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Laserschutz
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Präzisionslaser Made in Germany
Letzte Änderung: 05.04.2010 ---
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Wichtige Hinweise zum Umgang mit Lasern in der LLLT (Low-Level-Lasertherapie):

An dieser Stelle werden in unregelmäßigen Abständen wichtige Hinweise zur Lasertechnik allgemein verständlich veröffentlicht. Weiterhin gibt es auch Tips zum alltäglichen sicheren Umgang mit LL-Lasern.

Lasertechnik:
Chipstruktur eines Diodenlasers
Strahldivergenz
Differentielle Effizienz
Temperaturverhalten
Laserwellenlänge
Polarität der Laserstrahlung

Berechnungen/Formeln:
Berechnung zur Strahlverschiebung durch eine planparallele Scheibe/Platte
Beispiele für die Berechnung von Leistungs-/Energiewerten bei Low-Level-Impulslasern
Beispiel für die Berechnung der Therapiedauer bei CW-Lasern
Prinzip der Modulation eines CW-Lasers durch die Therapiefrequenz

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Chipstruktur eines Diodenlasers:





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Strahldivergenz (Qh/Qv):
Die Laserstrahlung divergiert entsprechend der unteren Abbildung wie folgt: Die Lichtverteilung wird in der X-(Qh) und Y-Achse(Qv) in Beziehung zur Chipoberfläche am PN-Übergang des daraus emittierenden Laserstrahls gemessen (Abb.1). Der Strahldivergenzwinkel bezieht sich auf die Lichtverteilung innerhalb eines Toleranzbereiches von maximal 50% der Höchstintensität des Lasers (Peak) und wird definiert als Qh(Parallel) und Qv(Senkrecht) -> (Abb.2).



Abb.1: Chip -Topologie einer Laserdiode





Abb. 2: Strahldivergenz: Divergenzvollwinkel bei halbem Maximum

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Differentiale Effizienz (SE):
Dies ist die Beziehung zwischen der Zunahme der optischen Laserleistung (Oscillating range) und dem ansteigenden Betriebsstrom des Lasers. Der Betrag ist gegeben durch den Kennlinienwinkel zwischen Lichtleistung und Durchlaß-strom der Laserdiode (Abb.3).




Abb. 3

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Temperaturverhalten (If/P):
Die Charakteristik einer Laserdiode ist besonders bei kürzeren Wellenlängen im Bereich < 800nm stark abhängig von der Temperatur. Als Kompensation kommt meist eine APC-Steuerung (Automatic power control) zur Anwendung. Bei dieser Steuerung wird unabhängig von der Temperatur der Laserdiode die optische Ausgangsleistung durch entsprechende Nachsteuerung des Diodenstroms konstant gehalten (Regelkreis -> Monitordiode/Vorwärtsstrom). Zusätzlich sollte ein Sensor den Anstieg der Temperatur überwachen und und im Falle des Überschreitens der optimalen Arbeitstemperatur den Laser abschalten. Auch eine mögliche Temperaturabnahme unterhalb der optimalen Arbeitsbedingungen der Laserdiode (Außentemperatur etc.) sollte bei extremen Anforderungen überwacht werden (Abb.4).




Abb. 4

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Laserwellenlänge (Lp):
Laserdioden werden streng klassifiziert nach den folgenden Modi:

Singlemode:
Dies sind meist ausgesuchte Laserdioden für die bevorzugte Anwendung in der LWL-Technik. Vorteil ist hier vor allem die hohe Fokussierbarkeit (0.35 - 0.5mm*mrad). Die Laserdiode strahlt nur eine Wellenlänge ab.

Multimode:
Die Laserdiode strahlt Licht mit Wellenlängen unterschiedlicher Intensität im nahen Spektralbereich einer Farbe ab. Die höchste Intensität des Lasers beider Modi ist definiert durch die maximale Spektralintensität der Wellenlänge (Abb.5).



Abb.5

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Polarität der Laserstrahlung:
Die Charakteristik von roten Lasern kann bezüglich der Polarität der ausgesendeten Strahlung variieren.
Während konventionelle Infrarot-Laser sowie Laser mit Wellenlängen von 650 bis 675nm (rot) im TE-Modus arbeiten (Polaritätsrichtung ist parallel zur PN-Übergangsfläche), gibt es im Wellenlängenbereich von 635nm auch Laserdioden die im TM-Modus arbeiten. In diesem Fall ist zu beachten, dass optische Elemente, Lichtwellenleiter und eventuell auch Spiegel, die mit diesem Laser zur Anwendung kommen, entsprechend angepaßt werden müssen.

TE-mode (Transversal elektrisch):
Das elektrische Feld steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen.
Das magnetische Feld zeigt in Richtung der Wellenausbreitung der Laserstrahlen.

TM-mode (Transversal magnetisch):
Das magnetische Feld steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen.
Das elektrische Feld zeigt in Richtung der Wellenausbreitung der Laserstrahlen.



Abb.6: Polarität der Laserstrahlung

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Strahlverschiebung durch eine planparallele Scheibe/Platte:



Ss =
Strahlversetzung senkrecht zur Strahlrichtung
Sp =
Strahlversetzung parallel zur Scheibe
d =
Dicke der Scheibe/Platte
alpha =
Einfallswinkel
n =
Brechzahl

Formel zur Berechnung der Strahlversetzung im Winkel zur optischen Achse:


Formel zur Berechnung der Strahlverschiebung parallel zur Scheibe/Platte:

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Beispiele für die Berechnung von Leistungs-/Energiewerten bei Impulslasern

Konstanten:
Strahlpunktgröße auf der
zu behandelnden Fläche:
0.01cm² (1mm²)
Maximale Therapiefrequenz: 10.000Hz
Spitzenleistung: 40W
Pulslänge: 200ns

Durchschnittsleistung
= Spitzenleistung x Pulslänge x Frequenz
= 40W x (200 x 10^-9 Sek.) x 10.000Hz
= 0.08W > 80mW
Leistungsdichte
= Durchschnittsleistung / Strahlpunktgröße
= 0.08W / 0.01cm²
= 8W / cm²
Energiedichte
= Leistungsdichte x Zeit
= 8W x 1 Sekunde
= 8 Joule / cm²
Gesamtenergie
= Durchschnittsleistung x Therapiezeit
= 0.08W x 60 Sekunden
= 4.8 Joule pro Minute

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Beispiel für die Berechnung der Therapiedauer bei CW-Lasern:

Betrieb ohne Modulationsfrequenz:
Betrieb mit Modulationsfrequenz:
T = Therapiezeit in Sekunden
E = Eingestellter Energiewert
P = Eingestellte Leistung


T = E / P
T = E / P x 2
Beispiel1:
Eingestellter Energiewert: 3 Joule
Eingestellte Leistung: 60mW
Eingestellte Frequenz: N1: Nogier 1 = 292Hz


T
= 3 / 0.06 x 2

= 100 Sekunden


Beispiel 2:

Eingestellter Energiewert:

3 Joule
Eingestellte Leistung: 150mW
Eingestellte Frequenz: Nogier 0 = CW-Betrieb -> keine Modulation


T
= 3 / 0.15

= 20 Sekunden


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Prinzip der Modulation eines CW-Lasers durch die Therapiefrequenz:
Die Modulationsfrequenz (Therapiefrequenz) schaltet den Laser zu jeweils 50% ein und aus. Entsprechend wird die Laserleistung auf einen Durchschnittswert von 50% reduziert. Die Leistungsdichte des Lasers ist davon nicht betroffen.











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