwidth, often limited by the pulse duration. Other lasers oscillate on multiple resonator modes, which leads to modebeating effects: the optical power is modulated with frequencies which are integer multiples of the resonator round-trip frequency.

Fiber lasers can also be actively or passively Q-switched. However, all-fiber devices are fairly limited in terms of performance, whereas Q-switched fiber lasers containing bulk-optical elements (e.g. an acousto-optic Q switch, see Figure 4) are less robust and still less powerful than bulk lasers. The relatively small mode areas (even when using large mode area fibers) introduce problems with fiber nonlinearities and damage, which set limits on the pulse energies and particularly the peak powers achievable.

Figure 4: Setup of an actively Q-switched fiber laser.

On the other hand, high-power fiber amplifiers are suitable for amplifying pulse trains with high average power but moderate pulse energy. Some degree of nonlinear pulse distortion in such an amplifier is often acceptable for applications.

Design Issues

Depending on the design goals for a Q-switched laser, different solutions can be appropriate. In the following, some possible goals, encountered issues and tradeoffs are listed:

• For short pulse durations, a short laser resonator and high laser gain are required. The shortest pulses are achieved with microchip lasers (see above), because these can have extremely short resonators, but the pulse energies achievable are moderate. Short pulse durations (a few nanoseconds) combined with millijoule pulse energies are possible with compact solid-state lasers, particularly with end-pumped versions due to their higher gain. Thin-disk lasers allow for very high pulse energies, but are not suitable for very short pulses owing to their relatively small gain.
• High pulse energies require good energy storage. For continuous pumping, this means that a long upper-state lifetime is desirable. This results in advantages for ytterbium-doped gain media, e.g. Yb:YAG as compared with Nd:YAG, although these typically have lower gain and therefore generate longer pulses.
• A too high gain should actually be avoided, since it brings with it the risk of losing energy via ASE or parasitic lasing.
• The pulse repetition rate can often be varied in a large range, but this influences not only the pulse energy achievable, but also the pulse duration.
• At high optical intensities, the damage of intracavity components such as laser mirrors can be a problem. One therefore requires resonator designs with sufficiently large mode areas not only in the laser crystal but also on all resonator mirrors and in the Q-switch. Particularly in combination with a short resonator length, this can be difficult to achieve. Numerical optimization of resonator designs can sometimes lead to significantly improved performance values, together with improved stability, ease of alignment, and a long lifetime.
• A reduced emission linewidth can be achieved with injection seeding.

Laser Safety

Note that the high pulse energies and peak powers can raise serious laser safety issues even for lasers with low average output power. A single shot into an eye will in many cases be the last thing that an eye has seen. Such risks can be substantially reduced by using Q-switched lasers operating at eye-safe wavelengths.

أنواع الليزر المستخدم في الأمراض الجلدية
ليزر ثاني أكسيد الكربون

ليزر ثاني اوكسيد الكربون " CO2 " هو الأكثر انتشاراً وهو الوسيلة الدقيقة والفعالة في جراحات الأمراض الجلدية والتجميلية والعامة. الوسط في هذا النوع من الليزر هو مزيج من ثاني أكسيد الكربون، النتروجين، وغازات الهيليوم، عادة تثار أو تهيج بواسطة التيار الكهربائي المباشر.

ليزر CO2 يسمح للحزمة المستمرة الحاوية على أطول الموجات (10600 نانوميتر)، في الجزء المتوسط من ما تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. حزمة الليزر CO2 غير مرئية ولذلك فإن الحزمة المرئية التي تستعمل من "الهيليوم نيون" وهي قليلة التأثير تستخدم للإرشاد لتوجيه الليزر بدقة إلى البقعة المراد معالجتها ليوجه الحزمة إلى الهدف المرغوب.

ضوء الليزر يمر عبر الذراع المتعدد المفاصل والعدسات المركزة.
النسيج المستهدف لهذا النوع من الليزر هو الماء حيث أن الضوء يمتص من قبل النسج الحيوية محدثاً تخرب وذلك بالتسخين السريع والتبخر للماء داخل الخلايا. الامتصاص القوي لضوء الليزر من قبل الماء يحدث تخرب في النسيج (ما تراه أثناء العملية هو ما تحصل عليه من تأثير على نسج البشر بعدها). حصيلة القدرة لضوء الليزر يتجاوز 100 واط في العملية المستمرة و 50 واط عند استخدام العملية النابضة.

العوامل المؤثر على تخرب النسج بواسطة الليزر هي: كمية القدرة الواصلة للنسيج، حجم البقعة وزمن التراجع الحراري (وهو الزمن بين تسخين النسج بالليزر وعودة برودتها).
الليزر CO2 يزود حالياً بأجهزة حاسوبية تجعل استخدامها آمناً وأكثر سهولة للمستخدم. هذه الأجهزة الحاسوبية تبرمج بطريقة أكثر بساطة للإستخدام سواء لتقشير الجلد ـ القطع الجراحي أو إزالة الطبقه السطحية من الجلد. وبهذا فإن على الجراح فقط أن يستخدم المعلومات المخزنة على تلك الحاسبات حسب الحالة التي يعالجها، إذ أن قوة الليزر وحجم البقعة كلها تعدل أتوماتيكياً.

لقد تطور استعمال الليزر في الأمراض الجلدية والتجميلية بدرجة كبيرة في السنوات القليلة الماضية نظراً لتطور الكثير منها واستحداث أنواعاً أخرى ذات فعالية قيمة.
منذ عدة سنوات كان مفهوم الليزر على أنه جهاز يبحث عن حالة مرضية حتى يمكن استعماله لها، إما في هذه الأيام فإنه يعتبر أداة لا يمكن بأي حال أن يستغني عنها طبيب الأمراض الجلدية وغيره من ذوي الاختصاص مثل أخصائي جراحة التجميل والفروع الأخرى ذوات العلاقة باستعمال مثل تلك الأجهزة.
إن الكثير من الأمراض الجلدية التي كان يصعب معالجتها قبل عصر الليزر أصبحت الآن في متناول إمكانية العلاج بواسطة تلك الأجهزة.
عدة أنواع من الليزر مثل ليزر Co2 هو ذو فائدة عظيمة للطبيب أخصائي الجلدية ويعتبر كما يقال مثل "حصان الساقيه الذي يستطيع القيام بالعمل الموكل إليه دون كل أو ملل".
يتوفر الآن أنواع مختلفة من أجهزة الليزر ولكل استعمالاته المميزة
هناك أنواع مثل CO2 ليزر الذي له استعمالات عديدة مثل: إزالة الندبات الجلدية ـ التجاعيد ـ زراعة الشعر واستعمالات أخرى كثيرة.
كما إن هناك أنواعاً أخرى من أجهزة الليزر تستعمل لإزالة التصبغ، إزالة الشعر الغير مرغوب فيه وللتخلص من بعض أنواع الدوالي الجلدية. هذا بالإضافة إلى الاستعمالات العديدة في فروع الطب الأخرى وعلى الأخص في المجال الجراحي.
ورغم كل ذلك إذا كان بالإمكان معالجة الحالة المرضية بوسائل أخرى ناجعة، فإن تلك تبقى هي الوسيلة المفضلة وذلك بسبب الكلفة المرتفعة عادة للمعالجة بالليزر وخوف البعض من المشاكل التي ربما تحدث بسبب المعالجة.
عادة نواجه بعدة مرضي يخافون من الجراحة بالليزر بسبب اعتقادهم بأن الليزر يسبب السرطان، رغم ذلك فإننا نحاول إقناعهم بأن الليزر ليس إلا ضوء ويستخدم بفاعلية وأمان في فروع الطب الدقيقة مثل العينية ورغم ذلك فإن البعض مايزالون غير مقتنعين.
والقاعدة التي يجب الاتفاق عليها هي أنه "إذا لم يكن هناك ضرورة لاستعمال الليزر فلا تستخدمه".

قواعد المعالجة بالليزر

الليزر هو جهاز يولد حزمة كثيفة من الأشعة تسمى "الليزر" تعني التضخيم الضوئي بالانبعاث المحرض للأشعة. إن كلمة ليزر مشتقه من الكلمات التالية:

"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"

الأشعة هي جزء من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. وفي ظروف معينة يظهر الضوء صفات الموجة. كل العوامل الشعاعية بما فيها شعاع الليزر تبدأ بامتصاص الأشعة الكهرومغناطيسية "EMR".
جميع تأثيرات الضوء بما فيها الليزر على سطح الجلد تبدأ بامتصاص الأشعة الكهرومغناطيسية التي هي نوع خاص من الطاقة التي تظهر صفات الموجه المميزه لأجهزة الليزر. قوة الضوء تحمل عبر الفوتون. وعندما يمتص الفوتون يحدث بعض الحركة أو فصل الأجزاء المشحونة منه في الخلايا.
إن الطاقة التي يحملها الفوتون تستثمر في تقوية الشحنات. تقوية الشحنات وامتصاصها هي القواعد الأساسية للمعالجة الضوئية بأجهزة الليزر المختلفة.
هناك بعض الملاحظات التي قد تساعد في إعطاء فكرة مبسطة عن طرق عمل أجهزة الليزر ومن هذه ما يلي:
طول الموجه: هي المسافه بين قمة موجتين متتاليتين. الموجات الطويلة تقاس بوحدة المتر مثل الموجات الطويلة للراديو والتلفاز.
الضوء المرئي يتراوح طول موجته من 0.7 ـ 0.4 مايكروميتر.
الأشعة فوق البنفسجية ـ أشعة إكس وأشعة جاما هي أنواع من الطيف الكهرومغناطيسي وموجاتها أقصر من موجات الضوء المرئي.

شدة الضوء: يقاس بارتفاع الموجه الضوئية عن مستوى الصفر.

التردد: هو عدد الموجات الضوئية التي تمر على نقطة معينة في الثانية.

السرعة: سرعة الضوء ثابته وهي 186000 ميل في الثانية.
موجات أجهزة الليزر الجراحيه تقع بين الموجات الأطول والأقصر من موجات الطيف الضوئي وهي فى موقع الطيف بين الأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي.
العديد من أجهزة الليزر تستعمل الآن في المجال الطبي إذ يعتمد نوع الليزر على المادة النشطة بالجهاز التي تثير نوع الضوء الليزري ومنها يحدد نوع الليزر مثل:
ثاني أوكسيد الكربون هى المادة المستعملة في جهاز ليزر ثاني أوكسيد الكربون.
مادة الروبي هي المستعمله في جهاز الروبي ليزر.
مادة النحاس هي الماده المستعمله في جهاز بخار النحاس.
صبغه خاصة تستعمل في جهاز الليزر الصباغي.
أكثر أنواع الليزر المستعملة هي: ثاني أوكسيد الكربون ـ روبي ليز ـ ارجون ليزر ـ كريبتون ليزر ـ الياج وليزر اكسهايمر.

مكونات أجهزة الليزر

مصدر ضوئي: هو الذي يضخ الطاقه للمادة النشطة في جهاز الليزر. مصدر الطاقة الذي يبعثها مرتبطة بنوع الليزر. هذه المصادر قد تكون كهربائية كما هو الحال في جهاز ارجون ليزر وجهاز ثاني أوكسيد الكربون أو ضوء فلاش في جهاز الصباغي.

محتويات فراغ جهاز الليزر: يحتوي جهاز الليزر على أنبوب وعدد من المرايا موجوده عند طرفي الأنبوب حيث تقوم بعكس أشعة الليزر بشدة ومن ثم تزداد شدة الأشعه المنبعثة من المصدر. الفوتونات التي تمر خلال الأنبوب تنعكس إلى الخلف خلال وسط الليزر. وفي كل مره ينعكس فيها الضوء إلى الأمام والخلف بواسطة مرايا خاصة على طرفي الأنبوبة يزداد فيها عدد الذرات لتضخ المزيد من الفوتونات وبالتالي فإن شدة ضوء الليزر يزداد. في نهاية المرايا يوجد فتحة صغيرة تسمح لنسبة ضئيلة من ضوء الليزر للمرور إلى الخارج خلال ذراع خاص يوجد في نهايته الأداه اليدوية التي يخرج منها ضوء الليزر ليسقط على المنطقة المراد معالجتها.

مرشد ضوء الليزر: ضوء الليزر غير مرئي ولذلك يستعمل ضوء خفيف "هيليوم نيون" وهو ذو تأثير ضعيف والهدف منه الإرشاد إلى وضع ضوء الليزر عند المعالجة إذ أن مكان سقوط ضوء هيليوم نيون هو المكان الذي يسقط عليه ضوء الليزر عند المعالجة.

مصطلحات الليزر

القدرة (Energy) : هي إمكانية القيام بالعمل، وعادة تحسب على أساس ضرب القوة في مدة تعريض ضوء الليزر على سطح الجلد، وحدة القياس هي الجول.

القوة أو الاستطاعة (Power): هي معدل جريان القدرة، وتحسب على أساس تقسيم القدرة على زمن التطبيق، وحدة القياس هي الواط، الواط الواحد يساوي جول / ثانية.

كثافة الاستطاعة(Power density) : هي معدل القدره لكل وحدة من النسيج المعالج، ويعبر عنها بالواط/سم2.
الكثافة تحدث بتقسيم الاستطاعة على سطح منطقة الحزمة أو حجم البقعة. ويجب ملاحظة أن الزيادة في حصيل الاستطاعة يبخر النسيج بسرعة والانخفاض في حجم البقعة سوف يزيد القدرة ويسرع أكثر في تداخلات النسيج.

شدة القدرة(Fluence) : أو شدة الطاقة: تحسب على أساس تقسيم كل من القدرة على مساحة المقطع العرضي للحزمة الضوئية، ويعبر عنها بالجول/سم2 أو = القدرة X مدة التعرض لأشعة الليزر على مساحة مربعة من الجلد. إذا كان الضوء المنبعث من الليزر والمركز على الجلد أسرع من أن يسخن الأنسجة المجاورة للمنطقة المعالجة فإن تأثير هذا الضوء على تلك الأنسجة يكون قليلاً وبالتالي فإن الضرر على الأنسجة المجاورة يكون ضئيلاً.

حجم البقعة(Spot size) : كلما كان مساحة البقعة المعالجة بالليزر كبيراً كلما كانت المعالجة وتبخير الأنسجة نتيجة الليزر أفضل.
يمكن التحكم بمساحة البقعة المعالجة وذلك بتقريب أو إبعاد ضوء الليزر عن سطح الجلد:
فإذا أبعدنا الأنبوب الذي يخرج منه ضوء الليزر عن سطح الجلد فإن ضوء الليزر يتوزع على مساحة أكبر على سطح الجلد وبالعكس فإذا قرب الضوء من سطح الجلد فإن المساحة التي يتركز عليها الضوء تكون أصغر. وكلما صغرحجم البقعة كلما كان تأثير الليزر أشد وأقوى وقد يسبب بعض التأثيرات على الأنسجة المجاورة إما البقع الأكبر مساحة فتسبب تاثيراً أقل على المناطق المجاورة للبقعة المعالجة.

(Thermal relaxation time)
هي مدة برودة الأنسجة المجاورة للمنطقة التي يتركز عليها ضوء الليزر: وتعرف بالمدة اللازمة لأن تفقد الأنسجة المسخنة بالليزر مايعادل 50% من حرارتها من خلال الانتشار. وهو كذلك الوقت اللازم لأن تبرد الأنسجة المجاورة للمنطقة المسخنة بالليزر. هذه الظاهرة هامة جداً وأساسية فى المعالجة بالليزر حتى يمكن حماية الأنسجة المجاورة من المضاعفات الغير مرغوب فيها.

صفات أشعة الليزر

ضوء الليزر له ثلاث مميزات رئيسية التي تميزه عن المصادر الضوئية الأخرى.

1 ـ ( Collimated): يعني أن الضوء يسير موازياً باتجاه واحد مع انحراف ضئيل جداً حتى لمسافة طويلة ولذلك هناك ضياع قليل للقدرة على طول الحزمة. حزمة الليزر هي أكثر بريقاً بألف مرة من ضوء النهار وأكثر لمعاناً من أشعة الشمس.

2 ـ وحيدة اللون (Monochromatic): يتألف من لون واحد أو طول موجة واحد ولهذا فإن حزمة الليزر نقية جداً. على العكس من الضوء الأبيض من ضوء المصابيح فإنه يشمل انبعاث عفوي للفوتونات بأطوال موجات وألوان مختلفة تسير في اتجاهات مختلفة وبذلك يكون ضوئها منتشراً.

3 ـ(Cohorent): يعني كل أمواج الضوء تتحرك متوازية معاً في كل من الفراغ والزمان. المجال الضوء العادي من المصباح يتألف من مزيج من أطوال موجات تشع في اتجاهات مختلفة وخارج المجال وبذلك يطلق عليه المصطلح "Incoherent" .

ليزر النتروجين (NITROGEN LASERS):

الليزر الغاز الجزيئي الآخر التي ينبغي ذكره هو ليزر النيتروجين (superradiant ) اي النظام عالي الاشعاع. يصدر اشعاعات الليزر فى القريب للاشعه فوق البنفسجية ( near UV ) عند الطول الموجي 337،1 نانومتر. في نمط تكرار النابضة فان غاز النيتروجين الليزر يمكن ان يصدر الى حد كبير ذروة قدرة (<100>كيلوواط) عند معدلات تكرار نبضة المرتفعة بحدود (<100>هرتز). ان نظام ليزر النتروجين يستخدم في المقام الاول باعتباره وسيلة فعالة للضخ الضوئي لليزر الصبغة السائل المنتاغم (optically pumping tunable dye lasers).


** ليزر الاكزايمر (EXCIMER LASERS):

ليزر الاكزايمر الذي يستخدم سبعة جزيئات مختلفة كوسط فعال يمكن ان يشييد. الجزيئات تتكون من ذرة غاز خامل و ذرة الغاز هالوجيني ذات الفعالية العالية . الجدول الاتي يبين بعض انواع ليزر الاكزايمر والأطوال الموجية الناتجة التي تكون ضمن النانومتر. هذه الليزرات تنتج نبضة ضمن حدود من 10 إلى 40 نانو ثانية مع طاقات نبضة تتراوح الى 100 جول . النماذج المتاحة تجاريا تبعث عادة بضع عشرات من جزء من ألف جزء من الجول لكل نبضة (few tens of millijoules per pulse ) مع معدلات تكرار تعد باجزاء قليلة من هرتز.

ليزر الاكزايمر يهيج بواسطة تيار المتدفق خلال خليط الغاز التي تتضمن كل من ذرات الغاز الخامل وذرات الغاز الهلوجيني . الكثافة العالية للتيار يمكن تحققها باستخدام تفريغ ذو مدة بقاء قصيرة (short-duration discharges ) او حزم الالكترون (electron beams). جزيئات الاكزايمر يتم انشاؤها في احد المستويات المتهيجة اثناء التفريغ. ليزر الاكزايمر ذو اهمية كبيرة في مجالات عديدة من البحث بسبب ارتفاع ذروة القدرة الى (100 ميكا واط) وفي اطوال موجات ضمن مدى الاشعة فوق البنفسجية

ZAHRA TIMIMI

.

عـبد اللـطيف مــحـــرز

أناشيد الحياة

- شعر -

-جمرة القلق-


سكبت مجد دمي في مقلة الغسق

فاستنبت الفجر نور الصبح في طرقي

واستيقظت شمس هذا الكون ماسحة

ما ران في عمق عينيها من الأرق

تعطرت بدمائي حمرةً وهوىً

وازيّنت من بريق الشعر بالألق

ورفرفت بجناحيها، فغاديةٌ

من السحاب، ترش الأفق بالعبق

وأرسلت شعرها أهداب عاشقة

أرجوحة من خيوط العطر والحبق

أذا تفتح نبض الشعر في دمنا

فلا حياة لليل الهم والرهق

والحلم يورق حتى في لظى سقرٍ

والقلب تخضرّ فيه جمرة القلق

***
يا شعر، يا نسغ جنات بتربتنا

يا حبة الطلع بين الزهر والورق

المناظير الحديثة كاميرات تسبح في الجسم
شهدت السنوات الاخيرة ثورة كبرى في مجال الجراحة تمثلت في ابتكار تقنيات واجهزة دقيقة بعضها متناه في الصغر لمساعدة الاطباء على تشخيص الامراض واجراء العمليات الجراحية بطرق حديثة تقلل نسبة المخاطر بشكل اكبر بكثير مما هو الحال عند اجراء العمليات الجراحية التقليدية، خاصة الكبرى منها. وعلى نحو مغاير مما نعرفه عن المناظير التقليدية التي ما زال الاطباء في مختلف انحاء العالم يستخدمونها حتى اليوم، فإن المناظير الجديدة هي كاميرات لا يزيد حجمها عن حجم حبة دواء عادية، لكنها بعد ان تقوم بانجاز المهمة المطلوبة منها فانها تنهيها بالخروج من الجسم ومن ثم استخراج ما انتجته من صور خلال رحلتها من البلعوم حتى الشرج في مدة ثماني ساعات داخل الجسم.
من آخر الابتكارات التي طورها علماء أمريكيون أصغر جهاز منظار داخلي من شأنه أن يحدث ثورة طبية على صعيد تشخيص الأمراض وعلاجها.
وهذه التقنية الجديدة تعد أحد أصغر الأجهزة في العالم القادر على سبر أغوار جسم الإنسان، وتتمثل في نظام “سكانر” ليزري بحجم كبسولة الدواء وموصول بألياف بصرية ويستعمل لكشف وتصوير سرطان المريء.
وما يميز الجهاز الجديد الذي ابتكره مهندسون في جامعة واشنطن هو مرونته وحجمه الذي لا يتجاوز نصف حجم أقرب منافسيه، فضلا عن سهولة استخدامه مقارنة بالمنظار العادي الذي يزعج المرضى والذي من الممكن أن يعلق في الفم أثناء إقحامه بشدة عبر الفم حتى يصل إلى المكان المطلوب داخل الجسم.
غير ان مخترعي التقنية الجديدة يواجهون تحدي إدراج نظامهم الجديد في قائمة “الضمان الصحي” الامريكية، حيث كان من المتوقع أن 30 مليون أمريكي سيكونون مستعدين لدفع ثمن الفحص بهذه الكاميرا العجيبة متناهية الصغر والتي لا تتطلب منهم سوى بلعها ليرى الطبيب ما في داخل أحشائهم ثم الخروج مع البراز لاحقاً.
وعلى الرغم من ذلك يأمل المخترعون من جامعة واشنطن أن يتمكنوا من إدراج الكاميرا الكبسولة الجديدة، في قوائم شركات التأمين على اعتبار أن الفحص بهذه الطريقة سيكون أرخص ثمنا وأسرع من الكبسولة السابقة بالإضافة إلى أنها تتيح للطبيب حرية أكبر في التحكم بها.
وعلى النقيض من الكبسولة المنظار السابقة التي كان المريض يبلعها لتخرج من الجسم مع الفضلات، فإن الكبسولة الليزرية الجديدة التي طورتها جامعة “واشنطن” يمكن أن يسحبها الطبيب مثل المنظار التقليدي وهي مجهزة بضوء ملحق بنهايتها وتستخدم لفحص تجويف الجسم وأعضاء مختلفة منه.
والميزة المهمة الأخرى التي تتمتع بها هذه الكبسولة هي أنها لا تتطلب تخدير المريض كما يجري لدى استخدام أنواع المناظير العادية.
ويعتقد فريق جامعة واشنطن، أن الفائدة الأولى التي سيحصل عليها الطب من هذه الكبسولة تتمثل في علاج المرضى الجدد الذي ينفرون من طريقة تشخيص سرطان المريء لأنها غير مريحة على الإطلاق بالنسبة لهم علاوة على ارتفاع تكلفتها والوقت الطويل الذي تستغرقه.
وقال الباحث إيريك شيبل، أستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة واشنطن: “ستسهم هذه الكبسولة إلى حد كبير في دفع عدد أكبر من الناس للخضوع للاختبارات الكشف”.والجدير بالذكر أن آلاف الأشخاص يصابون سنويا بسرطان المريء.
وقد شهدت أمريكا وحدها السنة الماضية، أكثر من 15 ألف حالة إصابة، ووفاة 14 ألف مريض، حسب تقارير المعهد الأمريكي للسرطان.
وغالبا ما ينصح الأطباء الناس بالابتعاد عن تناول الكحول والتدخين كي ينأوا بأنفسهم عن شبح هذا المرض الخطير.
ومن العوامل الأخرى التي تساهم في الإصابة بالمرض حالة الارتجاع المعوي والمتمثل بعودة الطعام المهضوم أو مادة الصفراء التي يفرزها الكبد إلى المريء مرة أخرى ويمكن أن تؤدي حينذاك إلى تهيج المريء وظهور خلايا غير طبيعية تزيد من احتمالية الإصابة بالسرطان.
وكبسولة جامعة “واشنطن” قادرة على التقاط صور فيديو أثناء حركة جهاز نظام “السكانر” إلى الأعلى أو الأسفل داخل أنبوب المريء. ومثل هذا التحكم بالكاميرا كان غير ممكنا في الكبسولة السابقة نظرا لضيق نطاقها.
وتأتي التقنية المتطورة لجامعة واشنطن على شكل كبسولة بلاستيكية كي يكون وزنها خفيفا وتسهل عملية بلعها.
وعلى أي حال، فانه إذا ما اكتشفت الكبسولة المنظار أي خلايا غير طبيعية فإنه ينبغي على المريض لاحقا الخضوع لإجراء منفصل يتم بموجبه أخذ خزعة من هذا الورم لفحصه مختبريا.
وقالت ليزا نورتون، مدير التقنية في وحدة “تيك ترانسفير” التابعة لجامعة واشنطن والتي تساعد على ترخيص اختراعات الجامعة، إنه من المتوقع أن توقع الجامعة قريبا اتفاقا مع إحدى الشركات المصنعة للأجهزة الطبية، من أجل البدء بمرحلة إنتاج هذه الكبسولة. وفي حالة حصول الاختراع على موافقة (إدارة الغذاء والدواء) الأمريكية يمكن حينذاك طرحه للبيع في الأسواق في غضون سنوات قليلة. ويعتزم إيريك شيبل وزملاؤه في المضي قدماً في التفكير باستخدامات أخرى يمكن أن تدخل الكبسولة المرنة فيها ومن دمجها مع أجهزة تساعد على استكشاف مناطق عصية وتصوير البنكرياس أو قناة فالوب. كما يمكن استعمال مثل هذا الاختراع في مجالات أخرى مثل تصوير الزوايا البعيدة في أجنحة الطائرة. وإذا ما نجحت عملية التسويق فان جامعة واشنطن ستنال ثلثي العائد، في حين يذهب الثلث الآخر إلى إيريك شيبل وزملائه أو المشاركين في الاختراع وعددهم 15. وتشهد العديد من المستشفيات المتطورة في العالم إقبالاً متزايداً على تقنية 2004PillCam ESO) وهي أيضاً بحجم الكبسولة ومزودة بكاميرتين في كل طرف يستخدمها الأطباء لتشخيص أمراض المريء في الحالات التي يمكن أن تتطور إلى سرطان.
وهذه الكبسولة قادرة على التقاط ما يقارب 2600 صورة للمريء ( 14 في كل ثانية)، وتنتقل الصور من الكبسولة إلى جهاز تسجيل وفي أقل من 20 دقيقة يكون أمام الطبيب المعالج عدد من الصور كافٍ لتشخيص الحالة بدقة متناهية. على أي حال.
وهناك إجراءات بسيطة ينبغي أن يتبعها المريض قبل خضوعه للفحص بهذه الكبسولة وهي :
التوقف عن الأكل والشرب قبل ساعتين من بلع الكبسولة.
يستلقي المريض على ظهره ويبلع الكبسولة مع الماء.
بعد بلعه للكبسولة يرفع الطبيب المريض بمقدار 30 درجة كل دقيقتين وخلال فترة ست دقائق من البلع إلى أن يجلس بصورة مستقيمة.
تنزل الكبسولة داخل المريء خلال حوالي 3 دقائق.
تنتقل الصور إلى جهاز تسجيل مثبت على حزام يضعه المريض حول خصره. وتستغرق كل عملية فحص حوالي 20 دقيقة، وتستخدم الكبسولة لمرة واحدة وتخرج لاحقا من الفتحة المعوية بصورة طبيعية ومن دون أي ألم وذلك خلال 24 إلى 72 ساعة.
ويقول الخبراء إن هناك عدة فئات من البشر ينبغي ألا تستخدم الكبسولة بينها من يعانون من مشاكل في البلع أو يعانون أو يشك في أنهم يعانون من عوائق، أو تضيق في المريء. كما أنها محظورة على المرضى الذين يحملون منظم ضربات قلب أو أي أجهزة كهربائية أخرى مزروعة داخل الجسم.
الفرق بين المناظير العادية ومنظار الكبسولة:
تتطلب عمليات المناظير الآتي:
امتناع المريض عن الطعام والشراب لمدة لا تقل عن 8 ساعات.
تعاطي أدوية مسكنة قبل إدخال المناظير في الجسم.
عملية لإدخال المنظار في الجسم.
البقاء في المستشفى بضع ساعات حتى يزول مفعول المسكنات قبل الخروج.
حاجة المريض لمرافق يصطحبه عند خروجه بعد الانتهاء من العملية، فالمريض لن يستطيع قيادة السيارة، بل وليس مخولاً بذلك طوال ذلك اليوم فتأثير المسكن يبقى في الدم لساعات طويلة.
أما كبسولة المريء فلا تتطلب أيا من ذلك، إذ إن كل ما هو مطلوب هو:
أن يمتنع المريض عن الطعام والشراب لمدة ساعتين فقط قبل ابتلاع الحبة “كبسولة الكاميرا”
يطلب من المريض الاستلقاء على ظهره في وضع أفقي اثناء ابتلاع الكبسولة لمدة دقيقتين يرافق ذلك وضع 3 أجهزة استشعار فوق صدره وحزام تتدلى منه مسجلة رقمية ومن ثم يطلب من المريض النهوض قليلاً ثم الجلوس ثم تنفصل الأجهزة عنه وكل ذلك يستغرق عشرين دقيقة فقط.
آلية عمل الكبسولة
تقوم كبسولة الأمعاء بالتقاط صورها بعد بلعها مباشرة وأثناء مرورها الطبيعي مع حركة الأمعاء، والتي تلتقطها أجهزة الاستشعار الثمانية المثبتة ببطن المريض لترسلها إلى جهاز التسجيل المثبت على حزام الخاصرة، وفي هذه الأثناء يقوم المريض بممارسة حياته الطبيعية لمدة 8 ساعات، وبعد فصل الاجهزة عن المريض يقوم الطبيب بقراءة شريط الفيديو المسجل بجهاز التسجيل عن طريق الكمبيوتر.

Bragg Mirrors

Definition: mirror structures based on Bragg reflection at a period structure

A Bragg mirror (also called distributed Bragg reflector) is a structure which consists of an alternating sequence of layers of two different optical materials. The most frequently used design is that of a quarter-wave mirror, where each optical layer thickness corresponding to one quarter of the wavelength for which the mirror is designed. The latter condition holds for normal incidence; if the mirror is designed for larger angles of incidence, accordingly thicker layers are needed.

The principle of operation can be understood as follows. Each interface between the two materials contributes a Fresnel reflection. For the design wavelength, the optical path length difference between reflections from subsequent interfaces is half the wavelength; in addition, the reflection coefficients for the interfaces have alternating signs. Therefore, all reflected components from the interfaces interfere constructively, which results in a strong reflection. The reflectivity achieved is determined by the number of layer pairs and by the refractive indexbandwidth is determined mainly by the index contrast. contrast between the layer materials. The reflection

Figure 1 shows the field penetration into a Bragg mirror made of eight layer pairs of TiO₂ and SiO₂. The blue curve shows the intensity distribution of a wave with the design wavelength of 1000 nm, incident from the right-hand side. Note that the intensity is oscillating outside the mirror due to the interference of the counterpropagating waves. The gray curve shows the intensity distribution for 800 nm, where a significant part of the light can get through the mirror coating.

Figure 1: Field penetration into a Bragg mirror.

Figure 2 shows the reflectivity and the group delay dispersion as functions of the wavelength. The reflectivity is high over some optical bandwidth, which depends on the refractive index contrast of the materials used and on the number of layer pairs. The dispersion is calculated from the second derivative of the reflection phase with respect to the optical frequency. It is small near the center of the reflection band, but grows rapidly near the edges.

Figure 2: Reflectivity (black curve) and chromatic dispersion (blue curve) of the same mirror as above.

Figure 3 shows with a color scale how the optical field penetrates into the mirror. It can be seen that there is little field penetration well within the reflection band.

Figure 3: Field penetration into the Bragg mirror as a function of wavelength. The colors indicate the optical intensity inside the mirror.

Types of Bragg Mirrors

Bragg mirrors can be fabricated with different technologies:

• Dielectric mirrors based on thin-film coating technology, fabricated for example with electron beam evaporation or with ion beam sputtering, are used as laser mirrors in solid-state bulk lasers.
• Fiber Bragg gratings, including long-period fiber gratings, are often used in fiber lasers and other fiberultraviolet light. Similarly, volume Bragg gratings can be made in photosensitive bulk glass. devices. They can be fabricated by irradiating a fiber with spatially patterned
• There are various types of Bragg reflectors used in other waveguides, based on, e.g., corrugated waveguide structures which can be fabricated via lithography. Such kind of gratings are used in some distributed Bragg reflector or distributed feedback laser diodes.

There are other multilayer mirror designs which deviate from the simple quarter-wave design. They generally have a lower reflectivity for the same number of layers, but can be optimized e.g. as dichroic mirrors or as chirped mirrors for dispersion compensation.

Diode Bars

Definition: a type of semiconductor laser containing a one-dimensional array of broad-area emitters

Diode bars are high-power semiconductor lasers (laser diodes), containing a one-dimensional array of broad-area emitters. They typically contain between 20 and 50 emitters, each being e.g. 100 μm wide. A typical commercial device has a laser resonator length of the order of 1 mm, is 10 mm wide and generates tens of watts of output power; some prototypes even reach hundreds of watts (possibly with a reduced lifetime). Within the last 20 years, the price per watt has come down by nearly two orders of magnitude, while at the same time the brightness has been very significantly improved.

Figure 1: Schematic view of the semiconductor chip of a diode laser bar with a fill factor of 50%.

Most diode bars operate in the wavelength region from 780 to 860 nm or between 940 and 980 nm, with the wavelengths of 808 nm (for pumping neodymium lasers) and 940 nm (for pumping Yb:YAG) being most prominent. Another important wavelength is 975–980 nm for pumping erbium-doped or ytterbium-dopedhigh-power fiber lasers and amplifiers.

Figure 2: Photograph of actively cooled diode bars from JENOPTIK Laser Diode GmbH.

A non-ideal property of diode bars is the spatial pattern of its emission. In the “fast axis” direction (corresponding to the vertical direction in Figure 1 and 2), the emission comes from a very narrow region, so that the beam quality is not far from diffraction-limited (M² factor not far above 1) despite the strong beam divergence angle of typically 30–40° FWHM (full width at half-maximum). On the other hand, the “slow axis” direction has a very wide emitting region, so that despite the much smaller divergence angle (of the order of 6–10°) the beam quality is very poor, with the M² factor > 1000. Significant efforts are therefore often required for conditioning the output of a diode bar (or of multiple diode bars in the form of a diode stack).

The large numerical aperture (NA) of typically ∼ 0.6 for the fast axis requires high-NA aspherical lenses for collimating the beams while preserving the beam quality. Microoptic fast axis collimators, containing an array of aspherical cylindrical lenses, are often used for that purpose. There are also microoptic modules which serve as slow axis collimators. The demands for slow axis collimation are lower concerning the NA of typically ∼ 0.1, but nevertheless not uncritical for diode bars with high fill factor (see below). When beams with approximately circular beam waist and reasonable beam quality are required, a special beam shaper for symmetrization of the beam quality can be applied.

A potentially disturbing property of diode bars is the “smile” – a slight bend of the horizontal line connecting the emitters. Smile errors can have detrimental effects on the ability to focus beams from diode bars. There are some advanced beam conditioning schemes where the smile of individual diode bars is compensated.

The reason for the use of diode arrays instead of simply making very broad single emitters is that the latter would suffer from amplified spontaneous emission or parasitic lasing in the transverse direction, or from the formation of filaments. Diode arrays can be operated with a more stable mode profile, consisting of one so-called beamlet from each emitter. There are several techniques which exploit some degree of coherent coupling of neighbored emitters, leading to better beam quality. Such techniques include those directly applied in the fabrication of the diode bars and others involving external cavities. Most diode bars, however, are used without such a technique.

Note that the array geometry makes diode bars very suitable for methods of coherent or spectral beam combining, which make it possible to obtain a much higher beam quality.

Fiber Coupling

Many diode bars are sold in fiber-coupled form, because this often makes it much easier to utilize their output and also makes it possible to mount the diode bars with their cooling arrangement in some distance from the place where the light is used (e.g. a diode-pumped laser head). Usually, the light is coupled into a single multimode fiber, using either a simple fast-axis collimator and no beam conditioning in the slow-axis direction, or a more complex beam shaper to preserve the brightness better. It is also possible to launch the beamlets from the emitters into a fiber bundle (with one fiber per emitter).

Cooling

The semiconductor chip of a diode bar is soldered to a thin submount, which also gives one of the electrical connections. An insulated wire bond plate provides the second connection. The submount is then mounted on some heat sink, which is often water-cooled (with a macrochannel or microchannel cooler), allowing for a high fill factor (ratio of emitter width to total width of emitting region) of e.g. 80% and thus for a high brightness. Conduction-cooled bars (often used with a thermoelectric cooler) have a lower fill factor of e.g. 30%, because the heat can be extracted less efficiently. In both cases, diode bars are often produced in sealed packages.

Power Efficiency

Electrically, the different emitters are all connected in parallel. This means that the overall drive current is substantial, of the order of tens or even hundreds of amperes. One obtains roughly 1 W of optical output power per 1 A of current; combined with the typical voltage drop of ∼2 V, this results in a power efficiency (→ wall-plug efficiency) of the order of 50%. Further developments are under way (e.g. in the context of the SHEDS program of DARPA) to reach 80%. Crucial technological issues are to reduce the operating voltage by optimizing electrical contacts and layer structures, to reduce further the thermal impedance, and to improve methods for facet passivation, effectively allowing higher optical intensities without the risk of catastrophic damage. Improved power efficiency reduces the total electrical power demands and also the demands on the cooling system, and further usually allows for higher brightness. Often it comes with the additional effect of reducing the price per watt of output power, which is already well below 30 US dollars.

Lifetime

Under ideal conditions, diode bars can have lifetimes of many thousands of hours. However, devices often fail long before the specified lifetime is reached. This is not necessarily a consequence of faults in the production or the design, but can be caused by a variety of factors outside the control of the manufacturer, such as short voltage spikes caused by a defective or ill-designed diode laser driver (often during switching the device on or off), or by too high an operation temperature, which itself can be caused by too high a drive current or insufficient cooling. Water cooling is usually fairly effective, but its effectiveness can be strongly compromised by corrosion, which can occur e.g. when the specifications for the chemical condition of the cooling water (particularly its ion content) are not met. On the other hand, too strong cooling can cause problems via condensation, when the dew point is reached. Obviously, the whole diode laser system has to be properly designed in order to exploit the full lifetime potential of the bars.

Emission Bandwidth

The emission bandwidth of a diode bar typically amounts to several nanometers, which can be more than desirable for pumping a solid-state laser. In addition, there is typically a tolerance of several nanometers for the center wavelength. A strongly reduced wavelength tolerance and emission bandwidth may be achieved with optical feedback, e.g. from a volume Bragg grating. This can facilitate, e.g., the pumping of a solid-state bulk laser. Bandwidth and exact center wavelength can also be important for spectral beam combining.

Applications

High-power diode bars are used e.g. in material processing (e.g. welding and certain surface treatments), in medical applications (e.g. photodynamic therapy, tattoo removal, laser surgery), or for pumping high-power solid-state lasers (bulk or fiber lasers). Diode bars are also developed further for military use as battlefield laser weapons. In the future, they may also increasingly be applied in large-volume consumer products such as cars.

For very high powers (above roughly 100 W), one uses diode stacks, which are essential several diode bars stacked in the vertical direction.