Laser ja Valo

Sana LASER on akronyymi sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Laserin toimintamahdollisuudesta mainitsi julkisesti ensimmäisen kerran A. Einstein vuonna 1917. Vuonna 1954 Charles Townes et al. Columbian Yliopistossa rakensivat Maserin (mikroaalloilla toimivan). Vuonna 1958 Townes ja Schallow julkaisivat tutkimustuloksensa optisesta maserista eli laserista.

Vuonna 1960 Maiman rakensi ensimmäisen toimivan rubiinilaserin, jonka jälkeen useita eri lasermalleja valmistui vuoteen 1964 mennessä.

Valo on energiaa. Sen ominaispiirteet erotellaan tunnusomaisesti aallonpituudeksi (wavelength) , taajuudeksi (frequency) ja aallonkorkeudeksi (amplitude).

Laseryksiköt

Aallonpituus laserin spektrin jakauma (m tai nm) l
Energia (J taim mJ) Q
Energiatiheys annos (J/m2) H
Taajuus pulsatun laserin pulssitaajuus (Hz, värähdys/s) f
Teho (W tai mW) P
Tehotiheys (W/cm2) annos säteilykohteessa E

Aallonpituus
Aallonpituus määrittelee näkyvän valon värin ja muutoin valon sisältämän energian määrää. Aallonpituus on kahden aallonhuipun välisen matkan mitta. Mittayksikkönä käytetään nanometria (nm) joka on yhtä kuin 10 -9 m. Näkyvä valo osuu 385 - 760 nm välisellä alueelle. Pitemmät aallonpituudet liittyvät pienempiin energiamääriin ja lyhyemmät suurempiin energiamääriin, kuten ultraviolettivalo ja röntgensäteet.

Taajuus
Taajuus on aallonpituuden käänteisluku ja kertoo kuinka monta aaltoa ohittaa annetun pisteen sekunnissa. Mittayksikkönä käytetään hertsiä (Hz). Mitä korkeampi taajuus, sitä lyhyempi on aallonpituus.

Amplitudi
Amplitudi on aallonkorkeus eli kuinka korkealla on aallonhuippu nollaviivaan verrattuna. Tämä kertoo kuinka paljon energiaa aallon mukana liikkuu.

Absorptio
Laservalolla on eri absorptioarvot riippuen kudoksen rakenteesta, veden määrästä ja ionien määrästä soluvälinesteessä ja soluissa.

Absorptioarvo on myös riippuvainen valon aallonpituudesta. 600 nm alueella olevalla valolla on erityisen hyvä absorptio.

• Vaihe 1: elektronit absorboivat valoa
• Vaihe 2: absorboimalla valon energiaa elektronit lisäävät kineettistä energiaansa
• Vaihe 3: lisääntynyt energia sallii elektronien siirtymisen korkeammalle tasolle
• Vaihe 4: elektronit törmäävät toisiin elektroneihin ja aiheuttavat ketjureaktion kunnes ne tavoittavat saturaatioaallonpituuden, joka on riippuvainen käytetyn valon aallonpituudesta
• Vaihe 5: ioneita syntyy ja ne kulkeutuvat solukalvon läpi.

Sähkömagneettisella säteilyllä on energiaa. Säteilyn energia on sitä suurempi, mitä pienempi on aallonpituus. Kun säteilyllä ei ole riittävästi energiaa, jotta se voisi ionisoida atomeja tai molekyylejä, sitä sanotaan ionisoimattomaksi säteilyksi. Radioaallot, infrapunasäteily ja valo ovat ionisoimatonta säteilyä. Ultraviolettisäteilyn terveysriskit johtuvat siitä, että säteilyn aallonpituus on lähellä ionisoivan säteilyn aallonpituusaluetta. Ionisoivaa säteilyä saadaan röntgenlaitteista ja radioaktiivisista aineista. Myös avaruudesta saapuu maan pinnalle ionisoivaa säteilyä. Gammasäteily on hyvin läpitunkevaa ionisoivaa säteilyä.

Sivun alkuun

Energian sitoutuminen Biologisiin systeemeihin

1. Sähköinen varastoituminen : solukalvon eri puolilla olevien varausten ero on solun käytettävissä olevaa energiaa.
2. Konsentraatiovarastointi : ionit varastoituvat soluorganellien sisälle solukalvojen potentiaalien avulla. Säätelemällä solukalvon toimintaa eri ionien määrää solussa voidaan myös säädellä.
3. Valon varastoituminen : valokvantteja tai fotoneja ottavat vastaan mm. pigmenttisolut ja ferredoksiinit. Nämä muuttavat energian sähköiseen, kemialliseen tai mekaaniseen muotoon tarpeen mukaan. Solun mitokondrion solukalvon ulkopuolella lisääntyy valoenergian kanssa sitoutunut vety H-, joka sitoutuu mitokondrion solukalvoon. Energia kalvolla kulkee eteenpäin, kohtaa pyrofosfaatin (P2O7) ja ADP:n. Kun energian määrä nousee, ADP muuttuu ATP:ksi, sitoo fosforia ja vapauttaa vettä riippuen solussa olevan hapen määrästä.

•  Kemiallinen varastoituminen : Solut yhdistelevät aineita eri tavalla yhteen.

•  Magneettinen energia tai vetovoimaenergia : Kaikki sähkökemialliset tapahtumat aiheuttavat muutoksia solujen sähköisiin kenttiin ja sähkömagneettisiin kenttiin. Näiden kautta energia indusoituu lähellä oleviin soluihin muuttamalla niiden sähkömagneettisia kenttiä ja sen jälkeen sähköisiä toimintoja.

•  Jännitysenergia : lihassoluissa, ligamenteissa ja solukalvoilla on myös tietty fyysinen jännitetila, joka sitoo energiaa.

Sähkömagnetismin vaikutus kudoksiin

Kehon ulkopuoliset ja siihen johdetut sähkömagneettiset muutokset vaikuttavat solujen aineenvaihduntaan kiihdyttämällä ionien (Na+, K+, Cl-, Ca+, Mg+) ja dipolien (vesi, proteiinit, rasvat) liikkumista soluissa ja solukalvoissa. Lisäksi atomien elektronipilvien liiketila (eli energiatila) muuttuu, jolloin atomit 'virittäytyvät' ja voivat helpommin reagoida keskenään. Sähkömagnetismia ja sen biologisia vaikutuksia on tutkittu erityisesti kudosvaurioiden paranemisen yhteydessä. Tällöin on todettu:

1. Kudoksen happamuuden normalisoituvan
2. Kudosnesteen kalsium-ionipitoisuuden nousevan
3. Glykogeenipitoisuuden vähenevän (aineenvaihdunta kiihtyy)
4. Solukalvon rakenteen ja toiminnan muuttuvan jonka seurauksena solukalvo herkistyy ärsykkeille
5. Kudoksen leukosyyttien ja lymfosyyttien määrien nousevan (immuunivaste nousee)
6. Histamiinin vapautumisen syöttösoluista muuttuvan