EXCĐMER LASER VE UYGULAMA ALANLARI

Transkript

1 1 EXCĐMER LASER VE UYGULAMA ALANLARI Bu görüntü 24 Nisan 2000 tarihinde SOHO isimli uydu tarafından çekilen Güneş in görüntüsüdür. HAZIRLAYANLAR: NERGĐN GÜNAY MERYEM ŞEKERCĐ NĐHAL GÖZLÜKLÜOĞLU ZEYNEP USMAN Kcaeli Üniversitesi Fen&Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Lazer Fiziği Dersi

2 2 EXCĐMER LASER NEDĐR? Bu yazıda, bir laser çeşidi lan excimer laser hakkında genel bilgiler ve elde edilme yöntemleri açıklanarak, excimer laser teknljisi tanıtılmaktadır. Ayrıca, sanayide ve tıpta excimer laser uygulamaları ile üstünlükleri ve dezavantajları üzerinde de durulmaktadır. Laserler içinde excimer lazerin yeri: Laser ışınları elde edildikleri maddelere göre beşe ayrılırlar: 1. Katı cisimden çıkan laserler (Katıhal laserleri) 2. Sıvı cisimden çıkan laserler 3. Gaz cisimden çıkan laserler 4. Yarı-iletkenden luşan laserler 5. Diğer laserler Đşte excimer lazer bu sınıflandırmada gaz laserler grubuna giren mlekül laserlerinden birisidir. Excimer Laserin Tarihçesi: Đlk excimer laser 1971 yılında Niklai G. Basv, V. A. Danilychev ve Yu M. Papv tarafından P.N. Lebedv Fizik Enstitüsü, Mskva da bulundu. Bu laserde Xe 2 atm çifti 172 nm dalga byunda uyarılmış salınım vermesi için bir elektrn demeti ile uyarıldı. Bir süre snra bir sygaz haljenür (rjinali XeBr) kullanılarak 1975 yılında Gerge Hart ve Stuart Searles tarafından Birleşik Devletler Yönetimi nin Naval Araştırma Labartuvarı nda patenti alındı. Aslen 1980 lerin başında IBM tarafından bilgisayar yngalarının (mikrçip) hassasiyetle şekillendirilmesi için geliştirilmiş bir ışın türüdür. Excimer Laser Dalgabyları: Excimer Ar 2 Kr 2 F 2 Xe 2 ArF KrF XeBr XeCl XeF CaF 2 KrCl Cl 2 Dalgabyu 126 nm 146 nm 157 nm 172 ve 175 nm 193 nm 248 nm 282 nm 308 nm 351 nm 193 nm 222 nm 259 nm Excimer laserin dalgabyu kullanılan mleküllere bağlıdır, tipik larak mr ötesi ( nm dalgabylu) bölge ile mrötesi bölge yakınlarında üretilir. Tabl 1. de kullanılan mleküllere karşılık gelen dalgabyları gösterilmiştir. Ekseriya dört excimer laser dalgabyu kullanımı vardır, bunlar 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl) ve 351 nm (XeF) dir. Tabl 1. Excimer laser dalgabyları

3 3 Excimer Laser Nedir? Excimer terimi excited dimer (uyarılmış gazlar-uyarılmış atm çifti) kelimelerinin baş ve sn hecelerinden türetilmiştir. Bu şu gerçekten ileri gelmektedir: Bir excimer mlekülünde laser etkisi meydana gelmesi için uyarılmışlık durumunda lması gerekir; çünkü sygazlar kriptn (Kr), ksenn (Xe) ve argn (Ar) kararlı yapıya sahiptirler, bileşik yapmazlar; ancak uyarılmış durumda lduğu zaman (bir elektriksel deşarj veya yüksek enerjili elektrn demetleri tarafından indüklendiğinde) geçici larak sınır mlekülleri kendileri ile (atm çifti) veya flr (F), klr (Cl), nen (Ne) veya helyum (He) gibi bir haljenür ile bileşik luşturabilirler. Uyarılmış durumda, sygaz atmları kendileri veya haljen atmları ile birleştirilerek yaşam süresi birkaç nansaniye mertebelerinde lan Xe 2, Ar 2 gibi atm çifti veya KrF, ArF gibi yarı-kararlı bir bileşik meydana getirilir. Birçk excimer laser haljenür tip bir sygazdır, bu nedenle excimer terimi knuşma dilinde yanlış anlaşılmaktadır; çünkü atm çifti (dimer) bir mlekülün iki aynı veya benzer parçaları ile ilgilidir; fakat excimer terimi XeCl gibi asimetrik mleküller içermektedir. Bu nedenle aslında daha az kullanılan exciplex laser veya az bulunur haljenür gaz laserleri terimleri daha dğru ifadelerdir. Uyarılmış bileşiğin dış kabuğunda bulunan elektrnlar düşük bir enerji seviyesinde uyarıldığında, mrötesi ışık yayılır ve yarı-kararlı bileşik rijinal elementlerin içerisinde birkaç femtsaniye içinde çözünür. Uyarılmış bileşik kendiliğinden yayılım veya uyarılmış salınımla fazla enerjisini terk eder. Enerji Diyagramı: Excimer lazerde kullanılan bileşikleri ilginç kılan şudur: ArF, KrF ve XeCl gibi bileşikler dğada var lan bileşikler değildir. Bu durumda bu mleküllerin sadece bu frmülleri luşturan atmlar uyarıldığında bir bileşik luşturabildiğine değinmiştik, ek larak bu mleküller sadece atmlar uyarılmaya devam edildiği süre byunca var lmaktadır. Bu bize bu layın çk uzun bir süre byunca lamayacağını söyler. Mlekül taban haline düştüğünde, birbirini çeken iki atm birbirlerini itmeye başlar ve mlekül kırılır. Resim 1. de excimer laserin enerji seviyelerinin diyagramı gösterilmektedir. Resim 1. Excimer laser enerji diyagramı (Lasalle Üniversitesi)

4 4 Bu durumda mlekül sadece taban durumunu kruyarak laser faydası sağlar, bunun anlamı her uyarılmış mlekül tersinim yğunluğuna katkıda bulunurdur. Ayrıca laser ışığında taban durumundaki mleküllerce hiç sğurma lmaz. Excimer Lazerin Tasarımı: Ayna Elektrn Deşarjı Yansına kayıplarını azaltmak için açılı yüzey Laser Işını Dış Kap Kurşunlanmış Gaz Tüpü Kısmi Yansıtıcı Ayna Resim 2. Gaz laserlerin işleyiş yapısına ait genel bir şekil Yüksek vltaj güç sağlayıcı 351 nm ışın demeti bu çıkıştan dışarı gelir Laser gaz girişi hatları Yüksek vltaj kndansatörleri Ana laser dası 3 atmsfer ve yüksek vltaj elektrtlarında gaz karışımı içermektedir. Hava sğutma girişi Resim 3. Excimer laser tasarımı (Lasalle Üniversitesi)

5 5 Excimer laser tüpü içinde yüksek basınç altındaki bir helyum gibi bir sygaz ile bir sygazdan luşan bir haljen karışımı bulunur. Excimer laserde kimyasal (gaz karışımlarından luşan) bir kazanç rtamı söz knusudur. Ya bir çapraz deşarj ya da bir elektrn ışın demeti ile gaz karışımı uyarılabilir. Elektrn ışın demeti bir excimer laseri pmpalamak için en iyi yldur; fakat çk büyük, pahalı ve birçk uygulamaya uygulanamaz lması gibi prblemleri de beraberinde getirmektedir. Bu nedenden dlayı genellikle elektrn ışın demeti excimer laserleri sadece araştırma ve geliştirme labratuarlarında bulunur, çapraz deşarj excimerleri da ticari alanlarda kullanılır. Laser bşluğu deliksiz ve yeniden dldurulabilecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu gereklidir çünkü laser gazı kullanıldığı sürece ayrışır, bu nedenden dlayı laser bşluğu, ptikler ve elektrtlar laser gazı içinde bulunan haljen gaza dirençli ve kimyasal aşınmaya göre tasarlanmış lmalıdır. Đlk excimer laserlerde ldukça sınırlı yaşam ömürlü demetler lması, kullanılan gazların aşındırıcı dğası ve kimyasal yan ürünler ile gazın bulaşması, elektrik deşarjı ile luşan tz, güç sağlayıcıdaki tiratrnların üzerine çk yüklenilmesi gibi prblemler rtaya çıkmıştır. Excimer Laserin Genel Özellikleri: Excimer laserler atımlı gaz laserleridir ve tek bir ptik atım içinde mili jul miktarda enerji içerirler. Excimer laserlerde tipik enerji verimi birkaç mj den 1000 mj e kadar uzanmaktadır. Excimer laserlerden yararlı güç elde etmek için laserin saniyedeki atım sayısına bakılır, bu tekrarlama ranı larak bilinir ve Hertz (Hz) ile ifade edilir. Excimer laserler genellikle 100 Hz civarındaki atım ranlarında ve yaklaşık larak 10 ns atım süresinde çalışmaktadır. Bazı çalışmalarda 8 khz ve 30 ns kadar yüksek de labilmektedir. Bir excimer laserde rtalama güç basit larak enerji ile tekrarlama ranı çarpımını 1000 ile bölünmesi ile bulunur. Ortalama Güç (W) = Enerji (mj) x Tekrarlama Oranı (Hz) / 1000 Örneğin 20 mj lük bir excimer laser 500 Hz de çalışırken rtalama 10 W güç üretir. Tipik larak rtalama verim güçleri birkaç watt ile yüzlerce watt arasındadır, bu excimer laserleri mrötesi bölgede, özellikle 300 nm dalga bylarında, en güçlü laser yapar. Güç verimi %0.2 ile %2 arasında değişmektedir. Atım Uzunluğu ve Pik Gücü: Excimer laserin atım uzunluğu tipik larak birkaç nansaniye (ns), en yüksek yarı maksimum uzunluğu da 100 ns nin hemen üzerindeki uzunluklardadır. Bu ldukça kısa bir atım uzunluğudur ve excimer laserlerden yüksek bir pik gücü elde etmek için idare etmektedir. Örneğin enerji verimi 50 mj lan 15 ns atımlı bir laser rtalama 333 kw pik gücüne sahiptir. Birçk ticari excimer laseri atım

6 6 mesafe tayini 3 ile 35 nansaniye sürelerinde üretilmiştir. Araştırma laserleri 0.35 nansaniye gibi çk kısa ve 100 nansaniye kadar uzun atımlarda üretilmiştir. Pik güç yğunluğu da birçk uygulama için knu ile ilgili bir parametredir. Pik gücü yğunluğu laser demetinin enine kesiti ile pik gücünün bölümünden bulunabilir. Pik güç yğunluğu laser demetinin büyüklüğüne bağlıdır örneğin; enine kesiti 0,8 cm x 0,3 cm lan demetin hesaplanan pik gücü 333 kw ise 1,4 MW/cm 2 pik gücü yğunluğuna sahiptir. Aynı ışın 200 mikrna daklandığında 400 mikrn nkta tarafından 41 GW/cm 2 lik bir pik güç yğunluğuna sahip lur. Gaz Yaşam Ömrü: Laser gazı için iki çeşit yaşam ömrü tanımlanır. Đlki durgun gaz ömrüdür ki bu laserin zaman periydu larak da bilinen, özgül enerji seyrek kullanıldığında (gün başına 30 dakika kadar) %50 ye düşene kadar geçen zamandır. Bu değer laser mdeline ve aktif laser gazına bağlıdır. KrF için EX50 laserinde bu değer 12 haftadır. Đkincisi dinamik gaz yaşam ömrüdür ki bu laserden sabit enerjide maksimum tekrar ranı %50 ye ranlandığında elde edilen atımların sayısıdır. KrF için EX50 laserinde bu değer 30 milyn atımdır. Excimer Laserlerin Kullanım Alanları 1- Oftalmljide (Göz Biliminde) Excimer Laser: Trkel 1983 yılında excimer laserin krnea yüzey uygulamaları için en uygun dalga byu lduğu bilinen 193 nm dalgabyunda ArF gazı kullanılabileceğini yayınlamış, ilk gören insan gözündeki çalışma ise 1989 yılında yapılmıştır. Takip eden yıllar içinde excimer laser kırma kusurlarının düzeltilmesinde kullanılan en yaygın refraktif cerrahi yöntemi lmuş, kırma kusurlarının düzeltilmesinde kullanılan diğer cerrahi yöntemlerin yerini almış, günümüzde tüm dünyada bu amaçla en sık kullanılır lan cihaz lmuştur. Refraktif cerrahi genel larak miypi, hipermetrpi ve astigmatizmanın cerrahi larak düzeltilmesidir. Excimer laser uygulamasında ana prensip krnea dediğimiz gözün ön kısmındaki saydam yüzeyin şeklini ve buna bağlı larak kırıcılığını yani numarasını değiştirerek görüntünün retinaya düşmesi için gerekli düzelmeyi krnea üzerinde yapmaktır. Bilindiği gibi merceklerin numaralarını şekilleri belirler. Gelişmiş bilgisayar sistemlerinin yardımıyla mleküller arasındaki karbn bağlarını kırarak çk hassas ve pürüzsüz bir biçimde krneaya yeniden şekil verilmek üzere kullanılan excimer laser 20 yıldır göz cerrahisinde başarıyla kullanılmaktadır. Excimer laser ileti prbu lmaksızın dğrudan dku ablasynu (yerinden ayırma) tekniği ile çalışır. (Resim 4) Krnea uygulamalarında laserin termal etkisi

7 7 yktur. Çarpma-vurma, yk etme ve buharlaştırma-evaprasyn yöntemi ile etkisini gösterir. Bir laser şutu ile 0.25 mikrn (mikrn:milimetrenin binde biri) örnek vermek gerekirse insan saç telinin kalınlığının 400 de biri kalınlığında dku rtadan kaldırılır ve çevre (hedef lmayan) sağlıklı dkuya zarar vermez. Laser ile parçalanıp havaya dağılan dku, luşturulan mikratmsfer alanından cihaz tarafından emilir. Laser rtam ısısından, tz ve anestezi gazlarından etkilendiği için klimatize-filtreli hava sistemleri bulunan özel dada, lkal-tpikal (damla anestezi) altında kullanılmaktadır. Steril rtamda yapılması gereken cerrahi bir işlemdir. Excimer laserin ftalmljide kullanım alanları: 1. Refraktif cerrahi ile kırma kusurlarının düzeltilmesi [Lasik, Lasek, ftrefraktif keratektmi (PRK)] 2. Krnea yüzey hasar ve düzensizliklerinin düzeltildiği terapötik uygulamalar; ftterapötik keratektmi (PTK) Refraktif amaçlı uygulamada en sık kullanılan ve en başarılı excimer laser yöntemi lasik lup, mikrkeratm (mikr:küçük, kera:krnea, tm:kesmek) adı verilen krneadan ince bir flap (tabaka) kaldırmak için kullanılan alet yardımıyla krneadan yaklaşık mm çapında, Resim 4.Excimer laser cihazı (Hacettepe Tıp Fakültesi) Resim 5.Lasik; mikrkeratm ile flap altına excimer laser mikrn kalınlığında flap kaldırılarak krneaya laser yapılması ve flebin geri yerine yerleştirmesi esasına göre çalışır. (Resim 5) Hasta perasyn esnasında acı duymaz. PRK; ilk uygulanan excimer yöntemidir. Krneadan flap kaldırmaksızın dğrudan laser yapılması esasına göre çalışır. Lasik yöntemine göre daha ağrılı lması ve D nin üzerindeki miypilerde krneal bulanıklara (haze) yl açması nedeniyle yaygın kullanımı yıllar içinde azalmıştır. Lasek; lasik yönteminde karşılaşılan lası flap kmplikasynlarından kaçınmak için, uygulamada flap kaldırılmaz, epitel saniye süre ile %18 alkl kullanılarak kaldırılır ve laser yapıldıktan snra epitelyum geri örtülür ve kntakt lens takılır. Ancak ağrılı lması ve PRK benzeri bir işlem lması nedeniyle kısmen yaygınlık kazanmıştır. PTK; excimer laserin başarılı uygulamalarından birisidir. Krnea epiteli ve krneanın yüzeyel strmasını ilgilendiren distrfi ve krnea apasitelerin krnea yüzeyinden uzaklaştırılmasını sağlamak amacıyla kullanılır.

8 8 Kırma Kusurlarının Düzeltilmesinde Excimer Laser Etki Mekanizmaları: Krnea ışığın ve görüntünün görme merkezi-makula üzerine düşürülmesinde büyük rl ynar. Krneanın kırıcılığını belirleyen en önemli unsur krnea kurvatürü (eğimi) ve dikey-yatay eksen arasındaki ilişkidir. Miypik gözlerde krneanın kırıcılığı ve öne bmbeliği daha fazla, buna karşılık hipermetrp gözlerde kırıcılık ve eğim daha azdır ve krnea daha düzdür. Astigmatizma da ise krneanın dikey ve yatay eksenleri arasında eğim ve kırıcılık farkı vardır. Excimer laser ile miyp gözlerde krneanın öne lan eğimi merkeze laser uygulayarak düzleştirilirken, hipermetrp gözlerde düz lan krneanın çevre kısımlarına laser yapılarak merkezi krneanın eğiminin, bmbeliğinin ve kırıcılığının artması sağlanır. Astigmatizmada krneada eğimin dik lduğu bölgeye laser yapılarak dikey ve yatay eksen eşit eğime getirilmeye çalışılır. Laser yapılacak hastada Lasik, Lasek veya PRK yapılacak lması yukarıda bahsedilen laser prfilini etkilemez. Diş Hekimliğinde Excimer Laser: Yapılan bir çalışmada 0.7 akıcılıkta ve 1 j/cm 2 kullanılan 308 nm excimer laserin dentin yüzeyini değiştirdiği ve açık dential tübülleri kapadığı görülmüştür. Bu tür dentin yüzeyi mdifikasynu gelecekte bir tedavi yöntemi larak kabul edilebilir; çünkü dentini eritme ve yeniden katılaştırma suretiyle dentin tübüllerini tıkama şekli kalıcı ve kısa ömürlü değildir. Ayrıca bu laser kısa aralıklarla uygulandığı zaman ısı birikimi luşmaz ve dkular etrafındaki termal hasardan krunabilir. Endüstri Uygulamalarında Excimer Laser: Excimer laserin ultraviyle spektral bölgenin kısa dalga bylarında lması şu uygulamaların tatbikine lanak sağlar: Yarı iletken cip üretiminde, ftlitgrafik (Taş veya maden üzerindeki örneklerin ışığa duyarlı tabakalar üzerinde ftğraf veya kpya yluyla çıkarılmasında kullanılan baskı tekniği) yöntemler ile çk iyi örnekler üretilmesi. Malzeme işleme şeklinin laser ile kesip çıkarılması uygulamasında malzemenin birkaç mikrmetre mertebesinde çk kısa sğurma uzunlukları ile işlenmesi yani cm 2 başına birkaç jullük rta kuvvette bir atım akıcılığı malzemenin kesip çıkarılması için yeterli lmaktadır. Laser işaretleme, plastiklerin ve camların mikr yapılandırılmasında. Bunların dışında excimer laserlerin yarı iletken bütünlenmiş devrelerin aynen kpya edilmesi, metal, seramik ve plastiklerin yüzey işlemleri, ftkimya, atmsferik denetlemeler, yarı iletken alet tavlama, plimer dağlama ve yarı iletken örtü imalatı gibi birçk uygulamada da kullanılma imkanı vardır.

9 9 Ayrıca excimer lazerlerin 50 µm kalınlığındaki payreks (Isısal yayılma katsayısı düşük (ateşe dayanıklı) br-silikat camdır. Genelde düşük hmjenliğe ve yüksek kabarcık dygunluğuna sahip lduğundan, ayna gibi geçirgen lmayan ptikler için kullanılır.) camda 30 µm ile 100 µm çapında delikler üretmeye uygun lduğu deneylerle bulunmuştur. Uygun parametreler altında malzemede hiç çatlak gözlenmediği, ancak küçük ayrılmaların meydana geldiği gözlenmiştir. En iyi kalitedeki delikler (ayrılma lmaksızın) malzemenin her iki tarafından delinmesi ile elde edilmiştir. Genel larak bu mett kniksel bir deliğin içinin minimum çapını büyütme imkanı da sağlar. Bilimsel Araştırmalarda Excimer Laser: Excimer lazerlerin bilimsel araştırmaların çeşitli alanlarında kullanıldığı görülür: Bya laserlerinin pmpalanmasında, lineer lmayan spektrskpilerde, mrötesi spektrskpilerinde, ftkimya ve ftuyarım, iztp ayrılması ve zenginleştirmesi gibi Excimer Laserin Üstünlükleri: Sğuk bir ışık lması dlayısıyla çevre dkulara zarar vermemesi excimer laseri biyljik dku kesimi için çk uygun kılar. Çk dar bir bölgede excimer laser ile kaynak yapılabilir. Hassas elektrnik parçaların kaynağında kullanılır. Bu tip parçalar direnç kaynağına dayanamamaktadır. Vakum rtamında laser ile kaynak yapılabilir. Kaynak işleminde başka ek malzeme ve cihaza gereksinim lmadan kaynak yapılır. Isıl işlem uygulanması parçaların belli bölgeleriyle sınırlı kalabilir. Excimer Lazerin Dezavantajları: Excimer laserlerde zehirli gazların kullanımı deri kanseri riskini beraberinde getirir. Mrötesi ışık ile luşan aydınlık göz hasarlarına sebep labilir. Yüksek vltajlarda kullanıyr lması da başka bir emniyet prblemidir. Oldukça geniş ve yer kaplayan aletler lması excimer laserlerin tıbbi uygulamalarda bir dezavantajı lmasına rağmen devam eden bir gelişme hızıyla kullanımları giderek yaygınlaştırmaktadır. Günümüzde laser tedavisi için kullanılan pek çk laser vardır; fakat bunların bir kısmı artık eski teknljidir. Eski teknlji laserler geniş ışınlar kullanırlar. Bu nedenle ışının uygulandığı ve uygulanmadığı alanlar arasındaki keskin geçiş bölgesi pek çk istenmeyen snuç dğurabilir. Geceleri ışıklar etrafında haleler ve parlamalar görme bu etkilerden bazılarıdır. Yeni teknlji laserlerde bu geçiş bölgesi çk yumuşatılmıştır.

10 10 Yararlanılan Kaynaklar: 1. Meghan Livingstne, Lasalle Üniversitesi, Excimer Lasers 2. Prf. Dr. Mehmet Orhan, Hacettepe Üniversitesi Tıp Fakültesi Göz Hastalıkları Anabilimi, Ankara, Excimer laser; ftalmljinin hizmetinde 20 yıl 3. Rıza Gürbüz, Ankara Üniversitesi, Laser ve Uygulama Alanları 4. Cumhuriyet Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, Cilt:7 Sayı: Gamlaser şirketi web sayfası, Excimer Laser 6. Dr. Rüdiger Paschtta, , web sitesi 7. LATARUM (Lazer Teknljileri Araştırma ve Uygulama Merkezi) dökümanları