Low Level Laser Therapie
LLLT


Laser

Wenn ein Metall zur Weißglut erhitzt wird, strahlt es, bis es so weit ist, Licht unterschiedlicher Farben aus. Zuerst dunkelrot, dann immer heller und heller. Eben, bis zur Weißglut. So wird der Glühfaden in einer Glühbirne durch Erhöhen der Strommenge immer heißer und das abgegebene Licht wird immer wei&slig;er. Umgekehrt wird Glühlicht, wenn es mit einem Dimmer heruntergeregelt wird, immer rötlicher (wärmer).

1900 präsentierte Max Planck eine Erklärung dafür, weshalb Farben sich beim Erwärmen einer Materie bei unterschiedlich hohe Temperaturen ändern. Er postulierte, dass Strahlung in kleinen Mengen (Quanten) abgegeben wird, also nicht nur als Wellen sondern auch als Teilchen (Photonen).

Je mehr Energie so ein Quant besitzt, umso kürzer seine Wellenlänge und umso heller ist das ausgestrahlte Licht.
Dunkelrotes Licht -- zum Beispiel von glühendem Eisen -- mit einer Wellenlänge von etwa 700 nm und einer Farbtemperatur von 1000 K -- ist weniger energiereich als blaues Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm und eine Farbtemperatur von 10 000 K. Physikalisch betrachtet ist rotes Licht also kälter als blaues Licht. Die Psychologie lassen wir hier mal außer Betracht.

1917 war es Einstein der die Prinzipien des Entstehen von Laser-Strahlung mit der Theorie der Quantenmechanik erklärte. Es dauerte bis 1960 bis Theodore Maiman der erste Laser konstruierte.
Laser ist ein Akronym von "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" und bedeutet " Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission".
Eigentlich müßte man also "LASER" schreiben, "Laser" hat sich aber eingebürgert, ebenso wie das Verb "Lasern".

Eigenschaften von Laser

Laserlicht unterscheidet sich von normales Licht aufgrund

Seiner Monochromie oder Einfarbigkeit
Laserlicht hat eine bestimmte feste Wellenlänge und deshalb eine bestimmte Frequenz.
Seiner Kohärenz
Die Strahlung ist in Phase,
Das heißt, dass die Maxima und Minima der Wellen immer gleichzeitig auftreten. Man nennt dies "zeitliche Kohärenz". Zudem gehen die Wellen immer in die gleiche Richtung, dies nennt man "räumliche Kohärenz". Der Abstand, über der die Welle in Phase bleibt nennt man die "Kohärenzlänge". Diese variiert von weniger als einen Millimeter bis mehrere hundert Meter.
seiner Kollimation oder Parallelität
Dieser Begriff bezeichnet die Parallelrichtung von Lichtstrahlen. Weil die Strahlung nicht divergiert sondern gebündelt ist wird die Energie über sehr große Distanzen fortgeleitet.

Normales Licht würde mit einem Supermikroskop betrachtet aussehen, alsob man aus großer Höhe eine Menschenmenge betrachtet: jeder ist anders angezogen, jeder bewegt sich in seinem eigenen Tempo mit seiner eigenen Schrittlänge in eine eigene Richtung. Chaos, also.
Laserlicht würde aussehen wie eine Kolonne Soldaten: alle sind gleich angezogen und gehen im Gleichschritt in de selbe Richtung.

Wenn Laserlicht auf einem Gegenstand trifft verhält es sich gleich wie normales Licht: es wird reflektiert, absorbiert, gebrochen und zerstreut und je nach Beschaffenheit der Materie gehen die Kollimation und Kohärenz verloren.

Prinzip

Der Quantensprung

Elektronen befinden sich in einer Art Wolke um einem Atomkern herum. Stark vereinfacht stellte man sich früher diese Wolke als Schalen um den Kern vor. Diese Schalen entsprechen unterschiedlichen Energieniveaus der Elektronen. Je weiter das Elektron sich vom Kern entfernt aufhält, umso höher ist sein Energieniveau.
(Wen's interessiert: Bill Byson erklärt solche Themen in seinem Buch "A short history of nearly everything" auf sehr verständliche und zudem humorvolle Weise!)


Das Atommodel nach Bohr

Die Elektronen in den äußeren "Schalen" können durch Krafteinwirkung von Außen beeinflusst werden. Wenn einem Atom Energie zugeführt wird, zum Beispiel durch Erwärmen oder durch intensive Lichtblitze, können diese äußere Elektronen dazu gebracht werden sich in ein höheres Energieniveau zu begeben. Der Schritt von einem Niveau in das nächsthöhere ist der berühmte Quantensprung: der sprunghafte Übergang eines Systems aus einem Quantenzustand in einen anderen. Diese energiereichere Elektronen werden aber zum vorherigen, stabileren Niveau zurückkehren wollen und in diesem Falle muss das Elektron die vorher aufgenommene Energie wieder abgeben. Dies passiert in der Form eines Energiequantums: ein Photon (= Lichtquant). Vereinfacht betrachtet sind Photonen die Bausteine elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie Lichtteilchen. Die Wellenlänge und damit die Frequenz eines solchen Photons ist abhängig von der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus: je größer die Differenz, umso kürzer die Wellenlänge und umso höher die Frequenz und umso größer die Energie eines solchen Photons.

Rotlicht hat eine längere Wellenlänge als violettes Licht: respektive 750 nm (nano = 10-9 = 0,000000001 = milliardstel) und 370 nm. Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Die Frequenzen für Infrarot-Licht liegen zwischen 0,3 THz und 380 THz (Tera-Hertz). Man unterscheidet nahes, mittleres und fernes Infrarot. Nahes Infrarot ist das kurzwelligste aus der Familie der Infrarotstrahlung. Es kommt im Spektrum unmittelbar nach dem dem sichtbare Licht. Fernes Infrarot ist dagegen viel langwelliger und reicht bis an das Gebiet der Mikrowellen. Eine scharfe Einteilung nach Wellenlängen gibt es nicht.


Das Elektromagnetische Spektrum

Ultraviolettstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 1 bis 380 nm und einer Frequenz von ca. 790 THz bis 30 PHz. Man unterscheidet zwischen UV-A ( Wellenlänge λ = 315 bis 400 nm) , UV-B ( λ = 280 bis 315 nm) und UV-C (λ = 100 bis 280 nm). UV-Licht hat aufgrund der kürzeren Wellenlänge die höhere Energie, deshalb kann man mit Laserlicht aus dem blauen und nahen UV-Bereich mit einer um den Faktor 10 niedrigeren Energiedichte teilweise die gleiche Effekte erreichen wie mit rotem und IR-Laserlicht. Das kurzwellige UV-Licht hat aber eine deutlich geringere Penetrationstiefe ist dafür aber außerordentlich aggressiv, welches Gründe dafür sind, dass für die LLLT das langwelligere Rotlicht oder der IR-Laser verwendet wird.

Stimulierte Emission

Wenn ein Elektron sich in einem höheren Energiezustand befindet bezeichnet man das Atom als angeregt. Dieser Zustand dauert normalerweise nur etwa 10-8s ehe das Elektron wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und ein Photon emittiert. Wird zum Beispiel in einer normalen Lampe der Glühdraht erhitzt, werden durch die viele unterschiedliche spontane Energiesprünge ebensoviele unterschiedliche Wellenlängen in allen Richtungen ausgestrahlt: bei dieser sog. spontanen Emission entsteht das bekannte kontinuierliche Spektrum von Infrarot bis und mit sichtbares Licht (der Regenbogen).


Stimulierte Emission.

Findet diese Emission erzwungen in einem einzigen "reinen" Element statt, sind nur definierte Sprünge möglich: es werden nur Photonen mit bestimmten Eigenschaften emittiert. Deshalb ist das Spektrum in diesem Falle eng begrenzt und Linienförmig.
Auch Photonen können wenn sie absorbiert werden ein Atom anregen. Dazu muss die Energie eines solchen Photons exakt korrespondieren mit der Energiedifferenz des Ruhezustandes und des angeregten Zustandes eines Elektrons. Wenn ein Elektron bereits in einem höheren Energiezustand ist, und das Atom mit einem Photon mit entsprechender Energie kollidiert, kann das Elektron zurückfallen unter Emission eines mit dem kollidierenden Photon völlig identischen Photons. Dieser Prozess nennt man "stimulierte Emission".
Die Anwesenheit einer großen Anzahl angeregten Atome kann zu einer Verstärkung führen, weil ein Photon ein zweites Photon "freisetzt" und diese zwei Photonen danach weitere zwei und so weiter: eine Art Schneeballeffekt.


Kettenreaktion

Dieser Prozess funktioniert aber nur, wenn sich mehr Elektronen in einem höheren Energiezustand befinden als in dem Grundzustand. Dieser Zustand stellt das Gegenteil der in der Natur üblichen Situation dar und wird deshalb als Besetzungsinversion bezeichnet. Ein solcher Zustand kann während kurzer Zeit erreicht werden indem man mit einem großen Energieinput ("Pumpen") viele Atome in einen sog. metastabilen Zustand bringt. Dies ist ein relativ stabiler Anregungszustand in der die Elektronen einen höheren Energiezustand haben, welche dann nur durch Kollision mit anderen Atome oder Photone wieder freigegeben werden kann. Die Atome bleiben relativ lange (0.001s) in diesem Zustand, sodass während einer bestimmten Zeit mehr Elektronen in einer metastabilen Zustand kommen als herausgehen.

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Ein Laser besteht grundsätzlich aus drei Komponenten