Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

Г л а в а 4

ЛАЗЕРЫ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ

4.1. Принцип работы лазера и свойства лазерного излучения

Лазер представляет собой генератор оптических колебаний, использующий энергию индуцированно излучающих атомов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии, которые обладают свойством усиливать свет определенных длин волн [978]. В качестве обратной связи в лазерах используют зеркала, которые образуют оптический резонатор. Зеркала имеют необходимый коэффициент отражения, обычно выходное зеркало в пределах 75–99 %, а «глухое» — 98 %, и обеспечивают достаточное число проходов пучка света через усиливающую среду (50–300), чтобы все потери света в системе были скомпенсированы за счет усиления активной среды и возникала генерация излучения. Населенность верхнего и нижнего уровней энергии атомов и молекул пропорциональны скорости накачки Λa, Λb и обратно пропорциональны скоростям релаксации уровней γa, γb (обратным временам жизни уровней) (рис. 4.1). Следовательно, разность заселенностей уровней

Na − Nb = Λa − Λb .

γb γa

Рис. 4.1. Двухуровневая схема создания инверсии активной среды (Na, b — населенности верхнего и нижнего возбужденных уровней энергии молекул активной cреды; Λa, b — соответствующие скорости накачки уровней; γa, b — скорости релаксации уровней; hν — энергия кванта света (жирными стрелками показаны

индуцированные переходы))

Усиление света в системе возможно в том случае, если в ней создана инверсная заселенность (Na − Nb > 0), обеспечивающая преобладание актов индуцированного излучения (см. рис. 4.1, прямая стрелка вниз) над актами индуцированного поглощения (прямая стрелка вверх) и спонтанного разрушения верхнего уровня (волнистая стрелка вниз, γa). Инверсия может быть создана, если Λa > Λb (при γa ≈ γb) или γb γa (при Λa 6 Λb). В зависимости от рабочего вещества и способа его возбуждения (накачки) инверсия может существовать непрерывно или в течение некоторого времени, поэтому лазеры делятся на непрерывные и импульсные. В качестве рабочих можно использовать вещества во всех агрегатных состояниях: газы, жидкости, твердые тела. По этим признакам лазеры делятся на газовые, жидкостные, твердотельные. Лазеры также различают по способу накачки (создания инверсии): с оптической накачкой, газоразрядные, химические, инжекционные.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 4.2. Возможны и более сложные схемы лазеров: с многозеркальными резонаторами, с внутрирезонаторными оптическими элементами, с расположением зеркал внутри активного элемента. Основной вклад в излучение обычного (теплового) источника света дают спонтанные переходы

с верхнего возбужденного уровня a на нижний b (см. рис. 4.1), т. е. в системе отсутствуют инверсия и оптическая обратная связь, приводящие к существенным различиям в свойствах лазерных и нелазерных источников света. Лазерные источники обладают высокими монохроматичностью (временн´ой когерентностью), пространственной когерентностью, направленностью, поляризованностью; значительными интенсивностью и яркостью излучения, сверхкороткой длительностью импульсов генерации и перестраиваемостью длины волны [7, 14, 17, 25, 35, 36, 39, 205, 978–1112].

Рис. 4.2. Принципиальная схема лазера (L — длина резонатора; z, r — продольная и поперечная координаты; I(r, z) — интенсивность излучения в точке (r, z); 1 — накачка; 2 — активный элемент; 3 — зеркала; 4 — лазерный пучок)

Монохроматичность (временная когерентность). Монохроматичность, или высокая спектральная плотность мощности (интенсивности) излучения, или значительная временная когерентность лазерного излучения, обеспечивает, во-первых, проведение спектрального анализа с разрешением, на много порядков превышающим разрешение традиционных спектрометров; во-вторых, высокую степень селективности возбуждения определенного сорта молекул в их смеси, что очень важно именно в биологии; в-третьих, реализацию голографических, дифрактометрических и интерферометрических методов диагностики биообъектов.

Степень монохроматичности одномодового лазера определяется шириной линии генерации возбужденной моды δνг. Теоретический предел для δνг, определяемый квантовыми флуктуациями, чрезвычайно мал и для различных лазеров непрерывного действия лежит в пределах от долей герца до десятков килогерц. В реальных лабораторных условиях линия генерации дополнительно уширяется за счет вибраций, акустических шумов, плазменных колебаний в активной среде и составляет величину от десятков герц до десятков мегагерц. Для импульсных лазеров ширина линии ограничена длительностью импульса τи:

δνг ≈ 1/τи,

и может составлять довольно значительные величины для лазеров с короткой длительностью импульсов (для τи ≈ 1 нс δνг ≈ 1 ГГц).

Для лазеров, работающих на многих продольных модах, ситуация усложняется. В зависимости от решаемых задач и конкретных условий измерений можно обеспечить различную степень монохроматичности. С одной стороны, отдельная мода практически сохраняет свою высокую монохроматичность (узкая ширина линии δνг), а с другой — мод становится много и их спектр занимает уже ширину

νг ≈ N (c/2nL), где N — число мод, c/2nL — частотное расстояние между модами, определяемое оптической длиной резонатора nL (рис. 4.3). Поэтому если вещество исследуемого объекта имеет спектральную структуру, сравнимую с δνг, и в схеме измерений обеспечено выделение отдельной моды, то монохроматичность лазера

214 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

может быть использована в полном объеме. В противном случае монохроматичность

т. е. его способности образовать четкую интерференционную картину при соответствующей временной задержке складываемых пучков. Удобно временную когерентность характеризовать длиной когерентности:

Таким образом, для одномодовых лазеров непрерывного действия длина когерентности, т. е. допустимая длина разности хода интерферирующих пучков, может быть чрезвычайно большой, 3 · 108–3 · 102 см (δνг ≈ 100 Гц — 100 МГц), что, вообще говоря, превосходит типичные потребности биологических и медицинских исследований.

Для импульсных лазеров длина когерентности определяется длительностью импульса, lк ≈ cτи (lк ≈ 30 см при τи = 1 нс). Для многомодовых лазеров с непрерывной накачкой степень когерентности в зависимости от расстояния носит осциллирующий характер: сначала она падает от единицы до нуля на длине lк ≈ c/ νг, а затем снова восстанавливается на длине, равной двум, четырем и так далее длинам резонатора. Полная потеря когерентности произойдет лишь на длине c/δνг. Таким образом, при использовании многомодовых лазеров в интерференционных и голографических измерениях необходимо обращать внимание на это обстоятельство. Конечно, в биологических опытах практическое значение имеют не слишком большие задержки, поэтому целесообразно работать при длинах, соответствующих первому максимуму степени когерентности, т. е. для l < lк ≈ c/ νг ≈ 2nL/N . Для Не–Nе-лазера (λ = 632,8 нм)

νг ≈ 2 ГГц, а lк ≈ 15 см.

Тепловые источники, например натриевая лампа (одна линия), имеют время когерентности порядка 100 пс, т. е. lк ≈ 3 см. Заметим, что лазеры с субнаносекундной длительностью импульсов или с шириной полосы генерации в несколько гигагерц

имеют такую же малую длину когерентности. В то же время маломодовые или одномодовые лазеры могут иметь чрезвычайно большую длину когерентности. Значения длины когерентности некоторых источников света, наиболее часто употребляемых

вбиологии и медицине, представлены в табл. 4.1.

Та б л и ц а 4.1. Длина когерентности излучения некоторых источников света

Пространственная когерентность и направленности лазерных пучков. Пространственная когерентность излучения лазеров дает возможность получать пучки света с высокой степенью их направленности (коллимированности) и позволяет фокусировать их на объекте до чрезвычайно малых размеров, что в отличие от тепловых источников обеспечивает дистанционность анализа изучаемых объектов, локальность исследований и эффективность транспортировки излучения по волоконным световодам.

Лазеры, как правило, излучают пространственно-когерентные гауссовы пучки (ТЕМ00-мода), т. е. пучки, в которых интенсивность поперек пучка (по координате r) описывается гауссовой функцией (см. рис. 4.2):

здесь I(0, z) — интенсивность в центре пучка (r = 0); w(z) — радиус пучка лазера; z — продольная координата.

где λ — длина волны излучения; w(0) — радиус пучка в перетяжке при z = 0 (наиболее узкой части пучка, которая обычно находится внутри резонатора лазера или на выходном зеркале). Параметры w(0) и ϑ являются важными характеристиками

на биообъект часть пучка будет существенно меньше его размеров. Таким способом можно, например, проводить тонкую внутриклеточную «хирургию», оперируя фактически с помощью самой «горячей» точечной области в центре сфокусированного пучка лазера.

Важной характеристикой при биологических исследованиях является глубина резкости фокусировки, которая лежит в основе лазерной микрохирургии и определяет продольный размер объема сфокусированного пучка [982]:

При d ≈ λ, ≈ d ≈ λ. При d > λ глубина резкости больше размера пучка в фокусе. Роль расходимости излучения можно представить себе, если сравнить интенсивности излучения, полученные от теплового и лазерного источников одинаковой

мощности P , расположенных на расстоянии z от биообъекта [982]:

Поляризованность. Лазеры характеризуются высокой степенью поляризованно-

сти излучения, что является следствием когерентности их излучения. Однако вид поляризации (линейная, круговая, эллиптическая) у разных лазеров может быть различен. В большинстве случаев тип поляризации связан со свойствами оптического резонатора, а иногда с особенностями активной среды (среда во внешнем магнитном поле). Резонаторы с очень сильной амплитудной анизотропией, создаваемой брюстеровскими окошками газоразрядной трубки или внутренними призмами, имеют устойчивую линейную поляризацию. Для промышленных лазеров с линейной поляризацией степень поляризованности, т. е. отношение интенсивностей света при взаимноортогональных положениях поляризационного анализатора, Ik : I = 500 : 1. Для лазеров с малым усилением квантовые и технические флуктуации практически не приводят к деполяризации излучения; для лазеров, имеющих значительный коэффициент усиления активной среды, например Не–Nе с λ = 3,39 мкм, внешнее магнитное поле существенно влияет на характер поляризации.

Другой класс часто используемых резонаторов лазеров — изотропные резонаторы. Промышленность выпускает лазеры с внутренними зеркалами. Высокое качество зеркал таких лазеров обеспечивает идеальную круговую поляризацию излучения, Ik : I = 1 : 1. Но степень поляризации (азимут и эллиптичность) оказывается более чувствительной к возмущениям, чем в случае сильно анизотропных резонаторов. В многомодовых лазерах с изотропными резонаторами (или со слабой анизотропией) поляризация отдельных мод изменяется сложным образом в зависимости от изменения параметров лазеров, и для некоторых промышленных лазеров это служит причиной скачков и медленных изменений поляризации, а следовательно, значительной нестабильности оптической мощности в измерительном тракте, содержащем оптические элементы.

Передача лазерного излучения по волоконным световодам круглого сечения приводит к деполяризации излучения за счет возбуждения многих волноводных мод. В зависимости от качества световода длина, на которой происходит полная деполяризация излучения, изменяется от нескольких сантиметров до нескольких метров. Сравнительно широкие медицинские световоды с диаметром сердцевины 400–1000 мкм имеют малую длину деполяризации (несколько сантиметров). Разработаны специальные одномодовые анизотропные световоды, которые сохраняют состояние поляризации, но

поперечный размер их сердцевины чрезвычайно мал, 5–7 мкм, поэтому существует проблема ввода излучения в такие световоды (см. гл. 5).

Интенсивность и яркость. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную световую энергию, тем самым вызвать многофотонные и другие нелинейные процессы в биологической среде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический взрыв и т. д. Во многих случаях важна высокая спектральная плотность интенсивности излучения, которая при равных мощностях, приходящихся на одинаковые площади поверхности, оказывается существенно выше у лазерного источника, чем у теплового. Разница появляется из-за более узкой спектральной линии лазера, по сравнению с тепловым источником, и составляет от нескольких до десятков порядков. Учет разной расходимости лазерных и нелазерных источников света показывает (см. (4.7)), что интенсивность лазерных источников оказывается значительно выше, в 102–106 раз, чем нелазерных, при равной мощности их излучения.

К важнейшим параметрам источника света относится не только мощность и интенсивность, но и яркость. Яркость определяется как мощность на единицу площади и единицу телесного угла, или интенсивность в телесном угле. Для пучка круглого сечения радиусом w(0), расходимостью ϑ и полной мощностью P имеем [982]

Интенсивность, которую получают в фокусе линзы, оказывается тем больше, чем больше яркость пучка. Оптическая обработка пучка с помощью системы линз и других оптических элементов, как правило, не увеличивает яркость, поскольку сжатие пучка всегда сопровождается увеличением его расходимости (см. (4.2) и (4.8)).

Так же как и спектральная плотность интенсивности, важным параметром является спектральная плотность яркости Bν = B/ ν или Bλ = B/ λ, где ν или λ — ширина линии источника, ν = c(Δλ/λ2).

Интересно сравнить яркость часто используемой в биологических исследованиях дуговой, например ксеноновой, лампы киловаттной мощности и аргонового

источника — ртутной лампы высокого давления с выходной мощностью 100 Вт,

Сверхкороткая длительность. Одним из замечательных свойств лазеров является возможность получения импульсов пикосекундной и фемтосекундной длительности. В видимой области удалось вплотную подойти к теоретическому пределу по длительности (два-три периода световых колебаний) и сформировать импульс длительностью 6 фс, что составляет всего три световых колебания. Это дает возможность изучать очень быстрые первичные фотопроцессы в биологии прямыми, а не косвенными методами, а также многоступенчато возбуждать высокие энергетические

состояния молекул за время значительно меньшее, чем скорость релаксации любого промежуточного состояния [294].

Для изучения большинства быстрых фотопроцессов в биологии достаточной оказывается длительность импульсов в несколько пикосекунд, но для изучения ультрабыстрых стадий преобразования энергии некоторыми биомолекулами необходимы и субпикосекундные источники (около 100 фс) [294]. Однако чем короче

τи ≈ 2 фс, λ ≈ 400 нм, что перекрывает всю видимую область, т. е. лазер излучает белый свет, при этом длина когерентности его излучения не превышает 1 мкм. Для создания лазеров с ультракороткой длительностью импульсов используют режим фазовой синхронизации многих продольных мод.

Перестраиваемость длины волны. Свойство лазеров перестраивать длину волны в совокупности с чрезвычайной монохроматичностью излучения позволяет использовать лазеры в качестве спектрометров ультравысокого разрешения. Любой лазер допускает перестройку частоты (длины волны). Правда, для одних лазеров она может быть только дискретной с очень узким диапазоном перестройки вблизи дискретных длин волн, а для других — непрерывной в довольно широком диапазоне длин волн. Наличие перестраиваемых лазеров во всем диапазоне от УФ до ИК позволяет селективно возбуждать практически любые состояния биомолекулы и отдельных ее фрагментов.

Образование спеклов. Одним из важных для применения лазеров свойств является способность формировать спекл-картину при отражении когерентного света от шероховатой поверхности (см. главу 2). Рассеянный поверхностью свет состоит из хаотического скопления темных и светлых пятен (спеклов). Спекл-картина формируется за счет сложной интерференции вторичных волн от рассеивающих центров, расположенных на поверхности объекта и в приповерхностном слое, куда проникает свет. Поскольку биообъекты в большинстве своем шероховаты, оптически прозрачны и неоднородны, то они всегда должны формировать спекл-картину и тем самым вносить некоторые искажения в результаты исследований. С другой стороны, спекл-поле несет информацию о свойствах поверхности и приповерхностного слоя, что используется, например, в диагностических целях.

Если спекл-картина наблюдается на достаточно удаленном от объекта экране,

где l — расстояние от объекта до экрана, w — радиус лазерного пучка на объекте, l > 2dcw/λ.

4.2. Газовые лазеры

Рассмотрение принципов работы и параметров излучения наиболее интересных для биологии лазеров и лазерных систем [978–1112] (на рис. 4.4 и 4.5 показаны примерные уровни их мощности и энергии, а также спектральные диапазоны перестройки) начнем с газовых лазеров.

Наиболее простым и доступным среди газовых лазеров, да и среди всех остальных, является гелий-неоновый (Не–Nе) лазер, работающий на возбужденных атомах неона. Накачка осуществляется с помощью тлеющего разряда, возбуждаемого в узком капилляре (1–5 мм), заполненном гелием и неоном в соотношении (5–10) : 1 при общем давлении (1–5) · 133 Па. Лазер может работать на многих линиях в видимой и

ближней ИК-области спектра (всего более 200 линий). Однако наиболее интенсивными являются линии с длинами волн λ = 632,8, 1152,3 и 3391,2 нм. Уровень выходной мощности в зависимости от конструкции (в основном, длины активного элемента) составляет от долей до сотен милливатт. Для линии 632,8 нм удельная мощность

сединицы активного элемента равна 50 мВт/м при удельной мощности разряда 50 Вт/м. Для получения такого значения удельной мощности и стабильной генерации лазера необходимо подавлять сопутствующую генерацию на λ = 3391,2 нм, для чего разработаны разнообразные средства, широко применяемые в коммерческих и лабораторных образцах лазеров.

Наиболее простым и надежным средством, позволяющим получить высокую стабильность параметров излучения, является применение специальной технологии интерференционных покрытий зеркал лазера, обеспечивающих высокое отражение на рабочей длине волны и малое — на длине волны конкурирующего перехода. Такой путь открывает возможность создания целой гаммы стабильных и надежных Не–Nе-лазеров с достаточной мощностью и широким набором длин волн, удовлетворяющих потребностям многих задач диагностики и терапии. Ряд зарубежных фирм выпускает Не–Nе-лазеры с «новыми», нетрадиционными, длинами волн.

Фирма РМS Electro-Optics выпускает около 100 различных типов Не–Nе-лазеров, параметры некоторых из них представлены в табл. 4.2. В зависимости от модифика-

ции лазеры могут работать в режиме только продольных мод (ТЕМ00) или многих мод (ТЕМmn), иметь линейную или случайную поляризацию, излучать на одной, двух длинах волн или перестраиваться по длинам волн. Кроме указанных в табл. 4.2 лазеров фирма производит лазеры с λ = 730 и 2396 нм.

Данные табл. 4.2 иллюстрируют возможности дискретной перестройки длины волны Не–Nе-лазера путем замены зеркал, оптимизированных на генерацию конкретной линии излучения. Для получения генерации на линиях с малым усилением зеркала должны быть просветлены (иметь малый коэффициент отражения) на линиях

сбольшим коэффициентом усиления с λ = 632,8 и 3391,2 нм [1004]. Заменой зеркал

легко произвести перестройку серийных лазеров, работающих на λ = 632,8 нм, на любую другую длину волны. Например, в [1004] описан ряд созданных на базе промышленных конструкций лазеров, в том числе лазер типа ЛГН-208, перестроенный на λ = 612,0 нм. При активной длине разряда 150 мм и диаметре капилляра d = 1 мм мощность излучения лазера достигает 0,5 мВт. Отечественная промышленность выпускает двух- и трехцветные лазеры типа ЛГН-215 с длинами волн 632,8 нм (55 мВт) и 730,5 нм (1–3 мВт) и типа ЛГН-113 с λ = 632,8 нм (10 мВт), 1152,3 нм (3 мВт) и 3391,2 нм (3 мВт). Перестройка длины волны осуществляется заменой зеркал, в последнем случае сменные выходные зеркала располагаются на турели, что дает возможность быстрой перенастройки лазера.

Конечно, перестройка длин волн путем замены зеркал не всегда удобна, поэтому часто в лабораторных условиях используют более широкополосные зеркала, допускающие одновременную генерацию на нескольких линиях, а перестройку осуществляют поворотом дисперсионного элемента внутри резонатора (призмы). Таким способом можно без изменений наполнения активного элемента лазера

перестраиваемых лазеров с другим набором длин волн представлена в табл. 4.2.

Использование поворачивающихся призм внутри резонатора дает последовательную генерацию на восьми длинах волн в диапазоне 543,3–730,5 нм с мощностью до 30 мВт, на λ = 632,8 нм и 10 мВт на λ = 611,8 нм, а также вблизи λ = 1152,3 нм (1079,8; 1084,4; 1140,9; 1160,1; 1161,4; 1176,7; 1198,6) с мощностью от долей до