Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

нескольких милливатт на каждой линии [1004–1008]. Перестройку длин волн можно осуществлять и более простым способом — путем изменения длины резонатора, однако при этом необходим контроль выходной мощности лазера [982, 993, 1008, 1009]. В [1009] описан лазер с быстрым переключением следующих длин волн: 632,8 нм (0,6 мВт), 3391,2 нм (1,5 мВт), 4218,3 нм (0,6 мВт). Гелий-неоновые лазеры могут работать и на более длинных волнах. В [1010] описан лазер с длиной волны 5404,8 нм (0,1 мВт). Вообще Не–Nе-лазеры генерируют излучение вплоть до 57 мкм [979]. Гелий-неоновые лазеры характеризуются высокой стабильностью параметров излучения и значительным сроком службы (до 100 тыс. ч). Кратковременные флуктуации выходной мощности серийных лазеров и ее долговременные уходы составляют обычно несколько процентов [982, 993, 1011]. В качестве примера в табл. 4.3 приведены параметры двух промышленных отечественных лазеров, которые представляют интерес для применения в биомедицине. Лазеры выпускаются с внешними или внутренними зеркалами. В первом случае для герметизации активного элемента используются окна Брюстера и излучение лазера становится линейно поляризованным с высокой степенью поляризации, Ik/I = 500 : 1. Во втором случае удается несколько повысить выходную мощность, а поляризация излучения оказывается круговой с равным соотношением интенсивностей для двух взаимно перпендикулярных направлений поляризации Ik/I = 1 : 1.

224 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

высоким усилением, узкой линией генерации и сравнительно малой мощностью (не более 10 мВт на λ = 3508 нм при длине лазера L ≈ 0,5 м) [1011].

При всех достоинствах Не–Nе- и Не–Хе-лазеров они имеют ряд существенных недостатков, к которым можно отнести малый коэффициент полезного действия (КПД), около 0,1 %, и малый уровень выходной мощности. Более значительными КПД и уровнями средней мощности обладают импульсные атомарные лазеры, использующие пары´ изолированных атомов в качестве рабочей среды — это лазеры на так называемых самоограниченных переходах [978]. Интересными для биомедицинских применений являются лазеры на парах меди и золота, генерирующие интенсивное излучение в видимом диапазоне на зеленой, желтой и красной линиях [1094]. Наиболее интенсивной (около 70 % от общей интенсивности) является зеленая линия медного лазера с λ = 510,5 нм. Длина волны желтой линии равна 578,2 нм. Красное излучение лазера на парах золота имеет длину волны 627,8 нм.

Схематически конструкция рассматриваемых лазеров показана на рис. 4.6, д. Инверсия создается импульсным газовым разрядом в смеси паров металла и буферного газа (гелия и неона). Обеспечивается высокая температура внутри активного элемента (1500–1700 ◦C). Средняя мощность у медных лазеров, выпускаемых промышленностью, P = 1–40 Вт, частота следования импульсов f = 2–30 кГц, их длительность τи = 3–50 нс, мощность в импульсе достигает 200 кВт, энергия в импульсе, определяемая соотношением Eи = Pиτи = Pср/f , составляет примерно

2 · 10−3 Дж. Для лазеров на парах золота при прочих равных условиях средняя мощность в 4–8 раз меньше, примерно во столько же раз меньше энергия в импульсе. КПД медного лазера составляет 1 %. Угловая расходимость излучения примерно такая же, как у Не–Nе-лазера, т. е. около 2 мрад, диаметр пучка для 8-ваттного лазера — около 15 мм. Благодаря значительному усилению среды использование неустойчивого резонатора позволяет снизить расходимость до 0,9 мрад. Разработаны трехцветные лазеры на смеси меди и золота, а также лазеры специального медицинского применения, в том числе полностью автоматизированные, с водяным и воздушным охлаждением [1013–1016, 1094]. Атомарные лазеры на парах металлов интересны тем, что являются самыми мощными источниками излучения в видимой области, особенно важны зеленая и красная линии; их излучение хорошо пропускается волоконными световодами (до 70 % при диаметре световода 1000 мкм). Они обладают узкой линией и имеют малую расходимость, поэтому используются для эффективной накачки лазеров на красителях, работающих в диапазоне 530–950 нм.

Среди ионных лазеров на благородных газах наибольшее распространение получили лазеры на однократно ионизированных атомах аргона и криптона

[978–980, 993, 997, 1011, 1017–1023]. Для возбуждения используется дуговой разряд. Такие лазеры являются самыми мощными лазерами непрерывного действия видимого и ближнего УФ-диапазонов длин волн. Суммарная мощность P на многих линиях промышленных лазеров (данные фирм: LiCONiX, American Laser, Laser Ionics, Coherent, Omnichrome и др.) в области длин волн 457,9–514,5 нм достигает 50 Вт, а в УФ-области (351,1–363,8 нм) P 6 5 Вт. Для криптонового лазера на λ = 647,1–676,4 нм P 6 14 Вт, на λ = 350,7–356,4 нм P 6 4,6 Вт. Для лазеров на смеси газов (Аr + Кr) P 6 20 Вт.

В зависимости от типа и конструктивных особенностей Аr- и Кr-лазеры могут работать на многих линиях в различных спектральных диапазонах, на одной линии (в многомодовом или одномодовом режимах) или даже на единственной продольной

линий в диапазоне 491,2–775,8 нм с максимальной мощностью на линиях с λ = 747,9 и 758,8 нм.

Промышленность у нас в стране и за рубежом выпускает разнообразные модификации Не–Сd-лазеров. Они применяются в микрофлуориметрии, КР-спектро- скопии, новых цитометрических системах, лазерных микроскопах, разнообразных терапевтических приложениях и пр. Мощность излучения промышленных лазеров (данные НПО «Плазма» и фирм: Omnichrome, LiCONiX, Nihon Dempa Kogyo (NDK)

идр.) на λ = 441,6 нм составляет 8–200 мВт, на λ = 325,0 нм — 1–75 мВт, размер

пучка равен 0,8–3,0 мм, расходимость — 0,4–1,0 мрад, кратковременные флуктуации выходной мощности в полосе частот 10–106 Гц — обычно 6–10 %, у лучших образцов — менее 1 %, долговременные флуктуации — 5–10 % за 8 ч, а у лучших образцов — 5 % за 24 ч. Выпускаются лазеры двух типов: с внутренними зеркалами

ис брюстеровскими окнами у активных элементов. Первые из них характеризуются более высокой мощностью и круговой поляризацией излучения, вторые — дают линейно поляризованное излучение высокой степени поляризации, (100–500) : 1. Срок службы лазеров достигает 10 тыс. ч.

Различные модификации Не–Сd-лазеров с полым катодом фирмы NDK дают высокостабильное по мощности излучение на синей линии (λ = 441,6 нм), зеленом

икрасном дублетах (λ = 533,7 и 537,8 нм; λ = 635,5 и 636 нм) с общей мощностью от 15 до 50 мВт. То есть такие лазеры излучают свет, близкий к белому

имогут быть применены в специальных видах диагностики или терапии. В лазерах с полым катодом белое излучение с примерно равными интенсивностями излучения на λ = 441,6 нм, 533,7/537,8 нм и 615,0 нм (Нg) получают при использовании комбинированной активной среды Не–Сd–Нg [1024].

Инфракрасные молекулярные СО2-лазеры находят широкое применение в хирургии и косметологии, их излучение используется также в терапии и диагностике, в экологических исследованиях при анализе загрязнений окружающей среды и т. п.

СО2-лазер излучает на колебательно-вращательных линиях молекулярных полос в области длин волн 9,4 и 10,4 мкм [978–982, 993, 997, 1000, 1011]. Он может работать на многих линиях из этих полос (до 110) в области длин волн от 9,2 до 11,1 мкм [1026]. Перестройка линий генерации обычно осуществляется с помощью дифракционной решетки, используемой в качестве одного из зеркал лазера. Наибольшее усиление имеют линии Р(18), Р(20) и Р(22), длины волн которых близки к λ = 10,6 мкм, поэтому лазер без дисперсионного элемента работает на этой длине волны. Для возбуждения лазера непрерывного действия используется продольный тлеющий разряд постоянного тока в многокомпонентной смеси (обычно СО2–N2–Не–Хе при общем давлении (15–20) · 133 Па). Выходная мощность промышленных лазеров малой и средней мощности составляет 5–100 Вт, диаметр пучка — 5–10 мм, расходимость — 1–5 мрад. СО2-лазер отличается высоким КПД (10–20 %).

Для активных элементов диаметром около 10 мм реализуется одномодовый режим с уровнем мощности почти до 70 Вт [1000]. Импульсные так называемые ТЕА СО2-лазеры возбуждаются поперечным разрядом и работают при давлениях смесей СО2:N2:Не, близких к атмосферному. Существуют и другие способы возбуждения активной среды СО2-лазеров [993, 1000], среди которых следует выделить поперечный высокочастотный (ВЧ) разряд, при его использовании удается конструировать малогабаритные лазеры с высокими эксплуатационными характеристиками.

Перспективными для диагностики и терапии представляются малогабаритные волноводные СО2-лазеры, имеющие узкий рабочий капилляр (волновод), повышенное давление смеси (от 1,3 кПа до атмосферного), что обеспечивает сравнительно

8*

высокие уровни мощности с единицы длины, значительную перестройку частоты

впределах одной линии излучения (порядка 1,5 ГГц). Выходная мощность волновод-

ных СО2-лазеров в непрерывном режиме может достигать 30 Вт, типичное значение мощности для компактного лазера 1–10 Вт, диаметр пучка — около 1 мм, однако расходимость оказывается значительной, порядка 10 мрад.

Поперечное высокочастотное возбуждение и высокое давление смеси газов поз-

воляют реализовать весьма компактный спектрометр с квазиплавной перестройкой длины волны в диапазоне 9,1–11,0 мкм (1096–908 см−1). Более плавную перестройку

вэтом диапазоне длин волн можно получить при работе на смеси изотопов молекулы

СО2. При использовании полос секвенции и горячих полос в сочетании с различными изотопами СО2-генерация может быть получена на нескольких тысячах перекрывающихся линий в диапазоне 8,3–12,5 мкм [1027]. Типичные схемы CO2-лазеров показаны на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Типичная схема молекулярных CO2-лазеров малой и средней мощности: а — лазер с перестройкой длин волн с помощью поворота отражательной дифракционной решетки; б — волноводный лазер с поперечной высокочастотной (ВЧ) накачкой (1, 2 — зеркала; 3 — рабочий капилляр; 4 — рубашка водяного охлаждения; 5 — резервуар с рабочей смесью газов; 6 — дифракционная решетка; 7 — охлаждаемые водой плоские металлические электроды;

8 — генератор ВЧ-колебаний)

рения f = 100 Гц и длительностью импульсов τи = 70 нс [1028]. Металлокерамический волноводный СО2-лазер непрерывного действия с объемом активной среды 0,2 × 0,2 × 18,0 см3, ВЧ-возбуждением (125 МГц), максимальным КПД, равным 12 %, и максимальной выходной мощностью, равной 5,5 Вт, описан в [1029]. Разработанный фирмой Сименс малогабаритный СО2-лазер типа LGK 8000 с поперечным ВЧ-возбуждением (125 МГц) и модуляцией выходного излучения прямоугольными импульсами с частотой следования 100 Гц — 2 кГц специально предназначен для лазерной хирургии [1030]. Во многих медицинских и косметических приложениях будет полезен щелевой волноводный СО2-лазер с ВЧ-возбуждением (100 МГц), работающий в импульсно-периодическом режиме со средней мощностью 160 Вт, КПД около 10 %, и с малой расходимостью, порядка 2–3 мрад [1001].

Молекулярный СО-лазер работает в интервале длин волн 5–6,5 мкм [994]. Он обладает еще большим КПД (до 30–60 %), чем СО2-лазер, сравнимыми с СО2-лазером уровнями мощности, также может перестраиваться в широком диапазоне длин волн, генерировать в непрерывном и импульсном режимах. Рабочая смесь газов содержит гелий, азот, ксенон и кислород. Возможно создание компактных инфракрасных спектрометров на основе перестраиваемых волноводных СО-лазеров с поперечным высокочастотным возбуждением.

СО-лазеры перспективны для хирургических и терапевтических целей, поскольку благодаря более короткой длине волны излучения, по сравнению с СО2-лазерами (б´ольшая глубина проникновения в мягкие биоткани), они дают ряд положительных медицинских эффектов (уменьшение кровотечения, снижение порога испарения ткани). Кроме того, излучение СО-лазеров в меньшей степени ослабляется при прохождении через волоконные световоды.

Отечественная промышленность выпускает СО-лазеры типа ИЛГН-706 с выходной мощностью 10–15 Вт в многомодовом и 3–5 Вт в одномодовом режимах генерации, излучение происходит на многих линиях в диапазоне 5,1–6,2 мкм, диаметр лазерного пучка — 8 мм в многомодовом и 6 мм в одномодовом режимах, расходимость излучения — 3 мрад, излучение линейно поляризовано. На базе аналогичного активного элемента, как и у лазера ИЛГН-706, но с обоими внутренними зеркалами, создан лазер типа ИЛГН-711 с выходной мощностью 35–40 Вт, диапазоном длин волн 5–6 мкм, диаметром пучка 8 мм, расходимостью 5 мрад и произвольной поляризацией лазерного излучения.

Воснову перестраиваемого одночастотного СО-лазера с дифракционной решеткой

вкачестве дисперсионного элемента (см. рис. 4.9, а) положен активный элемент лазера ИЛГН-706. Лазер имеет систему обратной связи для автоматической настройки частоты на центральную частоту выбранной линии генерации, малую нестабильность

мощности (менее 1 % за несколько часов), позволяет получать при перестройке до 90 линий в диапазоне от 1626 до 1910 см−1 с мощностью излучения на отдельных линиях от 50 мВт до 3 Вт.

СО-лазеры с выходной мощностью порядка 100 Вт также изготавливаются на основе активного элемента ИЛГН-706. Для достижения такой мощности сконструирован лазер с тремя активными элементами, размещенными параллельно друг другу

ведином «свернутом резонаторе» с длиной оптического пути 3,75 м. КПД лазера составляет 10–17 %.

Отечественной промышленностью выпускается также малогабаритный СО-ла-

зер типа ИЛГН-705-СО с выходной мощностью 2,5–3,0 Вт, областью генерации 5,2–6,1 мкм (1610–1831 см−1), в которой наблюдается 20–30 линий; КПД лазера составляет 5–7 %; нестабильность мощности не хуже 3 % за час работы; срок службы лазера превышает 1 тыс. ч.

Существуют многие типы молекулярных лазеров, работающих в ИК-области

и 337 мкм) и DCN-лазер (λ = 190–204 мкм). По своим параметрам они близки к СО2- и СО-лазерам и дают длинноволновое лазерное излучение, вплоть до миллиметрового диапазона [979, 997]. Разработаны сверхмалошумящие лазеры, использующие возбуждение ВЧ-разрядом (27,5 МГц), у которых шумы снижены на два порядка, а мощность в два-три раза выше, чем у лазеров с постоянным возбуждением [1002]. Такие лазеры с длиной резонатора, равной 2,5 м, имеют максимальную выходную мощность, равную 48 мВт для Н2O-среды (118,6 мкм) и 430 мВт для DCN-среды (189,95 мкм).

К газовым лазерам относятся также лазеры с оптической накачкой, работающие на парах высокомолекулярных соединений. Например, лазер на парах муравьиной кислоты (НСООН), накачиваемый излучением СО2-лазера с λ = 9,27 мкм (25 Вт), излучает на частоте νe = 23,13 см−1 (длина волны около 0,5 мм) с мощностью, равной нескольким милливаттам. Для терапевтических целей могут представлять интерес

субмиллиметровые волноводные лазеры со следующими параметрами [1031]:

Применяются и другие химические соединения: СН3Вr (λ = 545 и 1582 мкм), СD3Вr (λ = 351 и 554 мкм), СD3Сl (λ = 791 мкм), DСООН (λ = 362 и 528 мкм). Субмиллиметровые лазеры с оптической накачкой перекрывают широкий диапазон длин волн, от 70 до 1990 мкм.

Близкие характеристики к СО2- и СО-лазерам имеют химические лазеры (рис. 4.10). Генерация реализуется на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул галогеноводородных соединений [978, 995]. Химические лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах генерации, допускают дискретную перестройку длины волны в пределах колебательно-вращательных полос генерации: НF-лазер имеет λ = 2,5–3,4 мкм; НСl-лазер — 3,6–4,1 мкм; НВr-лазер — 4,0–4,1 мкм, DF-лазер — 3,5–4,5 мкм [995]. Отметим, что диапазон длин волн излучения НF-лазера приходится на максимум поглощения воды, поэтому его излучение эффективно для абляционного удаления биотканей.

Рис. 4.10. Типичная схема химических лазеров: 1, 2 — зеркала; 3 — рабочая камера для смеси газов (стрелками показано направление прокачки смеси для проточных лазеров); 4 — инициатор химической реакции

Молекулярные лазеры, работающие на электронно-колебательных переходах, излучают в УФ-диапазоне длин волн. Наиболее интересными из них являются лазер на молекулах азота, основная длина волны излучения которого равна 337,1 нм, и водородный лазер с излучением в вакуумном УФ (116 и 160 нм) [978–982, 997, 1032]. Азотные лазеры относятся к лазерам на самоограниченных переходах и могут работать только в импульсном режиме, правда, с довольно большой частотой повторения импульсов f , вплоть до 1 кГц, что для большинства медицинских применений эквивалентно непрерывной генерации. Рассматриваемые лазеры являются суперлюминесцентными, т. е. их излучение представляет собой усиленное спонтанное свечение, а зеркала служат лишь для снижения порога генерации и уменьшения расходимости излучения. Они имеют не очень высокие значения КПД — 0,01–1,00 %, среднюю мощность от нескольких милливатт до 1 Вт, длительность импульса 1–10 нс, мощность в импульсе 1–103 кВт. Субнаносекундный TEA азотный лазер с возбуждением бегущей волной при атмосферном давлении и мощностью в импульсе более 300 кВт описан в [1003]. Важно, что лазер может работать и на атмосферном воздухе, генерировать при этом импульсы мощностью до 100 кВт и длительностью 0,5 нс.

Важный и чрезвычайно перспективный класс молекулярных лазеров на электронных переходах составляют эксимерные лазеры [980, 982, 983, 997]. Рабочим веществом являются так называемые эксимеры — молекулы-димеры, существующие