Lasery nacházejí široké uplatnění napříč všemi výrobními odvětvími. Není tedy divu, že skvělých výsledků dosahuje i jejich použití v textilním průmyslu. Tak, jako existuje spousta typů laserů, existuje i spousta jejich různých aplikací. Lasery nabízejí širokou škálu výhod a mohou doplnit klasické techniky zpracování textilu. Těmi hlavními výhodami jsou přesnost zpracování, opakovatelnost a velké rozlišení při tvorbě detailních a komplikovaných tvarů. Dalším přínosem použití laserů je bezkontaktní zpracování látky (bez použití nástroje), které usnadňuje automatizaci výroby a udržuje konstantní kvalitu řezu.

Princip funkce

V textilním průmyslu se lasery používají zejména k řezání, gravírování a vytváření prostorového designu na látce.  Obzvláště vhodné jsou vysokovýkonové liniové CO₂ lasery. Lze ale použít i pevnolátkový (vláknový diodový) či excimerový laser, a to v závislosti na parametrech aplikace (např. dobrá absorpce dané vlnové délky laseru v materiálu specifické barvy).

Lasery jsou umístěné v plotterech, v zařízeních s rozmítací hlavou, či ve strojích, které obě tyto metody kombinují.

Konstruktér v počítačovém programu navrhne design, který se přenese do laserového výrobního stroje. Koncentrovaný laserový svazek je nasměrován na látku, na které vytvoří požadovaný vzhled odpařením či spálením textilních vláken. Laserová technologie nepoužívá žádný spotřební materiál kromě elektřiny a asistenčních plynů odfukujících vzniklé taveniny z místa řezu. Neposlední výhodou je i dlouhá životnost laserového zdroje, přičemž někteří výrobci garantují až 20.000 operačních hodin.

Metody práce s materiálem můžeme rozdělit následovně:

– Vybělení pigmentu
– Destrukce materiálu
– Fázová transformace
– Vitrifikace
– Karbonizování
– Roztavení
– Odpaření, odstranění horní vrstvy

Pro zpracování laserovým paprskem jsou vhodné technické a syntetické textilie (polyester, polyamid, fleece, filc, polyester, Aramid, Kevlar, plyš, síťovina, aj.) i přírodní materiály (bavlna, hedvábí, vlna, kůže). Jejich sledovanými parametry jsou zejména optické (odrazivost, absorpce, propustnost) a termo-fyzikální (koeficient tepelné vodivosti, měrné skupenské teplo, aj) vlastnosti. Uvedeme příklad polyesterových vláken. Při 80-90 °C vitrifikují, při 250 °C měknou, při 260 °C tají a při 350 °C se odpařují.

Dále se podíváme blíže na jednotlivé činnosti z textilního průmyslu a popíšeme, jak využívají laserová záření.

1. Řezání

Dělení materiálu je jednou ze základních činností v textilním průmyslu. Laser umožňuje řezat různé druhy, tvary a velikosti materiálů, včetně složitějších kontur, bez přípravy výsekových raznic. Snižuje spotřebu materiálu tím, že umožňuje nastavit minimální prořez (tzv. nesting technologie) a vytváří se tak méně odpadu. Řezání je bezkontaktní, není tedy třeba fixovat materiál a nedochází k jeho deformaci nebo poškození.

Řez je precizní, dokonalý, čistý a rychlý. Další výhodou je, že při řezání např. polyesteru laserový paprsek taví hrany a zabraňuje tak třepení, popř. současně utěsní okraje. Výrobní proces se tak zrychluje sloučením jednotlivých činností.

Laserové řezání je bezprašný proces, nicméně je nutné zajistit odsávání zplodin. Pro dosažení kvalitních neopálených okrajů a povrchu je vhodné používat asistenční plyn, distribuovaný do místa opracovávání.

2. Svařování

Laserové svařování textilií je technologie vytvářející nerozebíratelné spojení dvou shodných materiálů. Syntetické textilie, které se při určité teplotě taví, je možné svařovat laserem. Laserové svary nahrazují sešití nití. Svařování lze spojit s řezáním materiálu v jednom výrobním kroku. Výsledkem jsou dokonale zatavené hrany, které splňují i nejpřísnější normy na filtrační techniku.

Pro svařování se používají lasery vyzařující v IR spektru. Je-li potřeba svařit látku, která nepohlcuje IR záření, natiskne či nanese se na ni nejdříve stopa IR absorbéru, který následně reaguje s dopadajícím laserovým záření.

3. Značení a dekorace

Obecným cílem značení je identifikace, poskytnutí informace, vytvoření dekorace, či varování. Výhodou laserového značení je jeho snadné použití už při sledování životní cesty materiálu, který do výroby vstupuje. Značení laserem umožňuje dosahovat vysokých rychlostí zpracování. Technologie využívá laser jako tepelný zdroj, který sublimací odpaří barvu či část materiálu. Bez použití vody či dalších chemických látek lze dosáhnout vybělení materiálu či naopak škály odstupňovaného barevného odstínu (viz Obrázek 3) vhodné pro popis textilií. Značit se dají syntetické, přírodní i kompozitní materiály.

Škála dekoračních technik je široká, od vyřezávaných, vypalovaných ornamentů, po povrchové úpravy typu seprání, 3D gravírování (pro materiály s vyšší tloušťkou) či vytváření barevných gradientů. Zároveň lze dekoraci s využitím laseru kombinovat s jinými metodami za účelem vytvoření jedinečného vzhledu. Na rozdíl od tisku je laserem možné vytvářet hmatové efekty.

Laserový paprsek tepelně ovlivňuje pouze malou část materiálu. Lze ho tak použít i na recyklované a přešívané oděvy s vysokou mírou úprav dle potřeb zákazníka.

4. Kontrola

Laserový paprsek umožňuje přesnou kontrolu a měření různých vlastností materiálů a objektů. Používá se například k detekci přetržení nití při výrobě osnovy. V kombinaci se softwarem lze snímat a vyhodnocovat kvalitu materiálu a optimalizovat dle ní umístění objektů. Ke skenování se používá laserový osvětlovač, který postupně snímá části látky a detektorem se zachycuje odražené záření, které se následně datově zpracuje.

Dalším použitím laserů je jejich jednoduchá aplikace v zaměřovacích křížích používaných k zarovnání výrobků před potiskem, ke srovnání látky se střihem, či jako vodítek pro rovný šev.

Typické aplikace

– Oděvní průmysl – široké spektrum materiálů, zpracování látek na roli, sportovní oblečení, kožené boty, tašky
– Džínovina – efekt seprání, 3D gravírování, gradienty

– Sportovní vybavení – padáky, stany, plachty, spací pytle
– Hračky a dekorační předměty

 

– Bytové textilie – nábytkové potahy, závěsy, stínidla, slunečníky, koberce, rohože z uhlíkových vláken
– Filtrační materiály – FFP filtry, medicínské respirátory, bio filtry, potravinářské filtry, vzduchotechnické filtry, filtrační látky
– Automobilový a letecký průmysl – potahy, bezpečnostní pásy, airbagy
– Technické textilie – potahy, plachty, bannery, izolační materiál
– Polyesterové suché zipy – rychloupínací brusný papír

 – Ochranné oděvy – neprůstřelné vesty, nehořlavé oblečení, protipořezové ochranné oděvy

Nevýhody použití laserových systémů v textilním průmyslu

Hlavní nevýhodou použití laserů v textilním průmyslu jsou vysoké vstupní investice a náklady na zavedení výroby.

Výrobní proces je omezen na zpracování pouze určitých typů látek a barev. Zpracování různých materiálů také vyžaduje pečlivou přípravu v nastavení parametrů. Například při zpracování organických textilií laserem může řezná hrana vykazovat nežádoucí zabarvení. U specifických materiálů, jako je džínovina, lze využít LSF test (Light Sensitive Fabric test), při němž se vzorek materiálu otestuje laserovými technologiemi, čímž získáme přesná data, která se použijí k výběru a nastavení optimálních pracovních podmínek.

V neposlední řadě je třeba dbát i na státní regulační a bezpečnostní pravidla.

Reference

• Spacer fabric – laser cutting machines for the automotive industry (eurolaser.com)
• Laser welding of textiles | textile network (textile-network.com)
• Compact Super Laser Marking Technology – Jeanologia
• Twin Super Laser Marking Technology – Jeanologia
• Laser cutting of a teddy bear made of plush (polyester fabric) (eurolaser.com)
• Laser cutting of velcro material of polyester (eurolaser.com)

Lunar Laser Ranging (LLR) je název pro měření vzdálenosti mezi povrchem Země a Měsíce pomocí laserového dálkoměru. Tu lze vypočítat z doby letu laserových impulzů mezi Měsícem a Zemí. Laserové impulzy jsou vysílané z pozemních stanic a na povrchu Měsíce se odrážejí zpět k Zemi pomocí jednoho z pěti retroreflektorů (koutových odražečů) instalovaných na Měsíci během misí Apollo 11, 14 a 15 a Lunochod 1 a 2. Na Obrázku 1 je zobrazen odražeč instalovaný během mise Apollo 15.

I když je možné odrážet laserové impulzy nebo rádiové vlny přímo od povrchu Měsíce, za využití retroreflektorů je výsledek mnohem přesnější. Laserová měření vzdálenosti lze mimo jiné provádět i pomocí odražečů družic obíhajících Měsíc, jako je LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) [1].

Měření doby letu

Při měření vzdáleností laserovým dálkoměrem se často používá metoda měření doby letu. Laser dálkoměru je umístěný na zemském povrchu, koutový odražeč na samotném vesmírném tělese. Laser vyšle impulz do odražeče a je měřena doba mezi jeho vysláním a zaznamenáním. Vzdálenost se pak vypočítá jako:

kde:

d = měřená vzdálenost
c = rychlost světla
= doba mezi vysláním laserového impulzu a jeho opětovným zaznamenáním

V důsledku vysoké hodnoty rychlosti světla musí být měření času provedeno velmi přesně (za pouhou 1 ns světlo ve vakuu urazí 30 cm). Ač se měření doby letu obvykle používá pro velké vzdálenosti, až stovky tisíc kilometrů, i zde je přesnost klíčová. Pomocí přesného vybavení (kvalitní dalekohledy, vysoce citlivé fotodetektory) je tak možné měřit vzdálenost mezi Zemí a Měsícem s přesností až několik centimetrů. Zařízení pro měření kratších vzdáleností se ale, co se týče přesnosti, pohybují již od jednotek milimetrů po jednotky centimetrů. Obrázek 2 zobrazuje schematické uspořádání experimentu pro měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem.

Kvalita svazku laserového zdroje je pro měření doby letu klíčová. U výstupu laseru je obvykle umístěn teleskop, který napomáhá k dosažení velkého průměru paprsku a zvětšení Rayleighovy vzdálenosti[1], tj. nižší divergence svazku. Délka impulzu se obvykle pohybuje v rozmezí od 100 ps do řádu desítek nanosekund, což je možné díky Q-spínanému laseru[2].

Při měření velkých vzdáleností jsou zapotřebí vysoké energie jednotlivých impulzů. Ty jsou problematické z hlediska laserové bezpečnosti, zejména pokud vlnová délka laseru není ve spektrální oblasti bezpečné pro oči (eye-safe). Pro nanojoulové až mikrojoulové energie impulzů je možné použít např. pasivně Q-spínaný mikročipový Er:Yb:glass laser, který může generovat poměrně krátké eye-safe pulzy (řádově 1 ns) s energií kolem 10 μJ [2].

Historie

První úspěšné testy měření vzdálenosti mezi Měsícem a Zemí byly provedeny v roce 1962, kdy vědci z Massachusettského technologického institutu úspěšně pozorovali laserové impulzy odražené od povrchu Měsíce pomocí laseru s impulzem o energii 50 J a délce 0,5 ms. Podobná měření provedl později téhož roku sovětský tým na Krymské astrofyzikální observatoři pomocí rubínového Q-spínaného laseru.

Pro zvýšení přesnosti měření bylo klíčové umístění optických reflektorů na Měsíci. Instalace toho prvního byla provedena 21. července 1969 posádkou Apolla 11. Další dvě soustavy byly instalovány posádkami misí Apollo 14 a Apollo 15. První úspěšné měření vzdálenosti Měsíce pomocí retroreflektoru bylo provedeno 1. srpna 1969 na Lickově observatoři. Odražeč Apolla 15 se díky své velikosti (je třikrát větší, než ty zanechané předchozími misemi Apollo) stal cílem tří čtvrtin měření provedených během prvních 25 let experimentu.

Sovětské autonomní rovery Lunochod 1 a Lunochod 2 nesly menší retroreflektory (se sníženým výkonem na přímém slunečním záření), než ty použité při misích Apollo. Odražené signály byly přijímány Sovětským svazem až do roku 1974, ale ne západními observatořemi, které neměly přesné informace o jeho poloze. Až v roce 2010 sonda NASA Lunar Reconnaissance Orbiter lokalizovala na snímcích vozítko Lunochod 1 a v dubnu 2010 tým z Kalifornské univerzity provedl měření na jeho retroreflektoru.

Pro 21. století bylo plánováno umístění několika nových retroreflektorů na Měsíci. Reflektor MoonLIGHT, který měl být umístěn na soukromém přistávacího modulu MX-1E, měl až stonásobně zvýšit přesnost měření oproti stávajícím systémům. MX-1E ale v červenci 2020 neodstartoval, v únoru téhož roku byl jeho start zrušen [3].

Obrázek 3 ukazuje umístění retroreflektorů na přivrácené straně Měsíce.

Tabulka retroreflektorů na Měsíci

Původ	Mise	Jméno	Datum	Velikost	Stav
USA	Apollo 11	Laser Ranging Retroreflector	21.7.1969	46*46 cm	Funkční
SSSR	Luna 17	Lunochod 1	17.11.1970	44*19 cm	Funkční
USA	Apollo 14	Laser Ranging Retroreflector	31.1.1971	46*46 cm	Funkční
USA	Apollo 15	Laser Ranging Retroreflector	31.7.1971	105*65 cm	Funkční
SSSR	Luna 21	Lunochod 2	15.1.1973	46*46 cm	Funkční

Pro přesný výpočet vzdálenosti Měsíce je kromě doby letu, která činí přibližně 2,5 sekundy, nutné zohlednit mnoho dalších faktorů. Mezi ně patří:
– poloha Měsíce na obloze,
– relativní pohyb Země a Měsíce,
– rotace Země,
– počasí,
– různá rychlost světla v různých částech atmosféry.
Vzdálenost se z řady důvodů neustále mění, ale v průměru distance mezi středem Země a středem Měsíce činí 385 000,6 km [3].

Dosavadní pozorované výsledky

Z dlouhodobých měření vyplynula následující zjištění:
– Vzdálenost k Měsíci lze měřit až s milimetrovou přesností.
– Měsíc se od Země vzdaluje po spirále rychlostí 3,8 cm/rok.
– Měsíc má pravděpodobně tekuté jádro o poloměru asi 20 % Měsíce [1].

Zdroje

[1] Chapront, J.; Chapront-Touzé, M.; Francou, G. (1999). „Determination of the lunar orbital and rotational parameters and of the ecliptic reference system orientation from LLR measurements and IERS data“. Astronomy and Astrophysics 343: 624–633 [cit. 2023-02-21]. ISSN 1432-0746 Dostupné z: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999A%26A…343..624C/abstract

[2] M.-C. Amann et al., “Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement”, Opt. Eng. 40 (1), 10 (2001) [cit. 2023-02-21]. ISSN 1560-2303 Dostupné z: https://www.spiedigitallibrary.org/journals/optical-engineering/volume-40/issue-1/0000/Laser-ranging–a-critical-review-of-unusual-techniques-for/10.1117/1.1330700.short?SSO=1

[3] Bender, P. L.; et al. (1973). „The Lunar Laser Ranging Experiment: Accurate ranges have given a large improvement in the lunar orbit and new selenophysical information“. Science. 182 (4109): 229–238. [cit. 2023-02-21]. ISSN 1095-9203  Dostupné z: https://www.science.org/doi/10.1126/science.182.4109.229

[4] Turgivan, A. (2004). Was Galileo wrong? NASA. [cit. 2023-02-21]. Dostupné z: https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2004/06may_lunarranging/

Nedílnou součástí každého laseru je tzv. aktivní prostředí. Právě tam dochází k zesilování světla. Je tedy zřejmé, že aktivní prostředí určuje řadu vlastností laseru, ve kterém se používá. Některé vlastnosti, jako je spektrum laseru, přesně vyhraní možnosti použití, zatímco jiné například omezují dosažitelný výkon.

Hlavní vlastnosti každého aktivního prostředí můžeme dělit na optické a tepelné.

Optické vlastnosti

Asi nejdůležitějšími z optických vlastností aktivního prostředí jsou jeho absorpční a emisní spektrum. Kvantové přechody, při kterých dochází k emisi světla v daném prostředí, určují vlnové délky, které je možné tímto prostředím získat. Poloha tzv. Spektrální čáry tedy určuje, na kterých vlnových délkách bude možné s daným prostředím laserovat. Některá prostředí emitují fotony pouze v části viditelného spektra, jiná jsou omezena na blízkou infračervenou oblast (1).

Absorpční spektrum je důležité pro tzv. čerpání aktivního prostředí, kdy do aktivního prostředí vkládáme energii tím, že do něj svítíme světlem o specifické vlnové délce. Pokud na dané vlnové délce prostředí fotony neabsorbuje, není možné pomocí tohoto světla dostat prostředí do excitovaného stavu.

Spektrální čáry aktivních prostředí také mohou mít různou šířku. Ačkoliv se běžně uvádí, že laserové záření je monochromatické, neplatí to obecně. Například titan-safírový laser je schopný emitovat záření přes velikou část celého viditelného spektra.

Šířka emisní spektrální čáry je velice důležitá pro konstrukci impulsních laserů, kdy širší spektrum laserového záření umožňuje dosáhnout kratších impulsů. Například výše zmíněný titan-safírový laser je schopný dosáhnout laserových impulsů dlouhých pouze pár jednotek femtosekund (2).

Také je důležitá pravděpodobnost toho, že k zesílení světla kvantovými procesy uvnitř aktivního prostředí dojde. Tomuto parametru říkáme efektivní průřez stimulované emise. Když si tento koeficient vykreslíme do grafu jako například v obrázku 1, můžeme vidět, jak efektivně na dané vlnové délce aktivní prostředí absorbuje nebo emituje fotony.

Další poměrně důležitou veličinou je také tzv. doba života na horní laserové hladině. Když aktivní prostředí excitujeme, bude se na horní laserové hladině vyskytovat více kvantových soustav než na té spodní. Tím se zvyšuje pravděpodobnost stimulované emise, a vytváří se laserový paprsek. V přirozeném stavu se v aktivním prostředí všechny kvantové soustavy nachází v základním stavu. Pokud prostředí přestaneme čerpat, postupem času se buď spontánní emisí nebo jinými procesy všechny kvantové soustavy postupně snesou na spodní laserovou hladinu. Tím pádem máme po načerpání jenom omezenou dobu, kdy je prostředí připraveno laserovat. Toto je důležité zejména u laserů, u kterých čerpáme buď elektrickým výbojem, výbojkou nebo jiným pulsním mechanismem. Čím delší je tato doba, tím déle můžeme laserovat po načerpání a tím větší bude rozdíl počtu kvantových soustav na horní laserové hladině a počtu na dolní laserové hladině. Tento rozdíl znamená vyšší pravděpodobnost, že dojde ke stimulované emisi, a tím pádem bude aktivní prostředí lépe zesilovat světlo (3).

Za zmínku stojí ještě kvantový defekt. To je veličina, která se projevuje pouze u opticky čerpaných aktivních prostředí. Jednoduše jde o rozdíl energie absorbovaného fotonu a energie emitovaného fotonu. Až na vzácné výjimky je emitovaný foton vždy méně energetický než absorbovaný foton. Tato veličina tedy určuje, jaká část energie je z každého absorbovaného fotonu ztracena. Často se uvádí jako procento energie absorbovaného fotonu. Prostředí s vysokým kvantovým defektem tedy mají vyšší ztráty a více se zahřívají. Vyšší teplota aktivního prostředí ve většině případů vede k zhoršení parametrů laseru a tím pádem jsou taková aktivní prostředí nevhodná k použití pro lasery s vysokým středním výkonem.

Tepelné vlastnosti

Při provozu laseru se aktivní prostředí zahřívá (viz. kvantový defekt výše) a rostoucí teplota má na laser většinou negativní dopad. Může se stát, že vlivem zvýšené teploty také přibude počet kvantových soustav na dolní laserové hladině. To potom snižuje možné zesílení světla. Každé optické prostředí (včetně plynu) má navíc index lomu, který může být závislý na teplotě. Toto znamená, že pokud se aktivní prostředí zahřeje, a chladíme jej ve směru kolmém na směr laserového svazku, vznikne uvnitř teplotní gradient, který díky tepelné závislosti indexu lomu udělá z aktivního prostředí čočku (většinou spojku). Tento jev velice silně narušuje optický rezonátor laseru a u řady aktivních prostředí vylučuje jejich použití pro střední výkony větší než pár Wattů.

Proto je nutné lasery dobře chladit, a k tomu je velice důležitý koeficient tepelné vodivosti aktivního prostředí. Čím vyšší, tím lépe lze aktivní prostředí chladit. Samotný způsob chlazení pak závisí i na skupenství aktivního prostředí. V plynovém laseru je možné plyn postupně měnit, nebo jej chladit (2) skrze stěny nádoby ve které se nachází aktivní prostředí, zatímco u pevnolátkového laseru je nutno jej chladit skrze jeho stěny.

Shrnutí

Každé aktivní prostředí má řadu vlastností, které určují, jak laseruje a k jakému účelu se tedy hodí. Při konstrukci jednotlivých laserů se také projeví řada jiných vlastností. Zacházení s vláknovými lasery je naprosto odlišné od zacházení s plynovými lasery, a podobně. Třeba polovodičové laserové diody se čerpají pomocí elektřiny a nabízejí tak vysokou účinnost, ale jejich spektrální čáry neumožňují generaci krátkých laserových impulsů.

Citovaná literatura

1. Csele, Mark. Funamentals of Light Sources and Lasers. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2004.
2. Morgner, U., a další. Sub-two-cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser. Optics Letters. 1999.
3. Saleh, Bahaa E. A. a Teich, Malvin Carl. Základy fotoniky. Praha : Matfyzpress, 1991. Sv. 3.
4. Paschotta, Rüdiger. RP photonics, članek o průřezech kvantových přechodů. Rp Photonics Encyclopedia. [Online] 2022. https://www.rp-photonics.com/transition_cross_sections.html.

Mluví-li se o laserech, často je zmíněno také slovo „krystal“. O krystalech je známo, že jsou to pevné látky, ve kterých se nacházejí atomy, molekuly a ionty ve vysoce uspořádaných mikrostrukturách – v krystalových mřížkách. Tato vysoká uspořádanost, spolu s dopováním vhodnými ionty, umožňuje jejich využití jako aktivních prostředí v laserech. Takovými krystaly jsou např. Nd:YAG (yttrium aluminium granát dopovaný ionty neodymu) nebo Ti:safír (safír, tj. oxid hlinitý, dopovaný ionty titanu).

V roce 1961, krátce po zkonstruování prvního laseru, však bylo zjištěno, že některé krystaly se při ozáření intenzívním laserovým svazkem chovají pozoruhodně. Nešlo jen o to, že po průchodu krystalem bylo záření mírně oslabeno v důsledku absorpce. Kromě základní vlnové délky laseru se v záření objevily i jeho optické harmonické frekvence. To znamená, že pokud základní vlnová délka byla 1064 nm (Nd:YAG), ve výsledném záření se nacházela i vlnová délka poloviční, 532 nm, tj. druhá harmonická frekvence 2ω. Krystal se zachoval opticky nelineárně: jeho odezva nebyla pouze lineárně úměrná elektrickému poli E, ale byla proporcionální i E². Potom je jasné, že ve výsledném záření se musela vyskytnout i složka s optickou frekvencí 2ω.

Tato vlastnost, jak bylo později zjištěno, úzce souvisí s typem symetrie krystalu. Aby krystal vygeneroval ze základní vlnové délky také druhou harmonickou frekvenci, nesmějí buňky v mříži vykazovat střed symetrie. Krystal musí být také správně říznut, řezné plochy musí svírat s krystalografickými osami přesně určené úhly. Řezné plochy se následně vyleští, aby při dopadu laserového svazku nedošlo k jeho rozptylu. Na obrázku 1 je zobrazeno typické schéma pro generaci druhé harmonické frekvence daného laseru.

Druhá harmonická

Na jedné straně vstupuje do krystalu základní svazek, např. s vlnovou délkou 1030 nm. Takové lasery najdete například v laserovém centru HiLASE; jejich aktivním prostředím je Yb:YAG. Na druhé straně vystupuje vygenerovaná druhá harmonická frekvence, tj. záření s vlnovou délkou 515 nm. Spolu s ní ale z krystalu vystoupí také zbylý základní svazek, protože konverze do druhé harmonické nikdy není úplná. Kvalitní krystaly mohou zkonvertovat 60% i více základního svazku. To je ovšem za předpokladu, že i laserový svazek je velmi kvalitní: má hladký prostorový i časový profil, např. gaussovský. Aby se zlepšila účinnost konverze, tj. poměr výkonu druhé harmonické ku výkonu základního svazku, pokrývají se vstupní a výstupní plochy krystalu antireflexními vrstvami. Tyto tenké vrstvy (např. z MgF₂) díky svému indexu lomu sníží odraz svazku, a to jak u vstupujícího základního svazku, tak u výsledného svazku druhé harmonické.

Pro generaci druhé harmonické z Nd:YAG, nebo Yb:YAG laseru, se nejčastěji používá lithium triborát LBO (LiB₃O₅). Jak tyto nelineární krystaly před i po zpracování vypadají ukazuje obrázek 2.

Druhá harmonická frekvence je v laserovém centru HiLASE využívána v několika uživatelských experimentech. U systému PERLA C (pulzního vysokovýkonného tenkodiskového laseru s aktivním prostředím Yb:YAG) byla použita např. k mikroobrábění invarové fólie. Svazek druhé harmonické byl pomocí difrakčního prvku rozdělen na téměř 800 miniaturních svazků, které vyvrtaly do fólie mikrodíry o definovaných rozměrech.

Dále byla druhá harmonická použita na proměření propustnosti bioresopčních optických vláken z fosfátových skel. Tato vlákna mají tu výjimečnou vlastnost, že jsou v lidském těle rozpustná. Jejich využití při operacích proto nepřináší nebezpečí poranění tkáně, pokud by došlo k jejich rozlomení v těle.

Intenzívní druhá harmonická byla rovněž vygenerována na systému BIVOJ, což je nanosekundový diodami čerpaný laser, ve kterém jsou koncovým aktivním prostředím kryogenně chlazené desky z Yb:YAG keramiky. Na tomto systému bylo dosaženo několika světových prvenství v množství energie výstupního pulzu. Ve druhé harmonické byla vygenerována energie v pulzu 95 J při opakovací frekvenci 10 Hz. Tento unikátní svazek je mimo jiné využíván při laserovém zpevnění povrchu součástek, v technice LSP (Laser Shock Peening), která umožňuje výrazné prodloužení jejich životnosti.

Třetí harmonická

Druhá. harmonická vzniká jako součet dvou fotonů základního svazku: 2ω=1ω+1ω. Mělo by tedy také být možné sečíst foton 1ω a foton 2ω, tj. 1ω+2ω=3ω, a vygenerovat tak ultrafialové záření o vlnové délce 343 nm (pokud má základní svazek vlnovou délku 1030 nm), tj. třetí harmonickou frekvenci. Možné to je, a právě takto je třetí harmonická generována. Využívány jsou například nelineární krystaly LBO (ale seříznuty jinak, než tomu bylo při generaci druhé harmonické) nebo BBO (β-bárium borát). Oba tyto krystaly mají vysoký práh poškození, takže snesou vysokou intenzitu laserového záření.

Každý z nich má pro generaci třetí harmonické jiné výhody. LBO má vyšší úhlovou toleranci, což znamená, že základní svazek nemusí být přesně kolimovaný, a přesto může být konverze do třetí harmonické vysoká. Na druhou stranu, krystal BBO má 3x větší nelineární koeficient, a proto je jeho konverzní účinnost do 3. harmonické vyšší než u LBO. Krystaly BBO jsou ale mírně hydroskopické, takže je potřeba je zahřívat alespoň na teplotu cca 50 °C, aby se před vodními parami uchránily. Další možností je krystal používat uzavřený ve vakuové komůrce.

Na obr. 3 je vyobrazeno schéma uspořádání krystalů pro generaci třetí harmonické, používaného například v systému PERLA C. První krystal LBO(2H) generuje druhou harmonickou (515 nm) ze základního svazku (1030 nm). Tato druhá harmonická spolu se zbylým nezkonvertovaným základním svazkem vstupuje do druhého LBO(3H) krystalu, jehož řez odpovídá generaci třetí harmonické (343 nm). Mezi oba krystaly jsou však přidány dva prvky:

• kompenzátor časového zpoždění (TDC), který zbrzdí pulzy základního svazku, takže dopadnou na druhý LBO krystal ve stejném okamžiku jako pulzy svazku druhé harmonické
• duální půlvlnná destička (DHWP), která obrací polarizační rovinu základního svazku, takže po průchodu touto destičkou mají oba svazky stejnou polarizaci.

Tyto dva prvky zajišťují vysokou konverzi do třetí harmonické v použitém LBO krystalu, v tomto případě 25%. Znamená to, že poměr výkonu ve třetí harmonické ku výkonu v základním svazku je 0,25:1. Pro laserové systémy této kategorie se jedná o velmi dobrý výsledek.

Ultrafialové záření 343 nm se za přesně definovaných experimentálních podmínek využívá pro studium modifikace povrchů chemických sloučenin, i pro jejich řezání a opracování.

Čtvrtá harmonická

Další v pořadí je čtvrtá harmonická frekvence, vlnová délka 258 nm. Ta už spadá do oblasti tvrdého, lidské tkáni velmi nebezpečného, ultrafialového záření. Jak ji vyrobit? Podle výše uvedeného návodu by mělo být možné ji vygenerovat jako součtovou frekvenci 1ω+3ω, tedy za pomoci třetí harmonické smíšené se zbylým základním svazkem.

To je samozřejmě možné, ale efektivnější metodou (s větší konverzní účinností) je vygenerovat čtvrtou harmonickou jako druhou harmonickou z druhé harmonické, tj. 2ω+2ω=4ω. Nejčastěji užívanými krystaly pro tento účel jsou výše zmíněný BBO, nebo CLBO (cesium lithium boritan, CsLiB₆O₁₀). Každý z nich má své výhody. BBO vykazuje účinnější konverzi z druhé harmonické do čtvrté, ale potřebuje kvalitnější laserový svazek. CLBO dokáže zkonvertovat i méně kvalitní svazek, ale musí se udržovat na poměrně vysoké teplotě (kolem 150 °C), protože je silně hydroskopický. Pokud bychom ho nechali na vzduchu bez ochrany, již druhý den by byl vyleštěný povrch narušený.

V naší laboratoři většinou pro generaci čtvrté harmonické používáme právě CLBO. Tvrdé ultrafialové záření čtvrté harmonické frekvence využíváme například ke krystalizaci vrstev tvořených nanotrubičkami TiO₂. Ty mají velký aplikační potenciál: využívají se v solárních panelech, různých čidlech a fotokatalyzátorech. Vrstvy mají při vzniku amorfní strukturu s mnoha defekty, a právě ozáření vlnovou délkou 258 nm mění jejich strukturu na krystalickou, s lepšími užitnými vlastnostmi.

Pátá harmonická

O něco kratší vlnovou délku má pátá harmonická frekvence, 206 nm. Víme už, že ji lze vytvořit součtem optických kvant 2ω+3ω. V našem systému generace harmonických frekvencí ji však vytváříme v procesu 5ω=4ω+1ω. Tento způsob tvorby fotonu s energií 5ω je energeticky účinnější než předchozí proces. Realizuje se rovněž v krystalu CLBO (seříznutém pod trochu jinými úhly než v případě generace čtvrté harmonické). Krystal se opět musí udržovat na teplotě 150 °C, což je sice mírně nepraktické, ale tato vysoká teplota nejen chrání krystal před vlhkým vzduchem, ale také snižuje zpětnou absorpci 5ω fotonů na jejich cestě ven z krystalu.

Toto velmi tvrdé ultrafialové záření nachází uplatnění v uživatelském experimentu zkoumajícím rozklad určitých chemických sloučenin, které jsou modelovými složkami při studiu vzniku vesmíru.

Kvalita svazků a srovnání harmonických frekvencí

V závěru se podívejme na obr. 4, kde jsou seřazeny profily svazků jednotlivých harmonických frekvencí, počínaje základním svazkem o vlnové délce 1030 nm, poté svazkem 2. harmonické o vlnové délce 515 nm, dále 3. harmonické (343 nm), 4. harmonické (258 nm) a 5. harmonické (206 nm).

Je vidět, že se kvalita profilu svazků s vyšší harmonickou frekvencí zhoršuje. Je to dáno tím, že přeměna fotonů základního svazku nebo druhé harmonické do vyšších harmonických je doprovázena nelineárními optickými jevy, jako je dvoufotonová absorpce, samofokusace, a další. Ty narušují původní homogenní prostředí v krystalu a v různých částech jsou nyní rozdílné fyzikální podmínky pro konverzi do vyšších harmonických, což se navenek projeví jako silně strukturovaný profil svazku (původně Gaussovský). Co nejkvalitnější a přitom vysoce výkonný laserový svazek u vyšších harmonických frekvencí je tradičním prvkem soutěživosti mezi laserovými laboratořemi.

Je třeba zdůraznit, že generace harmonických frekvencí ze základní vlnové délky laseru významně přispívá k rozšíření jeho aplikačních možností. Není třeba vymýšlet nový laserový systém pro netypickou vlnovou délku, kterou potřebujeme pro náš experiment. Stačí vzít osvědčený a spolehlivě fungující laser o vlnové délce kolem 1 mikrometru a přidat k němu vhodný krystal.

Vývoj moderní diagnostiky i terapie je v našem století výrazně ovlivněn rozvojem techniky. Stále nové objevy z fyziky, elektroniky a dalších oborů vedou k hledání jejich využití v medicíně. Výjimkou není ani laser.

Šedesát let od jeho objevení si jen stěží dokážeme představit, že ještě před několika lety byl laser pouze empirickou technikou, akademickou studií nebo futuristickým projektem. V průběhu let a s vývojem technologie se navzdory počátečním dojmům laser stal základním, nenahraditelným a všudypřítomným zařízením moderní vědy. Patří tak k nejvýznamnějším technickým objevům druhé poloviny 20. století.

Řada technických pozorování a cílených výzkumů prokázala příznivý efekt laserového záření na živou tkáň. Potvrdila se tak možnost jeho léčebného využití. Laseroterapie se v posledních letech těší stále větší oblibě. Lasery si našly své místo téměř ve všech oblastech medicíny (jak v léčbě, tak ve výzkumu) a jejich aplikace se neustále dynamicky rozvíjejí.

Unikátní vlastnosti laserů jsou využívány i v dermatologii. Revoluci pro neinvazivní laseroterapii znamenaly diodové lasery. Dnes výrobci nabízí širokou škálu diodových laserů o různých výkonech a v širokém spektru vlnových délek. A co je nejdůležitější – jejich cena je přijatelná pro většinu zdravotnických zařízení.

V současnosti je velké množství pozornosti věnováno volbě zdroje světla pro laseroterapii. Dříve se používal He-Ne laser (který emituje světlo o vlnové délce 632,8 nm), ale dnes se dává přednost laserům na bázi polovodičů. Vlnové délky využívané v laseroterapii jsou v oblasti červeného spektra a NIR oblasti (blízkého infračerveného světla), tj. vlnových délek 600 až 1070 nm. Tento rozsah umožňuje nejlepší penetraci do tkání, neboť hlavní tkáňové chromofory (hemoglobin a melanin) vykazují nejvyšší absorpci na vlnových délkách kratších než 600 nm. Světlo o vlnových délkách v rozsahu 600–700 nm je využíváno k ovlivňování povrchově uložených tkání, zatímco delší vlnové délky ve spektru 780–950 nm pronikají hlouběji a hodí se tak k terapii hlouběji lokalizovaných struktur.

Historie

V roce 1963 Leon Goldman, známý také jako „otec laseru v medicíně“, jako první použil laser v dermatologii. Tím předznamenal éru nepředstavitelného technologického rozvoje a inovativního terapeutického potenciálu. Ve svých prvních studiích popsal účinky Maimanova laseru při selektivní destrukci kožních pigmentových struktur, jako jsou černé chloupky. Vysvětlil také potenciální využití rubínového laseru a inovativnějšího Q-switched zařízení při odstraňování tetování a možné léčbě dalších pigmentových lézí, jako jsou névy a melanomy.

V roce 1967 Dougherty experimentoval s použitím laseru při aktivaci fotosenzitivních látek, které byly schopny selektivně vázat a ničit rakovinné buňky. Jeho práce představovala původ fotodynamické terapie. K velkému pokroku laserové terapie však došlo až v roce 1980, kdy Rox Anderson a John Parrish zavedli tzv. teorii selektivní fototermolýzy. Při ní použitím specifické vlnové délky dosahujeme zničení konkrétních molekul (nebo chromoforů), což umožňuje lepší lokalizaci tepelné energie a minimalizaci poškození okolní tkáně.

Jen o tři roky později Oshiro Atsumi popsal použití neinvazivních laserů a jejich mechanismy působení. Ve stejné době Passerella studoval účinky laseru na mitochondrie. Konečně pak v devadesátých letech došlo k nárůstu studií v oblasti využití laseru v dermatologii, ať už se jednalo o oblast laserové epilace nebo laserového omlazení.

Laser má v dermatologii tři hlavní cíle a využití:

• podporu hojení ran, reparaci tkání a prevenci vzniku nekrózy
• zmírnění zánětu a edému při poranění nebo chronických onemocněních
• při analgezii

Chceme-li dosáhnout laserovým zářením na biologické tkáni žádaného efektu, musíme se řídit pravidlem tzv. selektivní fototermolýzy. Na ošetřovaný cíl (tzv. chromofor) působíme elektromagnetickým zářením s takovými vlastnostmi a vlnovou délkou, které mají minimální vedlejší efekty na okolní tkáň.

Dělení laserů

Lasery lze rozdělovat podle různých kritérií. Nejčastěji rozlišujeme typy laserů podle aktivního prostředí, časového režimu provozu laseru, výkonu, nebo dle typu ošetřované léze.

• Podle časového režimu dělíme lasery na kontinuální, pulzní a kvazi kontinuální.
• Na základě aktivního prostředí rozlišujeme mnoho různých druhů laserů: pevnolátkové, polovodičové, plynové, kapalinové, plazmové a lasery s volnými elektrony.
• Dle výkonu lze lasery dělit na nízkovýkonné (neinvazivní) a vysokovýkonné (invazivní).

Využití nízkovýkonných (neinvazivních) biostimulačních laserů

Vývoj těchto laserů byl na rozdíl od rozmachu chirurgických laserů pomalejší. Mezi biostimulační lasery řadíme přístroje s výkonem do 500 mW. V současné době jsou na trhu běžně k dispozici přístroje s maximálním výkonem polovodičové diody do 300 mW u infračerveného světla. U červeného a u He-Ne trubice jsou výkony nižší. Pří vyšším výkonu laserového záření mizí stimulační odpověď buněk. Jak jsem zmiňovala dříve, vlnová délka výrazně ovlivňuje míru absorpce laserového záření a interakci s jednotlivými vrstvami tkáně, kterými paprsek prochází.

Biostimulační lasery dělíme podle druhu zdroje na polovodičové a plynné (He-Ne). Polovodičový laser využívá jako zdroj záření diodu. Biostimulační lasery slouží k ovlivňování reparačního procesu u špatně se hojících ran různé etiologie. Studie prokázaly, že záření ovlivňuje syntézu kolagenu či novotvorbu cév a podporuje epitelizaci.

Nejčastěji jsou v dermatologii biostimulační lasery využívány k terapii špatně se hojících ran, bércových vředů, jizev, proleženin, bolestí po prodělaném pásovém oparu, modřin, i akné. Používají se jako podpůrná metoda při léčbě zánětu, v rehabilitaci, a v korektivní dermatologii (obecně). Další aplikace zahrnují léčbu oparů i celulitidy, odstranění nežádoucích pigmentací a jizev, nebo využití k podpoře vlasového růstu. Lasery vykazují analgetický efekt, urychlují hojení po chirurgických zákrocích, apod. Při správném používání biostimulačního laseru nebyly pozorovány žádné komplikace. Při biostimulaci však musíme chránit zrak speciálními brýlemi, aby nedošlo k ozáření sítnice.

Vzužití vysokovýkonných (invazivních) laserů

V dermatologii byly vysokovýkonné lasery prvně vyzkoušeny v šedesátých letech. Při invazivní laseroterapii se využívá unikátních vlastností laserového paprsku a principu selektivní fototermolýzy. Při dopadu elektromagnetického záření na tkáň dochází k ireverzibilní změně na jinou formu energie, nejčastěji energii tepelnou. Za chromofor je považována taková tkáňová struktura, kterou je laserové záření nejvíce absorbováno. Která tkáňová struktura bude laserové záření nejvíce absorbovat závisí na vlnové délce daného záření. Pro lepší orientaci se invazivní lasery dělí podle možností použití.

Lasery určené pro terapii cévních lézí

Cévní léze jsou ošetřovány lasery, jejichž absorpční maximum je v hemoglobinu. Nejčastěji těmito lasery odpařujeme degenerativní kožní změny, xanthelasmata, syringoma, adenoma sebaceum, rhinophyma, verrucae vulgares, molusca contagiosa, fibroma, milia.

Lasery používané k odstraňování nežádoucího ochlupení

Pomocí laserové depilace dosahujeme permanentní redukce nežádoucího ochlupení. I zde se využívá principu selektivní fototermolýzy. Cílovou tkání těchto laserů je melanin ve vlasovém folikulu, ve vlasovém stvolu, ale i v oblasti infundibula. Lasery používané k depilaci jsou diodově čerpané (800 nm), alexandrite (755 nm), ruby laser (694 nm), IPL aj.

Lasery a přístroje k léčbě akné

K léčbě akné se v poslední době využívá tzv. modré světlo – úzkopásmové polychromatické – světlo (407–420 nm).

Další možností je léčba akné za pomoci pulzního diodového laseru (1450 nm). Laserové záření je absorbováno buněčnou vodou v epidermis a dermis. Epidermis je chráněna dynamickým chlazením, takže nedochází k jejímu poškození. Dermis je tepelně prohřáta spolu s mazovými žlázami. Následuje termální nekróza mazových žláz a nekróza folikulárního epitelu, tím dochází k otevření folikulárních ústí, omezení tvorby mazu a redukci aknózních lézí. Tento laser je ideální k léčbě papulopustulózní formy akné.

Lasery využívané k fotorejuvenaci (omlazení pleti)

Omlazení pleti lze provádět různými typy laserů, např. pulzním diodovým laserem (1450 nm), či pulzním barvivovým laserem (585–595 nm). Lze použít i IPL.

Laseroterapie je jeden z nejrychleji se vyvíjejících oborů. Lasery zjednodušily mnohé léčebné postupy, zkrátily rychlost hojení a přinesly pacientům větší komfort. Díky laserům můžeme zásadně léčit mnohé vrozené malformace, které se jevily dříve jako neřešitelné.

Literatura:

• Adamcová H. Využití laserů v dermatologii, Trendy v medicíně 2002; 4(5).
• Chaloupecká J. Možnosti využití laseru v dermatologii, Dermatologie pro praxi 2008; 2 (2).
• Gianfaldoni S. et al. An Overview of Laser in Dermatology: The Past, the Present and … the Future (?), Open Access Maced J Med Sci 2017; 5 (4).
• Navrátil L. et al. Nové pohledy na neinvazivní laser. 2015. Praha: Grada Publishing. ISBN 978-80-247-5292-6.

S lasery se v dnešní době můžeme setkat v mnoha odvětvích. Jak všichni víme, laser se dá využít k řezání, sváření a je také důležitou součástí mnoha lékařských zákroků. Ne všichni si však dokáží představit, jak by nám mohl laser pomoci ve vesmíru. Proto bychom si toto využití nyní popsali a vysvětlili. Read More

Jak jistě víme, laser s postupem času našel využití v mnoha odvětvích. Velmi důležité je jeho využití v medicíně. Vedle využití v chirurgii (sterilní řezání), dermatologii (odstranění pigmentových név nebo tetování) a stomatologii (vrtání zubů) je velmi důležité a převratné využití v oftalmologii. Velkým přelomem ve využívání laseru v oftalmologii bylo úspěšné léčení šedého zákalu.

Šedý zákal (katarakta) se u člověka projevuje snížením možnosti akomodace čočky. Při této nemoci se sníží možnost pacienta vidět na blízko a plně pohybovat okem. Čočka oka tvrdne, až se přemění v tvrdou „fazolku“. Díky tomuto procesu se zužuje zorné pole a může dojít až k úplné ztrátě zraku.

Operace katarakty je považována za nejstarší zákrok v dějinách nejen oftalmologie, ale také samotného lékařství. V minulosti (historické záznamy sahají do doby 2000 let př. n. l.) byla tato nemoc pouze oddalována. V té době existovali tzv. vypichovači, kteří prováděli reklinaci čočky (pomocí jehly zatlačili čočku hlouběji do sklivce) a tím rozšířili zorné pole pacienta. Pokud zatlačení nebylo možné, byla čočka jehlou roztříštěna. Při zákroku nebyla pacientovi podávána anestetika, jelikož v bělimě oka je malé množství nervů. Tento zákrok však nebyl sterilní a pacientovy ve většině případů tento zákrok zapříčinil infekci nebo zánět, a často docházelo následně k úplnému oslepnutí.

Nová metoda léčby, tzv. extrakce šedého zákalu, byla světu představena až v roce 1747 Jacquesem Davielem. Operace byla založena na principu, ve kterém docházelo k rozříznutí oka a vyjmutí zakalené čočky. Pouzdro čočky bylo v oku ponecháno. Pokud v pozdější době došlo k opětovnému zakalení pouzdra čočky, musel se v pouzdře operativně vytvořit otvor, který umožňoval průchod světla.
K modifikaci operační metody došlo na konci 19. století. Při tomto zákroku docházelo k vyjmutí jak zakalené čočky, tak i jejího pouzdra. Při operaci byl používán nástroj zvaný Davielova lžička.

Další vývoj léčebné metody byl zaznamenán v 60. letech minulého století, kdy byla světu představena metoda kryoextrakce. Jejím principem bylo namražení čočky uvnitř oka a její postupné vyjmutí pomocí kývavých pohybů. Tato metoda však byla velmi nebezpečná, jelikož je u ní velké riziko narušení sklivcové bariéry a následných komplikacích při operaci. Po zákroku v oku zůstane z původní čočky pouze její čiré pouzdro, do kterého se následně pomalým usazováním fixuje čočka z umělé hmoty.
Revoluce v léčbě šedého zákalu proběhla v roce 1967, kdy Charles Kleman představil metodu fakoemulsifikace. Tato metoda ultrazvukového rozmělnění a následného odsátí čočky se používá dodnes. Zákroky byly původně prováděné za celkové anestezie, ale se zdokonalováním operačních technik se přešlo k anestezii lokální.

Stávající metodu léčby šedého zákalu si popíšeme přesněji. Jak již bylo řečeno, bavíme se o léčbě primární katarakty. Pokud se podíváme na oko postižené šedým zákalem, můžeme si všimnout, že čočka oka je zatmavená a málo pohyblivá.
Prvním krokem, který se při zákroku provádí, je natrasování bodů, aby bylo možné laser správně vycentrovat a zaostřit do jednoho bodu. Poté se pomocí excimerového laseru do oka vyšle laserový paprsek, který je koncentrovaný v místě tkáně tak, aby nedopadal až na sítnici. V oku se vytvoří plasma a spolu s ní také rázová vlna, která čočku roztříští. Poté jsou milimetrovým otvorem vyndány útržky čočky z oka. Dalším krokem je vypláchnutí pouzdra čočky pomocí solného roztoku, který je nejvíce podobný oční kapalině. Následně je umělá čočka vložena do pouzdra původní čočky pomocí milimetrového trychtýřku, který je přichycen dvěma háčky na trabekulu. Potom už jen dochází ke kontrole, zda vše správně sedí. Po zákroku, který trvá 15 až 20 minut, pacient odchází s obnoveným zrakem. V následujících několika týdnech musí dotyčný užívat oční kapky a po 14 dnech se dostavit na kontrolu.

V případě, že oční pouzdro nebylo dostatečně vymyté, může dojít ke vzniku sekundární katarakty. Buňky roztříštěné čočky totiž narůstají a vyplňují zadní stranu pouzdra. Pokud dojde k vytvoření sekundární katarakty, je potřeba provést další zákrok. Při této operaci se vytvoří jiskra za umělou čočkou, která vytvoří průboj, který opět ztvrdlé buňky roztříští a další postup se opakuje stejně jako v případě primární katarakty. Vývoj této metody léčby je velmi důležitý, jelikož může pacientovi plně navrátit zrak.

Od prvních metod léčby šedého zákalu jsme „ušli velkou cestu“ a jsme nyní schopni tuto nemoc léčit rychle, bezbolestně a s efektivními výsledky.

Jak jistě víte, laserová záření mají mnohá použití. S jejich pomocí můžeme svařovat, řezat, provádět diagnostiku materiálů, vyrábět zábavní techniku a to zdaleka není všechno. V tomto článku se však budeme zaobírat jejich využitím v medicíně. Musíme si nejprve uvědomit, že lasery využívají velké množství energie, která však může být pro lidské tělo i nebezpečná.

Nejdříve si připomeňme, co vlastně laser je. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je optický zdroj koherentního a monochromatického elektromagnetického záření a je tvořen několika částmi. Těmi hlavními jsou aktivní prostředí, rezonátor a buzení (zdroj energie).

Abychom mohli říci, jak dopadne interakce laserového záření s tkání, musíme znát nejen parametry záření ale také biologické tkáně, se kterou přijde do styku. Dále záleží na typu interakce (primární nebo sekundární. Nejdůležitějšími parametry laseru je délka pulsu (doba, po kterou je tkáň vystavena záření), vlnová délka záření a hustota energie dopadající na tkáň. Typy tkání, které mohou být zasaženy laserovým zářením, jsou dva: tvrdé tkáně (sklovina, kost nebo kalcifikovaná tkáň cév) a tkáně měkké (ostatní tkáně).

Mezi primární typ interakce patří reflexe, absorbce, rozptyl, transmise a refrakce. Refrakce (lom) hraje významnou roli v ozařování transparentního média (tkáň rohovky). Při absorpci záření je nutné tkáně před i po zákroku chladit (ablativní fotodekompozice). U sekundárních parametrů (fotochemická interakce, teplotní interakce, fotoablace, plasmou indukovaná ablace a fotodisrupce) je třeba brát v potaz, že důsledky zásahu tkáně zářením nemusí být pouze chtěné (při operaci), ale mohou se vyskytnout také některé nežádoucí (zahřívání tkáně atd.).

První odvětví medicíny, kterému se budeme věnovat, je oftalmologie. Nejčastěji léčenou tkání v tomto odvětví je oční sítnice (protržení, odchlípnutí, diabetická retinopatie, stařecká degenerace, nádor). Abychom si přiblížili proces operace, vybereme si specifické onemocnění, na kterém si výhody použití laseru vysvěltíme. Diabetická retinopatie je onemocnění sítnice, které vzniká při cukrovce. Příznaky této nemoci jsou například zhoršení ostrosti vidění a vznik tmavých skvrn v zorném poli. Některé cévy v oku odumírají kvůli nedostatku kyslíku, aby však bylo i nadále zajištěno proudění do kyslíku do oka, tvoří se nové cévy, které však rostou na nesprávném místě (před sítnicí). Tyto nově vytvořené cévy způsobují krvácení do sklivce. Na léčbu sítnice se používá argonový laser (514 nm), kryptonový laser (568 nm) a Nd:YAG laser (532 nm). Léčba však nemoc pouze stabilizuje nebo zpomalí, k obnovení zraku nedochází.

Glaukom (zelený zákal) je onemocnění očí, které bez léčení může skončit trvalou ztátou zraku. Příznaky nemoci nejsou patrné až do doby, kdy se naruší centrální vidění. Možností léčby tohoto onemocnění je několik, zkusíme si tedy přiblížit alespoň některé. Laserová iridotomie je metoda léčby při které se vytváří otvor v plné tloušce duhovky. Před zákrokem, který je prováděn laserem, jenž je připojen ke štěrbinové lampě,  je pacientovi aplikována lokální anestezie. Při této metodě  se používá Nd:YAH (pro světlé duhovky)  nebo argonový (pro tmavé duhovky), Dalším možným zákrokem je cyklofotokoagulace. Principem této léčby je osvícení řasnatého tělíska pomocí výkonného laseru (Nd:YAG nebo diodový laser). Po ozáření se sníží tvorba nitrooční tekutiny, díky čemuž dojde i ke snížení nitroočního tlaku.

V dermatologii má laser široké využití při hojení jizev, ran, proleženin nebo třeba pigmentových skvrn. Pro tyto účely se využívají lasery s nízkým výkonem, díky čemuž lze dosáhnout biostimulace buněk tkáně. Léčba je potom velmi rychlá, efektivní a komfortnější pro pacienty. Pro kosmetické vady, jako je například akné nebo nechtěné ochlupení, se využívá termodestrukce, tento zákrok má zpravidla několik fází. Vždy je laser zamířen na melaninové buňky, které má zničit.

Chirurgický laser může fungovat na dvou psrincipech. Prvním z nich je odpařování kapalin z měkkých tkání, zatímco druhý princip je založen na rozbíjení molekulárních vazeb látek, které se nacházejí v tkáni. V chirurgii se při malých zákrocích, jako je například odstranění zarůstání nehtů, používá povrchový CO2 laser. Neodymový laser (1064 nm) spolu s rubínovým vodícím paprskem zase nachází své uplatnění při zástavě krvácení.

Využití laseru nese mnohé výhody i v odvětví urologie, v tomto případě jsou ale zákroky vykonané pomocí laseru pouze alternativou. Hlavním důvodem, proč se využití laserového záření dostává do popředí, je zkrácení doby léčby po operaci a také menší počet reoperací. Nejčastěji využívanými lasery v urologii jsou Holmium:YAG (2140 nm) a KTP lase (532 nm).

V gynekologii se laser nejčastěji používá k zacelování ran a k léčbě jizev. Lasery používané k zákrokům na sliznici však musí mít delší vlnovou délku, jelikož je sliznice na působení laseru citlivější než například kůže.

V revmatologii se laser používá při léčbě artróz a dalších onemocnění, v tomto případě je léčba vždy doprovázena léky. Díky protizánětlivým účinkům laseru (830 nm) se z něj stala samozřejmá součást standardní výbavy ve specializovaných pracovištích. Laser se také používá při rehabilitaci. Povchová aplikace se používá na léčbu jizev, kde se pro plošnou aplikaci využívá laserový scenner.

Ve stomatologii se využívá silného laseru místo zubních vrtaček. Výhodou jeho použití je menší bolestivost po zákroku. Široké využití má laser u zánětlivých onemocnění, paradontózy a při zvyšování odolnosti zubní skloviny.

Spolu s vývojem potřeb trhu se vyvíjí i technologie laserového svařování. Progresivní rozvoj v posledních letech zaznamenala tato technologie zejména kvůli vývoji nových, vysokovýkonných diodových a vláknových laserů a dále také s vývojem robotů a automatizace. Laserové svařování je nejvíce zastoupené v automobilovém, leteckém, kosmickém, jaderném a lodním průmyslu. Dále také všude tam, kde jsou kladeny vysoké požadavky na kvalitu svaru, hloubku průvaru a vzhled. Laserové svařování využívá dvě základní techniky podle intenzity laserového paprsku. Při nižších intenzitách se využívá technika kondukčního svařování. Ta je založena na natavení povrchu materiálu a vytvoření spoje při jeho zchladnutí. Výsledný svar je mělký a velmi podobný svarům při obloukovém svařování. Při použití vyšších intenzit laserového paprsku dochází k penetračnímu svařování, kde se ve svarové lázni vytvoří dutina zvaná keyhole. Pro tuto metodu je typický štíhlý, dlouhý svar. Metodou kondukčního svařování se typicky svařují plastové materiály, metodou keyhole se svařují kovové materiály. [1] [2] [3]

Pro svařování laserem se využívají pevnolátkové i plynové lasery, nejvíce s aktivním prostředím CO2, Nd:YAG a aktivního vlákna. V poslední době se dostávají do popředí i diodové lasery. Obecnou výhodou při použití pevnolátkových laserů je možnost vést paprsek v optickém vlákně kvůli snadnému dopravení paprsku od zdroje do procesní hlavy. Dále je tím také podpořena možnost polohování ve více osách – typicky svařování robotem. [3] [4]

Výkon laserů pro svařování se liší podle materiálu a použité technologie. Pro svařování ocelí se používají lasery s výkonem jednotek až desítek kW. Nejvyšší aktuálně dosažení výkon svařovacích laserů je 120 kW a tento laser se používá pro svařování lodních trupů.

Na začátku tohoto článku byly zmíněné hlavní techniky laserového svařování, z nich pak vychází další, které nejsou tolik známé, ale mají velký potenciál. Tou první, kterou bych zmínil, je technika od firmy IPG [5] a jejím hlavním smyslem je nahradit techniku bodového (odporového) svařování v oblastech vysoce namáhaných spojů v automobilovém průmyslu. Technologie seam stepper kombinuje poznatky z odporového svařování a vysoce výkonné vláknové lasery. Princip této technologie spočívá v přitisknutí kleští v oblasti spoje dvou plechů a vytvoření svarové housenky pomocí rozmítání laserového svazku. Díky využití kleští podobných těm pro bodové svařování, je laser seam stepper bezpečné pro své okolí a spadá tedy do bezpečností třídy 1. To znamená, že není zapotřebí mít kolem svařovací buňky speciální ochranné prvky. [5] [6] Po přitisknutí kleští ke spojovanému místu se provede svar, který má podobu svarové housenky. Na rozdíl od bodového svařování, je takto vytvořený spoj únosnější a pevnější. Je proto možné odporové bodové svary nahradit menším počtem laserových svarů, a tím zmenšit potřebný prostor na plechovém dílu pro svary a zároveň zkrátit výrobní časy a nutnosti dalšího polohování robota. V praxi se tato technika používá u svařování karoserií automobilu VW Golf, konkrétně se jedná o přivaření C sloupku (mezi dveřmi řidiče a Imagezadními dveřmi). Díky použití technologie laser seam stepper je výrobní čas poloviční, stejně tak i počet svarů, za dodržení stejné únosnosti spoje jako u klasického bodového svařování.

Další technologií představenou firmou IPG je technologie trifokálního svařování. Podstatou této metody je rozdělení svařovacího paprsku na tři paprsky, z toho dva slouží pro předehřev a třetí pro hlavní svařování. Hlavními výhodami této technologie jsou zejména: snížení potřeby předčištění součásti a lepší průvar díky předehřevu. Technologie trifokálního svařování je dobře aplikovatelná např. pro svařování žárově zinkovaných ocelových plechů. Standartně se pro trifokální svařování např. střechy automobilu k rámu používají lasery s výkonem 4,5 kW.

Ze všech zmíněných technologií je technologie adjustable mode beam (AMB) nejnovější. Tato technika laserového svařování umožňuje kombinovat techniku svařování prstencovým a Gaussovským profilem paprsku. [7] Při klasickém keyhole svařování (z úvodu tohoto článku) laserový paprsek taví materiál, který se odráží od pevných stěn v okolí svarové lázně a může docházet k rozstřiku taveného materiálu. Tyto odlétající kapičky mohou způsobovat optické vady na svařovaném materiálu. Technologie AMB omezuje výtrysk materiálu a způsobuje lepší provaření. [7]

Porovnání technologie svařování Gaussovským profilem svazku a technologií ABM [7]Poslední „speciální technikou“ laserového svařování je skenerové svařování (Remote laser welding), které je ale už v běžné praxi používanou technologií. V této technologii se místo klasické svařovací hlavy používá skenovací hlava, stejná jako např. pro mikroobrábění nebo popis. [8] Paprsek je ve skenovací hlavě vychylován pomocí dvou zrcátek v osách x,y, a v kombinaci spolu s šestiosým robotem, má tato technologie k dispozici 8 stupňů volnosti. S výhodou se zde využívá pohybu svazku po polokružnicích, zvaný wobbling. [9], [10]

V porovnání s klasickými technologiemi svařování je laserové svařování produktivní, dobře se automatizuje a zajištuje úzký a hluboký průvar. Nevýhodu jsou pak vysoké pořizovací náklady a nutnost ochrany před laserovým zářením. Díky zmíněným výhodám a klesajícím cenám laserových zdrojů spolu s rostoucí účinností přibývají další nová odvětví, již tak velmi silně zastoupeného, laserového svařování.

Autor: Ing. Tomáš Primus, ČVUT

Použitá literatura:

1.	MRŇA, L. Aktuální možnosti v laserovém svařování. Brno: 2018, č. 2018/1, s. 44 [cit. 2018-11-04]. Dostupné z: https:/​/​www.mmspektrum.com/​clanek/​aktualni-moznosti-v-laserovem-svarovani.html
2.	MRŇA, L. Odbor technologie svařování a povrchových úprav. In: Technologie využívající laser [online]. 2014 [cit. 2018-11-10]. Dostupné z: http:/​/​ust.fme.vutbr.cz/​svarovani/​img/​opory/​hsv_specialni_metody_svarovani_svarovani_laserem_2013_mrna.pdf
3.	KATAYAMA, S. Handbook of Laser Welding Technologies [online].. GB: Woodhead Publishing Ltd, 2013 [cit. 2020-04-28]. ISBN 0857092642.
4.	TRUMPF. TRUMPF. TruLaser Weld 5000 [online]. 2020 [cit. 2020-04-27]. Dostupné z: https:/​/​www.trumpf.com/​cs_CZ/​produkty/​stroje-systemy/​zarizeni-pro-svarovani-laserovym-paprskem/​trulaser-weld-5000/
5.	SIEWERT, A. a K. KRASTEL. Fiber laser seam stepper replacing resistance spot-welding. Burbach, Německo: Laser Technik Journal, 2014, č. 4 [cit. 2018-listopad-02]. Dostupné z: https:/​/​www.ipgphotonics.com/​en/​115/​Widget/​Fiber+Laser+Seam+Stepper+Replacing+Resistance+Spot-Welding.pdf
6.	CORPORATION, I. P. IPG Laser Systems. The Laser Alternative to Resistance Spot Welding [online]. 2019 [cit. 2020-04-28]. Dostupné z: https:/​/​lasersystems.ipgphotonics.com/​products/​laser-seam-stepper/​Laser-Seam-Stepper#nav-products-specifications
7.	IPG, P. C. IPG Photonics. YLS-AMB Adjustable Mode Beam Lasers [online]. 2019 [cit. 2020-04-29]. Dostupné z: https:/​/​www.ipgphotonics.com/​en/​217/​FileAttachment/​AMB+Welding+Benefits.pdf
8.	SCANLAB GmbH. Remote Laser Welding [online]. [cit. 2018-listopadu-04]. Dostupné z: https:/​/​www.scanlab.de/​en/​products/​advanced-scanning-solutions/​remote-laser-welding
9.	SPI Lasers. Tailored Precision Micro Welding with a CW/M Fiber Laser [online]. [cit. 2018-listopad-04]. Dostupné z: https:/​/​www.spilasers.com/​application-welding/​tailored-precision-micro-welding-with-a-cwm-fiber-laser/
10.	Industrial laser solutions for manufacturing. Remote laser welding in automotive production [online]. 9. ledna. 2011 [cit. 2018-listopad-04]. Dostupné z: https:/​/​www.industrial-lasers.com/​articles/​print/​volume-26/​issue-5/​features/​remote-laser-welding-in-automotive-production.html
11.	MRŇA, L. a P. HORNÍK. Pokročilé metody laserového svařování. 2017, č. 3, s. 104 [cit. 2018-listopad-04]. Dostupné z: https:/​/​www.mmspektrum.com/​clanek/​pokrocile-metody-laseroveho-svarovani.html
12.	IPG Photonics. Fiber Lasers for Trifocal Brazing and Welding [online]. [cit. 2018-11-09]. Dostupné z: https:/​/​www.ipgphotonics.com/​en/​products/​lasers/​high-power-cw-fiber-lasers/​1-micron/​yls-br#[applications-94]
13.	Trumpf. Skenerové svařování – vysoce produktivní obrábění bez prostojů [online]. [cit. 2018-listopad-04]. Dostupné z: https:/​/​www.trumpf.com/​cs_CZ/​pouziti/​svarovani-laserovym-paprskem/​skenerove-svarovani/