Dr. Hilario Robledo INTRODUCCIÓN

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1 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 1 Dr. Hilario Robledo INTRODUCCIÓN Desde el descubrimiento del láser, se han desarrollado literalmente miles de tipos de láseres. Como Arthur Shawlow (patente LASER Nº en 1960, descripción detallada del MASER en 1958) supuestamente dijo, dio con suficiente fuerza y todo se laseará. Sin embargo, en líneas generales, sólo unos pocos de estos láseres han encontrado aplicaciones prácticas. El primer láser histórico, inventado en 1960 por Theodore Maiman, era un láser de rubí de estado sólido. Desde entonces, se han hecho grandes esfuerzos para comprender las propiedades de los láseres de rubí y construir los primeros sistemas de láser de rubí comerciales para diversas aplicaciones, también en el campo de la medicina. Este sistema de láser de rubí tenía bajas tasas de repetición de pulso de 1-2 Hz, así como eficiencias muy bajas, muy por debajo del 1%, lo que dio lugar a sistemas voluminosos. Los picos de intensidad espacial impidieron el acoplamiento de la luz láser a las fibras ópticas flexibles por la destrucción del material de la fibra. Todas estas propiedades negativas restringieron la difusión comercial de los láseres de rubí. En los últimos años, las nuevas tecnologías han abierto el camino para el desarrollo de sistemas de láser de rubí modernos que han superado la mayoría de estos inconvenientes. Los sistemas modernos de láseres de rubí bombeados mediante lámparas de destellos para las aplicaciones médicas son láseres de estado sólido compactos y fiables que operan en un modo pulsado, con un equipo de suministro de luz de fibra de sílice flexible. Figura 1. Espectro de la luz visible (reproducido con permiso de Lumenis company, Yokneam, Israel). Aunque en realidad nadie podría negar que el ojo humano puede percibir hasta el espectro algo más allá de los 800 nm, a pesar de que el rango de la luz visible siempre se ha definido de los (760) nm.

2 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 2 La configuración técnica relativamente sencilla y la fiabilidad de los láseres de estado sólido en relación con la posibilidad del suministro de la luz láser con las fibras ópticas flexibles ha dado lugar a un rápido desarrollo de los sistemas de láser de erbio comerciales modernos para aplicaciones médicas en los últimos años, excepto cuando se requieren altas densidades de energía en las que sigue siendo necesario la utilización de un brazo articulado, al igual que los láseres de dióxido de carbono, además de mantener la coherencia espacial, el transporte del rayo láser, de tal forma que el perfil potencia/densidad (modo electromagnético transversos o TEM, del haz que emerge del extremo distal no es el mismo que el haz de luz entrante y la fibra óptica también altera el tiempo/forma de los pulsos cortos de la luz láser transmitida a través de la fibra óptica. Ofrecen una amplia gama de aplicaciones en dermatología, cirugía estética, odontología y ortopedia. Una variedad de sistemas de transmisión de haz y aplicadores están disponibles. Mediante el uso de técnicas de tratamiento simples es posible la ablación rápida y precisa de tejidos con un daño térmico y zonas de coagulación mínimos controlados. Los láseres que emiten longitudes de onda en el espectro infrarrojo lejano y de alta potencia, pulsados con millones de vatios, aún deben ser transmitidos por medio de espejos (7) contenidos en brazos articulados. Proceso Láser (LÁSER DE ERBIO:YAG) Los iones de erbio (Er 3+ ) en el estado sólido del granate de itrio y aluminio (YAG, Y 3 Al 5 O 12 ) o en el cristal de granate galio escandio e itrio dopado de Er Cr Er Cr (YSGG). Para la emisión láser, desde el punto de vista médico es interesante la región de los 3 µm, una concentración de erbio del 30-50% es adecuada (4-7 x cm -3 ). En la mayoría de las aplicaciones, el láser de erbio se bombea ópticamente con lámparas de xenón o de criptón de alta potencia. Para un acoplamiento más eficiente de luz de la lámpara y los iones de láser activo, a veces se lleva a cabo un co-dopaje con iones de cromo (Cr 3+ ) y iones de tulio (Tm 3+ ). El proceso láser en un láser de erbio codopado con iones Cr 3+ se representa esquemáticamente en la Figura 2. La luz bombeada se absorbe bien por las amplias bandas de absorción A2 T2 de los iones de Cr 3+ a longitudes de onda de 450 y 640 nm o directamente por los niveles de energía de los iones Er 3+ como en la Figura 3. De todos estos niveles de excitación se producen rebota procesos entre estos rápidos espejos, de relajación intensidad sin aumenta. radiación Puesto al nivel que la superior luz láser se 4 I 11/2 desplaza de los en iones la misma de Er 3+. Para Figura 3. La cavidad más simple tiene dos espejos, uno que refleja totalmente y uno que refleja entre 50 y 99%. Como la luz dirección que la mayoría un haz intenso, de las el aplicaciones láser produce una médicas luz muy se brillante. estimula Los la rayos transición láser también láser se para pueden el nivel proyectar láser inferior a grandes distancias, y se pueden centrar en un punto muy pequeño. 4 I 11/2 de los iones de Er 3+, lo que resulta en longitudes de onda de alrededor de los 3µm. Las longitudes de onda de láser exactas dependen de la composición detallada del material de cristal de láser de los distintos láseres de erbio: Material Láser Longitud de onda Figura 32. Niveles de energía de los láseres de erbio. - Er:YAG 2.94µm - Er:YSGG 2.78µm - Cr:Er:YSGG 2.80µm - Ct:Tm:Er:YAG 2.64µm Figura 2. La densidad de energía del láser se consigue mediante la concentración de las ondas de luz no electrones. La salida del láser no es eléctrica, no requiere continuidad eléctrica, no está influida por Láser el magnetismo, una Ciencia no una se Especialidad, limita a los Copyright, materiales conductores Todos los derechos la reservados electricidad y de hecho puede interactuar con cualquier material, ya sea de metal, plástico, madera, cerámica, etc Finalmente su función no requiere un vacío ni son los rayos X producidos.

3 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 3 Láser de Neodimio:YAG El láser de Nd: YAG es en la actualidad el láser más importante de estado sólido. Abarca una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, en la elaboración de metal, en la medicina y en la ingeniería. Las ventajas esenciales del láser de Nd:YAG son su construcción simple y compacta y su alta potencia de salida media. A diferencia de la de láser de ion argón, la excitación del láser de Nd:YAG es más eficiente, aproximadamente el 2-15%, dependiendo del proceso de excitación. En la Figura 1 se presenta un estudio de los mecanismos de pérdida de Nd:YAG que incorporan tubos de descarga de gas. El ion de neodimio (Nd + ), implantado en varios cristales de acogida, es la fuente de la radiación láser. Entre los muchos cristales que han sido investigados, destaca un material: el granate de itrio y aluminio, Y 3 Al 5 O 12, un cristal con una estructura de granate. Tiene una conductividad térmica relativamente alta, mayor que otros cristales huésped Nd 3+, una alta estabilidad mecánica, buenas cualidades ópticas y se pueden fabricar con diferentes tamaños de cristal convenientes. Actualmente los cristales se fabrican con una longitud de 150 mm. Para los láseres con barras de cristal típicas suelen tener un diámetro de 3-7 mm con una longitud de mm. Las concentraciones de dopantes superiores son inusuales debido a los diferentes volúmenes de los iones de Nd 3+ y de Y 3+. Aunque hay otros cristales huésped con propiedades superiores a las del YAG, no hay uno solo que presente una combinación tal de tantas características ventajosas como el láser YAG. El láser de Nd:YAG es un láser de cuatro niveles. La Figura 5 indica los niveles energéticos y la transición láser. Figura 4. Diagrama esquemático mostrando las pérdidas de un láser de Nd:YAG. Inicialmente, los iones Nd 3+ están en el estado basal 1. Mediante la absorción de las lámparas de bombeo ascienden a las bandas 2 de excitación. Por la transición rápida y sin radiación, queda ocupado el nivel láser 3 metaestable (de larga duración). Por lo tanto, se desarrolla una ocupación inversa entre las transiciones 3 y 4 que permiten que tenga lugar una emisión láser en el infrarrojo cercano a nm. Algunos láseres disponibles comercialmente emplean transiciones diferentes, 3-4, emitiendo radiación con una longitud de onda de µm. En la Figura 5 se presenta la intensidad relativa en relación con la longitud de onda. Obviamente, las dos líneas espectrales a y a µm se fusionan debido a su proximidad. Una l ínea

4 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 4 Figura 5. Posición de los niveles de energía y la transición láser. de emisión mucho más débil se sitúa a la longitud de onda de µm. Figura 5. Intensidades relativas de las longitudes de onda más importantes de los láseres de Nd:YAG.

5 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 3 La despoblación del nivel láser inferior 4 I 11/2 se produce directamente por la relajación sin radiación al nivel basal 4 I 15/2 o respaldado por la alta concentración de iones de erbio por una transición de energía de resonancia de la diferencia de energía entre 4 I 13/2 y 4 I 15/2 a un ion vecino Er 3+. Este llamado proceso de conversión ascendente conduce a una excitación de un segundo ion Er 3+ en el nivel láser superior que es responsable eficiencia relativamente alta de láseres de erbio. Debido a la vida larga útil del nivel de láser inferior 4 I 13/2, de alrededor de 2 ms, es necesaria una excitación alta en el sistema láser de cuatro niveles para lograr una población inversa. La carga térmica resultante, causada por el bombeo de la lámpara de los sistemas de láser de erbio, láser sólo permite el funcionamiento en el modo pulsado. Aspectos Técnicos Los materiales de los láseres de erbio son cristales de estado sólido. La excitación se realiza por bombeo óptico con lámparas de destellos de xenón de alta presión o lámparas de criptón. En la Figura 4 se representa una configuración típica de un láser de estado sólido. La luz de la lámpara de flash excitada eléctricamente se recoge mediante un receptor elíptico o cerrado que tiene un diámetor típico de 7-10 mm con una longitud de de 40 a 100 mm. La longitud típica resonador óptico es de unos 30 cm. Las posiciones exactas, radios de curvatura y las transmisiones de los espejos del láser, el llamado diseño del resonador, se determina por las condiciones de estabilidad del resonador bajo el objetivo de un haz de láser paralelo con pequeño diámetro. Esto significa que se entrega un nivel lo suficientemente alto de calidad del haz para la aplicación requerida, comprometiendo la lente térmica variable de la barra de láser debido a la carga térmica por absorción de luz de la lámpara. Figura 33. Absorción espectral del material láser de erbio. El tiempo de vida relativamente largo del nivel inferior de iones de Er 3+ de alrededor de 2 ms permite únicamente operaciones pulsadas del bombeo de las lámparas de flash de los láseres de erbio. Las duraciones de pulso típicas de los sistemas de funcionamiento libre están comprendidas entre los 100 µs y los 1.5 ms. La salida del láser se caracteriza por

6 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 4 Figura 34. Representación esquemática de la configuración de un láser de estado sólido. pulsos cortos (1µs) especialmente al comienzo del pulso (Figura 3). Estas oscilaciones de relajación en la parte ascendente de un pulso de láser son una consecuencia de la generación de luz por el proceso de emisión estimulada en los láseres. Son especialmente notables para materiales con láser de alta ganancia y en la operación multimodo. Los picos de los pulsos láser de estado sólido son la razón de los efectos deseables al igual que el de los efectos indeseables de la radiación del láser de erbio. Por lo tanto, los picos limitan la energía del pulso máximo que puede ser producido en los resonadores ópticos y que se transmite a través de las fibras ópticas sin destrucción de los componentes del resonador o del material de la fibra óptica. Por otra parte, la ablación de material biológico con pulsos láser de erbio es apoyado por los picos cortos intensos, cuya densidad de energía alcanza el umbral de ablación. La energía de los pulsos de los láseres de erbio médicos bombeados mediante lámparas de flash varían entre los 10 y los 3000 mj. Las tasas de repetición pueden variarse de 1 a 50 Hz. La potencia media máxima está limitada a aproximadamente 30 vatios (en algunos sistemas hasta 50 vatios). La eficiencia alcanza el 1-2%. En la Figura 6 se muestra un ejemplo de un láser clínico ofrecido por Sciton, Palo Alto, CA, USA. La eficacia de los láseres de erbio con una potencia media baja puede aumentarse por diodo o bombeo láser del material láser. El bombeo mediante láser también reduce la carga térmica del cristal y es posible una operación en modo continuo (cw). El primer láser bombeado para los sistemas de láser de erbio para aplicaciones médicas ya está en investigación. Figura 35. Características en el tiempo de un pulso típico de un láser de erbio:yag. La luz del láser se administra al paciente ya sea mediante un brazo articulado o por

7 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 5 una fibra óptica de zafiro o de fluoruro de circonio a menudo con un aplicador rígido resistente al agua hecho con sílice. Hay una amplia variedad de aplicadores que varían el diámetro focal en piezas telescopadas o diferentes piezas de mano, fraccionales, y que se puede variar el grado de profundidad en el tejido combinado con el software incluido en la máquina por la casa fabricante (Figura 7), al igual que una variedad de escáneres a superficie total (algunos colimados dependiendo de la casa comercializadora), fraccionales con diferentes tamaños de cada uno de los diámetros focales y pudiendo variar la superficie a tratar, generalmente del 5 al 22%. Resumen Los láseres de erbio de estado sólido, especialmente el Er:YAG de 2,94 µm, emiten luz a longitudes de onda que tienen un coeficiente de absorción muy alto por el agua y por lo tanto una profundidad muy pequeña de penetración (Figura 8). Esto en relación con el conocimiento técnico adecuado, permite la construcción de sistemas láser para una realizar una ablación pequeña y precisa de los tejidos biológicos con un daño térmico residual mínimo y una pobre coagulación. Se ha establecido una amplia gama de aplicaciones en los campos de la dermatología, cirugía estética y odontología o están bajo investigación, como en la cirugía ortopédica. Figura 36. Láser comercial erbio:yag. Figura 37. Láser comercial erbio:yag. Los sistemas de láser de erbio modernos para aplicaciones médicas son unidades compactas y fiables con los accesorios adecuados para todas las situaciones posibles, se debería añadir, en las que se requiera una ablación precisa con muy poca capacidad de coagulación a pesar de la utilización de trenes de pulsos largos hasta los µs, con una eficiencia del 1-2%. Hoy día se consiguen potencias de salida de hasta vatios. El transporte de la energía desde el sistema láser se realiza a través de brazos articulados o de fibras ópticas flexibles de zafiro o de fluoruro de circonio. Continuamente se están ampliando las posibles aplicaciones médicas como en la cirugía artroscópica y endocavitaria.

8 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 5 Figura 38. Densidad de energía (fluencia) y ablación de un láser de erbio:yag utilizando una pieza de mano con diferentes diámetros focales. Figura 39. Coeficiente de absorción y profundidad de penetración en el agua a diferentes longitudes de onda de los láseres de Er:YAG.

9 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 6 Láser de Holmio:YAG Introducción Desde principios de la década de 1970, se han conocido los láseres de holmio con longitudes de onda de alrededor de las 2µ (2.000 nm) y potencias de salida de hasta 50 vatios. La desventaja de estos montajes experimentales era que estaban trabajando a temperaturas muy bajas, como por ejemplo a 77 K, la temperatura del nitrógeno líquido (basado en la escala de Celsius y en la evidencia práctica de que cero absoluto es -273,15 ºC, ºC = K ). En los últimos años, el desarrollo de los sistemas de láser de holmio compactos, móviles para las aplicaciones médicas ha sido posible mediante la selección de los materiales láser adecuados con una eficiencia elevada y las propiedades térmicas adecuadas. Pueden funcionar alrededor de la temperatura ambiente en modo pulsado si se bombean por lámparas de flash o en modo continuo si se bombean por diodos. La configuración técnica relativamente sencilla y la fiabilidad de los láseres de estado sólido en relación con la posibilidad de suministro de la luz láser a través de fibras ópticas de sílice estándar flexibles han aumentado la propagación del láser de holmio modernos en el campo de la medicina. La absorción fuerte y la baja dispersión de la luz láser de holmio a longitudes de onda alrededor de las 2 µm (espectro infrarrojo cercano) en el tejido biológico asegurar un buen efecto de corte por fotoablación incluso en tejido duro, con daño térmico mínimo al tejido circundante. Tienen una absorción moderada en el agua y también una dispersión significante en los tejidos blandos. A la longitud de onda del Ho:YAG (2.100 nm), la absorción en el agua está en torno a los 35/cm. En la del láser de Talio (Tm:YAG, nm), la absorción agua está en torno a los 65/cm. La dispersión a estas longitudes de onda está en el orden de los 5-8/cm. Por lo tanto, estos láseres no son unos excelentes cortadores ni coaguladores, pero combinan una ablación moderada con una hemostasia también moderada. Mediante la utilización de los parámetros y de los aplicadores adecuados, es posible obtener también una coagulación superficial. Un aspecto adicional positivo para la aplicación de los láseres en el infrarrojo cercano en el campo de la medicina es el mínimo riesgo de generar efectos mutagénicos, en contraste con las aplicaciones de los láseres e el espectro ultravioleta. En los últimos años, el desarrollo de una variedad de aplicadores ha abierto una amplia gama de usos, especialmente en los campos de la neurocirugía, gastroenterología, urología y ortopedia, por ejemplo, la artroscopia láser y la discectomía láser. Proceso Láser En el curso del desarrollo de un láser de holmio eficiente, con una longitud de onda en el infrarrojo cercano, se han probado una gran variedad de materiales láser desde principios de Materiales de acogida, tales como, por ejemplo, el fluoruro de itrio-aluminio (YFL), granate de itrio y el escandio galio (YSGG), galio granate de itrio (YGG), granate de itrio y el escandio aluminio (YSAG) y el granate de itrio aluminio (YAG), han sido dopados con los iones

10 Tipos de Láseres, Dr. Hilario Robledo 7 de láser activos de holmio (Ho 3+ ) e introducidos con varias concentraciones de, por ejemplo, iones de cromo (Cr 3+ ), talio (Tm 3+ ) y de erbio (Er 3+ ). El material más eficiente para las lámparas de flash de alta potencia de xenón o criptón que bombean el láser son el Cr, Tm, Ho:YAG, es decir los iones de láser activo de (Ho 3+ ) con una concentración de aproximadamente 0.5% UA (unidades atómicas) para albergar el material de granate de itrio aluminio (YAG) codopado con iones de talio (Tm 3+ ) con una concentración de aproximadamente del 6% UA y para el bombeo de la lámpara con iones de cromo (Cr 3+ ) con una concentración aproximada del 1% UA. Figura 40. Niveles de energía de los láseres de holmio. El proceso de láser para un sistema láser de holmio bombeado por lámpara se muesra esquemáticamente en la Figura 40. La luz de bmbeo se absorbe por las bandas de absorción amplias A 2 T 2 de los iones de Cr 3+ a longitudes de onda de 400 y 600 nm o directamente por los niveles de energía de los iones de Tm 3+. Ejemplo: la transición desde el nivel de baja energía 3 H 6 del Tm 3+ al nivel excitado 3 F 4 a una longitud de onda de aproximadamente de 780 nm. Esto se utiliza a menudo para los láseres de holmio bombeados por diodo (Figura 41). Figura 41. Absorción espectral del material láser de holmio. Figura 42. Fluorescencia espectral del material láser.