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CAPÍTULO UNO

John C. Fisher, Sc.D.Edward Zimmerman, M.D.

Michael Murphy Sc.D.

(traducido y adaptado por Hilario Robledo MD, PhD, ScDpara la ABLS)

Fundamentos de la Física Láser, Óptica y Características de

Funcionamiento para el ClínicoTRT un Concepto Anticuado

Edición 2016 para los profesionales médicos

© The American Board of Laser Surgery Inc., 2016. All Rights Reserved - Traducido por el Dr. Hilario Robledo

La Naturaleza de la Radiación

La palabra láser es un acrónimo compuesto de las primeras letras de las palabras Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de la Luz por la Emisión Estimulada de la Radiación). De estas, la más importante es la radiación. Las otras palabras describen el significado por el cual los láseres generan radiación. La radiación puede definirse como la transmisión de energía de un punto del espacio a otro, con o sin la interposición de un material. La radiación electromagnética no requiere ningún medio para su transmisión: puede viajar a través del espacio libre desprovisto de cualquier materia. También puede propagarse a través del espacio que contenga materia en forma de gases, líquidos o sólidos. Al entrar en estos medios desde el espacio libre, en general, la radiación electromagnética cambiará su dirección y velocidad de propagación.

La radiación también puede ser mecánica: la transmisión de vibraciones a través de un medio material. El sonido es un ejemplo de este tipo de radiación. A diferencia del tipo electro-magnético, la radiación mecánica requiere la presencia de un medio material para su transmi-sión. Sin embargo, el medio no tiene que moverse en su conjunto; sus partículas simplemente oscilan elásticamente sobre posiciones fijas, la transmisión de energía es de una a la siguiente.

Por último, la radiación puede ser una puede ser una corriente de partículas de material, como los electrones, protones, neutrones u otros fragmentos atómicos. Este tipo de radiación no necesita ningún medio material para su transmisión, pero puede pasar a través de varios medios, usualmente con alguna atenuación y/o cambio de dirección. La radiación de partículas requiere una transferencia de masa y la energía transmitida es la energía cinética de las partículas en movimiento.

Debido a que la radiación electromagnética es lo que producen los láseres, vamos a fi-jarnos sólo en este tipo. Hay dos teorías básicas que explican el fenómeno físico de la radiación electromagnética: la teoría ondular y la teoría fotónica. La más antigua de ellas es la teoría ondu-lar, descrita por primera vez por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831 - 1879) en el año 1864.1 Esta teoría puede explicar adecuadamente todos los fenómenos ópticos de luz que se han presentado desde los albores de la civilización, como la reflexión, refracción, difracción, interfe-rencia y polarización. También describe con precisión los fenómenos del siglo 20 de las ondas de radio y de radar. Sin embargo, no puede explicar adecuadamente la mayoría de los fenómenos físicos descubiertos desde el siglo XX tales como la distribución espectral de la energía radiante de una fuente de un cuerpo caliente. El físico alemán Max Planck (1858 - 1947) a inicios del siglo

Fundamentos de la Física Láser 1

© The American Board of Laser Surgery Inc., 2016. All Rights Reserved - Traducido por el Dr. Hilario Robledo 1


XX, se vio en la necesidad de modificar la teoría ondular con el fin de hacer la descripción teó-rica de la radiación del cuerpo-caliente de acuerdo con los hechos observados empíricamente. Su teoría cuántica también explica descubrimientos tales como el efecto fotoeléctrico, diodos emisores de luz, fluorescencia, fotoquímica y láseres.

La Teoría Ondular

Esta explicación de la radiación electromagnética describe como las ondas de los cam-pos eléctricos (E) y de los campos magnéticos (H) se mueven a gran velocidad a través del es-pacio vacío o de medios materiales en línea recta. La Figura 1-1 muestra un rayo simple de esta radiación. La dirección del rayo es el eje de propagación a lo largo del cual se mueven las ondas. Las ondas son sinusoidales en forma y el cruce del eje de la onda del campo eléctrico coinciden con los de la onda de campo magnético. La Figura 1-1 muestra un plano polarizado plano: los campos eléctrico y magnético cada uno sólo existe en un solo lugar. La onda E y la onda H son siempre perpendiculares entre si y a la dirección del rayo. Un rayo no polarizado, el tipo habi-tual, tendría ondas E que irradiarían hacia fuera desde la dirección del rayo en todos los planos posibles, como los radios de una rueda y para cada onda E habría una onda H correspondiente, angularmente desplazada de ella en 90º.

Figura 1-1. La luz se representa como ondas ortogonales de los campos eléctricos y magnéticos. Aquí se muestra un rayo de luz polarizada plana. La luz no polarizada tendría los vectores de intensidad de campo magnético y la intensidad de campo eléctrico que irradia desde el eje de propagación en todas las direcciones posibles, como los radios de una rueda. Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:4.



Un campo eléctrico puede definirse como una región del espacio dentro del que una carga eléctrica experimentará una fuerza paralela a la dirección del vector del campo en todos sus puntos. Un campo magnético puede definirse como una región del espacio dentro del que una carga eléctrica en movimiento experimentará una fuerza mutuamente perpendicular a la dirección del vector de campo y a la dirección del movimiento de la carga. Un campo eléctrico puede ser producido ya sea por la separación de cargas eléctricas de polaridad opuestas o por un campo magnético cambiante. Un campo magnético puede ser producido ya sea por una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento) o por un campo eléctrico cambiante. Los campos eléctricos y magnéticos pueden existir en ambos, en el espacio vacío o en los medios materiales.

La velocidad de desplazamiento de estas ondas a través del espacio vacío se designa por el símbolo c:

c = 2.998 x 10 metros/segundo (1-1)

Cuando un rayo de radiación electromagnética viaja a través de un medio material ho-mogéneo e isotrópico, su velocidad, v, se reduce

v = c / n (1-2)

donde n es el índice de refracción del medio, una constante numérica igual o mayor que uno. Debido a que n > 1 en cualquier medio que no sea el espacio vacío, un rayo de luz cruzando oblicuamente la interfaz entre el espacio vacío y un medio material (como una lente), siempre cambiará de dirección o será refractado. Lo mismo ocurrirá cuando un rayo cruza oblicuamente la interfaz entre dos medios de diferente índices de refracción. El ángulo de incidencia, θ, entre el rayo y una línea perpendicular a la interfaz siempre será mayor en el medio de índice inferior. La Figura 1-2 muestra un rayo cruzando esta interfaz.

Figura 1-2. Un rayo de luz cruzando una interfaz entre dos medios transparentes de diferentes índices de refrac-ción. El medio 1 tiene el índice más bajo: n1 < n2. Tenga en cuenta que la dirección del rayo está más cerca de lo normal en el medio de mayor índice (medio 2).



Los parámetros importantes de la teoría ondular de la radiación electromagnética son la longitud de onda, λ,; la frecuencia, f; y la velocidad de propagación, v. Estos se relacionan por una ecuación simple:

v = f λ (1-3)

Cuando un rayo de radiación electromagnética cruza la interfaz entre dos regiones que tienen índices de refracción diferentes, cambia su velocidad de propagación. Sin embargo, la fre-cuencia de la onda (el número de ciclos completos que pasan por un punto fijo en el espacio en una unidad de tiempo) es constante, por lo que la longitud de onda cambia proporcionalmente en la Ecuación 1-3.

La Teoría Fotónica de la Radiación Electromagnética

En 1905, Max Planck modificó la teoría ondular postulando que la energía transportada por una onda electromagnética no puede ser dividida infinitamente en incrementos cada vez más pequeños, sino que la energía se compone de pequeñas unidades indivisibles. Planck deno-minó a estas unidades un cuanto de energía.

En la terminología moderna, cuando se habla de energía radiante, lo llamaríamos un fotón. Un fotón puede considerarse como una partícula sin masa de energía radiante, que se mueve a través del espacio a la velocidad c en líneas rectas. A pesar de que no tiene masa, si tiene el equivalente de impulso, o [MASA] x [VELOCIDAD], y puede ejercer una fuerza sobre un material. Un fotón puede considerarse como el equivalente de un tren de ondas de longitud finita en el espacio, o una ondícula, como se muestra en la Figura 1-3. A intensidades radiantes muy bajas, como las recibidas por un telescopio astronómico destinado a una estrella distante, la luz en realidad llega en cuantos discretos que se pueden detectar de forma individual por un contador de fotones.

Un concepto importante de la teoría cuántica de Max Planck es que hay un valor deter-minado de energía asociada con cada fotón. Esta energía fotónica es proporcional a la frecuencia de la ondícula equivalente:

e = hf = hc/λ (1-4)

Figura 1-3. Se representa un rayo de luz como un flujo de fotones. Un fotón es un cuanto de energía radiante, equivalente a una ondícula: un tren de ondas de longitud finita en el espacio. Para una mayor claridad, solo se muestran unos cuantos ciclos de la onda E en cada ondícula. Las ondículas reales tendrían miles o millones de estos ciclos. Téngase en cuenta que cada ondícula tiene una amplitud envolvente amortiguada. Reimpresión de Fisher IC. Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:20.



En la Ecuación 1-4, ep es la energía fotónica, h es la constante de Planck (h = 6.626 x 10-34 julios x segundo) y f es la frecuencia de la ondícula. Esta ecuación fundamental de la teoría fotónica de la luz muestra que la energía fotónica aumenta directamente con la frecuencia, pero se incrementa inversamente con la longitud de onda. La radiación de onda larga en inherente-mente menos energética que la de onda corta y viceversa.

El Espectro Electromagnético

El rango de valores de la frecuencia, longitud de onda, y/o energía fotónica encontradas en el universo natural se conoce como el espectro electromagnético. En términos de cualquiera de estos parámetros, que se extiende por unas 20 órdenes de magnitud (factores de 10, o ciclos en una escala logarítmica). Al final de las longitudes de onda muy cortas del espectro, están los rayos cósmicos y al final de las longitudes de onda muy largas están las ondas de radio. Todo este espectro se representa gráficamente en la Figura 1-4, en el que se trazan las Ecuaciones 1-3 y 1-4 en un gráfico logarítmico doble. Observe la banda muy estrecha que es el espectro visible que podemos ver con nuestros ojos.

Figura 1-4. Gráfico logarítmico de las Ecuaciones 1-3 y 1-4 de 10-9 µm a 1 m. Tenga en cuenta que la escala de la energía fotónica en el eje vertical derecho se desplaza por un factor de 4.14 de forma que am-bas ecuaciones se trazan como la misma línea recta. Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physics and interacotion tof laeser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:18.



Fuentes de Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética de longitudes de onda más larga que un milímetro se genera de manera más eficiente por los dispositivos eléctricos de circuito como los klistrones, magne-trones y los osciladores de radio, mientras que las longitudes de onda más cortas que un mm se producen más eficientemente por los átomos y las moléculas. Debido a que los láseres generan radiación que varían en longitud de onda de los 100 nanómetros a 20.000 nm (un nm = 1 x 10-9 m), vamos a centrar nuestra atención en el resto de este capítulo sólo en ese rango. Además, para simplificar, lo designaremos por el nombre de la luz, aunque en sentido estricto, la luz es sólo el intervalo de 400-700 nm que los ojos pueden percibir a la luz del día.

Conceptos Físicos Básicos: Energía, Potencia y Materia

Energía y Potencia

La energía es la capacidad para hacer el trabajo, como el levantamiento de un cuerpo sólido en contra de la fuerza de la gravedad. En términos de dimensiones físicas, es expresable como:

[ENERGÍA] = [FUERZA] X [LONGITUD] o, (1-5a)

[ENERGÍA] = [FUERZA] X [VELOCIDAD]2 (1-5b)

El científico de origen alemán Albert Einstein (1879-1955) postuló que la materia y la energía son diferentes formas de la misma entidad física, y que una se puede convertir en otra de acuerdo con la relación cuantitativa,

e = mc2 (1-6)

donde e es la energía, m es la masa, y c es la velocidad de la luz en el espacio vacío. Esta relación se demostró con una claridad sorprendente cuando la primera bomba atómica explotó sobre Hiroshima en agosto de 1945.

La potencia es la tasa de tiempo de transferencia o de transformación de la energía:

[POTENCIA] = [ENERGÍA] / [TIEMPO] (1-7)

La unidad de energía m.k.s. (metro-kilogramo-segundo) es el julio. La unidad de poten-cia m.k.s. es el vatio:

1 vatio = 1 julio / 1 segundo (1-8)

Materia: Átomos y Moléculas

La materia es el material básico del que el universo está compuesto. Su propiedad más importante es la masa. Es tan básico en la ciencia que no podemos definirlo en términos de



cualquier concepto simple. La masa es una de las cuatro dimensiones fundamentales de la fí-sica: [LONGITUD], [MASA], [TIEMPO] y [CARGA ELÉCTRICA]. La materia se plasma en una desconcertante variedad de sustancias que se encuentran en el universo, desde simple gas de hidrógeno a compuestos orgánicos de increíble complejidad. Para nuestros propósitos, toda la materia está hecha de átomos y moléculas. A pesar de los continuos descubrimientos de las partículas subatómicas, los átomos son las unidades básicas de la estructura de la materia y existen en 117 variedades observadas (a partir del 2008) de los cuales 94 se producen natural-mente en la tierra, que se conocen como los elementos.

La estructura básica de los átomos, primero postulados por el físico danés Niels Bohr (1885-1962) en el año 1913, es de forma esquemática la misma para todos los elementos 2. El centro de un átomo es el núcleo, en el que están aglutinadas partículas relativamente grandes llamadas neutrones que no tienen carga y los protones comparativamente grandes que tienen cargas eléctricas positivas. En órbita alrededor de este núcleo, conteniendo la mayor parte de la masa del átomo, están unas pequeñas partículas con carga negativa llamadas electrones, que se mantienen en sus órbitas por fuerzas electroestáticas entre ellos y los protones nucleares. La teoría cuántica de la estructura atómica sólo permite ciertos tamaños orbitales, formas y distan-cias del núcleo. Las órbitas permitidas pueden ser círculos o elipses, que se producen en grupos llamados escudos. Para cada especie de átomo hay un cierto número máximo de electrones que pueden ocupar cada escudo, aunque no todos los átomos tienen el número permitido lleno de electrones. La diferencia esencial entre un elemento y otro está en el número de electrones que orbitan y de protones nucleares. En los átomos neutros, el número de protones es igual al número de electrones orbitando. Si el número de protones y de electrones no son iguales, se dice que el átomo está ionizado: tiene una carga eléctrica neta positiva o negativa. En la mayoría de los áto-mos de un elemento dado, el número de protones es aproximadamente el mismo que el número de neutrones. Sin embargo, algunos átomos individuales de un elemento determinado pueden diferir en el número de neutrones que tienen; tales átomos se denominan isótopos del elemento. Ellos difieren en masa, pero son idénticos en sus propiedades químicas.

La Figura 1-5 muestra esquemáticamente un átomo hipotético con electrones orbitan-do:



Figura 1-5. Diagrama esquemático de un átomo de hipotética con los electrones en órbita alrededor del núcleo en trayectorias elípticas. El átomo se muestra en su estado fundamental y nivel más bajo de energía. Un átomo excitado tendría uno de sus electrones de capa externa desplazados a una órbita más grande. Las tres trayectorias elípticas más grandes que se muestran sin electrones en ellos son órbitas permitidas por las reglas cuánticas, cada una correspondiente a un nivel de energía más alta que los de las órbitas más pequeñas que se muestra con electrones en ellas. Los niveles que se muestran en el diagrama de niveles de energía son las de un sistema de cuatro niveles.

Estados Atómicos

Para cada especie de átomo en su estado neutral, en condición no alterada, hay una con-figuración específica de los electrones en sus órbitas alrededor del núcleo. A esta configuración se la denomina el estado del átomo. Es un compuesto de los estados de todos los electrones. El estado de cada electrón es descrito por cuatro números cuánticos: (1) El número cuántico prin-cipal, la caracterización de la cáscara del electrón de Bohr, (2) el número cuántico orbital, que caracterizan el momento angular orbital del electrón (o.a.m.- orbital angular momentum), (3) la orientación del número cuántico, que describe la dirección del momento angular orbital (o.a.m.) vectorial en relación a un campo eléctrico externo, y (4) el número cuántico de espín (momento angular intrínseco), caracterizando el momento cinético del vector del espín electrónico como paralelo u opuesto al vector del momento angular orbital (o.a.m.). No hay dos electrones en el mismo átomo que puedan tener conjuntos idénticos de estos números cuánticos.

Niveles de Energía Atómica

Asociado a cada estado de un electrón hay un valor específico de energía para ese elec-trón. Los electrones que orbitan cerca del núcleo tienen energías que son inferiores a los de los electrones que orbitan lejos del núcleo. La suma de las energías de todos los electrones es la energía de todo el átomo. Al valor de esta energía del átomo se denomina su nivel. Los niveles se suelen expresar en electrón-voltios, centímetros recíprocos (ya que ep es inversamente pro-porcional a la longitud de onda), o julios. Estas unidades de energía se relacionan de la siguiente manera:

Un eV = 1.6022 x 10-19 J (1-9a)

Un cm-1 = 1.9865 x 10-23 J (1-9b)

Un eV = 8065 cm-1 (1-9c)

La teoría cuántica de la estructura atómica requiere que el nivel del átomo sólo puede cambiar por incrementos discretos de energía, que corresponde a los cambios permisibles de la energía de un electrón en el cambio de un conjunto de números cuánticos a otro (normalmente saltando de una órbita a otra). De ahí que los niveles permitidos de un átomo son un conjunto de valores discretos de energía, como una escalera, donde un paso entero hacia arriba o abajo se deben hacer a la vez, en lugar de un cambio continuo, como podría ocurrir en una rampa.

Excitación y Emisión Espontánea

Un átomo aislado, libre de influencias externas, normalmente estará en lo que se llama el estado fundamental, que corresponde al nivel más bajo posible de la energía. Puede elevarse a



un nivel más alto sólo en pasos discretos, mediante la absorción de energía en incrementos cuán-ticos de fuentes externas. Si eso ocurre, el átomo se encuentra entonces en un estado excitado. Los estados excitados no persisten indefinidamente: por lo general después de un breve lapso de tiempo el átomo regresará a un estado inferior, y en última instancia al estado fundamental, por la emisión de energía. Esto puede tomar la forma de un fotón (ondícula), se llama emisión espontánea. La emisión espontánea es la fuente de toda luz natural en el universo. Cuando esto ocurre, la frecuencia de la onda emitida (fotón) está dada por la relación:

donde Δe es la diferencia de energía entre el nivel excitado del átomo y el nivel inferior a la que se vuelve por la emisión espontánea. Es posible, también, para el átomo excitado al renunciar a este exceso de energía por colisión con otro átomo (en un gas o líquido) o mediante la inducción de vibraciones en un sólido.

Emisión Estimulada

En un artículo ahora famoso, Albert Einstein predijo en 1917 que debería ser posible producir lo que ahora llamamos la emisión estimulada, el fenómeno básico de todos los láse-res3. Su predicción fue 43 años antes de que el primer láser funcionante fuese construido por Theodore Maiman en I960. La emisión estimulada se produce cuando un átomo ya excitado es golpeado por una ondícula de luz (fotón) emitida espontáneamente por otro átomo de la misma especie relajándose hacia abajo desde un estado excitado idéntico. La ondícula entrante no se absorbe, sino que actúa como un desencadenante provocando que el átomo impactado emita una ondícula idéntica volviendo a su estado no excitado. La ondícula emitida y la ondícu-la desencadenante son de la misma longitud de onda y de la misma frecuencia, y se propagan a lo largo del ejes paralelos en sincronismo espacial y temporal exactos entre sí.

De esta forma, las emisiones estimuladas resultan en una amplificación de la luz a esta longitud de onda y frecuencia: la ondícula desencadenante produce otra ondícula idéntica. La Figura 1-6a representa esquemáticamente la excitación, la emisión espontánea y la emisión estimulada.

(Nota: Figuras 1-6a y 1-6b en la página siguiente)



Figura 1-6a. El átomo de la figura 1-5 se representa esquemáticamente en un estado exci-tado, después de haber absorbido una ondícula de luz cuya energía es igual al incremento (E3 - 0), correspondiente al salto de la órbita del estado fundamental a la órbita más externa que se muestra. Desde este primer nivel, el electrón desplazado cae a la órbita cuyo nivel es E2, el nivel superior metaestable. La energía (E3 - E2) generalmente se pierde en forma de calor.

Figura 1-6b. (Continuación). El átomo de la Figura 1-6a se muestra como emite espon-táneamente una ondícula de luz. Debe tenerse en cuenta que esta ondícula tiene una fre-cuencia más baja (mayor longitud de onda) que la de la Figura 1-6A, debido al cambio en la energía (E2 - E1), es menor que el cambio (E3 - 0).



Figura 1-6c. (Continuación). Se muestra el átomo de la Figura 1-6a siendo estimulado para emitir una ondícula desde un estado ya excitado, coherente idéntica a la ondícula estimu-lante (desencadenante) y paralela a ella. Después de caer a la órbita correspondiente al nivel E1, el electrón caerá de nuevo a su órbita basal (E = 0) mediante una transición no radiativa.

Estados y Niveles Energéticos de las Moléculas

Una molécula es una colección de átomos, de la misma o diferentes especies, unidas entre sí por fuerzas asociadas con electrones de las capas más exteriores. Cada molécula tiene un estado, que es el compuesto de los estados de todos sus átomos constituyentes, además de to-dos los posibles modos de vibración interna de los átomos constituyentes y las rotaciones de las moléculas en su conjunto. Asociado con cada estado posible, hay un valor específico de energía para la molécula. Al igual que con los átomos, el valor de esta energía se llama nivel de la mo-lécula. Los niveles de energía normalmente implicados en la absorción o emisión de luz por las moléculas son las asociadas con vibraciones y rotaciones, en lugar de los niveles electrónicos de los átomos constituyentes. En las moléculas complejas a menudo hay un gran número de estados y de niveles permisibles. Debido a que las diferencias entre los niveles de vibración o rotación adyacentes son más pequeñas que las existentes entre los niveles electrónicos de los átomos, las frecuencias de las ondículas moleculares emitidas de luz espontáneamente son más bajas que los de las ondículas atómicas, y sus longitudes de onda son mayores.

Elementos Básicos de los Láseres

Cada láser en funcionamiento de las variedades atómicas o moleculares tienen ciertos elementos comunes en cuanto a la estructura y la función. Excluimos aquí el láser de electrones libres, que difiere considerablemente de los láseres ordinarios en su construcción y operación.



Estos elementos comunes son:

• Un medio material que tiene los niveles energéticos adecuados para producir las longitudes de onda deseadas de luz, de acuerdo con la Ecuación 1-10;

• Una cavidad de resonancia óptica, en forma de cilindro cuya longitud es mucho mayor que su diámetro y que tiene espejos coaxiales en los extremos opuestos del mismo, y

• Una fuente externa de energía para proporcionar la excitación de los átomos o de las moléculas del medio por un proceso de bombeo.

Los medios disponibles en la actualidad para los láseres incluyen cientos de materiales diferentes: gases, líquidos y sólidos. La cavidad resonante está generalmente equipada con es-pejos que son sectores de esferas que tienen radios mucho mayores que la distancia entre los espejos, debido a que los espejos planos son muy difíciles de alinearlos correctamente. En un ex-tremo del resonador (cavidad más medio), el espejo debe tener una reflectancia mayor del 99,8% de la longitud de onda del láser. En el otro extremo, el espejo debe tener un transmitancia entre el 1% y 20%, dependiendo de longitud de onda y otros factores. Esto es necesario para permitir que algo de la luz del láser pueda escapar de la resonancia para su uso externo.

Es necesaria una fuente de energía debido a que el medio no puede generar energía de forma espontánea para su propia excitación, excepto en el caso de los láseres químicos, que con-sumen sus medios activos y que actualmente no se utilizan en las aplicaciones quirúrgicas.

Figura 1-7. Diagrama esquemático de los componentes esenciales de un láser.

Generación de la Luz Láser

El Bombeo del Medio Láser

Cuando el medio del láser se bombea por la introducción de energía a través de una fuente externa, algunos de los átomos o moléculas (que se referirán como individuos) se excita-rán a un nivel superior desde el cual hay una posible transición radiativa inferior a un nivel más bajo que está por encima del nivel basal. La diferencia entre este nivel superior y el que está por encima del nivel basal, es la transición láser, determina la frecuencia y la longitud de onda de la



radiación láser emitida según la Ecuación 1-8. Cuando comienza el bombeo, los primeros indi-viduos excitados, hará que esta transición láser y espontáneamente emita ondículas de la longi-tud de onda deseada láser. Estas ondículas se emiten al azar y en todas las direcciones. Aquellas que no viajan en direcciones paralelas al eje de la reflexión de los espejos, o bien escapan de la cavidad láser (si el medio activo está dentro de un cilindro transparente) o son absorbidas en la interfaz (si el cilindro que las contiene es absorbente). Con mayor frecuencia la energía de bombeo es eléctrica (una corriente eléctrica que fluye a través del medio) o radiante (luz desde una fuente no coherente o de otro láser). La energía térmica se puede utilizar si se proporcionan medios para crear regiones de diferente temperatura dentro del medio, pero un medio calen-tado a una temperatura uniforme en todo siempre tendrá más átomos o moléculas en niveles de energía inferiores que superiores, por lo que es imposible producir más átomos o moléculas individuales en el estado excitado que en el estado basal.

Los rayos emitidos espontáneamente de luz que son aproximadamente paralelos al eje del espejo serán reflejados hacia atrás y adelante muchas veces a través del medio activo entre los espejos. La intensidad de estos rayos reflejados se verá disminuido por la absorción en indivi-duos no excitados de una manera exponencial con la distancia. Sin embargo, si los rayos axiales reflejados chocan con individuos ya excitados, su intensidad aumentará de forma exponencial con la distancia por la emisión estimulada.

Emisión Estimulada Sostenida: Inversión de la Población

Claramente, la probabilidad de que un rayo emitido espontáneamente de luz choque un individuo no excitado, es proporcional al número de individuos no excitados por unidad del vo-lumen del medio. El mismo tipo de relación es cierto para la probabilidad de que se produzca un choque con un individuo ya excitado. Cuando el número de individuos excitados por unidad de volumen excede al número de los no excitados, la amplificación de los rayos reflejados será mayor que el de su atenuación, y comenzará la acción de láser (emisión estimulada sostenida). La con-dición necesaria para que la acción del láser sostenida, entonces, es que el sistema de bombeo debe producir un excedente de los individuos en el nivel láser superior sobre aquellos en el nivel láser inferior. Esta condición se conoce como una inversión de la población.

Es muy difícil crear una inversión de la población entre un nivel superior arbitrario y el nivel basal de una especie atómica o molecular porque los individuos excitados se relajan de nuevo al nivel basal, casi tan rápido como se producen. Por lo tanto, es necesario utilizar un me-dio de láser que tiene algún nivel de energía en primer plano que se encuentra por encima del nivel superior del láser, y para tener este nivel láser superior que sea metaestable, es decir, para que tenga un tiempo de vida de nivel láser superior que sea considerablemente más largo que el nivel de láser inferior, de modo que los individuos bombeados al primer nivel caerán rápida-mente y se acumularán en el nivel metaestable, incluso a una potencia de bombeo relativamente baja. Además, es deseable tener el nivel del láser inferior que se encuentre por encima del estado basal, ya que a una temperatura finita del medio habrá muy pocos individuos naturalmente existentes en este nivel láser inferior. Por lo tanto, la creación de una inversión de la población no requiere una enorme potencia de bombeo.

El tipo de medio que acabamos de describir se llama un material de cuatro niveles, ya que dispone de cuatro niveles de energía que están involucrados en el proceso de bombeo y de la acción láser: el primero de alto nivel, el siguiente de nivel metaestable inferior, el nivel láser



inferior, y finalmente el nivel basal (al que todos los individuos deben regresar antes de que puedan ir a través del ciclo de bombeo de nuevo). La gran mayoría de los medios de láser dis-ponibles son materiales de cuatro niveles. Una excepción notable es el rubí (láser histórico de Maiman): tiene el nivel basal como el nivel láser inferior, y por lo tanto es un medio de tres niveles.

Efectos de la Temperatura

El calor normalmente no es una forma eficaz de energía para el bombeo de un medio láser. Esto es así porque, a cualquier temperatura finita entre cero absoluto y el infinito, siempre habrá más individuos en los niveles de energía más bajos que en los superiores, con la gran ma-yoría en el nivel basal. La distribución de los átomos o moléculas individuales entre los niveles de energía en cualquier medio de láser homogéneo a temperatura uniforme viene dado por la ecuación de Boltzmann, que muestra que la población de individuos en cualquier nivel de energía determinado, siempre es mucho menor que a niveles por debajo de este nivel determi-nado. Por lo tanto, la temperatura uniforme va en contra de la creación de una inversión de la población. En el cero absoluto, todos los individuos estarían en el nivel basal, y a temperatura infinita, todos los niveles estarían poblados igualmente.

Modos Longitudinales de un Resonador Láser

Debido a que la acción del láser sostenida requiere muchos pases de las ondículas re-flejadas espontáneamente de ida y vuelta a través del medio láser entre los espejos, es evidente que solo aquellas longitudes de onda que puedan producir ondas estacionarias (de refuerzo) entre los espejos se amplificarán por la emisión estimulada. Para que las ondas estacionarias puedan existir en el resonador del láser, los trenes de onda que van hacia delante deben refor-zar a los trenes de onda que se dirigen hacia atrás: las crestas y los valles de las ondas que van hacia delante deben coincidir con las que van hacia atrás. Esto significa que la intensidad de las ondas E, hacia delante y hacia atrás, debe ser cero como la superficie de cada espejo. Un poco de reflexión revelará que esta condición requiere que la distancia entre los espejos debe ser un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda:

(1-11)

En la Ecuación 1-11, Zm es la distancia entre la superficie de los espejos, y ξ es cualquier número entero: 1,2,3,4,5,6,7 ... Debido a las longitudes de onda muy cortas de la luz láser, el valor de ξ en los láseres reales son número muy largos: en un resonador de 1 m de longitud a una longitud de onda de 1.000 nm, ξ = 2.000.000.

Las longitudes de onda descritas por la Ecuación 1-11 se conocen como los modos lon-gitudinales del resonador. La naturaleza selectiva de la frecuencia de la cavidad óptica limita el número de longitudes de onda que se pueden amplificar, y la ganancia (amplificación) del medio de láser selecciona sólo algunos de estos modos longitudinales que pueden amplificarse por la emisión estimulada. El resultado de estos efectos es una banda muy estrecha de longitudes de onda en la luz de un láser típico. Aunque, teóricamente, la longitud de onda de luz emitida por un átomo o molécula tiene una propagación de cero (es decir, solamene una longitud de onda y



ninguna otra), en realidad los niveles de energía de los medios láser no son líneas agudas, sino que se ensanchan en bandas de energía por la influencia del campo eléctrico de un átomo o de una molécula a otros de la zona. El efecto neto es permitir que una banda de longitudes de onda centradas alrededor de la central sea emitida por el láser. Este ensanchamiento es mayor para los láseres de estado sólido (como el cristal de neodimio), cuyos átomos están muy juntos, y menos para los láseres de gas a baja presión (como el helio-neón). Sin embargo, en la mayoría de los láseres, el ancho de banda de la luz de salida es sólo una fracción de un nanómetro.

Modos Electromagnéticos Transversos de un Resonador Láser

La Figura 1-8 muestra esquemáticamente el resonador de un láser con espejos de sector esférico. Debido a que los espejos son curvados, la envoltura de los rayos reflejados en el interior del resonador tendrá una forma de un esbelto reloj de arena. La curvatura en la Figura 1-8 está exagerada para una mayor claridad. Fuera del láser, donde emerge el haz del espejo que transmi-te parcialmente, habrá una ligera divergencia del haz, que de nuevo se muestra exagerada aquí. En la actualidad, la mayoría de los láseres divergen solo unos cuantos miliradianes (1 milira-dián = 0.0575º). Casi siempre es necesario tener una lente focalizadora externa al láser para reducir el diámetro del haz a un valor más pequeño para utilizaciones quirúrgicas. La Figura 1-8 muestra una lente positiva simple:

Figura 1-8. Diagrama esquemático de un láser que tiene espejos de sector esférico y una lente de enfoque externa. Tenga en cuenta que la curvatura envolvente de los rayos reflejados en el interior del resonador está exagerada para una mayor claridad, como la divergencia del haz emergente. Este láser está representa-do como emisor de un haz gaussiano: TEM00 . Observe también que la longitud axial de un resonador láser típico es mucho mayor que su diámetro. Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physics and inIteraction of laser light with soft tissu:e. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:79.



Teóricamente, puesto que los rayos del haz del láser entran en la lente focalizadora casi paralelos a su eje óptico, convergerán todos en el sitio opuesto en el mismo punto focal. Sin em-bargo, el fenómeno de difracción, que produce que cada punto del frente de la onda de avance del rayo láser actúa como una fuente puntual de nuevas ondas, hace que el diámetro actual del haz en el plano focal sea mayor que cero, debido a que la difracción de la energía se irradie lejos del eje del haz.

Con espejos esféricos, la intensidad, o densidad de potencia, del haz de láser no será uniforme a través del haz, pero será más alta en o cerca del centro, y caerá con la distancia radial desde el eje hacia cero a una distancia infinita. En un láser ideal, con espejos esféricos perfectamente alineados de reflectividad uniforme, la distribución radial más simple de den-sidad de potencia a través del haz será el perfil gaussiano, que se muestra en la Figura 1-8 en la sección de S-S. La distribución de la densidad de potencia a través de un haz de láser se le llama modo electromagnético transversal del haz. Es habitualmente designado por el acróni-mo TEM, derivado de las tres primeras letras de esas tres palabras (transverse electromagnetic mode - modo electromagnético transverso).

En un láser ideal, son posibles otras distribuciones transversales además de la gaussia-na, con espejos esféricos perfectos. Estos modos de orden superior pueden tener varios picos y valles, como una cadena de montañas, si se ven en perspectiva tridimensional. Las ubicaciones de las crestas y los valles de intensidad será simétrica alrededor del eje del haz en ciertos planos que pasan tanto a través del eje y a través de los picos y valles, aunque no todos los planos dia-metrales contendrán tales crestas y valles. El perfil gaussiano tiene una simetría completamente circular alrededor del eje, como la arena derramada por un pequeño agujero en la parte inferior de un reloj de arena bajo una superficie plana horizontal. Todas estas distribuciones pueden designarse por las siglas TNMmn, donde los números subíndices son pequeños números enteros (1,2,3,4,5,6,7,8, etc.). La importancia de los subíndices es que muestran cuantos canales hay en la dirección x (m) y en la dirección y (n) de una trazado tridimensional del perfil de la intensidad si el eje del haz está en la dirección z. Un caso especial es el modo TEM*01 que designa un perfil similar al de un cráter volcánico simétrico.

Los modos de orden superior rara vez son deseables en los láseres quirúrgicos, la ma-yoría de los cuales producen una aproximación bastante buena de la gaussiana o perfil TEM00. El modo gaussiano, o fundamental, es el modo preferido, ya que permite que el diámetro más pequeño posible del haz en el plano focal. Si examinamos el perfil de la densidad de potencia de un haz gaussiano en cualquier plano que pasa por el eje del haz, vemos que la densidad de po-tencia es más alta en el eje y cae simétricamente hacia cero a grandes distancias radiales. Debido a este enfoque asintótico a cero, no hay diámetro finito que abarque toda la luz desde el láser. Sin embargo, el perfil gaussiano tiene esta descripción matemática,

(1-12)

donde pr es la densidad de potencia del haz en el radio r, pc es la densidad de potencia en el eje, e identificación de la base de los logaritmos naturales (2.71828...), r es la distancia radial desde el eje y a w se llama al radio efectivo del haz. El diámetro efectivo del haz, 2w, es una definición matemática que es útil en el tratamiento de los haces gaussianos. Puede recordarse más fácil-mente como el diámetro de un círculo concéntrico normal al eje, dentro de la cual se transmite 86,3% de la potencia total del haz. Otro dato útil para recordar acerca del diámetro eficaz, de, es que un círculo concéntrico de diámetro 1.5de abarca el 98.8% de la potencia total del láser.



El diámetro efectivo más pequeño posible de un haz láser gaussiano perfectamente cen-trado en el plano focal es,

(1-13)

donde f es la longitud focal de la lente, π = 3.1416..., y D es el diámetro del haz donde entra en la lente focal. Para haces de cualquier otro TEM, de, será más grande. Para un haz gaussiano, puede ser sólo para unas cuantas longitudes de onda de luz láser. Este es el diámetro más pequeño que se puede alcanzar focalizando cualquier haz de luz desde cualquier fuente.

Propiedades Únicas de la Luz Láser

La luz producida por un láser tiene tres características especiales que no se encuentran en la luz de cualquier otra procedencia: (1) colimación, (2) coherencia, y (3) monocromatici-dad. Vamos a describir estas propiedades en las siguientes secciones. Más tarde, veremos que no todos son de igual importancia para la cirugía con láser.

(1) Colimación

La Figura 1-9 muestra cuatro rayos de luz que emanan de un láser (desde el lado iz-quierdo) y viajan a la derecha a la velocidad de la luz c (la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s). La colimación significa simple-mente que estos rayos son todos paralelos los unos a los otros. Esta propiedad de la luz láser hace posible que pueda capturarse toda la luz emitida por un láser, ya que emerge de un haz de



Figura1-9. Diagrama esquemático que muestra cuatro rayos de luz procedentes de un láser a la izquierda (no mostrado), que son colimados (paralelos), polarizados en un plano. La coherencia espacial es evidente a partir de la coincidencia de las crestas y los valles de las ondas E a lo largo de las líneas perpendiculares a los ejes de los rayos. La coherencia temporal es evidente por el hecho de que todos los rayos tienen la misma frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación. La monocromaticidad es evidente por el hecho de que todos los rayos tienen la misma longitud de onda. Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physicsand interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:72.

diámetro pequeño y que no tiene ninguna divergencia o convergencia, a menos que se coloque una lente o espejo en la trayectoria de la luz.

(2) Coherencia

La coherencia significa que las ondas E de los rayos de luz en la Figura 1-9 están en fasela una con la otra tanto en el espacio como en el tiempo. La coherencia espacial significa que las crestas y los valles de todas las ondas coinciden a lo largo de las líneas perpendiculares a los rayos. La coherencia temporal significa que es la constancia de la frecuencia, longitud de onda, y la velocidad de propagación de las ondas de luz son todas constantes de tal forma que el valor de la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto a lo largo del eje se puede predecir para cualquier instante futuro del tiempo sabiendo lo que ahora se encuentra en algunos otros puntos.

(3) Monocromaticidad

La monocromaticidad significa que la luz de los rayos mostrados en la Figura 1-9 tienen una sola longitud de onda, que es constante. La luz de los láseres reales siempre tienen una pequeña extensión de la longitud de onda, como se mencionó anteriormente, pero es tan pe-queña en la mayoría de los láseres que es menor del 0.007% de la longitud de onda central. Los láseres de gas, como el dióxido de carbono y el helio-neón, tienen la propagación más pequeña en su longitud de onda, debido a que los niveles de energía de los átomos o de las moléculas en los gases son líneas nítidas, no ampliadas por la proximidad de otros individuos, excepto a altas presiones. La propagación de la longitud de onda de estos láseres resulta del tiempo limitado que necesita un individuo para hacer la transición de energía descendente para producir la emisión de luz láser. Sólo una transición que se produce durante un tiempo muy largo (de forma conti-nua) produciría una onda de luz que tiene una sola longitud de onda. Sin embargo, un tiempo típico de transición es del orden de 1x10-8 segundos, y el ancho de banda correspondiente a la luz de un láser de CO2 es de sólo 0.0375 nm. Los láseres ofrecen la pureza espectral más alta de las fuentes de luz conocidas.

Modos de Funcionamiento Temporal de los Láseres

Si un láser emite radiación de forma continua, se dice que opera en modo de onda con-tinua (cw, oc) La mayoría de los láseres son capaces de operar en onda continua (cw, oc). Sin embargo, algunos como el rubí y el neodimio, láseres de cristal, se pueden utilizar únicamente en modo pulsado. En el láser de rubí, la operación en modo continuo está impedida por los pro-blemas de crear una inversión continua de la población. En el láser de Nd:cristal, no se puede por la baja conductividad térmica del vidrio. En la cirugía láser, hay situaciones en las que se



requiere que la luz del láser se entregue en forma de pulsos. Son varios los medios disponibles para lograr la salida en forma de pulsos de un láser de emisión continua (ec, cw - acrónimo del anglosajón, continous wave). Estos se llaman modo de bloqueo, conmutación Q, inundación de la cavidad y bombeo pulsado. También es posible realizar una salida intermitente de un láser abriendo y cerrando cíclicamente el obturador que se proporciona en todos los láseres médicos para cortar la emisión cuando no se utiliza. Las tres primeras técnicas pulsos muy cortos, desde picosegundos (1 ps = 10-12 segundos) a microsegundos (1 µs = 10-6 segundos). El bombeo pulsa-do puede producir pulsos de salida que van desde un microsegundo a una gran fracción de un segundo. El accionamiento cíclico del obturador puede producir pulsos de alrededor de los 10 milisegundos (1 milisegundo = 10-3 segundos) a medio segundo o más.

El modo de bloqueo, la conmutación Q, la inundación de la cavidad y el bombeo pul-sado, pueden producir impulsos cuya potencia de pico es mucho mayor que la potencia media disponible del mismo láser cuando se opera en modo de onda continua.

Modo de Bloqueo

El modo de bloqueo es un método de acortar la avalancha de ondículas, reflejadas atrás y adelante entre los espejos del láser, en sincronización con el viaje reciprocante de estas ondículas en la cavidad óptica, de tal forma, que solo se transmiten las ondículas cuya intensidad está por encima de cierto umbral. Se producen emisiones láser de duración de picosegundos poco espa-ciadas en el tiempo bajo una amplitud espacial envolvente de una duración de nanosegundos. Los pulsos más altos del tren llegan a muchos millones de vatios en el pico de potencia, aunque la energía por pulso es de sólo unos milijulios. Estos pulsos de luz tienen una pureza espectral muy alta.

Conmutación Q

Esta es una técnica de deteriorar cíclica o intermitente la resonancia de la cavidad óptica por algún dispositivo de conmutación electro-óptico, mientras que se mantiene una gran inver-sión de la población por un fuerte bombeo. Mientras se mantenga la cavidad en una condición de no resonancia, el láser no produce emisión alguna. Sin embargo, cuando se permite la reso-nancia, se desarrolla repentinamente una poderosa y corta explosión de luz que emerge del láser a través del espejo que transmite parcialmente.

Inundación de la Cavidad

Como su propio nombre indica, este método crea una gran población inversa y una condición de fuerte resonancia en la cavidad óptica, pero que no permite el escape de luz co-herente alguna del resonador excepto cuando se activa un interruptor electro óptico. La luz entonces emerge del láser en un pulso de corta duración y de alta intensidad.

Bombeo Pulsado

Como el nombre sugiere, este es un método de interrupción cíclica o intermitente del flujo de potencia desde la fuente de bombeo en el resonador del láser, mediante un interruptor mecánico, eléctrico, electrónico o electro óptico, según la forma de energía utilizada para el bombeo del medio láser activo. Puede producir emisiones de pulsos de luz de 10 a 100 veces más altos que el máximo de la potencia contínua obtenible del mismo láser. Este tipo de pulso es el



Tabla 1-1

más utilizado en los láseres quirúrgicos.

La Tabla 1-1 muestra el rango de duraciones de pulso alcanzables por cada uno de los citados medios para producir la salida de pulsos de rayos láser que también pueden funcionar en el modo temporal de onda continua.

Láseres que están Restringidos a Funcionamiento Pulsado

Láser de Rubí

Algunos materiales láser tienen características que previenen el funcionamiento en onda contínua. El rubí, por ejemplo, es un material de tres niveles, en el cual el bombeo excita los iones de cromo a un primer nivel que se encuentra por encima del nivel superior del láser. Los individuos excitados caen al nivel superior del láser mediante una transición no radiativa, la en-ergía de esta transición se transforma en calor. El nivel superior del láser es metaestable, de tal forma que es posible la acumulación de individuos excitados en este nivel. Sin embargo, el nivel láser inferior es el basal. Consecuentemente, para conseguir una población inversa, al menos la mitad de la población del nivel basal (es decir, casi completamente la mitad del total del número de iones cromo en el cristal) se deberían bombear al primer nivel. Esto requiere la entrada de un volumen-densidad del umbral de energía muy alta: al menos de 3.8 J/cm3. Una fracción signifi-cante de esto se pierde como calor en la transición no radiativa al nivel superior del láser. Ya que el tiempo de relajación de los iones de cromo es constante, desde el nivel superior del láser es de 3 milisegundos, el umbral de la potencia de entrada en el cual la acción del láser comienza es de 1,27 kilovatios/cm3. La potencia de entrada térmica es enorme, elevando la temperatura del cris-tal a valores destructivos. Por lo tanto, el láser debe funcionar en modo pulsado para permitir el tiempo suficiente para el enfriamiento del cristal entre los disparos.

Neodimio: Láser de Vidrio



Consideraciones similares restringen al láser de Nd:vidrio para el funcionamiento pulsa-do, en particular por la baja conductividad térmica del vidrio. Sin embargo, la energía y el um-bral de potencia para el bombeo son mucho más pequeños en el caso de los iones de neodimio, ya que el neodimio es un sistema de 4 niveles de energía.

Láseres de Excímeros

Un excímero es una molécula que consta de un átomo de halógeno combinado con un átomo de un gas noble, y que existe únicamente cuando los átomos constituyentes están en un estado estimulado, ionizado. Después de que está molécula transitoria emita radiación, se descom-pone en sus partes atómicas, la cuales están en sus estados basales. Debido a que la molécula de excímero tiene una vida media que se mide en nanosegundos y que los excímeros son sistemas de energía de dos niveles, incluso para una salida pulsada, debería igualar la potencia de salida deseada dividida por la eficiencia del proceso de bombeo pulsado. Para esta molécula no hay un nivel láser superior metaestable, de tal forma que la no acumulación de dímeros excitados puede ocurrir a bajas potencias de bombeo para que puedan ser liberadas súbitamente en un pulso gigante de potencia radiante. La eficiencia de este proceso de bombeo pulsado es bajo, a menudo por debajo del 1%. Experimentos han mostrado que un láser XeCl puede entregar 180 milijulios (mj) de energía radiante en un pulso de 30 nanosegundos (ns) con excitación de una descarga eléctrica de 150.000 amperios a 48.000 voltios. La eficencia de este proceso es sobre el 0.08%. De esta forma, si se quisiera una entrega de onda contínua de láser XeCl de 10 vatios (w), la potencia de entrada eléctrica requerida al tubo del láser debería ser de 12.500 vatios. Aunque esto es físicamente posible, es prácticamente muy dificultoso por razones de tamaño, enfriamiento, etc., por lo que los excímeros están confinados a operaciones pulsadas.

Láser de Holmio:YAG

El elemento holmium perteneciente a las tierras raras se ha utilizado com un dopante en cristales de YAG (yttrium-aluminium-garnet, itrio dopado con aluminio, o Y3AL5O12) en conjunción con el erbio y el talio, que aumentan la eficiciencia del bombeo óptico del holmio. Este material, conocido como Ho:YAG, emite radiación alrededor de los 2.100 nm. Aunque el Ho:YAG es técnicamente un material de 4 niveles, el nivel de láser inferior está tan cerca del estado basal que el umbral energético por unidad de volumen de material es muy alto. Conse-cuentemente, a temperatura ambiente, no es posible la operación de onda contínua.

Láser de Erbio:YAG

Este material emite radiación láser a 2.940 nm. Se trata de un sistema de energía de 4 niveles, pero el nivel láser inferior tiene una larga vida útil, haciendo que los iones de erbio se acumulen en este nivel más bajo después de la emisión de radiación. Esta acumulación inte- rrumpe la inversión de población y limita el láser para un funcionamiento pulsado.

Láser de Erbio:YSGG

El láser de erbio:yttrium-scandium-gallium-garnet / cristal de granate galio escandio e itrio dopado, emite una radiación a 2.790 nm, por lo que es un láser principalmente para la



restauración cutánea ablativa de la piel (resurfacing) donde el agua es el cromóforo u objetivo principal. El tubo sellado que produce esta longitud de onda se encuentra en la pieza de mano de la máquina, así que no se utiliza luz guía o brazo articulado. Es similar en utilización y función que la de los erbios más antiguos de Er:YAG, pero el Er:YSGG tiene un coeficiente de absorción por el tejido aproximadamente 5 veces mayor que la de un láser de CO2 y menos de un tercio que la de un Er:YAG. El umbral de ablación es de alrededor de los 3 J/cm2, comparado con los 0.5 J/cm2 para los láseres de Er:YAG (Tenga en cuenta que umbral de ablación varía algo con la densidad de potencia volumétrica y la anchura de pulso). Por lo tanto, en general, esta longitud de onda produce una mayor ablación y efecto térmico residual al tejido circundante que el láser de Er:YAG y una menor ablación y daño térmico residual al tejido adyacente que los láseres de CO2.

Láseres Importantes Utilizados en Medicina y Cirugía

La Tabla 1-2 a la conclusión de este capítulo muestra los láseres importante utilizados en la medicina y en la cirugía en este escrito, con sus caraterísticas importantes operacionales y sus aplicaciones actuales y futuras. El lector deberá apreciar que se están explorando nuevas longitudes de onda mientras se realiza este capítulo y que la Tabla 1-2 no está tallada en piedra. A pesar de ello, varios láseres han dominado aplicaciones quirúrgicas (excepto las oftálmicas) durante más de los 25 últimos años: el dióxido de carbono y el Neodimio: YAG. Durante más de los 18 años pasados, el Nd:YAG ha encontrado cada vez más aplicaciones, tanto en su longi-tud de onda normal de 1.064 nm y en su longitud de onda de doble frecuencia de 532 nm en el láser así llamado de KTP (KTP es el acrónimo de Potasio (K), Titanyl (T) y Fosfato (P) / fosfato de titanio y potasio, KTiOPO4, un material óptico no lineal desarrollado en USA por DuPont.) El láser KTP ha sustituido en gran medida al láser de iones de argón para el tratamiento de le-siones vasculares superficiales, discretas y lesiones pigmentadas, debido a la eficiencia de KTP más alta, una mayor fiabilidad y la capacidad de cambiar de 1.064 nm a 532 nm con el toque de un interruptor. Triplicando su frecuencia, el láser de Nd:YAG puede entregar una longitud de onda de 355 nm, en el rango de la luz ultravioleta hoy día dominada por el láser de excímeros fluoruro de xenón (XeF). Acortando la duración de pulso a nanosegundos (conmutación Q / Q-switching) ha permitido a las longitudes de onda de 1064 y 532 nm ser utilizadas para dis-minuir la apariencia de ciertos colores de los tatuajes, melasma, nevos congénitos y de las redes vasculares finas. Otras longitudes de onda del Nd:YAG (dopado) incluyendo las de 1.320 nm y 1.440 nm están siendo utilizadas para el rejuvenecimiento facial no ablativo, láser lipólisis y estiramiento subdérmico de la piel y la inducción de colágeno.

El YAG como material de acogida para los elementos de láser tiene muchas ventajas: buena resistencia mecánica, alta conductividad térmica, buena transmisión óptica, estabilidad dimensional y alta potencia de salida cw de pequeños cristales.

Un cristal de Nd: YAG de 1 cm de diámetro y 10 cm de longitud puede entregar 150 W de cw potencia radiante a 1064 nm en cw (onda continua, oc). Se han explorado una variedad de dopantes de tierras raras para producir varias longitudes de onda. En el caso de la de Ho:YAG, la motivación ha sido que 2.100 nm es aproximadamente la más larga que se puede transmitir de manera eficiente a través de fibras ópticas de cuarzo de calidad quirúrgica. Los láseres de Er: YAG a 2.940 nm o el Er:YSGG a 2.790 nm serían láseres casi ideales para la cirugía precisa, atraumática (aunque proporcionan poca hemostasia, ya que causa una acumulación mínima de calor en el tejido adyacente en la incisión) si hubiera disponibilidad de fibras ópticas quirúrgi-



camente adecuadas para estas longitudes de onda. Estas consideraciones se discutirán en detalle en el capítulo 4.

Sin embargo, por ahora, los láseres de CO2 Ultra y Superpulsados se han mantenido como el estándar de excelencia (“gold standard”) para la cirugía incisional. Un número de longi-tudes de onda han ganado popularidad para la restauración cutánea ablativa “fraccional” inclu-yendo al CO2, Er:YAG y Er:YSGG. Se utiliza un láser de Er-Glass de 1.540 nm para el rejuveneci-miento no ablativo fraccional de la piel. Por lo general, se requieren de tres a cinco tratamientos para causar un estiramiento y engrosamiento notable en el tratamiento de la piel o de las cicatri-ces. Discutiblemente, el rejuvenecimiento fraccional, incluso cuando se realiza repetidamente, mientras que tal vez se limitan los efectos secundarios y el tiempo de cicatrización, también tiene una fracción del efecto de un único tratamiento de rejuvenecimiento ablativo. Queda por ver si esta tecnología tendrá un impacto tan positivo para los pacientes de rejuvenecimiento de la piel como las empresas comercializadoras de los equipos les gustaría hacernos creer.

Las longitudes de onda de los láseres de Alejnadrita (755 nm), Diodo (800-810 nm) y Nd:YAG (1064 nm) han sido las principales utilizadas para la modificación del pelo con láser a largo plazo como se discutirá más adelante. Un nuevo enfoque para maximizar la energía en el objetivo (células madre en la base del folículo piloso) con mayor comodidad, ha sido utilizar la frecuencia repetitiva pulsante del láser (10 hercios) a energías más bajas mientras el láser se mueve repetidamente sobre la superficie de la piel. Las diferentes anchuras de pulso, energías y tamaños focales permite la utilización de estas longitudes de onda en el infrarrojo cercano para el tratamiento de los objetivos deseados a pesar de la competencia de los cromóforos cercanos en la pigmentación de la piel y en las estructuras vasculares.

Los detalles esenciales de la construcción de un láser de CO2 y de Nd:YAG típicos, se muestran en las Figuras 1-10 y 1-11, respectivamente:

Figura 1-10. Diagrama esquemático en el que se muestran los detalles esenciales de la construcción de un láser típico de flujo de gas de dióxido de carbono. Nótese que la mayoría de los láseres de CO2 quirúrgicos actuales tienen tubos que están llenos de la mezcla apropiada de CO2, N2 y He, y se sellan posteriormente.Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:51.



Figura 1-11. Diagrama esquemático en el que se muestran los detalles esenciales de la construcción de un láser típico de Nd:YAG. Nótese que la lámpara de bombeo es lineal y está posicionada coaxialmente con un eje focal del alojamiento elíptico que tiene una superficie altamente reflectiva, de tal forma que todos los rayos que emanan desde la lámpara convergen en el interior de cristal del láser que está posicionado coaxialmente con el eje focal opuesto de la elipse. Las turbulencias y burbujas en el torrente de líquido refrigerante distorsionan la trayectoria óptica en el interior del alojamiento, por ese motivo, el extremo de los cristales protuyen del alojamiento. Los espejos se montan externamente. El final de los cristales se muestran cortados en el ángulo de Brewster para minimizar la reflexión de la cara del extremo. Esto se puede lograr también con extremos cuadrados por medio de capas anti reflectantes. Reimpresión de Fisher J.C., Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue. In: Shapshay SM, ed. Endoscopic laser surgery handbook. New York: Marcel Dekker, 1987:49.

En la Figura 1-10 cabe señalar que los láseres nominales de CO2 de 100 W o menos de potencia de salida están ahora casi universalmente hechos con tubos sellados, precargados con la mezcla CO2-N2-He, de manera que no se necesita ningún cilindro de suministro de gas y no se requiere bomba de vacío. La eliminación de esas partes permite un tamaño total más peque-ño para el conjunto del láser que con un sistema de flujo de gas de igual potencia de salida. Sin embargo, la vida de funcionamiento de un tubo sellado de un láser de CO2 es menor que el de un tubo de suministro de gas de la misma potencia de salida y el tubo sellado será considerable-mente más largo.

Con el creciente énfasis de los procedimientos endoscópicos en ginecología, cirugía ge-neral y en los procedimientos en la cirugía estética láser que se realizan en la consulta, puede es-perarse que los láseres cuyas longitudes de onda sean fibrotransmisibles y/o aquellos cuyas lon-gitudes de onda láser de tubos puedan reducirse para que quepan dentro de una pieza de mano, lo que elimina la necesidad de una fibra óptica voluminosa y de brazos articulados, se utilizarán cada vez más. Sean o no esas longitudes de onda las óptimas para los procedimientos deseados, que se puedan emplear simplemente debido a la comodidad del sistema de suministro del láser. En la opinión de los autores, se trata de un problema económico para los fabricantes. Algunos de estos láseres se han sobrevendido agresivamente alegando al cirujano que esos láseres particulares van a poder hacer todo tipo de cirugía o procedimiento en cualquier tipo de piel, igual de bien. El posible comprador de un láser debe ser consciente de los hechos biofísicos de la cirugía mediante láser, y no confundir la conveniencia de la entrega del rayo láser con el rendimiento quirúrgico óptimo en todas las situaciones.

(Tablas 1-2 en las páginas siguientes)



Referencias

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NOTA: El TRT - Tiempo de Relajación Térmica, es el tiempo necesario para reducir en un 50% la temperatura generada por la emisión láser sobre el tejido o las estructuras donde actúa (cromóforos).

Debido a que la Ciencia del Láser, biofísica e interacción tisular, evolucionan continua-mente, en la actualidad, existe otro interesante concepto que es el de Tiempo de Relajación Térmica un Concepto Anticuado que se explica a continuación y dentro de este mismo capí-tulo y que también está incluido en la Guía de Estudio de la Junta Americana de Cirugía Láser (ABLS).


capÍtulo uno - centrolaservigo.com · carga eléctrica experimentará una fuerza paralela a la...

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