Wie groß ist der Impulsübertrag?
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Laser in der Diagnose Optische Kohärenztomographie (OCT) Grundprinzip: Michelson-Interferometer Mathematik Signal (Detektor): I d (τ) ∝ E 2 = E p (t ) + E r (t + τ) 2 = (E p (t ) + E r (t + τ))* (E p (t ) + E r (t + τ)) ∗ = E p (t ) 2 + E r (t + τ) 2 ( ) + 2 ⋅ Re E p (t ) * E *r (t + τ) = I p + I r + 2 I p ⋅ I r ⋅ ΓSR (ΔL ) ΓSR(ΔL) = Kohärenzgrad ΔL = opt. Wegunterschied Wie groß ist der Kohärenzgrad? Für zwei Sinuswellen gilt: ΓSR (ΛL ) = sin (k ⋅ ΔL ) k = 2π λ0 ΓSR(ΔL) S(ν) Energiespektrum der Quelle: 2 ⎛ ( ν − ν) S(ν ) = exp⎜⎜ − 4 ⋅ ln 2 Δν 2 ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Für den Kohärenzgrad gilt nun: Axiale Auflösung: Transversale Auflösung: w0 = Strahltaille ΓSR (ΔL ) = e Δz FWHM 2 ln 2 = π ⎛ π⋅ Δν⋅ ΔL ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ 2⋅ c ⋅ ln 2 ⎠ 2 ⋅ sin (k ⋅ ΔL ) ⎛ λ20 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Δλ FWHM ⎠ Δd FWHM = 2 ln 2 w 0 = 2 ln 2 ΘS = Öffnungswinkel; 4 ln 2 Lc = π ⎛ λ20 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ Δ λ ⎝ ⎠ = Kohärenzlänge λ0 π ⋅ ΘS sinΘS = N.A. Hochauflösendes OCT-Bild von Xenopus laevis (Afrikanischer Frosch) Auflösung: Axial: 1 μm Transversal: 3 μm Fujimoto et al. (MIT) Anatomie des menschlichen Auges Vorder- und Rückfläche der Hornhaut Bestimmung der Augenlänge Diese Messung ist wichtig vor einer Katarakt-Operation (Entfernung der Augenlinse aufgrund von Linsentrübung, grauer Star), um die IntraokularLinse richtig zu bestimmen. Augenhintergrund Aufbau der Netzhaut OCT-Bild einer gesunden Netzhaut Preis: ~ 63 k€ Verbrannte Haut: a) OCT b) Histologie Detektion von Darmkrebs mit OCT Flexibles Endoskop Konventionelle Mikroskopie Laser Lochblende Okular Detektor Strahlteiler x-y-Ablenkung Objektiv Objektiv Objekt Objekt Beleuchtung Konfokale Mikroskopie Konventionelle Mikroskopie Laser Lochblende Okular Detektor Strahlteiler x-y-Ablenkung Objektiv Objektiv Objekt Objekt Beleuchtung Konfokale Mikroskopie Kombination von Endoskopie und konfokaler Mikroskopie führt zu: Konfokale Endoskopie Pentax: Confocal Endoscopy: ~150 k€ Anatomie des Darms Darmkrebs Schwere Darmentzündung (ulcerative colitis) (Dickdarmkatarrh) OCT-Aufnahme Pathologie Ralf Kiesslich, Johannes Gutenberg Univ., Mainz Remagener Physiktage 25. – 27. September 2002 Einsatz von femto-SekundenLaserpulsen zur Gewebeablation; Wie groß ist der Impulsübertrag? Gaetano Sessa§, Michele Travaglini§, Dirk Mittnacht*, Marlies Wessendorf* und Hans-Jochen Foth* *Fachbereich Physik, Universität Kaiserslautern §Dip. di Meccanica, Università di Ancona, Italia Funktion des menschlichen Mittelohres Mittelohr Gesundes Ohr Stapes Innenohr Otosklerose (Ohrverkalkung) Knochenwulst fixiert Stapesfußplatte Vorgehensweise bei der Stapedotomie Bearbeitung des Amboss durch fs-Laser-Pulse Burkard Schwab, Ralf Heermann, Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für HNO-Heilkunde Holger Lubatschowski, Laserzentrum Hannover Entstehung des Rückstoß-Impulses Laser Gewebe RückstoßImpuls Ablatiertes Gewebe verlässt die Oberfläche Photonen-Impuls Zahlenbeispiel: Photonen-Impuls: p = h/λ Holmium-Laser: EL= 800 mJ Energie pro Photon: E=hν Energie pro Laserpuls: EL= n h c/λ (n = Anzahl der Photonen) Gesamter Photonenimpuls: PL = EL/c PL= 2,6 10-6 g mm/s PR= 100 g mm/s (Messwert) Rückstoß-Impuls entsteht durch Impuls der ablatierten Masse Das Knalltrauma Lit.: Friedrich Pfander, Das Knalltrauma, Springer-Verlag: Berlin, 1975 Schädigung des Innenohres durch einen lauten Knall Lit.: Friedrich Pfander, Das Knalltrauma, Springer-Verlag: Berlin, 1975 Experimenteller Aufbau Synchronisation Nd:YAG 2f Titan Saphire Nd:YLF 2f Amplifier Trigger Probe Storage Scope Laser-Doppler Vibrometer Electromechanical Shutter Personal Computer 532 nm 6,5 W Verdi V8 ~ 797 nm 600 mW 18 fs Femto Lasers 527 - 535 nm < 250 ns > 1,5 mJ Quantronix DHP-527 Odin 785 - 815 nm > 1 mJ < 50 fs 1 kHz Trigger Probe Tektronix TDS 540A Polytec OFV 501/2602 633 nm 1 mW Personal Computer Camera: Contax RTS III Spot size: 0.2 mm diameter Mean Power: 1 W Peak Power: 2 1010 W 14 2 Power Density: 0,64 10 W/cm Schwingplatte Aufgebaut aus: Silizium (Laser) Kupfer (Ätzen) Messing (Ätzen) Stahl (Laser) Zusammenhang: Masse der Probe -> Resonanzfrequenz 1100 B user1 fit of Data2_B 1050 Frequenz [Hz] 1000 950 900 850 800 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Masse [g] ω = (D/m)1/2 f = 1/2π [(D/(m0+m)]1/2 Vorversuch mit Pertinax 30 Pertinax A1 LDV tisa impulse Geschwindigkeit [mm/s] 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -200 0 200 400 Zeit [ms] 600 800 1000 0,10 Geschwindigkeit [mm/s] 0,08 Dentin 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02 LDV TiSa -0,04 -0,06 -0,08 -0,10 -5 0 5 10 Zeit [ms] 15 20
