Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

232 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

се Eи = 1,1 Дж, средняя мощность Pср = 60 Вт, f = 100 Гц, τи = 60–80 нс, КПД —

около 1 %, ресурс без смены смеси больше 105 импульсов. Мощные эксимерные лазеры имеют среднюю мощность излучения вплоть до 400 Вт при очень высокой частоте повторения импульсов, f = 1 кГц.

Итак, высокая частота повторения импульсов, значительный уровень средней мощности, возможность перестройки частоты и, самое главное, целый набор УФ-ли- ний излучения позволяют считать эксимерные лазеры перспективными для исследований в биологии и медицине, а также для накачки лазеров на красителях.

4.3. Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры на красителях нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники, главным из которых является сверхчувствительная лазерная спектроскопия, в том числе и биологических объектов. Такие лазеры обладают всеми достоинствами идеальных лазерных источников: перестройкой длины волны в широких пределах; высоким уровнем мощности или энергии излучения; возможностью работы в непрерывном и импульсном режимах, получения узкой линии генерации в непрерывном режиме и генерирования сверхкоротких импульсов в режиме синхронной накачки короткими импульсами [415, 978–982, 987, 997, 1034].

Активные среды лазеров на красителях представляют собой размещенные в специальных кюветах или прокачиваемые в струе на воздухе растворы органических красителей, инверсия в которых создается за счет внешней оптической накачки с помощью ламп или лазеров (рис. 4.12). Лазеры на красителях обладают значительным КПД преобразования. Плавная перестройка длины волны излучения для одного типа красителя осуществляется в пределах нескольких десятков нанометров с помощью дисперсионных элементов внутри резонатора, при этом ширина спектральной линии излучения не превышает нескольких мегагерц. Заменой красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длины волны во всем спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК.

Наиболее простую конструкцию имеют импульсные лазеры на красителях с ламповой накачкой (см. рис. 4.12, а) [987, 1034]. Созданы десятки моделей промышленных образцов лазеров. Они перекрывают диапазон длин волн от 340 до 960 нм, при удвоении частоты — 217–380 нм, а при параметрическом преобразовании — 1,06–3,10 мкм. Энергия их излучения изменяется от 1 мДж до 50 Дж в периодическом режиме и достигает 400 Дж в режиме одиночных импульсов; средняя мощность — от 0,06 до 20 Вт; длительность импульса — от 0,007 до 8 мкс; частота повторения импульсов — от 1 кГц до одиночных импульсов; максимальный КПД лазеров — от 0,08 до 0,8 %. Ширина линии излучения лежит в пределах 4 · 10−1–10−3 нм, а рекордные значения для систем с усилителями достигают 10−4–10−5 нм. Расходимость излучения в зависимости от конструкций резонатора и кюветы с красителями изменяется в пределах от 0,3 до 100 мрад.

Эффективную накачку в импульсном режиме обеспечивают азотный, медный и эксимерные лазеры. Используется как поперечная, так и продольная накачка (вдоль оси резонатора) (см. рис. 4.12, б–г). Эффективность преобразования УФ-излучения азотного лазера в видимое излучение лазера на красителях составляет 10 %, диапазон перестройки такого лазера — 350–1000 нм и 217–310 нм с удвоением частоты [1036], ширина линии генерации — порядка 0,01 нм, а с эталоном Фабри–Перо внутри резонатора — около 0,001 нм, частота повторения импульсов — 50–100 Гц, длительность импульса — 5–10 нс, мощность в импульсе — около 105 Вт, расходимость лазерного пучка — примерно 10 мрад.

Рис. 4.12. Типичные схемы жидкостных лазеров на красителях: а — с ламповой накачкой, б — с поперечной лазерной накачкой, в — с продольной лазерной накачкой, г — с продольной лазерной накачкой и селекцией продольных мод (1, 2 — зеркала лазеров на красителях; 3 — кюветы с красителями или струя красителя на воздухе; 4 — коаксиальная лампа накачки; 5 — призма; 6 — дифракционная решетка в автоколлимационном режиме; 7 — расширитель пучка; 8 — лазер накачки; 9 — цилиндрическая линза; 10 — эталон; 11 — перестраиваемый

интерферометр Фабри–Перо; 12 — фильтр Лио (на основе двойного лучепреломления))

Для накачки эксимерными лазерами, излучающими много линий, характерными являются следующие параметры лазера: диапазон длин волн — 320–980 нм, средняя мощность — около 0,4 Вт, длительность импульса и ширина линии примерно такие же, как при накачке N2-лазером. Для промышленного лазера ЛЖИ-504 накачка медным лазером, излучающим в зеленой области спектра суммарную мощность 4 Вт, позволяет с помощью четырех красителей перекрыть диапазон длин волн 530–710 нм со средней мощностью около 600 мВт, длительность импульсов лазера — примерно 18 нс, частота их повторения — 10 кГц, ширина линии излучения — около 0,05 нм (с эталоном Фабри–Перо в резонаторе примерно 0,002), расходимость излучения — 3 мрад. Главным достоинством лазера является высокая частота повторения импульсов, обеспечивающая квазинепрерывный режим генерации. Фирма Oxford Lasers выпускает накачиваемый медным лазером лазер на красителях с высокой пиковой мощностью излучения, более чем 20 кВт, и частотой повторения импульсов вплоть до 12 кГц.

Импульсную генерацию красителей получают также при накачке излучением второй или третьей гармоник основной линии генерации АИГ:Nd-лазера с λ = 1064 нм, т. е. излучением с λ = 532 и 355 нм.

Лазеры на красителях являются уникальными перестраиваемыми источниками когерентного излучения и в непрерывном режиме. В этом случае в качестве лазеров накачки используются Аr- и Кr-лазеры. Для создания инверсии необходима жесткая фокусировка излучения накачки (до размера пучка 10–30 мкм), поскольку требуется высокая плотность мощности, порядка 1 МВт/см2. Необходимое охлаждение облучаемого красителя происходит за счет быстрой его прокачки (струя в воздухе) (см. рис. 2.12, г).

Эффективность преобразования для родамина-6Ж (λ = 600 нм) при накачке аргоновым лазером (λ = 458–514 нм) — около 25 %, примерно такую же эффективность преобразования имеет краситель оксазин-1 (λ = 750 нм) при накачке криптоно-

вым лазером (λ = 647–676 нм), остальные красители имеют меньшую эффективность, 3–15 %. Выходная мощность непрерывных лазеров на красителях достигает 30–40 Вт [980]. Мощность лазеров накачки равна обычно 1–25 Вт, обеспечивается перестройка длин волн лазеров на красителях в диапазоне 400–1000 нм, для одночастотных лазеров тонкая перестройка частоты осуществляется в пределах 10–30 ГГц, ширина линии не превышает 10–100 МГц, а при наличии системы стабилизации оказывается даже менее 100 кГц. Диаметр пучка лазеров — около 0,5 мм, их расходимость равна 1,5–2,0 мрад.

Фирма Spectra Physics в течение многих лет выпускает высокостабильные непрерывные лазеры на красителях, работающие в широком спектральном диапазоне, от 450 до 950 нм. Мощность излучения для некоторых красителей составляет около 1 Вт, режим ТЕМ00, диаметр пучка — 0,47–0,6 мм, расходимость — 1,24–1,58 мрад, поляризация линейная, ширина области генерации в пределах одного красителя — 20–60 ГГц, кратковременная и долговременная нестабильность мощности не хуже 0,5 %. Фирма выпускает также перестраиваемый одночастотный лазер с мощностью излучения 15–100 мВт в зависимости от типа красителя, с нестабильностью частоты (±5)–(±25) МГц и сканированием частоты в пределах 3–15 ГГц.

Разрабатываются новые типы эффективных красителей, например полиметиновые (цианиновые), позволяющие работать в УФ-, видимой и, что очень важно для медицины, в ближней ИК-области спектра, вплоть до 1600 нм [1038]. С другой стороны, удобство работы с лазером на красителях зависит от возможности работы без смены красителя в широком диапазоне длин волн. Этому требованию отвечают красители с областью перестройки порядка 100 нм в диапазонах 500–600 нм и 640–740 нм [1039].

Наибольшую энергию, вплоть до 1800 Дж, можно получать от лазеров на неорганических жидкостях [1040]. Активная среда таких лазеров состоит из неорганической жидкости, например оксихлорида фосфора (РОСl3) или оксихлорида селена (SеОСl2), которая является матрицей для внедрения в нее ионов Nd3+, возбуждаемых, как и в твердотельном лазере, светом лампы накачки. Линии генерации лазеров имеют длины волн 0,9; 1,06; 1,33 мкм. Наиболее интенсивная линия имеет длину волны 1,06 мкм. Лазеры обладают довольно значительным КПД, до 2,5–3,5 % (больше, чем у лазеров на стекле), однако имеют значительную расходимость, 2ϑ ≈ 10−1 рад. Для типичного лазера на РОСl3–ZrСl4–Nd3+, имеющего длину кюветы 16,5 см, диаметр 1,4 см, скорость прокачки активной среды 25 л/мин, в моноимпульсном режиме получено: τи = 20 нс, Eи = 220 МВт, Pср = 45 Вт [1040]. Лазер способен работать при f 6 10 Гц. При f = 10 Гц энергия в импульсе падает в 3 раза.

4.4. Твердотельные лазеры

Рубиновый лазер является первым в мире лазером, с него началась история лазеров и их применений (1960 г.). Лазер представляет собой рубиновый стержень, накачиваемый обычно светом спиральной или линейной ксеноновой лампы. Типичная схема твердотельного лазера с ламповой накачкой показана на рис. 4.13, а. При комнатной температуре лазер излучает красную линию на λ = 694,3 нм. Изменением температуры рубинового стержня в пределах 77–500 К длина волны перестраивается в пределах 50 см−1. По сравнению с другими твердотельными лазерами он имеет низкий КПД, около 0,1 %. Длительности импульсов в режиме свободной генерации составляют 1–3 мс, энергия в импульсе в ТЕМ00-моде — около 1 Дж, частота их повторения меньше или равна 1 Гц, расходимость излучения — порядка 1 мрад,

Рис. 4.13. Типичные схемы твердотельных лазеров: а — с ламповой накачкой; б — с продольной лазерной накачкой и перестройкой длины волны; в — титан-сапфировый лазер фирмы Coherent (1, 2, 8–10 — зеркала лазера; 3 — активный элемент; 4 — лампа накачки; 5 — лазер накачки; 6 — согласующая линза; 7 — фильтр Лио; 11–13 — зеркала накачки)

диаметр пучка — 2–10 мм. Он может работать и в непрерывном режиме, но промышленность выпускает только импульсные системы [982].

Лазеры на стекле с неодимом работают на силикатном и фосфатном стеклах. Рабочим веществом являются ионы неодима Nd3+. Длина волны излучения лазеров на силикатном стекла равна 1,061 мкм, а на фосфатном — 1,054 мкм. Лазеры работают в импульсном режиме и характеризуются высокими уровнями энергии в импульсе (до 103 Дж), широкими линиями флуоресценции, 26 и 19 нм, малой частотой повторения импульсов, 1–2 Гц. В режиме свободной генерации диаметры пучков излучения составляют 5–10 мм, расходимость — 5–10 мрад [982, 997].

Из всех твердотельных лазеров лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ:Nd) [978–980, 982, 996, 997] находят наиболее широкое применение. Они работают как в импульсном, так и непрерывном режимах. В качестве накачки используются обычно криптоновые или ксеноновые дуговые лампы. По уровню выходной мощности в непрерывном режиме гранатовые лазеры уступают лишь СО2-лазерам. Коэффициент полезного действия гранатовых лазеров достаточно высок и составляет 2–2,5 %. Наиболее легко возбуждается линия с λ = 1,064 мкм, генерация происходит также на линиях с λ = 0,946; 1,319 и 1,833 мкм. Создано уже несколько сотен промышленных образцов лазеров на гранате. Их можно разделить на три категории: импульсные с непрерывной накачкой, непрерывные, импульсные с импульсной накачкой. Средняя мощность излучения импульсных лазеров с непрерывной накачкой (λ = 1,064 мкм) в многомодовом режиме составляет 20–40 Вт, в ТЕМ00 — 3–16 Вт, расходимость — 1,2–2,0 мрад. Выпускаются лазеры с λ = 1,319 мкм, а также с преобразованием частоты во вторую и четвертую гармони-

236 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

ки с длинами волн: 532, 266, 659 нм. Средняя мощность излучения на λ = 1,319 мкм и 532 нм — 2–4 Вт, на λ = 266 нм — 0,5 Вт. В этих лазерах предусмотрена периодическая модуляция добротности резонатора с частотой 5–50 кГц. Непрерывные лазеры могут работать и при очень больших уровнях мощности: 65–250 Вт на λ = 1,064 мкм и 30 Вт на λ = 1,319 мкм, расходимость пучка излучения — 10–12 мрад. Например, в медицинской практике типичным является управляемый от компьютера лазер с мощностью до 100 Вт на λ = 1,06 мкм и 18 Вт на λ = 532 нм.

Разработаны простые управляемые многоволновые системы непрерывного действия, которые позволяют работать поочередно на двух линиях с λ1 = 1,064 и λ2 = 1,318 или 1,064 и 1,061 мкм, или на четырех линиях 1,318; 1,335; 1,338; 1,356 мкм [1041]. Подобные системы могут быть использованы в диагностических целях при зондировании глубоколежащих опухолей.

Импульсные гранатовые лазеры с импульсной накачкой характеризуются большой, по сравнению с рубиновыми и стеклянными лазерами, частотой повторения импульсов, 25–300 Гц. Длительность импульсов изменяется в пределах 8–100 нс, энергия в импульсе без дополнительных усилителей составляет 0,05–0,50 Дж, мощность в импульсе — 5–5 · 103 кВт, Pср ≈ 5–75 Вт, расходимость пучка — 4–8 мрад.

Основой для создания широкого спектра медицинских лазеров с заданными характеристиками могут служить кристаллы хромсодержащих скандиевых гранатов [1042]. Ионы хрома эффективно поглощают излучение на λ = 1,06 мкм, тем самым, в зависимости от их концентрации в кристалле, могут приводить либо к автомодуляции добротности лазеров, работающих на ионах неодима, либо к полному подавлению основной линии генерации неодима. В первом случае для итт- рий-скандий-галлий-гранатового (ИСГГ:Сr–Nd) лазера (λ = 1,06 мкм) с размерами активного элемента 5,6 · 100 мм удалось получить режим автомодуляции добротности с параметрами: τи ≈ 85 нс (полная длительность генерации — 0,5 мс), Eи ≈ 85 мДж, Pи ≈ 106 Вт, f = 10–100 кГц (зависит от превышения накачки над порогом генерации), КПД ≈ 2,4 %, Pср ≈ 30 Вт (импульсно-периодический режим с частотой повторения длинных импульсов 7 Гц). Во втором случае селективное подавление генерации на основной линии ионов неодима с λ = 1,06 мкм позволило существенно повысить эффективность генерации более слабого конкурирующего перехода с λ = 1,32 мкм, КПД ≈ 1,3 %, Eи ≈ 140 мДж.

Выпускаются лазеры с λ = 1,064 мкм и другими длинами волн, а также с преобразованием частоты во вторую и третью гармоники. Например, в лазерной фототерапии ряда кожных заболеваний представляет интерес лазерное излучение УФА-диапазо- на [297]. По средней мощности и длине волны излучения подходящим оказывается излучение третьей гармоники АИГ:Nd-лазера с λ = 355 нм. Типичные параметры такого лазера: Pср > 0,5 Вт (> 10мДж × 50 Гц), τи = 5–15 нс, диаметр пучка 6,3 мм (многомодовый режим), расходимость пучка — не более 5 мрад.

Перспективным для биомедицины является АИГ:Еr-лазер (эрбиевый) [7, 62, 148, 205]. По своим параметрам он практически не уступает гранатовому лазеру, а длина волны его излучения (λ = 2,94 мкм) лежит в полосе нормальных колебаний молекулы воды (λ = 2,91 мкм), что и определяет его перспективность для применений в биологии и медицине, в частности хирургии. Близкие характеристики и возможности имеет ИСГГ:Еr-лазер с длиной волны 2,79 мкм (ИСГГ — иттрий-скандий-галлиевый гранат) [1042]. При частоте повторения импульсов f = 25 Гц средняя мощность в режиме свободной генерации ИСГГ:Сr–Еr-лазера (λ = 2,79 мкм) с размерами кристалла 4 × 75 мм достигает 2,8 Вт, Eи ≈ 2,4 Дж (τи ≈ 150 мкс), КПД ≈ 1 %, а в режиме модуляции добротности — τи ≈ 70–100 нс, Eи ≈ 80–120 мДж, КПД ≈ 0,16 % [1042].

Оптимальным для многих задач лазерной медицины (сваривание или абляция тканей внутренних органов) является излучение гольмиевого лазера, работающего,

в зависимости от типа рабочего кристалла, в диапазоне длин волн 2,09–2,15 мкм [1086]. Например, ИСГГ:Сr–Тu–Но-лазер работает на переходах ионов гольмия с λ = 2,088 мкм [1042]. В режиме свободной генерации энергия излучения лазера

сразмерами кристалла 4 × 76 мм достигает 8 Дж при КПД более 2 %, а в режиме

модуляции добротности в ТЕМ00 моде для кристалла с размерами 3 × 54 мм удается получить энергию гигантского импульса — 50 мДж (τи = 50 нс, f = 1 Гц).

Миниатюрные лазеры на основе эрбиевого стекла (хром-иттербий-эрбиевое стекло, ЛГС-Х), работающие на λ = 1,54 мкм, также перспективны для практической медицины [1043]. Они имеют довольно высокий КПД (до 1,7 %). Активные элементы представляют собой стержни диаметром 2–3 мм и длиной 35–50 мм. В импульсно-пе-

риодическом режиме получена средняя мощность, равная 0,7 Вт (f ≈ 7 Гц). Импульсный лазер на кристалле YSGG:Cr3+,Yb3+,Ho3+ позволяет получать непрерывную перестройку в диапазоне 2,84–3,05 мкм при импульсной (200 мкс) накачке в полосу

сдлиной волны 925 нм излучением лампы или титан-сапфирового лазера [1071].

Во многих разделах лазерной биологии и медицины, включая диагностику, фотобиохимию и управляемую фотодеструкцию, оказываются полезными твердотельные лазеры на основе кристаллов с ионами металлов, имеющие широкие линии люминесценции [415, 988, 1044–1048]. Данные по некоторым типам этих лазеров сведены в табл. 4.5. В ИК-области спектра твердотельные лазеры оказываются более удобными и стабильными источниками, чем лазеры на красителях: отсутствует необходимость смены красителя, более простая прямая лазерная накачка, высокая стабильность частоты (благодаря отсутствию движения жидкости), долговечность более 5 тыс. ч и пр. Они имеют значительные полосы перестройки и высокий КПД преобразования (25–40 %) излучения накачки в выходное излучение. Кроме указанных в табл. 4.5 кристаллов, используются также: Ве3Аl2Sl6О18:Сr3+ (730–840 нм), SrAlF5:Cr3+ (850–950 нм), ZnWO4:Cr3+ (980–1090 нм), MgF2:Ni2+ (1630–1750 нм), MgF2:Co2+ (1500–2300 нм), MgF2:V2+ (1070–1120 нм), CsCaF3:V2+ (1240–1330 нм) и многие другие кристаллы [989, 1045–1048].

Для возбуждения активной среды применяется либо ламповая накачка, либо продольная когерентная (лазерная) накачка (см. рис. 4.13). Лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Лазерная накачка в импульсном режиме осуществляется обычно второй гармоникой АИГ:Nd-лазера (λ ≈ 532 нм), а в непрерывном — излучением Аrили Кr-лазеров.

Титан-сапфировый (Аl2О3:Тi3+) лазер при возбуждении всеми линиями непрерывного Аr-лазера с мощностью 8–10 Вт имеет область перестройки порядка 730–980 нм, среднюю по диапазону выходную мощность до 400–500 мВт, может работать в непрерывном и импульсном режимах. При пассивной синхронизации мод по методу керровской линзы (KLM) длительность импульса τи = 30–100 фс. Отметим, что перестройка частоты генерации может быть осуществлена любым из способов, реализованных для лазеров на красителях (см. рис. 4.12). Наиболее простым способом лазерной накачки является продольная накачка в сферическом селективном резонаторе, с линзой, в качестве согласующего элемента полей накачки и генерации, и фильтром Лио (одноили двухсекционным) — для селекции и перестройки длины волны [1047] (см. рис. 4.13, б).

Описанная в [1046] импульсная лазерная система на Аl2О3:Тi3+ при возбуждении второй гармоникой АИГ:Nd-лазера имеет КПД преобразования 42 %. В селективном резонаторе осуществляется перестройка длины волны в пределах 675–945 нм при КПД 25 % (λ = 780 нм), ширина полосы генерации — около 0,2 нм, расходимость 2ϑ ≈ 1,2 мрад. В импульсно-периодическом режиме Eи = 40 мДж (Pср = 1,5 Вт).

Генерация второй гармоники в кристалле LiIO3 (эффективность 22 %) позволила перекрыть диапазон 340–470 нм.

Для многих биомедицинских задач представляет интерес квазинепрерывный ти- тан-сапфировый лазер с ламповой накачкой [1044]. При длительности импульса до 0,4 мс его энергия в режиме свободной генерации E0 достигала 1,5 Дж при КПД преобразования 0,04 %. Максимальный диапазон перестройки, полученный с помощью двухсекционного фильтра Лио, составил 698–880 нм. В этом случае ширина линии генерации не превышала 1 нм, а энергия генерации Eи ≈ (0,2–0,5) · E0.

Многие фирмы выпускают разнообразные модификации александритовых и ти- тан-сапфировых лазеров: непрерывного мощного перестраиваемого александритового лазера для медицины (фирма Light Age); непрерывного стабильного Al2O3:Ti-лазера линейной конфигурации (фирма Lexel Laser); недорогого Al2O3:Ti-лазера, перестраиваемого в диапазоне λ = 700–1100 нм и накачиваемого стандартным промышленным АИГ:Nd-лазером с удвоением частоты (фирма Solidlite); Al2O3:Ti-лазера со сверхкороткой длительностью импульсов (синхронизация мод), высокой выходной мощностью во всем диапазоне перестройки (720–840 нм), осуществляемой с помощью одного ионного лазера (фирма Spectra-Physics Lasers).

Фирма Coherent выпускает титан-сапфировый лазер Моdеl 890, перестраиваемый в диапазоне λ = 690–1100 нм, мощностью не менее 3,5 Вт (максимальная мощность около 7 Вт), при накачке непрерывным аргоновым лазером мощностью 20 Вт, в диапазоне 700–1020 нм мощностью не менее 1,1 Вт (максимальная мощность более 2 Вт), при накачке аргоновым лазером мощностью 8 Вт. Конфигурация оптической схемы лазера показана на рис. 4.13, в. Она отличается удобством и высокой точностью настройки пучка лазера накачки. Полный диапазон перестройки, обеспечиваемый тремя комплектами зеркал лазера, осуществляется в поддиапазонах длин волн 680–810, 790–940 и 930–1100 нм. Лазер работает в режиме ТЕМ00, его излучение линейно поляризовано, кратковременные флуктуации интенсивности в диапазоне частот 10 Гц — 1 МГц не превышают 2 %.

Фирма Coherent Laser Group выпускает непрерывный перестраиваемый кольцевой лазер на основе Al2O3:Ti и красителей, непрерывно перестраиваемый в диапазоне от 370 нм до 1000 нм. Лазер имеет рекордные значения выходной мощности в широкой полосе, в одночастотном режиме и в режиме удвоения частоты. Возможна взаимная накачка лазеров: Al2O3:Ti — краситель, и наоборот. Конверсия осуществляется путем замены усиливающей среды, двух держателей зеркал и настройки лазера.

Получена эффективная (на уровне 25 %-го преобразования) генерация форстерита (Mg2SiO4) c хромом при накачке в полосу λ = 740,7 нм, при этом спектр длин волн излучения лежал в ближнем ИК-диапазоне: 1170–1350 нм [1072].

Рабочим веществом твердотельных лазеров на красителях являются красители (родамин-6ж, -С, -101; ДСМ; ПФ-103; оксазин-1, -17 и др.), внедренные в твердую матрицу полиметилметакрилата [986]. Активный элемент представляет собой вращающиеся диски диаметром 50–70 и толщиной 8–10 мм. Накачка осуществляется второй гармоникой АИГ:Nd-лазера по квазипродольной схеме под углом 6–8◦. Спектральная область перестройки равна 550–750 нм, с удвоением частоты — 275–350 нм, ширина линии генерации без эталона Фабри–Перо — 1 нм, с эталоном — 0,1 нм, длительность импульса — 10–20 нс, f 6 100 Гц, угловая расходимость — 3–4 мрад, КПД преобразования на λ = 580 нм — примерно 30 %. ИК-красители (2681 и 3493) в полимерной матрице (перхлорвиниловая смола) дают достаточно эффективную (3 %) генерацию в диапазоне 1100–1500 нм при поперечной накачке пикосекундным АИГ:Nd-лазером [1037].

Лазеры на центрах окраски по своим параметрам генерации близки к лазерам на красителях [978–981, 988, 989, 1045, 1049]. Очень важно, что они могут излучать

не только в видимой, но и в ближней ИК-области длин волн, вплоть до 4 мкм, где нет подходящих красителей. Рабочей средой лазеров на центрах окраски являются ионные кристаллы, в которых различными способами (фотохимическим, аддитивным или электронно-лучевым окрашиванием) создаются те или иные комплексы точечных дефектов, обладающие собственной частотой поглощения, так называемые F-центры, или собственные центры окраски. В качестве ионных кристаллов обычно используют щелочно-галоидные кристаллы (ЩГК). Наиболее стабильными являются F2-, F+2 -, F−2 -, FА- и FВ-центры окраски. Лазеры на ЩГК перекрывают диапазон 500–3500 нм. Типы рабочих кристаллов, активных центров и области перестройки даны в табл. 4.6.

Т а б л и ц а 4.6. Диапазоны длин волн перестраиваемых лазеров на центрах окраски в щелоч- но-галоидных кристаллах [980, 988, 989, 1045]

Лазеры на центрах окраски работают как в импульсном, так и непрерывном режимах. Некоторые из них эффективны лишь при низких температурах (77 К), другие имеют хорошие выходные характеристики при комнатной температуре. Обычно применяется лазерная накачка по аналогичным с лазерами на красителях схемам, при этом порог генерации оказывается существенно более низким, чем у лазеров на красителях. Для непрерывных лазеров пороговая мощность накачки составляет всего 13–50 мВт. В качестве источников накачки используются Аr-, Кr-, АИГ:Nd-лазеры. Эффективность лазеров на центрах окраски меняется в довольно широких пределах

ив зависимости от вида кристалла и рабочего центра может быть весьма большой, 2–60 %. Выходная мощность излучения также меняется в довольно широких пределах: 0,06–1 Вт, в импульсном режиме энергия одного импульса составляет 1–120 мДж. Лазеры на F-центрах имеют высокую степень однородности линии усиления и поэтому при слабой селективности резонатора могут работать в одночастотном режиме, к тому же ширина линии излучения даже в нестабилизированном лазере оказывается малой, около 260 кГц.

Приведем данные отечественного лазера МАЛСАН-201, первого в мире промышленного лазера на ЩГК, работающего при комнатной температуре кристалла [988, 989]. Он интересен также тем, что полностью автоматизирован. В лазере обеспечена синхронная генерация в двух спектральных диапазонах (840–1100 нм

и1090–1250 нм) с одним источником накачки (гранатовый или стеклянный лазеры),

а также нелинейное преобразование во вторую гармонику, дающее еще два диапазона

(420–550 нм и 545–620 нм). Для рабочего кристалла LiF (F+2 , F−2 ) эффективность преобразования равна 8–15 % (при мощности накачки 5–20 МВт на λ = 532 нм)

и 15–20 % (при мощности накачки 25–100 МВт на основной гармонике 1064 нм), длительность импульса накачки — 5–30 нс, частота повторения — 12,5 Гц, ширина линии излучения — 1–3 см−1 (с дифракционной решеткой и эталоном — 0,1–0,3 см−1), расходимость излучения — 3 мрад при расходимости пучка накачки около 1 мрад.

При замене кристалла LiF на NаF:ОН для F−2 -центров была получена генерация в диапазоне 1100–1340 нм с коэффициентом преобразования 10 % и ν ≈ 1 см−1, а при замене на кристалл LiF:Mg для (F+2 ) -центров была получена генерация в диапазоне 780–1100 нм с максимальным коэффициентом преобразования 15 %. Такая замена кристаллов предусмотрена в лазере МАЛСАН-203, в котором для расширения диапазона перестройки используется нелинейное преобразование частоты (вплоть до 4-й гармоники) и ВКР-преобразование излучения [989]. В результате спектр длин волн лазера простирается от 273 до 1600 нм.

Хорошим источником для низкокогерентной томографии является сверхширокополосный LiF:F−2 -лазер с внутрирезонаторным преобразованием частоты, который работает в ближней ИК-области (около 1175 нм с полосой 140 нм) и в видимой области (около 585 нм с полосой 70 нм) [1049].

Расширение диапазона длин волн лазеров на центрах окраски в видимую и УФобласти дает использование оксидных кристаллов [989, 1050]. Получена генерация на кристаллах СаО (357–420 нм), Al2O3 (540–620 нм и 750–1150 нм), Аl2О3:Мg (500–590 нм).

4.5. Полупроводниковые лазеры

Большинство лазеров и лазерных систем, излучающих в видимом и ближнем ИК-диапазонах, имеют или малую полную эффективность (КПД), порядка 0,05–4 %, или значительные размеры и довольно сложное устройство. Все это препятствует созданию на их основе компактных средств диагностики и спектроскопии биологических сред, а также терапии и хирургии. В значительной мере конкуренцию им могут составить инжекционные полупроводниковые лазеры, которые перекрывают диапазон от 575 нм до 49,1 мкм, имеют высокую эффективность (до 66 %), чрезвычайно компактны и просты конструктивно [293, 416, 978–982, 988, 990, 991, 997, 1051–1057, 1085, 1089–1092, 1099–1103].

Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый диод с р–n-переходом, в области которого при пропускании тока в пря-