Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

мом направлении создается инверсия населенности (рис. 4.14). Активная область (р–n-переход) занимает слой толщиной порядка 1 мкм. В качестве рабочего вещества в ближней ИК-области используется арсенид галлия, GaAs (λ = 830 нм), на основе которого делают так называемые гомолазеры, имеющие сравнительно высокую пороговую плотность тока инжекции при комнатной температуре. На два порядка меньшую пороговую плотность тока при комнатной температуре имеют лазеры на гетероструктурах. Наиболее часто применяются двойные гетероструктуры, когда в диоде создаются два перехода между различными материалами с толщиной активного слоя 0,1–0,3 мкм.

Рис. 4.14. Схемы полупроводниковых лазеров: а — инжекционный лазер, б — линейка лазеров (1 — плоскость p–n-перехода; 2 — излучающая область p–n-перехода; 3 — электроды)

Для расширения спектрального диапазона и снижения пороговой накачки используют разнообразные тройные и четверные соединения. Например, GaPxAs1−x-лазеры перекрывают диапазон от 830 (x = 0) до 640 (x = 0,4) нм. Наименьшая длина волны (λ = 575–600 нм) получена для соединений GaInP, AlGaAs, AlGaInP, GaInAsP. На основе сплава GaxIn1−xAsy P1−x при y = 2,2x для разных значений x получают лазеры с длинами волн от 920 до 1500 нм. Для ИК-спектроскопии важным классом полупроводниковых лазеров являются лазеры на основе соединений свинца: PbS1−x, SnxPb1−xTe, SnxPb1−xSe и аналогичных (PbCdS и др.), для которых получена генерация в диапазоне 2,5–49,1 мкм. При заданной концентрации компонентов (значение параметра x) перестройка длины волны осуществляется изменением температуры кристалла, тока через диод (тепловой эффект), приложением внешнего магнитного поля и внешнего давления. Главным недостатком лазеров на соединениях свинца является необходимость их достаточно глубокого охлаждения (20–40 К) при работе в непрерывном режиме, поэтому в промышленных ИК-спектрометрах наряду с непрерывными используются импульсные диоды, для охлаждения которых можно применять простую технику — термоэлектрические микрохолодильники.

Из неохлаждаемых наиболее длинноволновыми полупроводниковыми лазерами являются лазеры на двойных гетероструктурах с GaInAsSb-активными слоем, излучающие в интервале длин волн 2,3–2,4 мкм [1058]. А самыми коротковолновыми являются лазеры на структурах индий-галиевого нитрида (InxGa1−xN) с квантовой ямой, которые эффективно излучают в ультрафиолете и сине-зеленой области длин волн (см. [35]). Длина волны излучения зависит от величины запрещенной зоны материала и выбирается путем изменения соотношения компонентов GaN/InN, от ближнего УФ (390 нм) для 0,02In/0,98Ga и фиолетово-синего (420 нм) для 0,1In/0,9Ga до синего (440 нм) для 0,3In/0,7Ga. На рынке [35] доступны мощные лазеры от синего до ближнего ИК с выходной мощностью до 50 Вт, например 405 нм

(150 мВт), 442 нм (50 мВт), 447 нм (400 мВт), 635 нм (5 Вт), 640 нм (300 мВт), 655 нм (2,5 Вт), 685 нм (20 мВт), 690 нм (800 мВт), 705 нм (25 мВт), 730 нм (30 мВт), 785 нм (1,2 Вт), 808 нм (10 Вт), 830 нм (30 мВт), 845 нм (30 мВт), 885 нм (5 Вт), 915 нм (50 Вт), 940 нм (50 Вт), 965 нм (2 Вт), 975 нм (50 Вт), 980 нм (50 Вт), 1450 нм (500 мВт), 1550 нм (600 мВт), 1560 нм (1 Вт).

Для целого ряда диагностических и терапевтических целей представляет интерес видимая и ближняя ИК-области излучения полупроводниковых лазеров (575–1500 нм): можно говорить о замене наиболее часто употребляемого Не–Nе-ла- зера, работающего на красной линии, на более компактный, не уступающий, а зачастую существенно превосходящий по выходной мощности и имеющий почти в тысячу раз большую эффективность полупроводниковый лазер. Мощные инжекционные лазеры успешно используются вместо аргонового или криптонового лазеров при фотокоагуляции биотканей [2, 416, 422, 423].

Двумерные решетки, состоящие из большого количества лазеров, генерируют излучение мощностью до нескольких сотен ватт, например 800 Вт в режиме длинных импульсов (τи = 150 мкс, f = 40 Гц, ток инжекции равен 80 А) с КПД 40 % [988]. Двумерная матрица инжекционных лазеров позволяет получить плотность мощности до 1 кВт/см2 на λ = 810 нм при длительности импульса 0,5 мс, f = 20 Гц [1078]. Матрица из 150 лазеров на основе AlGaAs/GaAs дает импульсы мощностью 450 Вт, длительностью 4 нс и частотой повторения 1 кГц [1079].

Главным недостатком полупроводниковых лазеров является чрезвычайно малый размер пучка на выходе (0,5–1,0 мкм), что влечет за собой по сравнению с другими лазерами существенно большую расходимость излучения (20–40◦ в плоскости, перпендикулярной плоскости активного слоя, и 5–10◦ в плоскости слоя — эллиптическое сечение пучка). Однако разнообразные технологические приемы, увеличивающие размер пучка на выходе диода, и применение коллимирующей оптики (цилиндрических линз) позволяют уменьшить расходимость (до 0,6–3,0◦). Сфазированные диодные линейки, или решетки, имеют увеличенный размер пучка и сниженную расходимость в дальней зоне, вплоть до 0,01◦, что дает возможность фокусировать излучение в пятно диаметром 1–3 мкм, эффективно использовать одномодовые световоды для передачи излучения, обеспечить диагностику биологических микрообъектов. Следует отметить значительную ширину линии усиления инжекционных лазеров, малые размеры резонатора (менее 1 мм), соответственно значительную разреженность продольных мод (порядка 50 ГГц, 1,6 см−1) и чрезвычайно узкую ширину линии отдельной моды, которая может не превышать 50 кГц, что позволяет производить тонкую непрерывную перестройку частоты (длины волны) в широких пределах сравнительно простыми средствами.

Для многих применений, например лазерной интерферометрии и голографии, оказывается важным одночастотный режим работы лазера (значительная длина когерентности), что обеспечивают так называемые РОС-лазеры (лазеры с распределенной обратной связью). Другим достоинством РОС-лазеров является слабая зависимость длины волны от тока инжекции.

Приведем некоторые разработки Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской Академии наук (г. Санкт-Петербург), предлагаемые для различных, в том числе и биологических, применений. Это АlGаАs-лазер непрерывного действия с областью длин волн 780–860 нм, выходной мощностью P = 0,5–1 Вт, расходимостью в дальней зоне 2ϑk ≈ 1◦ и 2ϑ ≈ 8◦ (имеет термохолодильник); GaInAsP-лазер

непрерывного действия с λ = 1,3 мкм, с P = 0,15–0,50 Вт и одним или несколькими (5–10) волоконно-оптическими выходами (имеет термохолодильник); набор лазерных микрокоагуляторов биотканей на λ = 810 нм, с мощностью до 0,4 Вт и временами экспозиции 0,04–0,40 с; перестраиваемый лазер с λ = 750–850 нм, областью пере-

244 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

стройки в импульсном режиме λ = 50 нм, а в непрерывном — 20 нм, шириной линии — 0,15 нм; пикосекундный лазер с λ = 820–850 нм, мощностью в импульсе больше 0,5 Вт, длительностью τи = 5–30 пс, частотой повторения импульсов f = 15 МГц.

Разработаны однокомпонентные одночастотные GaAlAs/GaAs-лазеры с плоским резонатором, работающие в диапазоне 780–850 нм с мощностью до 20 мВт и шириной линии 35 МГц [1077], которые могут оказаться полезными для лазерной спектроскопии биотканей. Для оптических томографов с временным разрешением перспективными являются одночастотные лазеры на квантово-размерных гетероструктурах (КРГ), которые обеспечивают высокую степень высокочастотной модуляции по току инжекции. Две модификации таких лазеров на GaAs/AlGaAs- и InGaAs/GaAs-ге- тероструктурах с квантово-размерными активными слоями и монолитным плоским резонатором описаны в [1076]. Первая модификация обеспечивала генерацию мощностью порядка 20 мВт на линиях 780 и 852 нм (длина волны определяется молярным содержанием Al в активном слое), а вторая — более 100 мВт на 975 нм, при уровне подавления боковых продольных мод более 30 дБ, ширина линии генерации около 50 МГц. Также перспективными для медицины представляются низкопороговые КРГ-лазеры на основе InGaP/InGaAsP, которые могут работать в широком диапазоне температур (до 80 ◦C) с длиной волны излучения 1,02 мкм, ширина линии лазеров составляет 2–3 нм, с мощностью в несколько милливатт [1073].

КРГ-структуры используются также для создания новых типов суперлюминесцентных диодов (СЛД), необходимых для реализации когерентных томографических схем с повышенным пространственным разрешением и с большей глубиной зондирования [33, 1074, 1113]. Для (GaAl)As КРГ-структур, работающих на λ = 800 нм, полуширина спектра излучения достигает 100 нм (длина когерентности порядка 7 мкм), а для (InGa)PAs-структур, работающих на λ = 1500 нм, — 170 нм (длина когерентности порядка 13 мкм). Типичные значения выходной мощности СЛД лежат в диапазоне нескольких милливатт (5–15 мВт), однако продемонстрированы и существенно б´ольшие мощности порядка 100 мВт на выходе из волоконного световода СЛД на всех интересных для биомедицинских приложений длинах волн, включая 800 нм и 1300–1600 нм [1113]. Для уменьшения длины когерентности (повышения продольной разрешающей способности ОКТ, см. главу 2) необходимое расширение полосы частот излучения можно достичь сложением нескольких сдвинутых по длинам волн излучателей, либо на единственном излучателе на структурах со многими квантовыми ямами или квантовыми точками. Потенциально имеется возможность обеспечить длину когерентности порядка 1–2 мкм [1113].

Одна из ведущих фирм мира в области лазерной техники, LaserMax, выпускает широкий набор разнообразных полупроводниковых лазеров непрерывного действия для медицинских применений. Длины волн излучения лазеров лежат в диапазоне 660–1500 нм, максимальная выходная мощность в видимой области составляет 10 мВт, а в ИК — 100 мВт. Основные длины волн лазеров: 670, 780, 830, 1300 и 1550 нм, температурная перестройка длин волн — 0,25 нм/ ◦C (в пределах рабочих температур −10–+80◦С), поляризация линейная (> 100 : 1 или 400 : 1), расходимость излучения — 0,6–1,6 мрад (используется встроенная коллимирующая оптика),

размеры пучка составляют 3,3 × 0,6–3,8 × 3,0 мм2, ширина линии — 0,01 нм или 3–4 нм, срок службы лазеров — 5 · 104–105 ч. Отдельные типы лазеров имеют цепь внутренней модуляции излучения в диапазоне от 2 кГц до 10 МГц. Лазеры, излучающие на λ = 670 нм, изготовлены на основе материала AlGaInP.

Фирма Micracor выпускает непрерывные перестраиваемые лазеры небольшой мощности (P ≈ 25 мВт). Области их перестройки — 780–820 нм и 810–860 нм, в одночастотном режиме кратковременная нестабильность частоты не хуже 30 кГц,

Т а б л и ц а 4.7. Длины волн излучения полупроводниковых лазеров с накачкой током инжекции (1), светом (2), пучком электронов (3), стримерным разрядом (4) и скрещенными электрическим и магнитным полями (5) [1052]

246 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

а долговременная — 1 МГц. Лазеры могут работать в режиме самосинхронизации мод с длительностью импульсов 10 пс и в режиме перестраиваемой длительности импульсов от 10 нс до ∞. Лазеры этой фирмы имеют выходную мощность вплоть до 500 мВт и тем самым составляют конкуренцию дорогостоящим лазерам на красителях и титан-сапфировым лазерам с накачкой от аргоновых лазеров, что особенно важно в биомедицинских применениях.

Промышленность выпускает мощные полупроводниковые излучатели видимой

иближней ИК-областей спектра (650–690, 870–890, 910–920, 950–990, 1885– 2004 нм) в виде отдельных лазеров с открытым выходом или отрезком световода на выходе, лазерных модулей и специальных медицинских систем. Например, фирма Applied Optronics Corporation предлагает отдельные лазеры мощностью до 0,6 Вт в видимой, до 1,6 Вт в ближней ИК-области и до 0,25 Вт для длин волн, больших 1800 нм; лазерные модули, работающие на очень малых токах (до 2 А) с выходной мощностью на торце световода (диаметром 0,7–2,3 мм) до 10 Вт в видимой, до 80 Вт в ближней ИК и до 12 Вт на длинах волн, больших 1800 нм; специальные системы с мощностью на выходе моноволоконного световода (диаметром 0,4–0,6 мм) до 8 Вт в видимой, до 60 Вт в ближней ИК и до 8 Вт на длинах волн, больших 1800 нм. Российско-германская фирма CeramOptec выпускает медицинскую систему для хирургии и термотерапии мягких тканей на основе GaInAs/GaAs решетки с длиной волны излучения 980 нм и максимальной выходной мощностью более 65 Вт (50 Вт на торце моноволоконного световода диаметром 0,2–1,2 мм).

Успешное применение в медицине мощных полупроводниковых лазеров, излучение которых близко по своему действию на биоткани излучению широко распространенного в медицинской практике АИГ:Nd-лазера, позволяет говорить о замене этого лазера на существенно более компактный, обладающий высоким КПД полупроводниковый лазер.

Кроме накачки током инжекции возможны и другие способы накачки полупроводниковых лазеров: оптический, электронным пучком, стримерным разрядом, скрещенными электрическим и магнитным полями [1052]. Использование разнообразных способов накачки позволит существенно расширить диапазон длин волн от ближнего УФ (320 нм) до дальнего ИК (200 мкм) (табл. 4.7). При двухфотонном лазерном возбуждении в широкозонных полупроводниковых материалах удается получить УФ-генерацию в диапазоне 320–400 нм. Для оптической накачки применяются различные типы лазеров, в том числе и Не–Nе, инжекционные полупроводниковые, лазеры на красителях. Мощность излучения полупроводниковых лазеров с оптической накачкой может быть на два-три порядка больше, чем в инжекционных лазерах, однако КПД таких устройств оказывается низким.

Наибольшую длину волны, вплоть до 200 мкм, имеют полупроводниковые лазеры на монокристалле германия р-типа, помещенном в скрещенные электрическое

имагнитное поля. Типичные размеры монокристалла (30–50) × (5–6) × (0,7–4,0) мм.

Монокристалл помещается в сверхпроводящий соленоид, который обеспечивает продольное магнитное поле с индукцией в 104–105 Тл, а с помощью омических контактов

создается импульсное поперечное электрическое поле напряженностью 1–2 кВ/см. Максимальная мощность достигает 10 Вт с КПД, равным 10−3.

4.6. Твердотельные лазеры с диодной накачкой

Прогресс в области создания мощных полупроводниковых излучателей вызвал бурное развитие твердотельных лазеров с диодной накачкой [988, 1057, 1059–1061, 1080, 1081, 1085, 1089, 1091, 1100]. Промышленность уже выпускает десятки наименований компактных высокоэффективных, стабильных, с большим сроком службы

лазеров, которые находят применение в микрохирургии, цитометрии, микроскопии, клеточной инженерии и пр. Их высокая эффективность обусловлена тем, что длины волн лазерных и светоизлучающих диодов на основе AlGaAs (700–900 нм) очень хорошо совпадают с сильными полосами поглощения твердотельных активных элементов с ионами Но, Еr, Nd и Рm. При таком способе возбуждения работают АИГ:Но-лазер с λ = 2090 нм, YLF:Еr-лазер с λ = 2800 нм, АИГ:Nd с λ = 946 нм, YVO4:Nd-лазер с λ = 1060 нм, лазер на стекле с неодимом с λ = 1060 нм и др.

В рассматриваемых лазерах используются как поперечная накачка излучением линеек светоизлучающих диодов или лазеров, так и продольная лазерная накачка. Системы с продольной лазерной накачкой (рис. 4.15) оказываются существенно более эффективными и обеспечивают высокий КПД (около 20 % от тока лазерного диода к излучению твердотельного лазера), низкую потребляемую мощность, малые габариты, высокую монохроматичность и когерентность, высокую стабильность частоты и мощности.

Рис. 4.15. Типичные схемы твердотельных лазеров с накачкой излучением лазерных диодов (размеры даны в миллиметрах): а — монолитный АИГ:Nd-лазер; б — YLF:Nd-лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты (λ = 523,6 нм); в — лазер с волоконно-оптической системой накачки от 7-диодной линейки полупроводниковых лазеров (1 — полупроводниковый лазер или линейка лазеров; 2 — согласующая оптика; 3 — входное зеркало, пропускающее излучение накачки и отражающее излучение твердотельного лазера; 4 — активный элемент;

5 — выходное зеркало; 6 — нелинейный кристалл; 7 — волоконные световоды)

Для изображенной на рис. 4.15, а монолитной системы на основе АИГ:Nd-ак- тивного элемента диаметром 2 мм и длиной 5 мм, накачиваемого лазерным диодом с λ = 809 нм, удается получить выходную мощность на λ = 1060 нм порядка 2 мВт с полным КПД, равным 6,5 %. В качестве согласующего элемента применена градиентная линза, а торцы активного элемента представляют собой сферические зеркала с радиусом кривизны 19 мм.

Для более мощных лазерных диодов оказывается возможным получать мощность излучения непрерывных одномодовых неодимовых лазеров до 2 Вт. Двукратное увеличение выходной мощности можно получить при продольной накачке от двух полупроводниковых лазеров с взаимно ортогональными линейными поляризациями излучения [1061].

Другая система (рис. 4.15, б) демонстрирует возможность преобразования частоты. В качестве внутрирезонаторного нелинейного элемента использован кристалл LiNbO3:MgO. Получена максимальная выходная мощность (около 0,15 мВт на λ = 523,6 нм) при мощности накачки (на λ = 791 нм) порядка 30 мВт, при пороге ге-

248 Гл. 4. Лазеры для биомедицины

нерации около 7 мВт. Без нелинейного элемента мощность излучения на λ = 1047 нм составила 7,5 мВт при мощности накачки 26 мВт (λ = 791 нм).

Для линейки из семи лазерных диодов при подаче их излучения через волоконные световоды (ВС) на торец АИГ:Nd-активного элемента (рис. 4.15, в) получена выходная мощность 0,66 Вт в режиме ТЕМ00 на λ = 1060 нм при полной эффективности, равной 4,4 % [1059]. После ВС суммарная мощность излучения лазерных диодов составляла примерно 2 Вт при суммарном токе инжекции 7 А. Внутрирезонаторное преобразование с помощью нелинейного кристалла позволило получить излучение с λ = 530 нм мощностью около 180 мВт. Такая схема накачки перспективна при использовании более мощных полупроводниковых лазеров.

Другим примером эффективной многоэлементной лазерной системы с квазипродольной накачкой является система, состоящая из 7 лазерных диодов мощностью по 300 мВт, каждый из которых накачивает свой активный элемент [1061]. АИГ:Nd-ак- тивные элементы, длиной 5 мм, размещались в многозеркальном резонаторе с оптической осью, проходящей по двум пересекающимся направлениям внутри каждого элемента. В непрерывном режиме генерации была получена выходная мощность излучения (λ = 1060 нм), равная 0,7 Вт (суммарная мощность накачки — 2,1 Вт), на второй гармонике P = 0,15 Вт. В импульсном режиме, который осуществлялся путем пассивной модуляции потерь в резонаторе, энергия импульсов при τи ≈ 200 нс была равна: 0,1 мДж (λ = 1060 нм); 0,032 мДж (λ = 532 нм); 0,002 мДж (λ = 355 нм).

Существенного повышения энергии импульсов можно добиться в случае поперечной накачки активного элемента излучением системы двумерных решеток лазерных диодов [1061]. При накачке активного элемента излучением 16 двумерных решеток, составленных из 74 линеек лазерных диодов, излучающих по 10 мДж (τи = 200 мкс) каждая, удалось получить энергию импульсов АИГ:Nd-лазера, равную 0,26 Дж при f = 40 Гц и КПД более 10 %.

Высокоэффективный миниатюрный АИГ:Nd-лазер с поперечной лазерной диодной накачкой, излучающий в зеленой области спектра, представлен в [1060]. Получено непрерывное излучение мощностью 360 мВт (λ = 1060 нм) и мощностью 80 мВт (λ = 530 нм) при мощности оптической накачки (λ = 806 нм), равной 800 мВт, и электрической накачки — 3,2 Вт. Полный КПД лазера равен 2,5 %. Преобразование частоты подобного лазера вплоть до УФ дает при той же электрической мощности излучение (λ = 355 нм) мощностью 0,32 мВт [1061].

Для многих медицинских приложений может представлять интерес компактный пико- и фемтосекундный лазерный источник на основе кристалла LiSAF:Cr3+ с диодной накачкой и нерезонансным полупроводниковым нелинейным поглотителем внутри резонатора для обеспечения синхронизации мод [1081]. Источник генерирует сверхкороткие импульсы длительностью 45 фс (полуширина линии 17,5 нм) со средней длиной волны 852 нм и средней мощностью 60 мВт.

Многие из описываемых лазеров могут работать в режиме единственной продольной моды со стабильностью частоты не хуже, чем у Не–Nе-лазера (флуктуационная ширина линии — порядка 1–10 кГц при мощности в несколько милливатт, при активной стабилизации частоты вплоть до 3 Гц) [1080].

Наиболее эффективные твердотельные лазеры с диодной лазерной накачкой имеют выходную мощность (λ = 1060 нм) вплоть до 1,2 Вт при полном КПД, равном 19 %. Промышленность уже давно выпускает непрерывные АИГ:Nd-лазеры с лазерной диодной накачкой (λ = 1060 нм) мощностью до 3–5 Вт.

Например, фирма ADLAS/A-B Lasers выпускает непрерывные лазеры мощностью более 0,75 Вт (λ = 1064 нм) и более 0,14 Вт (λ = 532 нм). Импульсные лазеры с модуляцией добротности этой фирмы имеют энергию порядка 150 мкДж (λ = 1047 нм) и 40 мкДж (λ = 523 нм). Одночастотные лазеры фирмы Micracor

ствованием простого и надежного источника лазерного излучения, перестраиваемого в нужном диапазоне длин волн. По мере описания различных лазеров особое внимание уделено именно этой проблеме, как одной из главных для биомедицины. Кроме представленных выше типов перестраиваемых лазеров существуют и другие, основанные на иных принципах получения перестраиваемого когерентного излучения. Рассмотрим наиболее важные из них [7, 205, 978–982, 997, 1062–1064, 1082, 1085, 1089–1093, 1099].

Часто для получения перестраиваемого излучения используют явление вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Одним из представителей ВКР-лазеров

является полупроводниковый лазер на основе комбинационного рассеяния с переворотом спина [994]. Его работа основана на рассеянии излучения лазера — накачки электронами проводимости в полупроводниках, помещенных в однородное магнитное поле при низкой температуре. Частота лазера перестраивается в широких пределах изменением напряженности магнитного поля со скоростью 2 · 10−4 см−1/(А · м−1) для активного элемента из InSb. При использовании сверхпроводящих магнитов обеспечивается диапазон перестройки InSb-лазера в пределах 300 см−1 (напряженность магнитного поля изменяется от 1,6 · 106 до 8 · 106 А · м−1). Перестройка осуществляется также изменением длины волны лазеров накачки, в качестве которых обычно служат СОили СО2-лазеры. Для InSb-лазера диапазон перестройки при накачке СО-лазером составляет 5,0–6,5 мкм, порог генерации равен 50 Вт · см−2, мощность генерации достигает нескольких ватт, КПД преобразования — до 50 %. Накачка СО2-лазером эффективна для более длинноволнового диапазона, от 9,0 до 14,0 мкм, импульсная мощность достигает 1 кВт.

ВКР на колебательных и вращательных переходах в газах или конденсированных средах лежит в основе так называемых комбинационных лазеров. Для газообразных активных сред удается преобразовать частоту, тем самым для получения перестраиваемого излучения необходим перестраиваемый источник накачки. При использовании лазера на красителях в комбинационном лазере на газообразном водороде удается получить плавную перестройку в диапазонах длин волн 185–880 нм и 700–7000 нм. Параметры многоцветного ВКР-лазера при преобразовании излучения первой, второй и третьей гармоник импульсного АИГ:Nd-лазера в сжатом водороде (p = 5–10 атм) представлены в табл. 4.8 [1063].

Т а б л и ц а 4.8. Характеристики многоцветного импульсного лазера на сжатом водороде [1064]

Примечание. с, ас — стоксовые и антистоксовые компоненты ВКР первой (ПГ), второй (ВГ) и третьей (ТГ) гармоник излучения АИГ:Nd-лазера соответственно.

Комбинационный лазер на жидком азоте с продольной накачкой может работать в многоимпульсном режиме с КПД преобразования 15–25 % [1082]. Излучение с λ = 1060 нм преобразуется в излучение с λ = 1440 нм с энергией до 36 Дж в серии из 30 импульсов общей длительностью 550 мкс, с расходимостью 0,5–1,5 мрад

иразмером пучка 1 × 1 см2. Другой ВКР-лазер на метане при атмосферном давлении, возбуждаемый излучением KrF-лазера (249 нм), при КПД преобразования в излучение с λ = 268 нм порядка 35–50 % обеспечивает энергию до 5 Дж [1082].

ВКР-лазеры относятся к большому многообразию лазерных систем, в которых реализуются методы нелинейного оптического смешения. Использующие нелинейное взаимодействие лазерного излучения с атомами и молекулами конденсированных

игазообразных сред генераторы второй гармоники, суммарных и разностных частот, а также параметрические генераторы перекрывают весь диапазон от вакуумного УФ до далекой ИК-области, имеют вполне удовлетворительную для многих биомедицинских задач интенсивность когерентного излучения [1062].

Генерацию второй и высших гармоник (вплоть до шестой) обычно получают с помощью нелинейных кристаллов, расположенных как внутри, так и вне резонатора. Наиболее распространенными кристаллами, обладающими широкими спектральными диапазонами прозрачности и высокой эффективностью, являются: KDP, DKDP, KTP,

LiNbO3, LiB3O5, KNbO3, LiIO3, KB5, DKB5, LFM, банан (Ba2NaNb5O15). Области прозрачности этих кристаллов лежат в широком интервале длин волн, от УФ до ИК,

иперекрывают диапазон от 0,16 до 5 мкм [1062]. В более длинноволновой области,

λн = 5,3–6,1 мкм, эффективен кристалл ZnGeP2 [1064]. Поскольку интенсивность волны на второй гармонике I(2ω) пропорциональна квадрату интенсивности сигнала накачки I(ω), то для повышения эффективности преобразования необходимо повышать интенсивность накачки. Эффективность преобразования обычно не превышает 10–50 % для внерезонаторных схем преобразования и достигает 100 % для внутрирезонаторных. В случае преобразования перестраиваемого по частоте лазерного излучения необходимо обеспечить синхронную угловую или температурную перестройку нелинейного кристалла для соблюдения фазового синхронизма взаимодействующих волн. При использовании лазеров на красителях с удвоением частоты удается перекрыть диапазон от 217 до 450 нм.

Для генерации суммарных частот и высших гармоник помимо кристаллов используют однородные смеси инертных газов и паров металлов, что расширяет диапазон перестраиваемого когерентного излучения вплоть до вакуумного УФ. Например, при утроении четвертой гармоники гранатового лазера (λ = 266 нм) в смеси Хе–Аr получается излучение с λ = 88,7 нм.

Нелинейное смешение излучений лазеров видимого диапазона, один из которых перестраиваемый, дает разностные частоты в ИК-области спектра и является основой спектрометров разностной частоты. Например, при смешении излучений аргонового

лазера и лазера на красителях в кристалле LiNbO3 перестройка частоты лазера на красителях и температурная перестройка фазового синхронизма нелинейного кристалла позволяют получить перестраиваемое когерентное излучение в диапазоне 2,2–4,2 мкм.

Смешение в длинном (11 мм) кристалле GaSe световых пучков АИГ:Nd-лазера

(λ = 1060 нм, Pи = 0,5 кВт) и LiF:F−2 -лазера (λ = 1090–1240 нм) дает когерентное излучение в области длин волн 7–16 мкм, с мощностью в импульсе 1,0–0,2 кВт [988].

Кристаллы, прозрачные в УФ-области, позволяют осуществлять суммирование частот видимого и ближнего ИК-диапазонов. Например, нелинейное смешение излучений двух лазеров на красителях (λ = 237 нм (вторая гармоника) и λ = 740–910 нм) в кристалле КВ5 дает перестраиваемое излучение в области 185–269 нм [1062].

Важное место среди устройств нелинейной оптики занимает оптический параметрический генератор, который представляет собой нелинейный кристалл, расположенный внутри оптического резонатора и накачиваемый излучением внешнего лазера, работающего на фиксированной частоте. Оптический резонатор осуществляет обратную связь для обеих или одной из волн, возникающих при нелинейном взаи-