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Las últimas décadas han sido testigo del uso de métodos ópticos para diagnóstico y tratamiento médicos. Por ejemplo, la sangre se analiza por métodos espectroscópicos que involucran absorción, reflexión o emisión de luz. En terapia, algunas veces se utilizan lámparas curativas especiales para aliviar el dolor. Las fuentes ordinarias de luz como lámparas incandescentes, fluorescentes y otras fuentes de luz especializadas se utilizan en todas estas aplicaciones.

En 1960, apareció una fuente de luz totalmente nueva: el láser. La palabra "láser" había aparecido ya en los escritos de Plinio, el famoso historiador del siglo I de nuestra era. "El láser se nombra entre los más milagrosos dones de la naturaleza y por sí mismo conduce a una variedad de aplicaciones" (Plinio, XII, 49). El láser de Plinio fué una planta herbácea que crecía en las costas del Mediterráneo y fué usada por los romanos para terapia. La moderna palabra láser es un acrónimo para: light amplification by stimulated emission of radiation (amplifiación de luz por la emisión estimulada de radiación).

El principio fundamental de la acción láser (emisión estimulada) fué descripto por Einstein en 1917. La primera demostración práctica de este principio tuvo lugar en 1954. En aquel momento, Charles Townes reportó emisión estimulada de radiación en la región microonda del espectro electromagnético. Este instrumento fué conocido como un MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (amplificación microonda por emisión estimulada de radiación). En 1958, Townes y Schawlow propusieron extender los principios de la operación maser a instrumentos que operasen en los rangos infrarrojo y visible del espectro. En 1960, Theodore Maiman estimuló un cristal de rubí para producir luz láser roja a una longitud de onda de 0.69 m. En un año, este láser fué utilizado en oftalmología para foto-coagulación y se sentó la base para el desarrollo de las longitudes de onda adicionales en el uso de todo tipo de aplicaciones médicas.

El término "luz" se refiere a la parte visible del espectro electromagnético. Se usa también libremente para referirse a las zonas infrarroja (IR) y ultravioleta (UV) del espectro. Hay muchas fuentes de luz como por ejemplo el sol, lámparas incandescentes y lámparas fluorescentes. La luz se puede representar como ondas y los diferentes colores corresponden a ondas de distinta longitud , donde la longitud de onda se define como la distancia entre las crestas de cada onda. (Ver Fig. 1.)

Fig. 1: Fotón esquemático donde se muestra la velocidad aproximada de la luz (300.00 km/seg) y la definición de longitud de onda. Cuando un fotón se mueve a través del espacio, el campo eléctrico oscila en un plano. La distancia que recorre un fotón a través de una oscilación completa es su longitud de onda. Un campo magnético, no mostrado, oscila perpendicular al campo eléctrico (dentro y fuera de la página). Así, los fotones representan la cantidad de energía electromagnética.

Los rayos gamma, rayos X, ondas de radio y microondas son similares a la luz, pero tienen diferentes longitudes de onda. Las diferencias en el comportamiento de las variadas longitudes de onda se deben a las cantidades de energía conducida por la onda, o más correctamente, conducidas por un fotón o partícula de energía radiante dentro de la onda. Estas cantidades diferentes de energía conllevan a las propiedades distintivas de la onda, como también a la habilidad única de que la luz visible sea percibida por el hombre.

Fig. 2: El espectro electromagnético. El espectro óptico es una pequeña porción del espectro electromagnético. El espectro visible ocupa menos del 0.1% del espectro óptico. Los láseres médicos funcionan dentro del espectro óptico y sus riesgos varian considerablemente

La radiación electromagnética con longitudes de onda larga, medidas en metros, se utilizan comúnmente para transmisiones de radio y televisión. Las longitudes de onda en el rango de 0.4 a 0.7 µ m son las que forman la porción visible del espectro. Los rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma son formas de radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que la luz visible. Los láseres quirúrgicos caen en el grupo de los que poseen mayor y menor longitud de onda, en las porciones infrarroja y visible, como también en la ultravioleta del espectro electromagnético.

Los fotones de los rayos X poseen una mayor cantidad de energía que la de los fotones de la luz visible. Las ondas de radio transportan menos energía. Para evitar confusión en relación a la terminología, es importante conocer que los físicos se refieren a todo tipo de ondas electromagnéticas como radiación. El público general a menudo asocia el término radiación con la radiación ionizada como rayos X o rayos gamma.

Figura 3: Interacción de la radiación con la materia, la radiación ionizante o no-ionizante interactúa con la materia en formas sustancialmente diferentes. Las diferencias biológicas aparecen porque la radiación ionizante crea iones y envía electrones de alta energía que se mueven a través del tejido

En la Figura 3 se ilustra la diferencia en la interacción de ionización y la radiación óptica Las energías del fotón del rayo X más altas, hacen que los electrones sean arrojados del átomo que él golpea. Por otro lado, la radiación de luz generalmente causa solamente un aumento en la energía del electrón sin ionización, lo cual resulta, típicamente, en calentamiento o en una emisión de luz secundaria llamada fluorescencia. La liberación del electrón puede ocasionar cambios secundarios que pueden alterar el material genético dentro de la célula. La emisión de luz secundaria o calor, usualmente sólo produce efectos locales sin secuela.

Hoy en día los láseres solamente emiten radiación óptica no-ionizante, y no hay evidencia que sugiera que la radiación láser tiene algún efecto biológico, o riesgos de salud diferentes de los que pudiera causar la energía radiante, con igual longitud de onda, emitida por fuentes de luz convencionales.

Las fuentes de la luz ordinaria pueden ser especificadas en términos de los siguientes parámetros:

Composición espectral (color): Las fuentes de luz ordinaria emiten luz de muchos colores y se llaman policromáticas (muchos colores). Algunas fuentes de luz ordinaria tienen un rango limitado de longitudes de onda y parecen ser roja o azul o amarilla (ej. algún color definido). Otras fuentes de luz que emiten muchas longitudes de onda parecen ser "blanca". En cada caso, está involucrado un rango de longitudes de onda.

Dirección: La luz de una lámpara ordinaria es emitida en todas las direcciones. Usualmente viene de un área moderadamente grande, tal como un filamento incandescente. O desde la descarga interna de una lámpara fluorescente.

Potencia: Potencia es la relación entre energía (generalmente medida en julios) y el tiempo (medido en segundos). La potencia se mide en watios, definidos como julios/segundo. Para una fuente de luz ordinaria, tal como la lámpara incandescente, está dada la potencia eléctrica de entrada (típicamente 60 o 100 W). La fuente de luz produce luz y calor como potencia de salida. La eficiencia de la mayoría de las lámparas es muy baja, en el sentido de que solamente una fracción de la potencia eléctrica consumida por la lámpara se convierte en luz. Para una lámpara poderosa que consuma 500 W (ej.: potencia de entrada), la luz emitida (ej.:potencia de salida) es sólo de unos pocos watios.

Orden: Cuando las ondas son emitidas por una fuente de luz regular, en direcciones diferentes, no hay correlación entre las diversas ondas (ej.: sin orden). La fuente de luz es denominada incoherente.

Densidad de potencia: La potencia de la luz de salida es usualmente distribuída sobre la esfera completa alrededor de la lámpara. La relación entre la potencia de luz emitida y el área iluminada se llama densidad de potencia (irradiante). Por ejemplo, para la lámpara de 500W arriba mencionada, la densidad de potencia puede bien ser solamente de 1 miliwatio por centímetro cuadrado a una distancia de la lámpara de10 cm .

Debe mencionarse también que solamente puede reunirse una pequeña fracción de esta potencia , utilizando un lente de enfoque o un espejo, y que el punto focal no tiene un área pequeña. Por lo tanto, la iluminación de esta área de punto focal está caracterizada por una densidad de potencia baja.

El láser es un tipo completamente diferente de fuente de luz. Sus características intrínsecas son:

Monocromaticidad: Un láser emite un "color" (una longitud de onda) o más exactamente una banda muy estrecha de longitudes de onda. Tales colores puros no se observan normalmente en la naturaleza. Aunque la luz de una lámpara, o la luz del sol, que pase a través de un filtro de vidrio coloreado produce "un color", este color corresponde a una relativamente amplia banda de longitudes de onda. Es mucho menos "puro" en este sentido que la luz láser. El filtro cierra mucha de la energía y por tanto la potencia transmitida por el filtro es baja. Por contraste, un láser emite inherentemente luz monocromática solamente, con toda la potencia concentrada en una longitud de onda única.

Direccionalidad: La luz láser es emitida en un rayo bastante estrecho que permanece estrecho. Esta propiedad hace posible el enviar un rayo láser desde la Tierra hasta la Luna con una divergencia muy pequeña. Para muchos fines prácticos, este es un rayo paralelo.

Potencia: Las potencias emitidas por los láseres pueden ser bastante altas. Por ejemplo, la salida de potencia (luz) normalmente especificada en los rayos láser médicos puede fácilmente ser de 100 W o más.

Coherencia: Tal como se estableció anteriormente, el rayo colimado láser consiste en ondas de un color (ej.: ondas de igual longitud). El término coherencia se utiliza en la física óptica para expresar el grado de monocromaticidad y colimación. Todas las ondas en el rayo láser están altamente ordenadas en espacio y correlacionadas en tiempo. Una analogía para explicar esta condición de orden es relacionar la fuente del láser a un gran grupo de soldados caminando en un desfile, con el mismo paso y al mismo tiempo. Una fuente de luz ordinaria es similar a un desfile cuando se ha dado la orden de despliegue.

Luminosidad (resplandor). La luz de un láser puede ser recogida en su totalidad por un lente, y ser enfocada a un punto lejano más pequeño que la luz de una fuente convencional. Este punto de enfoque más pequeño del láser contiene mayor cantidad de luz concentrada (una irradiación más alta) que el punto focal de una fuente de luz convencional. Las aplicaciones quirúrgicas del láser se apoyan en esta propiedad.

Densidad de potencia alta: La radiación láser se concentra en un delgado haz de luz, cuya área es unos pocos milímetros cuadrados. La densidad de potencia del rayo láser por sí misma es alta; más aún, el rayo puede enfocarse en un punto cuyo diámetro es del orden de la longitud de onda. La densidad de potencia en el punto focal es extremadamente alta, con magnitud de muchos órdenes por encima que el caso de una lámpara ordinaria.

La comparación entre la fuente del láser y de una luz ordinaria se muestra en la Tabla 1.

Propiedad	Láser	Fuente de luz ordinaria
Direccionalidad	Colimada (rayo paralelo)	No-colimada (luz emitida en todas direcciones)
Color	Monocromático (un color) Comentario: rayo coherente (ej.: ordenado en tiempo y espacio)	Policromático (muchos colores) Comentario: rayo no coherente (ej: no ordenado)
Salida de potencia	Puede ser alta	Media o baja
Temporal	Puede producir pulsos muy cortos	Pulsos típicamente largos y de baja energía
Densidad de potencia	Alta; puede ser enfocado a un punto muy pequeño (diámetro d = l )	Baja; punto focal relativamente grande

Toda la materia estable está compuesta de uno o más tipos de átomos. Cada átomo contiene un núcleo de protones cargados positivamente y electrones que circulan orbitando al núcleo. Una vista simplificada de la estructura de los átomos sería un sistema solar diminuto. Para átomos neutros, el número de protones cargados positivamente en un núcleo es igual al número de electrones cargados negativamente fuera del núcleo. Los electrones exhiben diferentes niveles de energía, son capaces de cambiar las órbitas, pero para hacer ésto necesitan una fuente externa de energía. Añadiéndole energía a un átomo hace que los electrones que están orbitando pasen a una energía mayor, creando órbitas más inestables conocidas como estados excitados. Un electrón excitado intenta entonces recuperar una órbita más estable y, al hacer ésto, libera la energía que obtuvo en la forma de un fotón. Este proceso se llama emisión espóntanea de radiación.

Figura 8: Un átomo absorbe una cantidad de energía y es estimulado hacia un estado de excitación. La emisión espontánea ocurre cuando el átomo decae del estado excitado a un estado de energía más baja. La energía en exceso se libera como un fotón.

Un átomo puede absorber un fotón (ver Fig. 8). El fotón cesa entonces de existir y un electrón (e) dentro del átomo salta a un nivel de energía mayor (e*). Este átomo es estimulado a un estado de excitación desde el estado de descanso en tierra. En el estado excitado, el átomo es inestable y pronto decaerá de vuelta espontáneamente al estado de tierra, liberando la energía almacenada en forma de un fotón emitido. Este proceso se llama emisión espontánea. El intervalo entre absorción y re-emisión usualmente es muy corto y define el tiempo de vida fluorescente del átomo. Nótese en la Fig. 8 que el fotón emitido espontáneamente tiene menos energía (una longitud de onda más larga) que el fotón absorbido. La diferencia en energía usualmente se convierte en calor.

Cualquier átomo, sólo admite ciertas órbitas (niveles de energía). Cuando un fotón es absorbido, el átomo salta a uno de los niveles de energía admisibles. Esto significa que cada tipo de átomo o molécula puede absorber solamente fotones de la energía (o longitud de onda) adecuada. El resultado es que cada especie de átomo o molécula tiene un espectro de absorción único.

El proceso del láser ocurre cuando un átomo excitado, puede ser estimulado para emitir un fotón antes de que el proceso ocurra espontáneamente (ver Fig. 9). Cuando un fotón, con exactamente la energía adecuada (longitud de onda) entra en el campo electromagnético de un átomo excitado, el fotón incidente dispara la caída del electrón excitado, hacia el estado de energía más bajo. Esto es acompañado por la liberación de la energía almacenada en forma de un segundo fotón. El primer fotón no es absorbido pero continúa hasta encontrar otro átomo excitado.

La emisión estimulada puede ocurrir solamente cuando el fotón incidente tiene exactamente la misma energía que el fotón liberado. De esta forma, el resultado de la emisión estimulada es dos fotones de idéntica longitud de onda que viajan en la misma dirección. La liberación del segundo fotón está dependiente del tiempo de las oscilaciones del primer fotón, de tal modo que los dos fotones oscilan juntos en la fase.

Fig. 9: La emisión estimulada ocurre cuando un átomo excitado es estimulado, para liberar la energía almacenada. El fotón excitado, y el fotón liberado, estimulan a dos átomos excitados más, y así sucesivamente, produciendo una reacción de fotones en cadena.

Si una colección de átomos incluye más átomos estimulados, en estado de excitación, que los que permanecen en el estado de descanso, se presenta una inversión de población. Esta es una condición necesaria para el láser. Ahora bien, la emisión espontánea de un fotón por un átomo estimulará la liberación de un segundo fotón en un segundo átomo, y estos dos fotones dispararán la liberación de dos fotones más; estos cuatro entonces conducirán a ocho, ocho llevarán a dieciseis, y así sucesivamente. En un pequeño espacio a la velocidad de la luz, esta reacción de fotones en cadena produce una luz breve, con resplandor intenso monocromático (misma longitud de onda) y coherente (misma fase).

Todos los instrumentos láser, llamados simplemente láseres, tienen tres componentes generales: una fuente de energía, un medio activo y una cavidad resonante (Fig. 10). La luz láser es generada dentro del medio activo, el cual puede ser sólido, líquido o gaseoso. Sin embargo, sólo ciertas sustancias tienen las características ópticas, mecánicas, atómicas o moleculares necesarias para hacer posible la eficiente acción láser. Para que una acción láser ocurra, debe ser posible traer, simultáneamente, a la gran mayoría de los átomos o moléculas dentro del medio activo hacia un estado de energía mayor. Esta energetización del medio activo está hecha por una fuente de energía que puede ser de muy diferentes formas. Las fuentes de energía de uso común en los sistemas láser médicos incluyen, entre otras, una lámpara de flash similar al flash fotográfico o una corriente eléctrica similar a la de la corriente eléctrica que ilumina un bombillo de neón o fluorescente. Estas fuentes de potencia energizan los átomos en el medio activo para producir la "inversión de población". Una inversión de población ocurre cuando la energía es vertida tan rápidamente dentro del medio, que la mayoría de sus átomos o moléculas adquiren energía en exceso y por tanto están, por así decirlo, "en un estado de excitación". Una vez que esta "excitación" o "inversión" de la distribución usual de niveles de energía ocurre, los átomos o moléculas se preparan para la emisión estimulada. En la mayoría de los láseres, la emisión estimulada ocurre al crearse una inversión de población a nivel atómico (ej.: argón y neodimio: itrium-aluminio-garnet, o Nd:YAG), aunque en otros láseres (ej.: CO2) la inversión de población ocurre al energitizarse las moléculas, en lugar de los átomos del medio.

Figura 10: Componentes de un láser. Toda la acción láser se origina en un medio activo ligado a dos espejos. Ambos espejos reflejan fotones, pero el espejo de salida es semi-transparente para permitir que la luz láser salga de la cavidad. Se requiere una fuente de energía para excitar el medio activo e instituir la acción láser. La entrada de energía que conduce la acción láser generalmente es en forma de luz desde una lámpara de flash, y una corriente eléctrica enviada a través de un tubo de gas o diodo semiconductor. Otros componentes que pueden estar dentro de la cavidad incluyen aperturas para darle forma al rayo, y obturadores para controlar la acción láser.

La emisión estimulada ocurre cuando los fotones emitidos espontáneamente desde átomos que descansan desde un estado excitado, pasan cerca de otros átomos excitados y los "estimulan". Este paso cercano del fotón estimula a los átomo vecinos excitados para que emitan su energía como fotones.

La alta energía del rayo láser se obtiene mediante el pasaje de la energía estimulante a través de un considerable volumen del medio activo excitado. Una forma de hacer ésto sería tener el medio activo en la forma de un cilindro muy largo. Uno puede visualizar que los fotones que viajan paralelos al eje del cilindro tendrían una mucho mayor probabilidad de encontrarse con otros átomos excitados y estimularlos para que emitan su energía, conduciendo a una construcción de fotones que viajan hacia abajo del cilindro largo. Esta generación se llama proceso de cascada (Fig. 11) y lleva a la amplificación de la energía de luz que es la característica del proceso láser. Este paso de luz a lo largo de un largo tubo o cilindro, formará un rayo colimado de intensa radiación óptica de un sólo color saliendo del final del cilindro. Puesto que la luz viaja "en pasos", tiene un gran orden tanto en espacio como en tiempo; este arreglo paso por paso, altamente ordenado, de la energía se denomina "coherencia", lo que significa que las formas de onda están sincronizadas o, técnicamente, "en fase".

Fig.11: Emisión estimulada. A medida que los fotones de luz viajan a lo largo del eje de la cavidad, estimulan los átomos vecinos excitados para que emitan otros fotones idénticos que viajan en la misma dirección, dentro del medio activo. Esta emisión estimulada produce una cascada de fotones que es el corazón de la acción láser

LASER - Amplificación de luz que ocurre por la emisión estimulada de radiación de luz. En la práctica real generalmente necesita de una larga longitud de paso por donde viaje la luz. Sin embargo, no resulta práctico construir un láser con un tubo muy largo, en su lugar, la larga longitud del paso para la generación del rayo láser se crea al forzar que la luz viaje entre espejos. Estos espejos se colocan en ambos extremos de un corto cilindro y se envían los fotones para que reboten de atrás hacia adelante, dentro del medio energizado. El espacio formado por el medio óptico determinado por los dos espejos es un espacio óptico especial denominado cavidad resonante (ver Fig. 12).

Si un espejo es totalmente reflexivo (trasero) y el otro espejo parcialmente transmisible (delantero) la luz que escapa a través del espejo delantero se convierte en rayo láser. Si nuestra potencia de circulación es de 1,000 W y el espejo delantero es un 10% transmisible, entonces la potencia que regresa de este espejo es de 900 W, y el rayo resultante es de 100 W. Un viaje completo a través del medio del láser regresa la potencia de nuevo a los 1,000 W.

La radiación óptica emitida por un láser puede ser la porción ultravioleta (UV), la visible o la infrarrojo (IR) del espectro óptico. Solamente se emite una sola longitud de onda de luz, o en algunos casos unas pocas, por la naturaleza quantum de la emisión estimulada desde el estado activo en la inversión de población. Por ejemplo, el familiar láser argón emite la mayoría de su luz en dos longitudes de onda: 488 nm (azul) y 514 nm (verde). En un argón o en un CO2 (10.6 µm longitud de onda), el medio del láser se dispersa en la cavidad óptica en forma de un gas. En los láseres de estado sólido, el medio láser es suspendido en un cristal transparente. Comúnmente se utiliza un cristal garnet hecho de itrium y aluminio en una variedad de láseres quirúrgicos llamados láseres YAG.

El láser Nd:YAG emite la mayor parte de su energía en la porción cercana al infrarrojo del espectro, a 1064 nm (1,064µm) y una salida ligeramente más débil a 1318 nm (1,318 µm). Los espejos y otros componentes ópticos de la cavidad resonante del láser están diseñados para favorecer una cierta longitud de onda para resaltar la salida de potencia y suprimir otras longitudes de onda, para ayudar a producir un rayo de salida verdaderamente monocromático. De esta forma, siempre es esencial especificar las longitudes de onda en las que un láser dado está operando, en lugar de apoyarse solamente en nombrar el medio activo para identificar el sistema láser.

En el pasado, el término láser YAG se usaba para referirse a las aplicaciones con neodimium:YAG (Nd:YAG). Empero, en la actualidad se utilizan tres tipos de láseres YAG para aplicación médica. Aunque cada uno utiliza un cristal YAG para suspender el medio láser, difieren en cuanto a los elementos raros del planeta, neodimium, holmium y erbium que se integran al cristal. Cada elemento tiene un arreeglo diferente de electrones orbitales, por tanto el proceso láser ocurre en longitudes de onda distintas para cada uno. Las transiciones de energía en los láseres YAG son más energéticas que aquellas de los de CO2, por lo tanto, las longitudes de onda son más cortas en el infrarrojo cercano (ver Fig. 1): Transición Nd: 1,06 m; transición Ho: 2.1 m; transición Er: 2,94 m.

En este momento, hay sistemas médicos que combinan dos de los tres cristales en un sistema sólo con longitudes de onda múltiples. Además, hay elementos ópticos llamados cristales no-lineales, que pueden ser colocados en la cavidad óptica o en el paso del rayo. La función de estos cristales es cambiar la longitud de onda de la luz que está pasando a través de ellos. El más común es el cristal KTP (potasio-titanio-fosfato), el cual cambia la longitud de onda del Nd:YAG de 1.064 µm (infrarrojo cercano) a su armónico segundo de 0.534 µm (verde).

Dependiendo de como se aplique la excitación de energía y la cavidad láser configurada, el rayo de salida de un láser podrá ser pulsado o de onda continua (CW), como se muestra en la Fig. 13. Algunos láseres, tales como el láser de rubí de estado sólido o cualquier láser de cristal, no pueden ser operados normalmente como un láser de onda continua (CW) por el problema de sobre-calentamiento y el daño resultante al cristal láser y los componentes adyacentes.

Fig.13: Láseres pulsados versus de onda continua (CW). La salida de un láser puede ser continua, de pulso sencillo o de serie de pulsos. La duración de estos pulsos varia ampliamente desde femtosegundos (10-15s) a fracciones de un segundo. Una serie de pulsos repetitivos también se llama tren de pulsos.

En los láseres YAG, el elemento molecular del láser es excitado a un estado superior de energía con luz proveniente de una lámpara arqueada de tungsteno, de una lámpara flash pulsada, o de otro láser como ser un láser de diodo. La cavidad óptica es rodeada de espejos parabólicos que enfocan la fuente de la excitación en el cristal de YAG.

Una salida contínua de una lámpara arqueada de tungsteno puede mantener una población invertida en un cristal de Nd:YAG y sostener una salida de poder continua de hasta 100W. Los láseres quirúrgicos poseen un cierre mecánico posicionado en el paso del haz (como en una cámara). La apertura y cierre de ese elemento es controlado por un circuito de tiempo. Los valores de esos tiempos son regulados por los controles que estan en la consola del panel frontal. La secuencia de tiempo se activa cuando el usuario presiona el pedal, o en algunas unidades, cuando se presiona el botón de la pieza de mano. Pulsos simples pueden tener duraciones tales como 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 y 1.0 segundos, o el mecanismo de cierre puede permanecer abierto en tanto el pedal es apretado (modo continuo). Los circuitos de tiempo varian en su sofisticación. Generalmente se puede fijar la duración del pulso y el tiempo entre pulsos pueden ser fijados en forma independiente, cambiando el ratio de repetición.

Pulsos de duración muy corta puede producirse pulsando la fuente de excitación. Un sistema muy común en medicina es el YAG pulsado (neodymium, erbium y holmium). En estos sistemas se utiliza una lámpara flash para excitar el medio láser. Picos de poder de la lámpara flash, típicamente entre 0.1 y 0.8 mseg. (100 a 800m seg) determinan la duración del pulso de salida. El pico de poder de estos pulsos puede estar por encima de los 1000W, aunque el poder promedio enviado en un segundo puede ser de solo 10 a 30 W.

Se pueden lograr duraciones de pulsos aún mas cortas utilizando el Q:Switch. Un Q:Switch simple utiliza un espejo rotativo como parte de la cavidad óptica (Fig.14). Solo cuando el espejo rotativo esta precisamente alineado con el espejo de salida puede lograrse la actividad del láser, y esto se restrinje a un intervalo de tiempo muy corto (1 a 10 nanosegundos). Entre alineamientos, la energía se almacena en la población excitada. Por lo tanto varios cientos de milijoules de energía pueden ser comprimidos en pulsos de nanosegundos. El poder de estos pulsos esta en el rango de 1.000.000 W.

Fig 14 : Un Q:Switch produce pulsos de alta energía y corta duración. Un tipo de Q:Switch utiliza un espejo rotativo para variar la calidad de la cavidad óptica. Durante el lapso muy corto en que la cara del espejo 2 es alineado con la superficie del espejo 1, la calidad de la cavidad óptica es alta, permitiendo que se produzca el efecto láser. Cuando los espejos no estan alineados, la energía es almacenada en la población invertida del medio láser.

Tubos láser de distinto diseño producen haces láser de distinta calidad. La calidad del rayo representa la distribución de poder a través del diámetro del haz. Esta distribución de poder es referida a veces como el modo, o calidad del modo. La calidad del modo afecta fuertemente en la precisión con que el láser puede ser enfocado. El punto focal mas pequeño es asociado con el perfil de rayo Gausiano, también conocido como el modo TEM00. La distribución de poder de este modo es la distribución "normal" con forma de campana, conocida de las estadísticas (Fig 15) El modo Gausiano o TEM00 es el único modo que mantiene el mismo perfil de intensidad, con excepción de cambios en diámetro, ya sea en foco o fuera de foco. Otros perfiles de haz son referidos como modos de orden mayor o haces multimodo, y hacen foco en puntos de mayor diámetro que el equivalente del modo Gausiano, pero que también al separarse de su foco se transforman de una distribución de bordes filosos a una que posee picos y valles.

El modo TEM00 es generalmente considerado el ideal porque su suave perfil y pequeño diámetro focal le brindan la mayor densidad de poder posible, lo cual es importante en la interacción entre tejido y láser. A pesar de las declaraciones de los fabricantes de láseres, ningún láser posee un modo TEM00 perfecto. Aunque la distribución de poder parezca Gausiana, puede no ser TEM00 y puede producir un punto focal con un diámetro significativamente mayor. La única verdadera medida de la calidad del haz es la relación entre el diámetro del haz y el diámetro del punto focal. Los mejores láseres quirúrgicos se encuentran alrededor del 25% del ideal.

Algunos láseres tienen un perfil de haz con el formato de una rosquilla. Cuando el láser es puesto en foco, hay un pequeño anillo con luz láser de alta intensidad con un agujero en el medio. Aunque este formato de modo puede comportarse muy bien en muchas aplicaciones, su densidad de poder es mucho menor que el de un haz TEM00.

Fig. 15. El modo fundamental TEM00 representa la calidad de haz más alta que pueda obtenerse en el sentido que su diámetro es el más pequeño permitido por las reglas físicas. Mantiene su formato Gausiano dentro y fuera de foco. Otros perfiles de intensidad son posibles en diámetros mayores. Estos perfiles de intensidad cambian radicalmente entre las posiciones de foco y fuera de foco. Un modo de punta plana, aunque difícil de producir, es útil para ablaciones de largas áreas. En medicina, se utilizan modos de punta plana a menudo. Por ejemplo: el perfil del Skinlight.

La densidad de poder es la concentración de fotones en una unidad de área. La concentración de fotones es medida en Watts y el área en centimetros cuadrados. Por lo tanto,

Para calcular DP, se precisa el área de sección cruzada del haz. Esto se obtiene de la fórmula para el área de un círculo (A) dado el radio (r = diámetro/2) :

Este es la DP promedio. Nótese en el perfil del haz que la DP en el centro del punto es mayor que en el borde del punto donde aproxima a 0.

La densidad de poder puede ser incrementada significativamente colocando una lente en el paso del haz. Recuerden el experimento que hicieron siendo niños en un día soleado de verano utilizando una lupa y una hormiga distraida. Enfocando el haz de luz paralela del sol ustedes incrementaron la DP de tibio a caliente !

Como la luz del láser es colimada y monocromática, es posible enfocar el poder a un punto de diámetro micrométrico. Los lentes no alteran generalmente el perfil del haz, pero solo cambian la densidad del poder. Si se enfocan 10W en un punto de 0.05mm (50m m) de diámetro, una DP de 509.000 W/cm2 es creada.

El área del punto es en realidad un mejor indicador del efecto en el tejido que el diámetro del punto, pero convencionalmente el tamaño del punto es descripto por el diámetro.

Distintas densidades de poder son logradas de la combinación de diferentes poderes y tamaños de punto (Tabla 2). Nótese que 10W en un punto de 2.0mm producen una densidad de poder de 318 W/ cm3 . Si el tamaño del punto es reducido a por un factor de 10 a 0.2mm, la densidad del poder crece por un factor de 100 (102) alcanzando 31.800 W/ cm2. Empero, el cambiar el poder por un factor de 10 solo cambia la densidad del poder por un factor de 10.

El tamaño y formato de la lente determina la longitud focal y el tamaño del punto en el punto focal. Más allá del punto focal, el haz se diverge y la densidad de poder o intensidad decrese. El término enfocado y fuera de foco, cuando se trabaja con láseres, se refiere a la posición del punto focal en relación a los planos del tejido. Cuando se trabaja en tejido, el láser puede usarse con el punto focal posicionado en la superficie del tejido (en foco), o posicionado por encima de la superficie del tejido (desenfocado) o por debajo de la superficie (pre-enfocado). (Fig 16)

Poder (W)	Tamaño del punto en diámetro (mm)
	0.05	0.2	2.0
1.0	50,900	3,180	32
5.0	255,000	15,900	159
10.0	509,000	31,800	318
50.0	2,550,000	159,000	1,590

Fig. 16: Una lente colocada en el paso del haz enfocará la energía del láser en pequeño punto focal. Más allá del punto focal, el haz diverge. La densidad máxima de poder es alcanzada cuando el haz está en foco en el objetivo, produciendo una rápida vaporización del tejido. Retirando la pieza de mano láser del tejido desenfoca el haz, y la menor densidad de poder logra coagulación del tejido. El modo pre-enfocado debe evitarse clínicamente ya que produce daño térmico profundo.

Para duraciones de pulso muy cortos, es a menudo más práctico hablar sobre la cantidad de energía por pulso en Joules (J), en vez de salida de poder promedio en Watts. La energía es en realidad el trabajo que se esta realizando, o sea el poder aplicado por un período de tiempo. Una unidad de energía, 1 J, es igual a una unidad de poder (1 W) multiplicado por una unidad de tiempo (1 seg). Por lo tanto 100 J son iguales a 100 W aplicados por un seg., o 10 W aplicados por 10 seg.

La mayoría de los láseres clínicos pulsados suministran menos de 1 J por pulso. Aquí se utiliza como unidad el milijoule:

Un concepto similar a la densidad de poder es el de densidad de energía. Esta es simplemente la cantidad de energía por unidad de área, o dicho de otra manera, la densidad de energía es la densidad de poder aplicada a través del tiempo.

Los láseres quirúrgicos pueden enviar la energía láser a través de una variedad de sistemas de suministro. Las longitudes de onda mas largas (como el láser de dióxido de carbono) por su naturaleza, deben pasar a través de un brazo articulado con varios espejos reflectantes (fig 17-19). Al salir el haz de la cabeza del láser, este es grande y su densidad de poder es baja. Después de ser reflejado por los espejos del brazo, luego el haz pasa por un lente que lo focaliza a un punto de tamaño pequeño (diámetro del haz) para transformarlo en clínicamente útil. El punto en el cual se logra el mínimo diámetro se denomina punto focal o cintura del haz. El diámetro del haz en el punto focal puede oscilar entre 0.1mm a 5.0mm o más. El tamaño de punto seleccionado para una cierta cirugía depende de la particular aplicación y el efecto deseado en el tejido.

Fig. 17: El brazo articulado es un dispositivo utilizado en el láser Er:YAG para transmitir el haz desde la consola del láser al paciente. Consiste de un ensamblaje de espejos de precisión y encastres que permiten al cirujano manipular el haz a su voluntad.

Fig. 18: Las piezas de mano láser son utilizadas por el cirujano para acercar el haz al sitio quirúrgico con la densidad de poder adecuada. En el caso del láser Er:YAG la pieza de mano se conecta al final del brazo articulado. Contiene una lente de enfoque para producir un pequeño punto, y varios espaciadores, conectados a la pieza de mano, que obligan al cirujano a trabajar en el área fuera de foco (fig. 16). El tamaño del punto es simplemente definido por la longitud del separador.

Las longitudes de onda mas cortas tales como aquellas en la porción visible y cercano al infrarrojo del espectro electromagnético permiten el paso de la energía láser a través de una fibra flexible (Fig.19) El interior de la fibra es construída de cuarzo o vidrio, el cual transmite la energía láser, a través de la fibra, al sitio objetivo. Algunas longitudes de onda láser de fibra óptica, pueden ser adaptadas para uso con un microscopio quirúrgico a través de un micromanipulador. Los materiales para fibra óptica común son opacas en la longitud de onda de 10.6 m m del láser de dióxido de carbono. Con la excepción de poderes bajos, y con carácter experimental, no se dispone de fibras ópticas flexibles para láseres de dióxido de carbono.

Fig. 19: Algunas longitudes de onda quirúrgicas pueden ser transmitidas a través de una fibra flexible de vidrio. Para estos láseres el sistema de suministro más común es la pieza de mano con fibra óptica descartable. La fibra flexible mostrada aquí es para ser usada con el láser Nd:YAG operando a una longitud de onda de 1.06 m m.