8. Εφαρμογές του Laser

Σαν αριθμός, οι εφαρμογές του Laser είναι ατελείωτες. Χωρίζονται σε κατηγορίες και υποκατηγορίες και, σχεδόν καθημερινά, εφευρίσκονται και νέες.

8.1. Εφαρμογές στη βιομηχανία

8.1.1 Μετρήσεις μεγάλης ακρίβειας (μήκος, κίνηση)

Η χρησιμότητα του Laser στη μέτρηση μεγάλων αποστάσεων με εντυπωσιακή ακρίβεια βασίζεται αφενός στην ταχύτητά του (ταχύτητα του φωτός), αφετέρου στην ευθύγραμμη και συγκεντρωμένη (ενεργειακά) πορεία του.

Μία από τις ευρύτερα γνωστές εφαρμογές του Laser στη μέτρηση μεγάλων αποστάσεων, είναι αυτή της μέτρησης της απόστασης Γης – Σελήνης. Σε προσελήνωση οι αστροναύτες άφησαν, σε συγκεκριμένο σημείο της επιφάνειας της σελήνης, έναν κύβο με ανακλαστικές επιφάνειες. Ένας παλμός Laser εστάλη από τη γη, έφτασε σε μία από τις ανακλαστικές αυτές επιφάνειες και επέστρεψε. Μετρήθηκε ο χρόνος της διαδρομής και με γνωστή την ταχύτητα του φωτός υπολογίστηκε η απόσταση με ακρίβεια της τάξης χιλιοστών του μέτρου.

8.1.2 Διαγραμμίσεις-ευθυγραμμίσεις

Απαιτούνται σε πολλές «καθημερινές» εφαρμογές π.χ.:

• (α) δίκτυα σωληνώσεων νερού, ηλεκτρικού, γκαζιού …
• (β) διάνοιξη τούνελ (σήραγγες) διαμέσου ορεινών όγκων ή υπόγεια (π.χ. το υποθαλάσσιο τούνελ Γαλλίας – Αγγλίας)
• (γ) ευθυγράμμιση μηχανικών συστημάτων
• (δ) υποβοήθηση με ορατό Laser σε εφαρμογές αόρατου (υπέρυθρου ή υπεριώδους) Laser (παράλληλες δέσμες)
• (ε) «στήσιμο» εικονικού επίπεδου «αναφοράς» στις διάφορες κατασκευές

Στην τελευταία περίπτωση σημαντικό εξάρτημα είναι ένας περιστρεφόμενος καθρέφτης με προσανατολισμό κατάλληλο, ώστε οι ανακλώμενες ακτίνες του Laser να σαρώνουν το επιθυμητό επίπεδο. Αν μάλιστα η περιστροφή γίνεται με «κινηματογραφική» ταχύτητα, το μάτι θα θεωρεί ότι έχει δημιουργηθεί ένα διαρκώς φωτεινό επίπεδο από μία μόνο φωτεινή ακτίνα.

8.1.3 Επεξεργασία υλικών

Πλεονεκτήματα του Laser σε αυτόν τον τομέα είναι η μεγάλη ακρίβεια της επεξεργασίας, η έλλειψη ανάγκης στίλβωσης του τελικού προϊόντος και η αποφυγή επαναλήψεων και εξακριβώσεων στις τοποθετήσεις που είναι αναγκαίες στην περίπτωση της επεξεργασίας με τη χρήση μηχανικών εργαλείων:

• Κοπή υλικών από ατσάλι μέχρι ύφασμα
• Συγκόλληση δύο στερεών υλικών με κατάλληλη θέρμανση της περιοχής όπου εφάπτονται
• Σκλήρυνση υλικών, κυρίως μετάλλων
• Τήξη υλικών
• Εξαέρωση – εξάχνωση
• Φωτολιθογραφία: η επιφάνεια ειδικών υλικών διαμορφώνεται με πολύ λεπτομέρεια όταν πέσει πάνω της το φως Laser.  Η επιφάνεια αυτή χρησιμοποιείται κατόπιν ως μήτρα.
• Μετρήσεις τριών διαστάσεων: ολόκληρη η εξωτερική επιφάνεια ενός όγκου σαρώνεται από δέσμη Laser και οι ψηφιακές πληροφορίες αποθηκεύονται σε υπολογιστή προς επεξεργασία (έχουν κατασκευασθεί αγάλματα προσωπικοτήτων).

8.1.3.1 Μηχανισμός αλληλεπίδρασης Laser-υλικών

Η ΗΜΑ από Laser CO₂ έχει μεγάλη ισχύ στην έξοδο και απορροφάται έντονα από τα περισσότερα υλικά. 

Η ΗΜΑ από Laser Νa-YAG έχει επίσης μεγάλη ισχύ και μπορεί να μεταφέρεται μέσω οπτικών ινών.

8.1.3.1.1 Θερμική επίδραση

Οι περισσότερες των εφαρμογών του Laser στην επεξεργασία υλικών βασίζονται στην απορρόφηση της ΗΜΑ, μεταφορά της ενέργειάς της στο υλικό και σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του.

8.1.3.1.2 Φωτοχημική επίδραση

Κάτω από ορισμένες συνθήκες η απορρόφηση της ενέργειας της ΗΜΑ (κυρίως της υπεριώδους) από το υλικό οδηγεί στη διάσπαση χημικών δεσμών. 

8.1.4 Φασματοσκοπία, Αναλυτική Χημεία

Η δημιουργία του Laser βασίζεται στην απορρόφηση και την εκπομπή φωτονίων ορισμένου μήκους κύματος. Οι εκπεμπόμενες συχνότητες είναι συγκεκριμένες με πολύ περιορισμένο εύρος, ουσιαστικά το εκπεμπόμενο φως (ορατό ή μη) είναι μονοχρωματικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για:

• ελεγχόμενη διέγερση μορίων και μελέτη της  εκπεμπόμενης ακτινοβολίας
• μετρήσεις του χρόνου ημιζωής διεγερμένων ενεργειακών επιπέδων 
• μελέτη της αντοχής χημικών δεσμών μορίων (excimer Laser)
• φασματοσκοπία Raman (διαδικασία ανελαστικής σκέδασης του φωτονίου από το μόριο. Το φωτόνιο απορροφάται και επανεκπέμπεται με διαφορετική συχνότητα. Μετρώντας τη διαφορά στη συχνότητα γίνεται ταυτοποίηση του μορίου):
  1. σκέδαση Stokes (το φωτόνιο επανεκπέμπεται με μικρότερη συχνότητα, το μόριο διεγείρεται)
  2. σκέδαση anti-Stokes (το φωτόνιο επανεκπέμπεται με μεγαλύτερη συχνότητα)

8.2 Εφαρμογές στην Ιατρική

Τα Laser είναι εργαλείο χειρουργικής επέμβασης και θεραπείας. Το φως του Laser μπορεί να οδηγηθεί στο σώμα, στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό, συνήθως με τη βοήθεια διάταξης ενδοσκοπίου. Το φως Laser μπορεί να εστιαστεί και να αποκτήσει πολύ μικρή διατομή στην επιφάνεια που ενδιαφέρει, ώστε να κάψει και να απομακρύνει τον ιστό-στόχο, αφήνοντας σημάδι - ουλή χωρίς αιμορραγία. 

Οι εφαρμογές στην Ιατρική μπορούν να ομαδοποιηθούν:

- ανάλογα με το όργανο-ιστό προς θεραπεία:

• Οφθαλμός
• Γενική χειρουργική
• Οδοντιατρική
• Δερματολογία
• Αγγεία
• Καρδιά
• ΩΡΛ
• Γαστρεντερολογία
• Πλαστική χειρουργική
• Γυναικολογία
• Ουρολογία
• Ογκολογία
• Ορθοπεδική
• Νευροχειρουργική
• Κτηνιατρική

- ανάλογα με το είδος του Laser:

• CO₂
• YAG
• Argon

- ανάλογα με το είδος της θεραπείας:

• 8.2.1 Τα Laser στην Ιατρική Χειρουργική
• 8.2.2 Τα Laser στην διαγνωστική και θεραπευτική Ιατρική. Συνδυασμός με φάρμακα
• 8.2.3 Ειδικές εφαρμογές των Laser: μαλακά (soft) Lasers

Για την εφαρμογή των Laser σε οποιοδήποτε τομέα της Ιατρικής πρέπει να είναι εκ των προτέρων γνωστός και σαφής ο τρόπος αλληλεπίδρασης ΗΜΑ και βιολογικού ιστού.

Η αλληλεπίδραση της ΗΜΑ Laser με το βιολογικό ιστό εξαρτάται από:

• το μήκος κύματος του Laser (δηλαδή την ενέργεια κάθε φωτονίου)
• την ένταση της ΗΜΑ (και ειδικότερα: Watt*time/διατομή δέσμης)
• το σχήμα της ακτινοβόλησης (συνεχής ή με παλμούς) 

Από γενικότερη άποψη όταν η ακτίνα Laser (όπως και οποιαδήποτε ΗΜΑ) προσπίπτει σε υλικό μπορεί να συμβεί:

• ανάκλαση (γωνία ανάκλασης ίση με τη γωνία πρόσπτωσης)
• διάχυση-σκέδαση (ανάκλαση προς όλες τις κατευθύνσεις)
• διάβαση (η ΗΜΑ διασχίζει το υλικό)
• απορρόφηση (μέρος ή όλη η ενέργεια της ΗΜΑ μεταπηδά στο υλικό)

Θερμικό αποτέλεσμα ή χημική αντίδραση έχουμε μόνο στην τελευταία περίπτωση.

Ένας απλουστευμένος υπολογισμός: 

• Η ενέργεια απλού χημικού δεσμού μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα είναι περίπου 6*10^-19 J
• Η ενέργεια ενός μέσου φωτονίου ακτίνων Χ είναι περίπου 1*10^-14 J (10000 φορές μεγαλύτερη). Μπορεί να διασπάσει το χημικό δεσμό.
• Η ενέργεια ενός μέσου φωτονίου μικροκυμάτων είναι περίπου 2*10^-22 J (1000 φορές μικρότερη). Δεν μπορεί να διασπάσει το χημικό δεσμό. 
• Η ενέργεια ενός μέσου ορατού φωτόνιου είναι περίπου 4*10^-19 J (λίγο μικρότερη). Συνήθως δεν αρκεί για διάσπαση χημικών δεσμών. 

Τα μικροκύματα μπορούν να προκαλέσουν ζημιά στο βιολογικό ιστό μόνο μέσω αύξησης της θερμοκρασίας, ενώ οι ακτίνες Χ και οι υπεριώδεις ακτίνες έχουν αρκετή ενέργεια και διασπούν χημικούς δεσμούς. 

Οι περισσότερες «χημικές ζημιές» επιδιορθώνονται σχετικά γρήγορα από μηχανισμούς «αυτοπροστασίας» του ανθρώπινου οργανισμού, αλλά χημικές ζημιές στο μόριο του DNA (που «κουβαλά» τη γενετική πληροφορία του σώματός μας) μπορούν να οδηγήσουν σε καρκίνο. 

Το ορατό και το υπέρυθρο φως συνήθως προκαλούν μόνο θερμικές αλλαγές στον οργανισμό μας. Εκτός από ειδικές περιπτώσεις. 

Γενικότερα: Για Laser ισχύος μέχρι μερικά Watts, η αλληλεπίδραση είναι τριών βασικών ειδών: 

• στην περιοχή απόμακρων UV τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τις πρωτεΐνες  RNA και DNA και συνήθως θανατώνουν τα κύτταρα
• στην περιοχή εγγύς UV και ορατού μικρού μήκους κύματος γίνονται φωτοχημικές αντιδράσεις (όπως η φωτοσύνθεση), κυρίως με Laser excimer
• στην περιοχή ορατού μεγάλου μήκους κύματος και εγγύς υπέρυθρες έχουμε θερμικές επιδράσεις με απορρόφηση της ΗΜΑ
  • μέχρι 60 °C: αύξηση της θερμοκρασίας του ιστού, πιθανή συνένωση αγγείων
  • 60 – 65 °C: συσσωμάτωση κυττάρων, δημιουργία θρόμβων
  • 65 – 90 °C: αλλοίωση των πρωτεϊνών
  • 90 – 100 °C: ελαχιστοποίηση των υγρών (στέγνωμα)
  • 100 + °C: εξάτμιση και απανθράκωση

Ειδικότερα, θερμικές επιδράσεις προκαλούνται από Laser συνεχούς ακτινοβολίας όπως τα CO₂, YAG και αργού. Η ενέργειά τους απορροφάται από το βιολογικό ιστό και αυξάνεται η θερμοκρασία τοπικά. 

Τα μόρια στους ιστούς του σώματος, εκτός από χημική δομή (πόσα άτομα οξυγόνου, υδρογόνου, άνθρακα ή ποιό το είδος του δεσμού) έχουν και διάταξη στο χώρο, από την οποία εξαρτάται η λειτουργία τους. Ειδικότερα, τα μόρια των πρωτεϊνών (βρίσκονται στους μυς, στους συνδετικούς ιστούς, στα αγγεία) (όπως η μυοσφαιρίνη που μεταφέρει το απαραίτητο οξυγόνο στους μυς) αποτελούνται από αλυσίδα αμινοξέων και είναι «χτισμένες» σε καθορισμένη μορφή στο χώρο. 

Σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 50 °C, η τρισδιάστατη μορφή της μυοσφαιρίνης αρχίζει να χαλάει και το μόριο μπλέκεται. Μπορεί να παραμένει η ίδια χημική δομή, όμως ούτε η μυοσφαιρίνη ούτε η αιμοσφαιρίνη μπορούν να μεταφέρουν οξυγόνο στους μυς ή το αίμα αντίστοιχα. 

Θερμική επίδραση HMA Laser πολύ μεγάλης πυκνότητας ισχύος ώστε να σημειωθούν θερμοκρασίες στους ιστούς μεγαλύτερες των 100 °C, προκαλεί το βρασμό του ύδατος και μετατροπή του σε ατμό. 

Το Laser αυτής της περίπτωσης δρα είτε ως νυστέρι είτε ως εργαλείο αφαίρεσης - απόξυσης πολύ λεπτού στρώματος ιστού. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις η αιμορραγία είναι μηδαμινή. 

Το κολλαγόνο επίσης σκληραίνει με την άνοδο της θερμοκρασίας, που σημαίνει πως ... μπορούμε να μασήσουμε το μαγειρεμένο κρέας! Το Laser ουσιαστικά «ψήνει» τον ιστό-στόχο και καθιστά εύκολη την απομάκρυνση όγκων που πρέπει να αφαιρεθούν. Όσον αφορά αιμοφόρα αγγεία, το «ψήσιμο» με το Laser τα «σφραγίζει», μειώνοντας άμεσα και δραστικά την αιμορραγία (αιμοστατικό φαινόμενο) και συντομεύοντας σημαντικά τη διάρκεια της επέμβασης. 

Όταν όμως στο βιολογικό υλικό προσπέσει Laser με μορφή σύντομων και ισχυρών παλμών, η θερμική ενέργεια εναποτίθεται σε μικρή περιοχή για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Η πολύ γρήγορη εξάτμιση σε πολύ περιορισμένο χώρο είναι ουσιαστικά μία έκρηξη που δημιουργεί κρουστικό κύμα και «ταράζει» τους γύρω ιστούς. Η δράση αυτού του Laser είναι μηχανικής φύσεως, όπως και στη λιθοτριψία λίθων της χοληδόχου κύστης και της ουροφόρου οδού. Εκμετάλλευση αυτού του φαινομένου γίνεται στη διαδικασία διάλυσης οπισθίας κύστης για τη θεραπεία δευτερογενούς καταρράκτη του οφθαλμού. 

Ισχυρή δέσμη υπεριώδους Laser μπορεί να διασπάσει επιλεκτικά χημικούς δεσμούς σε βιολογικό ιστό, χωρίς αύξηση της τοπικής θερμοκρασίας.

Εκμετάλλευση χημικών διεργασιών έχουμε στη φωτοδυναμική θεραπεία και στις εφαρμογές του Laser excimer όπως στον ανασχηματισμό του κερατοειδή χιτώνα του οφθαλμού.

Σε οποιοδήποτε υλικό, τα άτομα (οι δομικοί λίθοι γενικότερα) βρίσκονται σε σταθερή, τυχαία κίνηση, ταλαντούμενα γύρω από μια θέση ισορροπίας. Η θερμοκρασία του υλικού χαρακτηρίζει τη μέση ενέργεια αυτής της ταλάντωσης. 

Η ενέργεια που προσφέρει στο υλικό προσπίπτον φως, συνήθως μετατρέπεται σε κινητική, αυξάνοντας το πλάτος ταλάντωσης των ατόμων και επομένως αυξάνοντας τη θερμοκρασία του υλικού. 

Το προσπίπτον φως μπορεί να προκαλέσει βλάβη στον ιστό, αν προέρχεται από πηγή αρκετής ισχύος, δηλαδή αν προσφερθεί στον ιστό μεγάλο ποσό ενέργειας σε μικρό χρόνο. Επειδή δε, κάθε φωτόνιο «κουβαλά» συγκεκριμένο ποσό ενέργειας, η βλάβη του ιστού θα εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και τον αριθμό των φωτονίων που θα δεχθεί. 

Υπάρχει όμως και η «δύναμη» ενός συγκεντρωτικού φακού που εστιάζει τις παράλληλες ακτίνες φωτός. Ένας κατάλληλος φακός που θα εστιάσει τις ακτίνες του ήλιου (τις λίγες που προσπίπτουν στην επιφάνειά του), μπορεί να ανάψει φωτιά σε ένα κομμάτι χαρτί που θα τοποθετηθεί στην εστία του. Παρόμοια, εστιασμένο φως Laser καίει εύκολα τον ιστό-στόχο, πολύ περισσότερο μάλιστα, εφόσον το φως Laser είναι ήδη συγκεντρωμένο σε παράλληλη δέσμη πολύ μικρής διατομής. 

8.2.1 Τα Laser στην Ιατρική Χειρουργική 

Τα πλεονεκτήματα της χρήσης Laser στη χειρουργική είναι αρκετά:

• το «πεδίο δράσης» διατηρείται σχετικά στεγνό επειδή η ενέργεια του Laser αμέσως μετά το κόψιμο ενός μικρού αγγείου, σφραγίζει (σαν οξυγονοκόλληση) τις δύο ανοιχτές διατομές και περιορίζει την διαρροή του αίματος
• ο μετεγχειρητικός πόνος είναι πολύ λιγότερος, επειδή «σφραγίζονται» και τα άκρα των νεύρων
• αποφεύγεται η σχολαστική αποστείρωση, επειδή δεν απαιτείται χρήση και επαφή μηχανικών εργαλείων
• καθαρό οπτικό πεδίο, επειδή δεν παρεμβαίνουν-παρεμβάλλονται μηχανικά μέρη
• επιλέγοντας το μήκος κύματος μπορεί να επιτευχθεί η επιθυμητή αντίδραση και μόνον αυτή
• είναι δυνατή η εκτέλεση μικροχειρουργικής με τη βοήθεια μικροσκοπίου και μάλιστα με τη δέσμη Laser να περνά μέσα από το ίδιο μικροσκόπιο
• είναι δυνατή η εκτέλεση χειρουργικών επεμβάσεων μέσα στο σώμα χωρίς την τυπική διάνοιξη, με απλή διείσδυση οπτικού αγωγού (οπτικές ίνες) που μεταφέρει την ΗΜΑ Laser στον εσωτερικό στόχο
• το Laser μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως νυστέρι μεγάλης ακρίβειας
• το Laser εργαλείο μπορεί να συνδεθεί και να καθοδηγείται μέσω υπολογιστή και για επεμβάσεις σε πολύ περιορισμένο χώρο 

Σε οποιαδήποτε χειρουργική διαδικασία κατά την οποία απαιτείται αφαίρεση ιστού ή δημιουργία τομής μπορεί να χρησιμοποιηθεί Laser.

Σε επεμβάσεις με αναμενόμενη αιμορραγία, κατάλληλο εργαλείο είναι το Nd-YAG Laser. Η συνεχής ακτινοβολία του εισέρχεται βαθιά στους ιστούς, απελευθερώνει μεγάλο ποσό θερμότητας και δημιουργούνται θρόμβοι ακόμα και σε εκτεταμένη περιοχή στόχο.

Η ΗΜΑ του Νd-YAG συνήθως μεταδίδεται μέσω οπτικών ινών και έτσι μπορεί να οδηγηθεί με ακρίβεια. Ο οπτικός αγωγός εισέρχεται από το στόμα ή από μικρές τομές στο δέρμα. Ο οπτικός αγωγός μαζί με το σύστημα για την πλοήγησή του καλείται ενδοσκόπιο. Οι οπτικές ίνες είναι από χαλαζία. Στην έξοδο του οπτικού αγωγού τοποθετείται συχνά κομμάτι από σάπφειρο κατασκευασμένο σε διάφορα σχήματα για τη λεγόμενη «χειρουργική επαφής»:

• σε σχήμα δρέπανου διευκολύνει το κόψιμο που άμεσα ακολουθείται από δημιουργία θρόμβων
• σε σχήμα στρογγυλοποιημένο ή επίπεδης επιφάνειας βοηθά την ομοιογενή κατανομή της ακτινοβολίας σε μεγάλη έκταση Η θερμοκρασία του σάπφειρου μπορεί να ανέβει σε πολύ υψηλές τιμές.

To CO₂ Laser χρησιμοποιείται γενικότερα ως νυστέρι.

Η υπέρυθρη ΗΜΑ του CO₂ Laser απορροφάται σε μεγάλο βαθμό από το νερό. Ο βιολογικός ιστός αποτελείται κατά 75-90%  από νερό. Επομένως η ενέργεια της δέσμης Laser του CO₂ απορροφάται σε πολύ λεπτό στρώμα ιστού.

Αν και ο χρόνος ακτινοβόλησης είναι μικρός, μόνον ιστός πάχους 0,1-0,2 mm θα επηρεαστεί από την πρόσπτωση της δέσμης.

Εστιασμένη δέσμη Laser CO₂ χρησιμοποιείται για τομές και οι γειτονικοί ιστοί επηρεάζονται ελάχιστα.

Μη εστιασμένη δέσμη χρησιμοποιείται για εξάτμιση επιφανειών. Μόνο εφόσον αφαιρεθεί η πρώτη λεπτή επιφάνεια, το Laser CO₂ μπορεί να προσεγγίσει και να δράσει στην επόμενη.

Μειονέκτημα του Laser CO₂ είναι ότι δεν έχει βρεθεί υλικό για οπτικές ίνες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν τη δέσμη του βαθύτερα στους ιστούς.

Όταν πρέπει να δημιουργηθεί «καθαρή τομή», χρησιμοποιείται το Laser excimer.

Ειδική περίπτωση ελαφράς χειρουργικής επέμβασης είναι και η θεραπεία του ροχαλητού με Laser.

8.2.1.1 Ta Laser στην Οδοντιατρική

Οι εφαρμογές του Laser στην οδοντιατρική χωρίζονται σε δύο κατηγορίες.

8.2.1.1.1 Εφαρμογές σε μαλακούς ιστούς

Είναι παρόμοιες με της απλής χειρουργικής και χρησιμοποιούνται αρκετά χρόνια. Οι ασθενείς μετά από επέμβαση στα ούλα νοιώθουν λιγότερο πόνο, παρουσιάζουν περιορισμένη αιμορραγία και δεν χρειάζονται ράματα.

Ο Οδοντίατρος χρησιμοποιεί Laser CO₂, Nd: YAG, holmium: YAG, Ar⁺.

8.2.1.1.2 Εφαρμογές σε σκληρούς ιστούς όπως τα δόντια

Είναι σχετικά καινούργιες. Το Μάιο 1997, ο αρμόδιος φορέας στην Αμερική επέτρεψε τη χρήση Laser Εr-YAG για θεραπεία δοντιών σε ανθρώπους. Συγκρινόμενο με το συμβατικό τροχό, το Laser δρα χωρίς θόρυβο, χωρίς πίεση και χωρίς την ενοχλητική δόνηση για την αφαίρεση π.χ. της τερηδόνας και επιπλέον, χωρίς τη χορήγηση αναισθητικού.

Το φως Laser μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για λεύκανση, αφαίρεση οδοντικής πλάκας, ή/και ανασχηματισμό δοντιών.

Χρησιμοποιούνται Laser CO₂, Nd: YAG.

Ο φωτεινός καταλύτης για τη στερέωση του σφραγίσματος, τείνει και αυτός να αντικατασταθεί με φως Laser, αφήνοντας περιθώριο και για βελτίωση των βιο-υλικών και των «μηχανικών» τους ιδιοτήτων.

8.2.1.2 Τα Laser στη δερματολογία

Τα Laser είναι ικανά να αφαιρούν σχεδόν κάθε ανεπιθύμητο σημάδι-ατέλεια του δέρματος και συχνά είναι το μοναδικό όπλο για επεμβάσεις αισθητικής. Μειώνουν λεπτές ρυτίδες, εγκαύματα ήλιου, παλιές ουλές.

Οι περισσότερες επεμβάσεις με Laser γίνονται με τοπική μόνο αναισθησία. 

Μεταξύ των άλλων αφαιρούνται σχεδόν πλήρως σχέδια τατουάζ, των οποίων κάθε χρώμα «αντιμετωπίζεται» με διαφορετικό μήκος κύματος. Με Laser επίσης ακτινοβολούνται καλοήθη και κακοήθη μορφώματα, σε μια ή συνήθως σε περισσότερες συνεδρίες.

Η αιμορραγία είναι ελάχιστη ως καθόλου και δεν απομένουν ουλές. 

Χρησιμοποιείται το Laser αργού για αφαίρεση χρωματωμένης περιοχής δέρματος ή ειδικότερα ιστού με μελαγχρωμία. Εισχωρεί στο δέρμα σε βάθος μέχρι 2 mm. 

Το Laser χρωστικών χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις όπου απαιτείται λεπτομερής ρύθμιση του μήκους κύματος (tunability) για επιλεκτική απορρόφηση. 

Το Laser CO₂ επίσης χρησιμοποιείται στη δερματολογία.

Συχνά, ο ακριβής χρόνος έκθεσης και η ένταση της δέσμης Laser για κάθε ειδική περίπτωση επέμβασης, καθορίζεται από υπολογιστή, αυξάνοντας το επίπεδο ασφάλειας και ακρίβειας της μεθόδου. 

Πολλά είδη επέμβασης με Laser είναι ιδιαίτερα προσφιλή για την απόδοσή τους, γεγονός που οδηγεί στη συνεχή βελτίωση του εξοπλισμού, στην τεχνολογική εξέλιξη, στην αύξηση της ποικιλίας των συσκευών, ώστε να γίνονται ειδικά για κάθε διαφορετική περίπτωση. 

8.2.1.3 Τα Laser στην Οφθαλμολογία

Το 1946 ο οφθαλμίατρος Gerd Meyer-Schwickerather ανακοίνωσε την πρώτη επέμβαση κατά της αποκόλλησης του αμφιβληστροειδή αξιοποιώντας το φως του ήλιου ως πηγή φωτός-ενέργειας. Το 1956 εξέλιξε τη χειρουργική συσκευή του χρησιμοποιώντας ισχυρή λυχνία αέριου ξένου. 

Σήμερα η σταθεροποίηση της αποκόλλησης του αμφιβληστροειδή είναι μια από τις τυπικές εφαρμογές του Laser στην οφθαλμολογία. 

Θα μπορούσε κάποιος να αναρωτηθεί γιατί το ακριβό Laser αντικατέστησε τις απλούστερες και φθηνότερες διατάξεις με συμβατικό φως. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός ότι η ακτινοβολία Laser έχει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος. Η θεραπεία της αποκόλλησης του αμφιβληστροειδή έγκειται σε «οξυγονοκόλληση» της περιμέτρου της βάσης της αποκολλημένης περιοχής με «κηλίδες εγκαύματος» που προκαλεί ο χειρουργός με ακτινοβολία. Η αποκολλημένη επιφάνεια δεν επανέρχεται, αλλά παύει να επεκτείνεται. Αν η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας είναι σχετικά μικρή, για κάθε έγκαυμα απαιτείται περισσότερο χρόνος και η παραγόμενη θερμότητα προλαβαίνει να διαχυθεί στις γύρω περιοχές, προκαλώντας βλάβες σε γειτονικούς ιστούς και πόνο στον ασθενή. 

Οι περισσότερες επεμβάσεις με Laser στον οφθαλμό διεκπεραιώνονται γρήγορα σε εξωτερικά ιατρεία με χορήγηση απλού ηρεμιστικού. 

Ο οφθαλμός ήταν το πρώτο όργανο που μελετήθηκε πειραματικά με Laser επειδή είναι διαφανής στην ΗΜΑ (ορατού) και επιπλέον ο φακός του οφθαλμού βοηθά στην εστίαση της εισερχόμενης δέσμης πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα.

Η σύσταση του αμφιβληστροειδή και του υπόλοιπου οφθαλμού είναι τέτοια, ώστε το ορατό φως να φτάνει σε μεγάλο ποσοστό σε αυτόν τον χιτώνα και να απορροφάται από αυτόν. Ορατό φως Laser που προσπίπτει στον οφθαλμό, μπορεί να έχει μικρή πυκνότητα ισχύος, η οποία θα ενισχυθεί με την εστίαση στον κερατοειδή και το φακό του οφθαλμού και θα αποκτήσει τη μέγιστη τιμή ακριβώς πάνω στον αμφιβληστροειδή. 

Στο γλαύκωμα (αυξημένη ενδοφθάλμια πίεση εξαιτίας «παγιδευμένου» υδατώδους σώματος) προκαλείται επικίνδυνη πίεση στο οπτικό νεύρο και θεραπεύεται με τη βοήθεια πράσινου Laser Αr, με το οποίο διανοίγονται οπές για τη διαφυγή της περίσσειας του υγρού. 

Στην διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια που οδηγεί σε τύφλωση, η επέμβαση με πράσινο Laser Αr καταστρέφει την επικίνδυνη πληθώρα αιμοφόρων αγγείων που δημιουργεί ο οργανισμός ως αντίδραση σε προβλήματα του κυκλοφορικού και που όμως παρουσιάζουν διαρροή-αιμορραγία. 

Η αντιμετώπιση του καταρράκτη (θόλωση του φακού του οφθαλμού) γίνεται με τη βοήθεια υπερήχων που θρυμματίζουν το φακό. Τα τρίμματα αφαιρούνται με ειδικό απορροφητικό αγωγό. Στη θέση του φυσικού οφθαλμού τοποθετείται πλαστικός για να αποκαταστήσει την καθαρή όραση (δεύτερη εστίαση, βοηθητική της πρώτης που επιτελείται στον κερατοειδή).  

Όμως στο 25% περίπου των περιπτώσεων, μετά από παρέλευση μηνός «γεννιώνται» θολές περιοχές γύρω από τον πλαστικό φακό, παρεμποδίζοντας την όραση. Ο χειρουργός οφθαλμίατρος χρησιμοποιεί ειδικό Laser με το οποίο εξατμίζει τα ενοχλητικά μικρομορφώματα, τα υπολείμματα των οποίων απορροφούνται στους γύρω ιστούς χωρίς να δημιουργήσουν άλλα προβλήματα. 

Το υπεριώδες φως από excimer Laser χρησιμοποιείται για τη διόρθωση της εστίασης του οφθαλμού. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του έργου στον οφθαλμό το διεκπεραιώνει ο κερατοειδής χιτώνας. Εξαιτίας της διαφοράς του δείκτη διάθλασης του αέρα (από όπου προέρχεται η ΗΜΑ) με τον αντίστοιχο του κερατοειδή χιτώνα, οι φωτεινές ακτίνες διαθλώνται εισερχόμενες στον οφθαλμό. Ο κερατοειδής πρέπει να έχει σωστή καμπυλότητα ώστε παράλληλη προσπίπτουσα δέσμη να εστιαστεί στον αμφιβληστροειδή χιτώνα στο πίσω μέρος του οφθαλμού (μικρή διόρθωση της πορείας επιτελείται από το φακό του οφθαλμού). Αν ο κερατοειδής δεν έχει την κατάλληλη καμπυλότητα η όραση είναι θολή.

Οι πρώτες διορθώσεις της οξύτητας της όρασης γίνονταν με μικρές τομές στον κερατοειδή (ακτινική κερατοειδοεκτομή). Το υπεριώδες φως της συσκευής επέμβασης απορροφάται εξ ολοκλήρου και δεν εισέρχεται στον οφθαλμό. Λειτουργεί ως ειδικό νυστέρι με κόψη από διαμάντι. Προηγείται τοπική αναισθησία.

Δεύτερη μέθοδος, πάλι με φως από Laser excimer και τη βοήθεια υπολογισμών με συνδεδεμένο υπολογιστή, είναι η αφαίρεση λεπτότατου στρώματος του κερατοειδή, με τη μέθοδο που καλείται φωτο-διαθλαστική κερατοειδεκτομή, προκαλώντας αλλαγή της καμπυλότητας, όση ακριβώς απαιτείται κατά περίπτωση. Ο ασθενής παύει πλέον να χρειάζεται διορθωτικούς φακούς. 

Τρίτη, νεότερη μέθοδος, είναι η κερατομίλευση, κατά την οποία ειδικό μαχαίρι (ο μικροκερατόμος) αφαιρεί κατά το ήμισυ (σαν πόρτα) το πρώτο λεπτό στρώμα του κερατοειδή. Ακολούθως το excimer Laser σμιλεύει την κορυφή του κερατοειδή ώστε να μειωθεί η καμπυλοτητά του όσο απαιτείται. Η «πόρτα» κλείνει και η επούλωση κρατά λίγες μέρες.

Οι προαναφερθείσες μέθοδοι είναι όλες για την «επιδιόρθωση» μυωπίας, η οποία χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερη του φυσιολογικού καμπυλότητα του κερατοειδή. Επιδιόρθωση υπερμετροπίας (κερατοειδής με μικρότερη του φυσιολογικού καμπυλότητα) με Laser γίνεται με ανάλογο τρόπο. 

Η επιδιόθρωση της μυωπίας με Laser δεν μπορεί να εφαρμοσθεί σε όλες τις περιπτώσεις και σε αρκετούς ασθενείς, μετά την επέμβαση, κρίνονται απαραίτητοι διοθρωτικοί φακοί.

8.2.2 Τα Laser στη διαγνωστική και θεραπευτική Ιατρική. Συνδυασμός με φάρμακα

Στη θεραπεία του καρκίνου βοηθούν τρεις διαφορετικές μέθοδοι:

• (α) χειρουργική αφαίρεση μέρους ή όλου του προσβεβλημένου οργάνου
• (β) ακτινοβόληση με ιοντίζουσες ακτινοβολές
• (γ) ειδικές μέθοδοι τοπικής αύξησης της θερμοκρασίας

Τα Laser εισήγαγαν τη (δ) φωτοδυναμική θεραπεία που συνίσταται στη χρήση ειδικών ουσιών (π.χ. ηπατοπορφυρίνη), οι οποίες ενίονται στο σώμα του πάσχοντος και έχουν την ιδιότητα να συγκεντρώνονται περισσότερο στα καρκινικά κύτταρα παρά στα υγιή. 

Οι ουσίες αυτές είναι ταυτόχρονα ευαίσθητες στο φως, η κάθε μία σε συγκεκριμένη περιοχή μήκους κύματος. Όταν εκτεθεί η ουσία σε αυτό το φως από κατάλληλο dye Laser:

• ή απελευθερώνει χημικές ομάδες (π.χ. μονήρη οξυγόνο) που θανατώνουν τα γύρω κύτταρα
• ή εκπέμπει φθορίζον φως που μαρτυρεί τη θέση των καρκινικών κυττάρων Η μέθοδος αυτή δεν είναι ακόμα πολύ αποτελεσματική, αλλά δεν ενέχει κίνδυνο (απλώς ο ασθενής μετά τη θεραπεία δεν θα πρέπει να εκτίθεται σε έντονο φως για μερικές μέρες) και δεν τραυματίζει. 

Με τη βοήθεια οπτικών ινών γίνεται προσπέλαση εσωτερικών οργάνων, όπως περιοχές της γαστρεντερικής οδού.

8.2.3 Ειδικές εφαρμογές των Laser: μαλακά (soft) Lasers

Οι περισσότερες ιατρικές εφαρμογές των Laser βασίζονται στις θερμικές επιδράσεις με το βιολογικό ιστό.

Τελευταία αναπτύσσονται νέες εφαρμογές με μαλακά Laser μικρής ισχύος εξόδου (μικρότερης του 1 Watt). Ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης δεν ξεκινά με προσφορά θερμότητας, αλλά η ερμηνεία του δεν είναι ακόμη σαφής.

Υπάρχουν ενδείξεις ότι μαλακά Laser:

• επιταχύνουν την επούλωση πληγών
• επιβραδύνουν την «κατολίσθηση» - εκφυλισμό πληγωμένων νευρικών κυττάρων
• επανενώνουν αιμοφόρα αγγεία 
• ανακουφίζουν από πόνο
• μπορούν να μιμηθούν τον βελονισμό
• ανανεώνουν τα εξωτερικά κύτταρα της επιδερμίδας (αντικαθιστούν το χημικό peeling στην αισθητική)
• βοηθούν στην αποτρίχωση (καταστρέφουν μόνιμα τις ρίζες)
• βοηθούν στην μεταμόσχευση τριχών από μία περιοχή του σώματος σε άλλη του ίδιου ατόμου (το Laser δημιουργεί το νέο θύλακα)

8.2.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης Laser στην Ιατρική 

 Οποιαδήποτε μέθοδος που θα μπορούσε να διοχετεύσει θερμότητα σε σύντομο διάστημα στον ιστό-στόχο, θα ήταν αποτελεσματική στο να προκαλέσει την επιθυμητή βλάβη. 

Το κύριο πλεονέκτημα των Laser στη διάνοιξη ιστών είναι το ότι σαν εργαλείο προσαρμόζεται εύκολα στις συνθήκες της εκάστοτε επέμβασης και δρα αιμοστατικά. Η ίδια ακτίνα Laser μπορεί να κόψει σε μικρά ή μεγάλα βάθη, με ακρίβεια, διατηρώντας το πεδίο δράσης καθαρό. Σε συνδυασμό με το ενδοσκόπιο μειώνουν σημαντικά το «βάρος» της επέμβασης, την απώλεια αίματος, τον κίνδυνο μόλυνσης.

Η δυνατότητα επιλογής του χρώματος (μήκος κύματος) επιτρέπει τη μεγαλύτερη ακρίβεια στη στόχευση συγκεκριμένου ιστού, ενώ είναι δυνατή η προσπέλαση ιστού σε βάθος (πχ. αμφιβληστροειδής) χωρίς καμία διάνοιξη.

Παρόλα αυτά, σε πολλές περιπτώσεις οι χειρουργοί προτιμούν το κλασικό νυστέρι ή τον ηλεκτρο-καυτηριασμό, που είναι μέθοδοι δοκιμασμένες, αξιόπιστες και φθηνές. Εξειδικευμένα Laser μπορεί να κοστίζουν δεκάδες χιλιάδες ευρώ και για ένα μέσο χειρουργείο απαιτούνται πάνω από ένα συστήματα. Οι χειρουργοί πρέπει να εξασκηθούν στη χρήση τους σε πειραματόζωα, που απαιτεί χρόνο προσαρμογής. 

Υπάρχει πάντα και ο κίνδυνος ανάφλεξης (κυρίως εύφλεκτων υλικών όπως μαλλιά ή καλύμματα χειρουργίου), όπως και ο κίνδυνος τραυματισμού (π.χ. στα μάτια) του προσωπικού ή του ασθενή, πολύ περισσότερο στην περίπτωση χρήσης αόρατου (υπεριώδους ή υπέρυθρου) Laser.

Πρέπει να λαμβάνονται όλες οι απαραίτητες προφυλάξεις, όπως π.χ. η χρήση ειδικών προστατευτικών γυαλιών από το προσωπικό και τον ασθενή, ή η απομάκρυνση όλων των εύφλεκτων υλικών από την περιοχή του «δρόμου» της ακτίνας Laser. Καλύμματα και γάζες των οποίων η παρουσία κρίνεται απαραίτητη, διατηρούνται σε υγρή κατάσταση. 

Για την ασφαλέστερη χρήση του αόρατου Laser, συνήθως είναι εξοπλισμένο με σύστημα παράλληλης εκπομπής (παράλληλης ακτίνας σε πολύ μικρή απόσταση) ορατού Laser (συνήθως He-Ne) χαμηλής ισχύος, που δρα ως «οδηγός».

Ορισμένους επιστήμονες αυτού του χώρου, προβληματίζει η σκέψη πως στα μόρια του ιστού που εξαχνώνεται (ατμοποιείται) κατά την θερμική επέμβαση Laser, μπορεί να επιζούν μικρόβια που θα «φωλιάσουν» όπου βρεθούν - καταπέσουν. 

Κατάλληλος εξαερισμός και προσεκτική αναρρόφηση του ατμοποιημένου ιστού είναι πλέον από τις προϋποθέσεις για την πραγματοποίηση Laser επεμβάσεων. 

8.3 Καθημερινές εφαρμογές

8.3.1 CD (Compact Disk) και Οπτική αποθήκευση πληροφοριών

Από την αρχή της ιστορίας ο άνθρωπος ψάχνει τρόπους για να αποθηκεύσει πληροφορίες και να τις διατηρεί, δηλαδή να τις περνά στην επόμενη γενιά.

Αρχίζοντας με σχέδια στα τοιχώματα σπηλιών, πέρασε στον πάπυρο, στο χαρτί, στην τυπογραφία, στην μαγνητική ταινία, στις δισκέτες.

Με την αύξηση του πληθυσμού και την εξέλιξη της τεχνολογίας, η ποσότητα της πληροφορίας προς αποθήκευση αυξάνει με εκθετικό ρυθμό.

8.3.1.1 Ψηφιακό σύστημα

Το ψηφιακό σύστημα λειτουργεί σε δύο καταστάσεις (διαδικό σύστημα) την “1” και την “0”.

Κάθε ψηφίο του δυαδικού συστήματος καλείται “bit”.

Η βασική μονάδα αποθήκευσης στον υπολογιστή αποτελείται από 8 bits και καλείται Βyte (B).

Απλό κείμενο μίας σελίδας Α4 αποθηκεύεται σε χώρα 2-4 ΚΒ. Ένα βιβλίο 200 σελίδων απλού κειμένου χρειάζεται χώρο 400-800 ΚΒ. Ένα CD χωρά πληροφορίες 700 ΜΒ. Ένας οπτικός δίσκος χωρά πληροφορίες 10 GB  (10¹⁰ Bytes).

8.3.1.2 Η ψηφιακή αποθήκευση

Τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής αποθήκευσης είναι ότι επιτρέπουν: 

• συνεχή ανανέωση και άμεση διόρθωση
• επιλεγμένη ανάκληση, επεξεργασία, διαμόρφωση

Για να μπορούν τα CD (και οι οπτικοί δίσκοι) να χρησιμοποιούνται από τους πολίτες, όλων των χωρών του κόσμου, ανεξάρτητα από την εταιρεία κατασκευής τους, ακολουθούνται διεθνείς κανόνες-προδιαγραφές που συνιστούν ένα διεθνές πρότυπο. Το πρώτο πρότυπο συντάχθηκε από την Ολλανδική Philips και την Ιαπωνική Sony τις πρώτες κατασκευάστριες CD, που περιείχαν μουσική σε ψηφιακή μορφή. Η αναπαραγωγή του ήχου από το CD διακρινόταν (από το τέλος της δεκαετίας του ’70) για την καθαρότητά του και την ακέραιη διατήρησή του για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Τα βασικά σημεία του πρότυπου που ίσχυε το 1982 ήταν:

• αποθηκεύονται μέχρι 99 συνεχόμενα μουσικά κομμάτια
• κάθε κομμάτι έχει το δικό του μήκος και ο διαχωρισμός μεταξύ διαδοχικών κομματιών γίνεται με τη χρήση ειδικών συμβόλων
• κάθε κομμάτι εμπεριέχει την πληροφορία του χρόνου
• η μικρότερη μετρούμενη μονάδα χρόνου είναι το 1/75 του δευτερολέπτου
• κάθε CD αποθηκεύει μουσική (stereo) μέγιστης διάρκειας 74 λεπτών

Ο ρυθμός δειγματοληψίας ήταν 44,1 kHz και 176,4 KB ανά δευτερόλεπτο.

8.3.1.3 Το υλικό, η αποθηκευμένη πληροφορία και ο τρόπος ανάγνωσης

Η πληροφορία εγγράφεται κατά μήκος συνεχούς ελικοειδούς διαδρομής με τη μορφή “micro-pits” (μικροσκοπικές λακούβες) σε πλαστική επιφάνεια με μεταλλική επένδυση.

Οι λακούβες έχουν συγκεκριμένο πλάτος (0,6 μm) και μήκος που εξαρτάται από το ψηφίο του δυαδικού συστήματος. Η διαδρομή, κατά την ελικοειδή εξέλιξή της, περνά δίπλα από την προηγούμενη σε συγκεκριμένη απόσταση (1,6 μm).

Η εσωτερικότερη διαδρομή “00” περιέχει ενημερωτικές πληροφορίες, όπως τα ονόματα των μουσικών κομματιών, τη θέση τους στο CD κλπ.

Σε ένα CD διαμέτρου 120 mm, οι ενημερωτικές πληροφορίες καταλαμβάνουν τη ζώνη με διαμέτρους από 44 ως 50 mm. Τα τραγούδια καταλαμβάνουν τις διαμέτρους από 50 ως 116 mm.

Μία λεπτή δέσμη φωτός «διανύει» την ελικοειδή διαδρομή καθώς το CD περιστρέφεται. Το φως ανακλάται και επιστρέφει σε ειδικό πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή. Το φως που ανακλάται από τον πάτο της λακούβας έχει διαφορά φάσης 180° από το φως που ανακλάται στην «κανονική» επιφάνεια. Δηλαδή, τη στιγμή που το φως προσπίπτει στο όριο της λακούβας, ο ανιχνευτής αντιλαμβάνεται «αποικοδομητική» συμβολή, δηλαδή μηδενική ένταση (του ανακλώμενου σήματος). Τα δύο γειτονικά κύματα αλληλοεξουδετερώνονται. Το αποτέλεσμα αυτό συνιστά τη λογική κατάσταση “0” του δυαδικού συστήματος.

Ο δίσκος περιστρέφεται με ελεγχόμενα μεταβαλλόμενη γωνιακή ταχύτητα, έτσι ώστε η διαδρομή να «περνά» με σταθερή ταχύτητα κάτω από τη δέσμη του φωτός. Όταν η «κεφαλή ανάγνωσης» (αντίστοιχα και της εγγραφής) είναι προς το εσωτερικό του δίσκου, ο ρυθμός περιστροφής είναι της τάξης των 1500 στροφών ανά δευτερόλεπτο (rps) και φθάνει τη μισή τιμή (700 rps) όταν πλησιάσει την περιφέρεια.

Όταν οι λακούβες διαβάζονταν με ταχύτητα 1,3 μέτρων διαδρομής ανά δευτερόλεπτο, αντιστοιχούσε σε ρυθμό μεταφοράς δεδομένων 150 ΚΒ ανά δευτερόλεπτο. Τώρα οι ταχύτητες είναι θεαματικά μεγαλύτερες.

Τα CD ξεκίνησαν ως τεχνολογία εγγραφής ψηφιακής μουσικής. Εξελίχθηκαν όμως και είναι πλέον κατάλληλα για κάθε είδος ψηφιακών δεδομένων. Απλά, κατά τη διαδρομή, προηγείται κάποιος κωδικός και ακολουθεί σειρά «ακουστικής» πληροφορίας ή δεδομένων υπολογιστή ή ανάμεικτων (πολυμέσα). 

Το συνολικό μήκος της διαδρομής ενός CD φτάνει τα 5 χιλιόμετρα. Οι λακούβες είναι περισσότερες από 2 δις. Το μήκος κάθε λακούβας από 0,83 ως 3,05 μm σε 9 διαφορετικές διακεκριμένες τιμές. Με την τεχνολογία DVD το ελάχιστο μήκος είναι πλέον μικρότερο του 0,4 μm. Η πυκνότητα των ελίκων της διαδρομής είναι τέτοια που η διατομή μίας ανθρώπινης τρίχας καλύπτει περίπου 60 έλικες. Με την τεχνολογία  DVD η απόσταση μεταξύ των διαδοχικών ελίκων έχει μειωθεί στα 0,74 μm.

Η διαδρομή διαβάζεται συνήθως με Laser διόδου, μήκους κύματος 780 nm (υπέρυθρο). Το στίγμα- ίχνος της φωτεινής δέσμης πάνω στο δίσκο (στην ανακλώσα επιφάνεια), έχει διάμετρο 1μm, που επιτυγχάνεται με εστίαση μέσω ειδικού οπτικού συστήματος μεγάλης ακρίβειας.

Σήμερα οι υπολογιστές διαβάζουν CD και DVD με δύο διαφορετικές πηγές Laser διόδων ενσωματωμένες στην ίδια μονάδα.

8.3.1.4 Ο τρόπος εγγραφής

Η εγγραφή γίνεται με πολύ λεπτή δέσμη Laser που πέφτει σε φωτοευαίσθητη επιφάνεια. Η ευαισθησία έγκειται στην χαρακτηριστική της ιδιότητα να αλλάζει συμπεριφορά (αντίσταση) όταν εκτεθεί στην ΗΜΑ ορατού, μικρού μήκους κύματος.

Η έξοδος της πηγής του φωτός ελέγχεται από μηχανισμό πολύ μεγάλης ακρίβειας που «επιτρέπει – δεν επιτρέπει» την εκπομπή της ακτινοβολίας. Κάθε φορά που η δέσμη Laser φθάνει στην φωτοευαίσθητη επιφάνεια, διανοίγει λακούβα και δημιουργεί το master CD.

Στη συνέχεια το master CD περνά στη διαδικασία της αναπαραγωγής με μεθόδους όπως η electro-plating ή η photopolymer replication, που δημιουργούν ταχύτατα εκατοντάδες όμοια CD ανά ώρα.

Όσο πυκνότερες οι λακούβες τόσο περισσότερες οι ψηφιακές πληροφορίες ανά μονάδα επιφάνειας. Όμως το φαινόμενο της περίθλασης θέτει ένα όριο στο μέγεθος και την πυκνότητα των βαθουλωμάτων. Επιλέγοντας Laser μικρού μήκους κύματος (Laser διόδου στο ερυθρό - 650 nm) περιορίζεται η έκταση της περίθλασης. 

Το σημερινό DVD έχει χωρητικότητα περί τα 4 GB. Εξελίσσεται όμως τεχνολογία όπου η εγγραφή θα γίνεται σε δύο επίπεδα. Το πρώτο επίπεδο θα είναι ημιδιαφανές και το πίσω επίπεδο θα γίνεται προσπελάσιμο απλά ρυθμίζοντας την απόσταση εστίασης του οπτικού συστήματος. Με εγγράψιμη και τη δεύτερη επιφάνεια του DVD θα αυξηθεί η χωρητικότητα του DVD σε 17 GB. Δηλαδή ο θεατής θα μπορεί να διαλέγει διαδραστικά π.χ. την εξέλιξη του σεναρίου ενός φιλμ (έκδοση λιγότερης βίας για παιδιά).

Το Φεβρουάριο 1996 Ιαπωνική εταιρία ανακοίνωσε το πρώτο Laser διόδου στο μπλε (λ = 410 nm) ικανό να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου. Το DVD του κυανού Laser έχει θεωρητική χωρητικότητα 60 GB.

8.3.2 Συσκευές μαγνητο-οπτικής αποθήκευσης (ΜΟ)

Οι συσκευές αυτές έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα της προσωρινής εγγραφής. Το υλικό της μαγνητικής εγγραφής έχει μία συγκεκριμένη τιμή θερμοκρασίας (το σημείο Curie) όπου χάνεται η μαγνήτιση.

Η εγγραφή στη συσκευή ΜΟ γίνεται σε τρία στάδια:

• (α) η περιοχή θερμαίνεται με δέσμη Laser. Μαγνητικό πεδίο προσανατολίζει ότα τα “bits” στην κατεύθυνση που αντιστοιχεί στο ψηφίο “0”
• (β) η δέσμη Laser  σαρώνει την περιοχή για δεύτερη φορά και αντιστρέφει την πολικότητα-κατεύθυνση των “bits” που αντιστοιχούν στη ψηφίο “1”
• (γ) ένα τρίτο “πέρασμα” επιβεβαιώνει ότι η εγγραφή έγινε σωστά.

Όταν η τεχνολογία επιτρέψει να δράσουν ταυτόχρονα τρεις κεφαλές, κάθε μία υπεύθυνη για ένα στάδιο, τότε θα μειωθεί ο σχετικά μεγάλος χρόνος πρόσβασης για τις συσκευές ΜΟ.

8.3.3 Εκτυπωτής Laser

Η διαδικασία της εκτύπωσης χωρίζεται σε δύο στάδια:

• α) λήψη της πληροφορίας προς εκτύπωση και  «μετάφρασή» της σε εικόνα
• β) μεταφορά της πληροφορίας από τη συσκευή δημιουργίας της στο χαρτί

Το δεύτερο στάδιο σε έναν εκτυπωτή Laser είναι παρόμοιο με του φωτοτυπικού μηχανήματος. Όμως το φωτοτυπικό, κατά το πρώτο στάδιο, σαρώνει με έντονο – εστιασμένο και κινούμενο φως το κείμενο και κάθε περιοχή του προβάλλεται στον φωτοαγώγιμο κύλινδρο. Αντίστοιχα στον εκτυπωτή Laser το κείμενο μεταφέρεται στον κύλινδρο ανά κουκίδα, αλλά πολύ γρήγορα χάρη στο φως Laser που σαρώνει τον κύλινδρο. 

Στον εκτυπωτή Laser υπάρχει ενσωματωμένος ανεξάρτητος επεξεργαστής που ελέγχει την εσωτερική μνήμη του εκτυπωτή. Το μεγαλύτερο μέρος της επεξεργασίας της πληροφορίας, από τους ηλεκτρονικούς παλμούς που στέλνει ο υπολογιστής, μέχρι  το τυπωμένο χαρτί, εκτελείται μέσα στον εκτυπωτή Laser. Με αυτό τον τρόπο, ο υπολογιστής διώχνει το πακέτο των πληροφοριών προς τον εκτυπωτή και απελευθερώνεται άμεσα, έτοιμος να αναλάβει νέα καθήκοντα. 

Πρωταγωνιστής στον εκτυπωτή (όπως και στο φωτοτυπικό μηχάνημα) είναι ο περιστρεφόμενος κύλινδρος από μεταλλικό αγώγιμο υλικό, επικαλυμμένο με λεπτό μονωτή ευαίσθητο στο φως (φωτοαγώγιμο, π.χ. άμορφο σελήνιο και θειούχο κάδμιο). Ηλεκτρικό φορτίο παραμένει στον λεπτό μονωτή για μεγάλο χρονικό διάστημα, όσο βρίσκεται στο σκοτάδι. Το σημείο του κυλίνδρου που θα εκτεθεί στο φως γίνεται αγώγιμο και τοπικά χάνει το ηλεκτρικό του φορτίο.

Το δεύτερο στάδιο της διαδικασίας της εκτύπωσης γίνεται με 5 βήματα:

• (α) ομοιογενής φόρτιση του φωτοευαίσθητου κυλίνδρου με θετικό ηλεκτρικό φορτίο
• (β) μεταφορά των δεδομένων στον κύλινδρο με επιλεκτικό φωτισμό, μέσω λεπτής δέσμης φωτός Laser, που αποφορτίζει τον κύλινδρο σε συγκεκριμένα σημεία
• (γ) η πλευρά του κυλίνδρου που κουβαλά τα δεδομένα, περνά πολύ κοντά από το άνοιγμα δοχείου με σκόνη γραφής (οξείδιο ψευδαργύρου-toner) αναμεμειγμένης με σκόνη μαγνητικού υλικού καλυμμένου με πολυμερές. Ειδική τεχνική (που ποικίλει ανάλογα με τον τύπο του εκτυπωτή) φορτίζει ηλεκτρικά τη σκόνη γραφής, με αντίθετο φορτίο από αυτό του κυλίνδρου. Η σκόνη έλκεται ηλεκτροστατικά στις φορτισμένες περιοχές του κυλίνδρου, δημιουργώντας την ηλεκτροστατική εικόνα του αρχικού κειμένου
• (δ) χαρτί περνά πολύ κοντά στον κύλινδρο, έχοντας πίσω του πόλο πολύ υψηλού ηλεκτρικού δυναμικού. Ηλεκτροστατικά η σκόνη γραφής εγκαταλείπει τον κύλινδρο και περνά στο χαρτί
• (ε) το «γραμμένο» χαρτί περνά σε φούρνο δεκάδων βαθμών Κελσίου, όπου η πληροφορία «στερεώνεται» και μονιμοποιείται.

Ακολουθεί το έκτο στάδιο καθαρισμού της επιφάνειας του κυλίνδρου από τα εναπομείναντα ίχνη της σκόνης γραφής.

8.3.4 Επεξεργασία πληροφορίας με την ταχύτητα του φωτός

Η ταχύτητα επεξεργασίας της πληροφορίας στον υπολογιστή περιορίζεται από τη πεπερασμένη ταχύτητα του ηλεκτρικού ρεύματος στα καλώδια.

 Όπως στα ηλεκτρονικά είναι πλέον δυνατό να λειτουργήσουν εκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, ανάλογα κυκλώματα πρέπει να εξελιχθούν ως «ολοκληρωμένη οπτική», όπου θα κυκλοφορούν παλμοί φωτός και θα αυξήσουν κατά τάξεις μεγέθους την ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων.

8.3.5 Σάρωση κωδικής διαγράμμισης καταναλωτικών προϊόντων

Καθώς ο αυτοματισμός κυριαρχεί όλο και περισσότερο στην καθημερινή μας ζωή, υπήρξε πρόσφορο έδαφος για την εδραίωση του συστήματος της αυτόματης ταυτοποίησης καταναλωτικών προϊόντων.

Κάθε προϊόν «σφραγίζεται» με τη δική του κωδική διαγράμμιση, που διαβάζεται με σάρωση από δέσμη φωτός Laser. Το ανακλώμενο φως συλλέγεται σε ειδικό οπτικό σύστημα τοποθετημένο δίπλα στην πηγή της δέσμης.

Η κωδική διαγράμμιση είναι μία σειρά από μαύρες γραμμές σε άσπρο φόντο, τυπωμένη συνήθως σε αυτοκόλλητη ταινία-ετικέτα. Ο τυπικός τρόπος κωδικοποίησης είναι μίας διάστασης και βασίζεται στο εύρος των μαύρων (και λευκών) ζωνών της διαγράμμισης.

Το φως Laser καθιστά το σύστημα λειτουργικό, καθόσον το ανακλώμενο φως είναι από μόνο του εστιασμένο και δεν απαιτεί πρόσθετες βοηθητικές μονάδες. Το ανακλώμενο φως προσπίπτει σε μία σειρά από φωτοδιόδους, όπου το οπτικό σήμα τρέπεται σε ηλεκτρικούς παλμούς, μεταφέρεται σε υπολογιστή και μεταφράζεται σε αριθμούς, η σειρά των οποίων περιγράφει το συγκεκριμένο προϊόν.

Η μονοχρωματικότητα του φωτός Laser βοηθά ώστε με κατάλληλα φίλτρα να εμποδίζεται η είσοδος προς τις φωτοδιόδους κάθε ΗΜΑ διαφορετικού μήκους κύματος από ανάκλαση σε γειτονικές επιφάνειες.

Ο σαρωτής Laser μπορεί να έχει τη μορφή στυλό ή να είναι απλά η άκρη ενός οπτικού αγωγού ή να είναι ενσωματωμένος σε επιφάνεια-πάγκο, μπροστά στο παράθυρο του οποίου πρέπει να περάσει η αυτοκόλλητη ετικέτα του προϊόντος.

Το σύστημα χρησιμοποιείται πλέον και από πολλά νοσοκομεία και κλινικές. Όταν ο ασθενής κάνει εισαγωγή τυπώνεται σειρά από αυτοκόλλητες ετικέτες, όπου σημαντικά στοιχεία του έχουν κωδικοποιηθεί με σύστημα διαγράμμισης. Οι ετικέτες θα επικολληθούν στα δείγματα αίματος, ούρων ή σε κουτιά ειδικών φαρμάκων και ακτινογραφίες.

Σήμερα είναι σε χρήση και σύστημα διαγράμμισης όπου η πληροφορία αποθηκεύεται – κωδικοποιείται σε δύο διαστάσεις.

Σε μια ετικέτα αυτού του συστήματος μπορεί να συμπτυχθούν πληροφορίες για το προϊόν, έκτασης μίας ολόκληρης σελίδας.

8.3.6 Ολογράμματα ασφαλείας

Το ολόγραμμα και η δημιουργία του θα αναπτυχθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Εδώ, στο κεφάλαιο με τις καθημερινές χρήσεις του Laser, πρέπει απλά να αναφερθεί ότι, εφόσον πλέον το ολόγραμμα είναι ορατό και χωρίς τη βοήθεια του Laser, εφαρμόζεται σε αρκετούς τομείς, ένας εκ των οποίων είναι ο τομέας ασφάλεια.

Η δημιουργία του ολογράμματος προϋποθέτει την αξιοποίηση γνώσεων και τεχνολογίας πολύ υψηλού επιπέδου, με βάση το φως Laser. Είναι λοιπόν ιδιαίτερα δύσκολο σε απατεώνες να αντιγράψουν πιστωτικές κάρτες, τραπεζογραμμάτια ή ακόμη και πολύτιμο λογισμικό τα οποία φέρουν τυπωμένα πάνω τους ειδικά ολογράμματα.

8.3.7 Επικοινωνία με οπτικές ίνες

Κάθε κανάλι επικοινωνίας απαιτεί μία ζώνη συχνοτήτων γύρω από τη συχνότητα της μετάδοσης.

Οι «οπτικές» συχνότητες (ορατό και υπέρυθρο) κυμαίνονται στα 10¹⁴-10¹⁵ Hz. Η επικοινωνία φωνής μέσω γραμμών τηλεφώνου έχει ζώνη συχνοτήτων εύρους 10 kHz.

Επομένως ο αριθμός των γραμμών τηλεφώνου που μπορούν να λειτουργούν σε σύστημα «οπτικής» επικοινωνίας είναι τεράστιος.

Τα Laser διόδων μπορούν να δημιουργούν το σήμα με ταχύτητα δεκάδων GHz και το φως τους μεταδίδεται σε οπτικές ίνες μήκους δεκάδων χιλιομέτρων χωρίς την ανάγκη ενίσχυσης.

Η επικοινωνία με οπτικές ίνες προσφέρεται ως ιδανική λύση αξιόπιστης μεταφοράς μεγάλου όγκου πληροφοριών.

Επιπλέον οι οπτικές ίνες δεν επηρεάζονται από ηλεκτρικές παρεμβολές, είναι ελαφρύτερες, χαμηλότερου κόστους και πιο ασφαλείς στις υποκλοπές.

Μία οπτική ίνα μπορεί να ικανοποιήσει όλες τις ενδο- και έξω- επικοινωνιακές ανάγκες ενός σπιτιού: τηλέφωνο, τηλεόραση (απλή και καλωδιακή), ραδιόφωνο, internet κλπ.

8.3.8 (Ασύρματη) ορατή επικοινωνία (ελεύθερου πεδίου)

Η πολύ μεγάλη ταχύτητα διαμόρφωσης των Laser διόδων επιτρέπει την άμεση και αποτελεσματική επικοινωνία με ελεύθερα «οπτικά» κύματα.

Οι κύριες εφαρμογές αυτής της δυνατότητας είναι:

• (α) επικοινωνία μεταξύ δορυφόρων στο διάστημα (10¹⁰ bits ανά δευτερόλεπτο)
• (β) επικοινωνία στο στρατιωτικό πεδίο και σε χώρους που δεν υπάρχουν  καθόλου υποδομές

8.3.9 Laser στην τέχνη και τη διασκέδαση

Πηγές Laser μπορούν να δώσουν εντυπωσιακές οπτικές παραστάσεις. Όταν η δέσμη Laser εισχωρεί σε περιοχή με έντονη υγρασία ή καπνό, σκεδάζεται προς όλες τις κατευθύνσεις δημιουργώντας φωτεινούς όγκους.

Τα Laser ιόντων Ar και Kr εκπέμπουν στο ορατό και μάλιστα περισσότερα από ένα μήκη κύματος συγχρόνως. Με πρίσματα και οπτικά πλέγματα διαχωρίζονται τα χρώματα και σκορπούν.

Με ταλαντούμενους καθρέφτες καθοδηγούμενους με υπολογιστή, επιτυγχάνεται γρήγορη κίνηση της δέσμης Laser. Είναι δυνατή η δημιουργία κινούμενων έγχρωμων εικόνων. Η φωτεινή δέσμη περνά από ένα σημείο κάθε φορά, αλλά καθώς η οπτική εντύπωση παραμένει κάποιο χρονικό διάστημα στον οφθαλμό (όπως στον κινηματογράφο), ο παρατηρητής «εισπράττει» ολόκληρη την εικόνα.

Η τεχνολογία έχει φθάσει στο σημείο να μπορούν πλέον να δημιουργούνται (με Laser) κινούμενα γλυπτά τριών διαστάσεων στο χώρο.

Αυτού του είδους οι παραστάσεις, αν συνδυαστούν και με ολογράμματα μπορούν να δώσουν πολύ πλούσιο θέαμα.

Τα ολογράμματα βρίσκουν εφαρμογή και σε θέματα έργων τέχνης ή σπάνιων αντικειμένων μουσείων.

Πολύτιμα εκθέματα των οποίων η ακεραιότητα κρίνεται επισφαλής με την παρουσία του κοινού, αντικαθίστανται με ολογράμματα. Καλής ποιότητας ολόγραμμα προσφέρει όλες τις πληροφορίες του αυθεντικού πρότυπου.

8.4 Εφαρμογές στην επιστήμη και την έρευνα

8.4.1 Φασματοσκοπία

Κάθε υλικό έχει τα δικά του φάσματα απορρόφησης και εκπομπής. Με επιλεκτική διέγερση χρησιμοποιώντας ειδικά μήκη κύματος, είναι δυνατή η ταυτοποίηση υλικών με σημαντική βεβαιότητα, ακόμη και όταν πρόκειται για πολύ μικρή ποσότητα του υλικού.

Η φασματοσκοπία χρησιμοποιείται στην έρευνα που αφορά σε μόρια, διεγείροντάς τα με ορατή ακτινοβολία. Είναι ένα από τα βασικά εργαλεία στην έρευνα της δομής της ύλης.

Το φως Laser ενδείκνυται για τη φασματοσκοπία, εξαιτίας του ελεγχόμενου μήκους κύματος. Οι μετρήσεις με φως Laser έχουν πολύ καλή διακριτική ικανότητα. Όσο πιο συγκεκριμένο (και γνωστό) είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, τόσο ακριβέστερη είναι η διάκριση των διαφορετικών υλικών σε ένα μικρό κομμάτι ύλης.

Η φασματοσκοπία είναι συγγενικός κλάδος της φωτο-χημείας, της επιστήμης των χημικών μεταβολών που οφείλονται στο φως.

Παραδείγματα είναι:

• (α) το μαύρισμα του δέρματος όταν εκτίθεται στον ήλιο
• (β) η φωτοσύνθεση στα φυτά
• (γ)  η διαδικασία της όρασης και ειδικότερα στα κύτταρα του αμφιβληστροειδή χιτώνα
• (δ) ο προκλητός φθορισμός, μία ιδιαίτερα ευαίσθητη μέθοδος, κατά την οποία επιτυγχάνεται επιλεκτική διέγερση ειδικών μορίων σε καθορισμένα ενεργειακά επίπεδα. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται συχνά στην ιατροδικαστική για την ανίχνευση και ταυτοποίηση εναπομεινάντων ιχνών-μορίων.

8.4.2 Ελεγχόμενη Σύντηξη

Ως γνωστόν, υπάρχει η σχέση (του Αινστάιν) ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας:

Κάθε αντίδραση της οποίας τα προϊόντα έχουν λιγότερη μάζα από τα αντιδρόντα, απελευθερώνει ενέργεια, σε ποσότητα ισοδύναμη της διαφοράς στη μάζα.

Ανά μονάδα μάζας, η ποσότητα της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την πυρηνική σύντηξη είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται καίγοντας πετρέλαιο ή κάρβουνο.

Η βόμβα υδρογόνου είναι παράδειγμα «παραγωγής» ενέργειας από σύντηξη, που δεν είναι ελεγχόμενη. Οι επιστήμονες προσπαθούν ακόμη να βρουν τρόπους εκμετάλλευσης αυτής της τεράστιας ποσότητας ενέργειας.

Πυρηνική σύντηξη (ελαφρείς πυρήνες συνενώνονται σε έναν βαρύτερο) συμβαίνει με φυσικό τρόπο στον ήλιο και σε άλλα αστέρια.

Για να λειτουργήσει ένας αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης θα έπρεπε να συντρέχουν ορισμένες συνθήκες:

• διαθέσιμες και εύκολα εξαγώγιμες πρώτες ύλες
• να βασίζεται σε πυρηνική αντίδραση με μεγάλη πιθανότητα να πραγματοποιηθεί
• να απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας ανά αντίδραση
• να μπορεί να εξασφαλισθεί απουσία σοβαρών κινδύνων
• η όλη διαδικασία να είναι φιλική προς το περιβάλλον

Η γενική εκτίμηση είναι πως ένας τέτοιος αντιδραστήρας θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα παροχής ενέργειας προς την ανθρωπότητα και γι’ αυτό επενδύονται μεγάλα χρηματικά ποσά σε αυτόν τον τομέα. Πρόκειται για «καθαρή» ενέργεια και η πρώτη ύλη (π.χ. το δευτέριο (D) – ισότοπο του υδρογόνου που υπάρχει παντού κυρίως στο νερό) μπορεί εύκολα να παραχθεί σε ικανή ποσότητα.

Δύο από τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης θα μπορούσε να είναι:

(α) 

(β) 

Για να συγκρουσθούν δύο πυρήνες (αμφότεροι θετικά φορτισμένοι) πρέπει να εξουδετερωθούν οι μεταξύ τους απωστικές δυνάμεις.

Ένας τρόπος είναι η χρήση επιταχυντή. Ο επιταχυντής όμως για βαριά φορτισμένα σωματίδια απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας για να λειτουργήσει και η απόδοσή του είναι μικρή.

Άλλος τρόπος είναι η αύξηση της θερμοκρασίας που θα προσδώσει μεγάλη κινητική ενέργεια στα σωματίδια-πυρήνες. Για πυρήνες δευτερίου η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι 10⁸ °C, όπως συμβαίνει στην επιφάνεια του ήλιου. Σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα της ύλης διαχωρίζονται σε θετικούς πυρήνες και αρνητικά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Πρόκειται για ένα νέφος φορτισμένων σωματιδίων που καλείται  πλάσμα (η τέταρτη κατάσταση της ύλης).

Χαρακτηριστική ιδιότητα του πλάσματος είναι ότι χάνει συνεχώς ενέργεια καθώς τα ηλεκτρόνιά του επιβραδύνονται από τους θετικούς πυρήνες. Εκπέμπεται ΗΜΑ με τη μορφή ακτινοβολίας πέδησης.

Μέχρι θερμοκρασίες της τάξης των 10⁵ °C το πλάσμα χάνει ενέργεια με ταχύτερο ρυθμό από τον αντίστοιχο της θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Όταν η θερμοκρασία φτάνει υψηλότερα επίπεδα οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις γίνονται περισσότερες αναλογικά.

Η θερμοκρασία στην οποία η παραγωγή ενέργειας είναι ίση με την απώλεια ενέργειας καλείται θερμοκρασία ανάφλεξης του πλάσματος και είναι η ελάχιστη θερμοκρασία στην οποία το πλάσμα παρέχει στον εαυτό του αρκετή ενέργεια για να αυτο-διατηρηθεί.

Ο χώρος διατήρησης του πλάσματος είναι ένα ακόμη πρόβλημα, καθόσον δεν υπάρχει υλικό που να αντέχει σε τέτοιες θερμοκρασίες.

Ο περιορισμός του πλάσματος μπορεί να γίνει με δύο μεθόδους:

• (α) ένα ειδικά σχεδιασμένο μαγνητικό πεδίο που εξαναγκάζει τα φορτία σε κυκλικές διαδρομές. Η ένταση τέτοιου πεδίου πρέπει να είναι πάρα πολύ μεγάλη.
• (β)  με Lasers

Έχει βρεθεί-υπολογισθεί ότι για να διατηρηθεί ένα πλάσμα, εκτός της υψηλής θερμοκρασίας, απαιτείται να ικανοποιείται και το κριτήριο Lawson που λέει ότι το γινόμενο «πυκνότητα επί χρόνο» πρέπει να είναι μεγαλύτερο μιας τιμής. Αυξάνοντας την πυκνότητα της πρώτης ύλης θα μπορούσε να περιοριστεί ο απαραίτητος χρόνος διατήρησης του πλάσματος σε συγκεκριμένο χώρο.

Μια αδρή περιγραφή της διαδικασίας έχει ως εξής:

• (α) το «καύσιμο» τοποθετείται στο εσωτερικό σφαιρικού κέλυφους-κάψουλας
• (β) η σφαιρική επιφάνεια θερμαίνεται ταχύτατα σε πολύ υψηλή θερμοκρασία
• (γ) η σφαιρική επιφάνεια εξαχνώνεται και εκτονώνεται γρήγορα προς τα έξω
• (δ) σαν αντίδραση, δημιουργείται μεγάλη πίεση προς το κέντρο της σφαίρας
• (ε) η συμπίεση αυξάνει τη θερμοκρασία του καύσιμου στο επιθυμητό επίπεδο

Η διαδικασία αυτή απαιτεί ενέργεια της τάξης των 10¹⁴ Joule σε χρόνο 10^-9sec. Αυτό είναι εφικτό με Laser (αρχικά δοκιμάστηκε το Laser CΟ₂, τα πειράματα συνεχίζονται με Laser Nd-υάλου), τα οποία, κατά το στάδιο (β), «βομβαρδίζουν» εξωτερικά (πολλά μαζί) τη σφαιρική κάψουλα.

8.4.3 Παλμοί πολύ μικρής διάρκειας

Γίνεται ερευνητική προσπάθεια δημιουργίας παλμών Lasers διάρκειας 10^-15 – 10^-18 του δευτερολέπτου.

Οι εφαρμογές τους θα βοηθήσουν δύο κυρίως τομείς:

• (α) τη μελέτη πολύ γρήγορων διαδικασιών που θα μπορούν να φωτίζονται και να κινηματογραφούνται
• (β) την οπτική επικοινωνία, καθόσον θα μπορούν να σταλούν περισσότεροι παλμοί ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή πυκνότερη πληροφορία

8.4.4 Ψύξη ατόμων

Όλα τα άτομα κινούνται, έχουν θερμική ενέργεια όταν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν (°Κ).

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, είναι δυνατόν να ακινητοποιηθούν άτομα με τη βοήθεια της ροπής φωτονίων ακτινοβολίας Laser.

Όταν η δέσμη φωτονίων κατευθυνθεί αντίθετα προς δέσμη ατόμων, τα φωτόνια και τα άτομα θα αλληλοεπιδράσουν με τρόπο ώστε τα άτομα να απορροφήσουν φωτόνια, αρκεί η ενέργεια των φωτονίων (που εξαρτάται από τη συχνότητά τους) να είναι ίση με την (ενεργειακή) διαφορά ενεργειακών επιπέδων των ατόμων.

Όταν το άτομο κινείται, λόγω του φαινομένου Doppler, «βλέπει» λίγο διαφορετική τη συχνότητα  του φωτονίου που πλησιάζει.

Χρησιμοποιώντας περισσότερες δέσμες φωτονίων με αντίθετες κατευθύνσεις, είναι εφικτό τα φωτόνια να ακινητοποιήσουν τα άτομα.

Η συχνότητα της δέσμης Laser επιλέγεται τέτοια ώστε να βρίσκεται πολύ κοντά στη συχνότητα που απορροφά το άτομο, αλλά όχι απόλυτα ίση. Κάθε φορά που το άτομο ξεκινά με κατεύθυνση μία δέσμη Laser, το φαινόμενο Doppler προκαλεί την απορρόφηση της ακτινοβολίας από το άτομο, οπότε το άτομο επιστρέφει στην αρχική του θέση.

8.4.5 Μελέτη της αλληλεπίδρασης ΗΜΑ και ύλης

Η ΗΜΑ αλληλεπιδρά με την ύλη με αρκετούς διαφορετικούς μηχανισμούς. Η μελέτη των μηχανισμών αυτών είναι πολλά υποσχόμενο ερευνητικό πεδίο, σε θέματα Ιατρικής (τρόποι δράσης του Laser με ιστούς και ειδικότερα στην γενετική μηχανική), καθώς και επεξεργασίας υλικών στη βιομηχανία. 

Στη γενετική μηχανική στόχος είναι να μεταβληθούν ελεγχόμενα ιδιότητες των γονιδίων με επέμβαση στα μόρια του DNA, μέσα στον πυρήνα των βιολογικών κυττάρων.

8.5 Ειδικές εφαρμογές

8.5.1 Μεταφορά ενέργειας στο διάστημα

Η κατασκευή – στήσιμο διαστημικού σταθμού είναι πλέον πραγματικότητα. Η ενέργεια για τη λειτουργία του αποκτάται με ηλιακούς συλλέκτες. 

Είναι δυνατή η κατασκευή ακόμη μεγαλύτερων ηλιακών συλλεκτών στο διάστημα με στόχο την αποστολή ενέργειας προς τη γη.

Ο ηλιακός συλλέκτης μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρισμό. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να στέλνεται και στη γη με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Laser.

Ο ηλιακός συλλέκτης στο διάστημα μπορεί να έχει πολύ μεγάλη επιφάνεια. Οι καιρικές συνθήκες δεν θα επηρεάζουν τη λειτουργία του. Στο διάστημα δεν υπάρχει ούτε ο περιορισμός της εναλλαγής μέρα-νύχτα. Χωρίς την παρεμβολή του στρώματος της ατμόσφαιρας, η απόδοση του ηλιακού συλλέκτη στο διάστημα θα είναι πολύ καλύτερη.

Η διάβαση της ακτινοβολίας Laser στην ατμόσφαιρα είναι ευκολότερη από π.χ. τα μικροκύματα, επειδή η δέσμη είναι συγκεντρωμένη, δηλαδή διατηρεί μικρή κάθετη διατομή, ακόμη και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Η απορρόφηση της ΗΜΑ Laser στην ατμόσφαιρα μπορεί να μειωθεί «σημαντικά» αν γίνει σωστή επιλογή του πιο «διαπεραστικού» μήκους κύματος.

8.5.2 Γυροσκόπιο Laser

Το γυροσκόπιο είναι ένα όργανο που βοηθά στον προσανατολισμό στο διάστημα. Τα γυροσκόπια έχουν μηχανικά περιστρεφόμενους δακτύλιους και η αρχή λειτουργίας τους είναι η διατήρηση της γωνιακής ροπής.

Ο ειδικός δείκτης του έχει πάντα σταθερή κατεύθυνση, όσο και αν περιστρέφεται το υπόλοιπο σώμα του γυροσκόπιου.

Το μηχανικό γυροσκόπιο είναι ογκώδες και χρήζει συντήρησης. 

Τα οπτικά γυροσκόπια λειτουργούν με βάση το φαινόμενο ότι, όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα κινείται σε κλειστή διαδρομή που περιβάλλει συγκεκριμένη περιοχή, επηρεάζεται από τη γωνιακή ταχύτητα του συστήματος που εμπεριέχεται σε αυτήν την περιοχή.

Δύο δέσμες Laser κινούνται με αντίθετες κατευθύνσεις στην ίδια κυκλική διαδρομή. Οποιαδήποτε αλλαγή στον προσανατολισμό του συστήματος θα προκαλέσει διαφορά διαδρομής στις δύο δέσμες. Με συμβολόμετρο είναι δυνατή η ανίχνευση ακόμη και ανεπαίσθητων μεταβολών, δηλαδή το γυροσκόπιο Laser είναι πολύ ευαίσθητο όργανο. Το γυροσκόπιο Laser μπορεί να έχει δακτυλιοειδή κοιλότητα ή να λειτουργεί σε έλικα οπτικής ίνας.

8.5.3 Laser οπτικής ίνας

Είναι εφικτή η δημιουργία – γένεση φωτός Laser μέσα σε οπτική ίνα. Δηλαδή το ενεργό υλικό να είναι η οπτική ίνα κατασκευασμένη από γυαλί, στο οποίο εγχύονται ειδικά άτομα – προσμίξεις.

Τα πλεονεκτήματα του Laser οπτικής ίνας είναι:

• (α) η ιδιαίτερα περιορισμένη δέσμη φωτός (στο εσωτερικό της ίνας)
• (β) η οπτική άντληση γίνεται με φως, αναγκαστικά στον ίδιο περιορισμένο χώρο

Το Laser οπτικής ίνας μπορεί να ενισχύσει απευθείας ένα εισερχόμενο σήμα φωτός Laser χωρίς να απαιτείται η μετατροπή του σε ηλεκτρικό σήμα που θα ενισχυόταν ηλεκτρονικά και θα ξαναμετατρεπόταν σε φως.

Η κύρια εφαρμογή του Laser οπτικής ίνας είναι στην οπτική επικοινωνία, κατά την οποία, όταν το σήμα μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις, πρέπει να ενισχύεται καθ’οδόν.

Τα πιο γνωστά Laser οπτικών ινών είναι της οικογένειας EDFA (erbium doped fiber amplifier – ενισχυτής ίνας με προσμίξεις Er). 

Σοφία Κόττου, Επίκουρη Καθηγήτρια Ιατρικής Φυσικής
Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Αθηνών
Τελευταία αναθεώρηση : 23/12/2007