Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие

ДГС). Гетероструктура на стыке с гомогенным полупроводником соз- дает потенциальный барьер, жестко ограничивающий отток носителей и четко определяющий границу активной области лазера.

Характерный вариант односторонней гетероструктуры (ОГС) представлен на рис. 15а. Активная область полупроводникового лазера ограничивается (формируется) с одной стороны (справа) гомогенным полупроводником (арсенидом галлия) с р-n-переходом, а с другой сто-

Рис. 15 Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с односторонней гетероструктурой (а)

роны (слева) - гетероструктурой (состоящей из арсенида галлия и арсе- нида алюминия р-типа). На стыке гомо- и гетероструктур граница ак- тивной области полупроводникового лазера определяется жестко и четко. Однако подобная граница в структуре гомогенного полупровод- ника (в зоне р-n-перехода) остается (рис. 15б) менее определенной (не- четкой).

Рис. 16 Формирование активной области (б) в полупроводниковом лазере с двойной гетероструктурой (а)

Создание второй гетероструктуры на стыке с гомогенным полу- проводником обеспечивает двустороннее ограничение активной облас-

41

ти полупроводникового лазера. В конкретном варианте (рис. 16а) базо- вый стержень из арсенида галлия р-типа ограничивается двумя слоями из арсенида алюминия - галлия n- и р-типа и соответственно двумя ге- теропереходами. В такой двойной гетероструктуре (ДГС) исключается существенное растекание инжектированного заряда (рис. 16б) и жестко определяются (формируются) границы активной области полупровод- никового лазера.

1.6.7 Характеристики типовых полупроводниковых лазерных структур (гомоструктуры, ОГС, ДГС) и их сравнение

Рис. 17 Сопоставление типовых структур полупроводниковых лазеров

Показаны гомоструктура (рис. 17а), гетероструктура с одним пе- реходом (рис. 17б) и двойная гетероструктура (рис. 17в). Выделены энергетические барьеры и показатели преломления на стыках полупро- водниковых структур, позволяющие составить обоснованное представ- ление об «электронном» и «оптическом» (волноводном) ограничениях лазерного излучения.

Согласно рис. 23а в гомоструктуре лазерные лучи почти не огра- ничиваются в активной области и заметно «растекаются» за ее преде-

42

лы. В односторонней гетероструктуре (рис. 17б) четкое ограничение лазерного излучения в активной области достигается на стыке с гетеро- переходом (с одной стороны). В двойной гетероструктуре (рис. 17в) лазерные лучи жестко концентрируются в весьма узкой активной об- ласти прибора [24].

Определим пороговые значения плотности тока для арсенид- галлиевого лазера, действующего при температуре 300 К (27° С).

Пороговой плотностью тока называется отношение инжекционно- го тока Iлд к площади wLz поверхности активного слоя. Здесь, как и ра- нее, Lz - длина оптического резонатора полупроводникового лазера, а w - ширина активного слоя.

Пороговые значения плотности тока (А/см2) для арсенид- галлиевого лазера, действующего при комнатной температуре:

Представим данные о коэффициенте полезного действия (КПД) и выходной мощности полупроводникового лазера. КПД инжекционных полупроводниковых лазеров определяется как отношение мощности выходного оптического излучения к мощности электрического возбуж- дения (инжекционной накачки). В таких лазерах весьма эффективен перевод энергии электрического тока в энергию возбужденных элек- тронов. Поэтому КПД инжекционных полупроводниковых лазеров дос- тигает значительной величины (10-20% и более), что существенно вы- ше, чем у большинства твердотельных и газовых лазеров.

43

Рис. 18 Расходимость оптического излучения полупроводникового лазера

Выходная мощность полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме составляет 10-100 мВт, а в импульсном режиме достигает 10100 Вт.

Рассмотрим данные об углах рассеяния и дистанционном распре- делении мощности оптического излучения, генерируемого полупро- водниковым лазером.

Распределение мощности светового потока оценивается в ближ- ней и дальней зонах видимости. Ближняя зона дает представление о распределении мощности лазерного излучения на торцевой поверхно- сти резонатора. Дальняя зона позволяет определить характер направ- ленности светового потока и распределения интенсивности излучения (рис. 18) в свободном пространстве (вне лазера).

В полупроводниковом лазере световой поток, излучаемый резона- тором, из-за дифракции существенно расширяется. На картине дальней зоны (рис. 18а) выделяют углы излучения θ║ в горизонтальной плоско- сти резонатора и углы излучения θ┴ в вертикальной плоскости (перпен- дикулярно резонатору), причем углы θ║ и θ┴ измеряются на уровне по- ловины максимальной интенсивности лазерного излучения. Из-за ди- фракции световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково: чем уже торец резонатора, тем больше угол излучения θ. В полупроводниковом лазере толщина d резонатора за- метно меньше его ширины w, поэтому угол излучения θ║ в горизон- тальной плоскости (рис. 18б) меньше угла θ┴ в вертикальной плоскости (рис. 18в), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое се-

44

чение (рис. 18а). Обычно θ║≈ 10-15°, a θ┴15° 20-40°, что явно больше, чем у твердотельных и особенно газовых лазеров.

1.6.8 Спектральные характеристики светодиодов и полупро- водниковых лазеров (лазерных диодов)

Рис. 19 Спектральные характеристики диодов: а – светоизлу- чающего; б, в -лазерных

Характеристики арсенидо-галлиевых диодов (рис.19) существенно различаются. Светодиод, генерирующий некогерентное оптическое из- лучение, имеет четко выраженную (с характерным пиком), но относи- тельно широкую спектральную характеристику (рис. 19а) в окрестно- сти длины волны λ0 (мкм) = 1,24/ E (эВ), определяемой шириной за- прещенной зоны E. Ширина спектральной линии (на уровне 0,5 излу- чаемой мощности) составляет Δλ = 30-50 нм. В спектре когерентного оптического излучения многомодового полупроводникового лазера присутствует несколько более узких спектральных полос (рис. 19б), а ширина спектральной линии, огибающей эти полосы, Δλ = 1-3 нм. Оп-

45

тическое излучение одномодового полупроводникового лазера форми- руется в весьма узкой спектральной области (рис. 19в) шириной Δλ = 0,1-0,4 нм.

1.6.9 Условия и механизмы постепенной (временной) деграда- ции и катастрофических отказов (разрушений) полупроводниковых

лазеров

При длительной деградации генерируемая мощность лазерного излучения постепенно (относительно медленно) уменьшается. Катаст- рофический отказ (разрушение) полупроводникового лазера может произойти весьма быстро (например, в течение одного импульса воз- буждения).

Факторы, вызывающие постепенную деградацию и катастрофиче- ские отказы полупроводниковых лазеров, многочисленны, но взаимо- связаны, так как существенно зависят от плотности возбуждающего тока, выходной оптической мощности и конструкции лазера. В процес- се активного действия полупроводникового лазера (со значительным током возбуждения и интенсивной энергетической отдачей) заметно повреждаются (с образованием ямок, трещин, канавок) зеркала (поли- рованные поверхности) оптического резонатора, возникают механиче- ские напряжения, локальные проплавления, пережоги контактов, уве- личивается концентрация центров безызлучательной рекомбинации.

Если энергетический (токовый) режим действия полупроводнико- вого лазера не выходит за предельно допустимые рамки, то интенсив- ность лазерного излучения спадает постепенно (в течение сотен и даже тысяч часов). При существенном нарушении энергетических ограниче- ний происходит катастрофический отказ (разрушение) полупроводни- кового лазера.

1.6.10 Технические способы повышения добротности полупро- водниковых лазеров

46

Добротность полупроводникового лазера из-за небольших разме- ров оптического резонатора относительно невелика и существенно (на три-четыре порядка и более) уступает добротности газового (например,

гелий-неонового) лазера. Поэтому, в частности, ширина спектральной линии полупроводникового лазера составляет несколько мегагерц. Применяют различные способы повышения добротности полупроводниковых лазеров.

В техническом варианте, представленном на рис. 20а, вводится зеркало, расположенное в нескольких сантиметрах от одной из торце- вых поверхностей лазера. На этот торец напыляется поглощающая пленка, которая уменьшает коэффициент отражения луча (обратного света), поступающего от введенного (внешнего) зеркала. Тем самым создается конструкция с увеличенной длиной оптического резонатора. Данное техническое решение позволяет увеличить добротность полу- проводникового лазера и сузить частотный спектр его излучения до

10кГц.

Втехническом варианте (рис. 20, б) к торцу полупроводникового лазера присоединяется одним концом волоконный световод (оптиче- ское волокно), а отражающим зеркалом служит полированный торец другого конца световода. Ширина частотного спектра полупроводни- кового лазера в этом случае уменьшается до 30 кГц.

Рис. 20 Повышение добротности полупроводниковых лазеров

Получение столь узкого частотного спектра (10-30 кГц) достига- ется в том случае, если фаза световой волны, отраженной от зеркала

47

или конца волоконного световода, совпадает с фазой излучаемой све- товой волны. Поэтому положение зеркала и длину оптического волокна следует регулировать с весьма высокой точностью (в пределах длины световой волны).

Глава 2. Классификация лазеров

Существуют многочисленные классификации лазеров. Рассмот- рим основные из них.

∙По физическому (агрегатному) состоянию рабочего веще-

ства лазера.

Газовые (гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, аргоновые, углеки- слотные и др.). Газовые лазеры многообразны по типу применяемой

среды: He-Ne, СO, CO2, N, Ar и др. Этим определяется очень широкий диапазон длин волн, на которых получена генерация. Накачка осущест- вляется путем создания разряда в трубке. Из всех типов газовые лазеры обладают самой минимальной шириной спектральной линии – до 10- 7 нм.

Эксимерные (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.). Экси-

мерные лазеры являются разновидностью газовых лазеров, работают на соединениях, которые могут существовать только в возбужденном со- стоянии: на галогенах и инертных газах (KrF, ArF и др.) Излучают в ультрафиолетовой области спектра.

Твердотельные (стекло, алюмоиттриевый гранат и др., легиро- ванные различными ионами). Твердотельные лазеры – используют пе- реходы активированных ионов. Собственно, эти ионы и являются ис- точником излучения, а кристалл или стекло лишь матрицей для них. Твердотельные лазеры могут быть как импульсными, так и непрерыв- ными.

Жидкостные (органические красители). Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне.

Полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид- галлиевые, селенид- свинцовые и др.) .

Полупроводниковые лазеры занимают особое место в силу своих конструктивных особенностей и физических принципов работы. Не- большие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимо- стью обеспечения высокой плотности тока накачки для достижения инверсной заселенности. У полупроводниковых лазеров накачка осу-

48

ществляется при приложении напряжения 0,5-3 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт. Необходимо заметить, что мы имеем в виду исключительно инжекционные полупроводниковые лазе- ры, накачиваемые прямым током, проходящим через диодную структу- ру (laser diode). Недостатком полупроводниковых лазеров является большая расходимость излучения, что ограничивает их применение в других областях, кроме лазерной терапии. Полупроводниковые лазеры работают в диапазоне длин волн от 0,63 до 15 мкм. Самое широкое распространение как в терапии, так и в хирургии получили лазеры в ближней инфракрасной (ИК) области (λ = 0,78–0,93 мкм) на основе кристалла Ga1-xAlxAs. В последнее время все большее распростране- ние получают полупроводниковые лазеры на основе AlGaInP (λ = 0,633–0,64 мкм), заменяющие традиционные He-Ne. Лазеры с дли- ной волны 0,67 мкм и средней мощностью до 10 Вт применяются также успешно и для фотодинамической терапии. Имеются сведения о начале производства зеленых (λ = 0,53 мкм) и голубых (λ = 0,42 мкм) полупро- водниковых лазеров на основе Zn1-xCdxSe, мощностью до 1 Вт и нара- боткой на отказ до 1000 часов [25].

∙По способу возбуждения рабочего вещества:

- оптическая накачка; - накачка за счет газового разряда;

- электронное возбуждение; - инжекция носителей заряда; - тепловая; - химическая реакция.

∙По длине волны излучения лазера.

Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3 нм), то принято считать излучение монохроматичным, и в его технических данных указывается конкретная длина волны, соот- ветствующая максимуму спектральной линии. Длина волны излучения определяется материалом рабочего вещества, но может изменяться в небольших пределах, например, от температуры. Одинаковые длины волн могут генерировать разные типы лазеров. Например, около λ = 633 нм работают лазеры: He-Ne, лазеры на красителях, на газовых парах золота, полупроводниковые (AlGaInP).

Существуют перестраиваемые лазеры - длина волны излучения кото- рых может изменяться. Ширина спектрального диапазона перестраи- ваемого лазера существенно больше ширины линии излучения.

49

∙По характеру излучаемой энергии (непрерывные и импульс-

ные лазеры).

Не следует смешивать понятия «импульсный лазер» и «лазер с модуля- цией непрерывного излучения», поскольку во втором случае мы полу- чаем, по сути, прерывистое излучение различной частоты и формы, но с максимальной мощностью, не превышающей значение в непрерыв- ном режиме или превышающей ее незначительно. Импульсные же ла- зеры обладают большой мощностью в импульсе, достигающей для не- которых типов 107 Вт и более, но длительность импульса чрезвычайно мала, а средняя мощность за период невелика.

∙По мощности лазеров.

Лазеры мощностью более 103 Вт относятся к высокоэнергетическим лазерам, мощностью менее 10-1 Вт – к низкоэнергетическим лазерам. К лазерам для медицины нужно подходить с точки зрения оказываемого ими воздействия на биологический объект. В некоторых случаях «ма- лая мощность» ≤ (100 мВт) может быть очень даже большой. В литера- туре по лазерной терапии низкоэнергетическое лазерное излучение классифицируется на «мягкое» – до 4 мВт/см2, «среднее» – от 4 до 30 мВт/см2 и «жесткое» – более 30 мВт/см2. В лечебном процессе «мяг- кое» излучение используют для рефлексотерапии по точкам классиче- ской акупунктуры, «среднее» – для воздействия на поверхностно рас- положенные патологические очаги либо на область проекции тех или иных органов. «Жесткое» низкоэнергетическое излучение, в частности гелий-неонового лазера, рекомендуют использовать в стоматологии при лечении некоторых заболеваний полости рта и зубов. Однако от- крытым остается вопрос в отношении энергетической классификации терапевтических импульсных лазеров, который необходимо рассматри- вать комплексно с позиции биологического действия лазерного излуче- ния, учитывая не только среднюю выходную мощность, но и уровень импульсной мощности, длительность импульса, длину волны и время воздействия лазерного излучения.

∙По коэффициенту полезного действия лазера.

Различают теоретически возможный (квантовый) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазе- ра к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый – до 1%, углекислот- ный 10-20%), у твердотельных до 50%, у полупроводниковых - 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Становится ясно, почему только

50