Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

.pdf
Скачиваний:
279
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
12.64 Mб
Скачать

252

Гл. 4. Лазеры для биомедицины

модействии внешнего излучения с кристаллом. Перестройка параметрического генератора осуществляется или вращением кристалла, или изменением его температуры. При накачке кристалла LiNbO3 излучением гранатового лазера с удвоением частоты удается получить параметрическую генерацию в диапазоне длин волн 0,55–4,00 мкм. При этом поворот кристалла на 4изменяет длину волны от 1,4 до 4,0 мкм.

Параметрическая генерация света с температурной перестройкой (80–220 C) в диапазоне 0,75–1,82 мкм, с эффективностью 5 %, реализуется в кристалле ниобата бария-натрия (банан) при накачке второй гармоникой АИГ:Nd-лазера с модуляцией добротности [1062]. Накачка непрерывным Аr-лазером (с λ = 488 и 514 нм) дает

вэтом же кристалле генерацию в областях 640–660 нм и 930–1160 нм, с эффективностью порядка 1 %. При синхронной накачке импульсным пикосекундным излучением второй гармоники гранатового лазера удается получить эффективность преобразова-

ния до 25 % в диапазоне 0,8–1,6 мкм (τи 10 пс) [1062]. Параметрический генератор на кристалле LFM дает перестраиваемое излучение в видимой области (458–610 нм)

при накачке азотным лазером (λ = 337 нм, τи 7 нс).

Лазер на свободных электронах (ЛСЭ) оценивается как перспективный лазер для применений в биомедицине, поскольку он имеет чрезвычайно широкую область перестройки длин волн (0,1–1000 мкм), значительную среднюю мощность (до 10 Вт), короткую длительность импульсов (3–35 пс), достаточно высокую частоту повторения импульсов (1–100 Гц) [415, 1065, 1083]. В качестве активной среды ЛСЭ используют пучок высокоэнергетических электронов. Указанная область перестройки реализуется с различными типами ускорителей электронов. Типичные области перестройки: 0,5–1,4; 1,4–3,1; 0,5–2,6; 2,5–4,3; 9–35 и 120–800 мкм. Главная ценность такого лазера для биомедицины, особенно для лазерной терапии, заключается в возможности получения перестраиваемого излучения в дальней ИК-области спектра, вплоть до миллиметрового диапазона длин волн, где уже действуют применяемые

втерапии генераторы радиодиапазона (использующие иные принципы генерации). Известно применение ЛСЭ (с λ = 200 мкм) для воздействия на процесс синтеза ДНК и РНК в клетках [415].

Возможны самые разнообразные применения ЛСЭ в медицине, включая не только терапию, но также диагностику и хирургию, однако существуют серьезные препятствия по использованию ЛСЭ на практике, обусловленные его большими размерами и высокой стоимостью.

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов

Трудно переоценить те перспективы, которые открылись в биологии при появлении лазеров со сверхкороткой длительностью импульсов, например в изучении первичных механизмов фотосинтеза, путей передачи энергии возбуждения в сложных биологических молекулах и пр. Рассмотрению методов и устройств для получения световых импульсов короткой и сверхкороткой длительности посвящена обширная литература [978, 980, 985, 991, 998, 999, 1051, 1075, 1098, 1104–1106]. Здесь обсудим лишь основные принципы получения коротких и сверхкоротких импульсов и приведем некоторые цифры, характеризующие возможности отдельных типов лазеров.

Для укорочения длительности и повышения мощности световых импульсов применяют модуляцию добротности (потерь) резонатора. Режим характеризуется более мощными по сравнению с режимом свободной генерации импульсами генерации, так называемыми гигантскими импульсами. В качестве управляющих элементов (оптических затворов) наиболее часто используют электрооптические или акустооптиче-

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов

253

ские модуляторы, пассивные затворы на просветляющихся красителях и щелочно-га- лоидных кристаллах с центрами окраски или нелинейно поглощающие газы внутри резонатора, тем самым реализуя пассивную или активную модуляцию добротности. Режим модуляции добротности осуществлен для всех типов лазеров, однако наиболее часто он используется в твердотельных лазерах или в СО2-лазерах. Длительности гигантских импульсов, τи, приблизительно равны 10–100 нс. Например, для рубинового лазера в ТЕМ00-моде, имеющего в режиме свободной генерации пиковую мощность 106 Вт при длительности импульса 1–3 мс, переход в режим гигантских импульсов дает пиковую мощность 109 Вт при длительности около 10 нс.

Существенно более короткие длительности в пикосекундном и даже субпикосекундном диапазоне можно получить в режиме синхронизации многих продольных (ТЕМ00) мод. Если между модами лазера устанавливаются определенные фазовые соотношения, т. е. излучение отдельных мод происходит синхронно, то говорят о существовании режима вынужденной или спонтанной синхронизации мод. Для осуществления вынужденной синхронизации мод используют модуляцию потерь с помощью электрооптических и акустооптических модуляторов на частотах, близких к межмодовому частотному интервалу c/2nL, где c — скорость света; nL — оптическая длина резонатора лазера. Пассивная синхронизация мод обеспечивается либо самой активной средой лазера, либо внесением внутрь резонатора такой среды, дисперсия которой способствует выравниванию межмодового интервала в пределах всей линии усиления.

В режиме синхронизации моды лазера интерферируют между собой с образованием коротких световых импульсов длительностью, определяемой шириной спектра временным интерва-

мод

(шириной

линии генерации), τи 1/

νг,

разделенных

9

10

 

лом

t = 2nL/c (см. рис. 4.3). Для газовых лазеров νг 10 –10

 

Гц, поэтому

можно получить импульсы лишь наносекундной и субнаносекундной длительности;

для твердотельных лазеров

νг

1012–1013

Гц и

τи

6 1 пс; для лазеров на красите-

лях

14

15

 

 

 

 

 

 

νг 10

–10 Гц, следовательно, достижимы фемтосекундные длительности.

Наиболее простой способ получения наносекундных и субнаносекундных импульсов в Не–Nе-лазерах непрерывного действия состоит в обеспечении устойчивости режима самосинхронизации мод, для чего необходимо в лазерах, работающих на 8–10 продольных модах, удерживать длину резонатора постоянной. При определенных условиях промышленные Не–Nе-лазеры с длиной резонатора 20–80 см довольно стабильно работают в режиме наносекундных импульсов [1066]. Например, лазер типа ЛГ-79 при мощности 7–12 мВт дает импульсы с τи, равной 0,7–0,9 нс. Режим вынужденной синхронизации мод, полученный с помощью акустооптического модулятора внутри резонатора, позволяет легко получить импульсную генерацию в Не–Nе-лазере (λ = 1,15 мкм) с параметрами: τи = 0,5 нс, f = 83,6 МГц, Pи = 40 мВт [558].

С помощью перестраиваемых по длинам волн лазеров со сверхкороткой длительностью можно решить многие задачи кинетической спектроскопии биологических объектов. Наиболее эффективным способом получения сверхкоротких перестраиваемых по длинам волн импульсов длительностью 1011–1013 с является метод синхронной оптической накачки, который заключается в модуляции усиления активной среды лазера на частотах, равных или кратных обратному времени обхода резонатора, f = 1/ t = c/2nL [998]. Лазер генерирует последовательность импульсов, следующих синхронно с импульсами накачки. Если в качестве источника выбран лазер с синхронизированными модами, то оптические длины лазера накачки и перестраиваемого лазера должны быть согласованы с необходимой точностью. Синхронная накачка реализована для большинства перестраиваемых лазеров и лазерных систем, включая лазеры на центрах окраски, полупроводниковые и ВКР-лазеры,

254

Гл. 4. Лазеры для биомедицины

параметрические генераторы и, конечно, лазеры на органических красителях, получившие наибольшее распространение и выпускаемые промышленностью.

Лазеры с синхронной накачкой имеют сравнительно низкий порог возбуждения, широкую область перестройки, значительную эффективность и способность генерировать импульсы существенно меньшей длительности, чем импульсы накачки. Генерируемые импульсы обладают высоким спектральным качеством (отсутствует дополнительная модуляция частоты), поэтому они представляют интерес для прецизионной кинетической спектроскопии и возбуждения волоконно-оптических систем, служащих для компрессии (сжатия) импульсов во времени [998]. Обычно методом синхронной накачки удается получить импульсы длительностью единицы пикосекунд — сотни фемтосекунд. Для лазеров на красителях с синхронной накачкой (рис. 4.17) типичными являются импульсы длительностью 2,5–10 пс, средней мощностью 80–100 мВт, частотой повторения импульсов от одиночных импульсов до 100 МГц, энергией одиночного импульса 1–20 нДж, пиковой мощностью 0,5–2 кВт. Минимальная длительность импульсов для лазеров на красителях с синхронной накачкой составляет 180 фс.

Рис. 4.17. Схема лазера на красителях с синхронной накачкой: 1 — генератор ВЧ-колебаний; 2 — устройство, обеспечивающее вынужденную синхронизацию мод; 3 — аргоновый лазер с синхронизацией мод; 4 — лазер на красителях

Наиболее короткие импульсы, полученные в лазерах на красителях с пассивной синхронизацией мод методом сталкивающихся импульсов (CPM), имеют длительность 27 фс. Фемтосекундные лазеры на красителях с пассивной синхронизацией мод могут перестраиваться в довольно широком диапазоне длин волн при подборе нескольких пар усиливающих и поглощающих красителей (перекрыты диапазоны длин волн 550–700 нм, 840–880 нм и 1250–1350 нм) [998].

Наиболее короткие импульсы света (длительностью 6 фс) получены при компрессии фемтосекундных импульсов длительностью 50 фс и мощностью порядка 200–300 кВт (λ = 625 нм) в одномодовом волоконном световоде длиной 0,8 см. Такая малая длительность составляет примерно три периода световых колебаний и близка к теоретическому пределу (один световой период).

Имеются сообщения о создании перестраиваемого в области длин волн 800– 850 нм 9-фемтосекундного лазера с энергией, равной 10 нДж [1067], а также перестраиваемого субпикосекундного инфракрасного генератора (генерация разностных частот в кристалле LiNbО3), работающего в диапазоне 1,7–4 мкм и генерирующего импульсы мощностью 10 кВт (Eи = 2 нДж) при длительности 200 фс [1068]. Отметим, что подобные устройства весьма сложны и содержат, как правило, синхронно накачиваемый аргоновым лазером лазер на красителях, накачиваемый медным или эксимерным лазером усилитель на красителях, ВКР-ячейку для генерации континуума, волоконно-оптический компрессор импульсов, нелинейный кристалл для генерации гармоник.

Детальное описание методов и схем синхронной накачки перестраиваемых лазеров, других методов получения стабильных сверхкоротких импульсов, разнообразных схем компрессии импульсов, методов и устройств для получения мощных фемтосекундных импульсов в УФ, видимом и ИК-диапазонах длин волн, а также техники измерений параметров сверхкоротких импульсов дано в [998, 1098, 1104–1106, 1110].

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов

255

Возможности получения сверхкоротких импульсов света в полупроводниковых инжекционных лазерах проанализированы в [1051, 1075]. Минимальные длительности импульсов составляют 1,8–0,8 пс, нет ограничений для получения и более коротких импульсов, порядка 200–300 фс. Главными достоинствами полупроводниковых лазеров со сверхкороткой длительностью импульсов являются их простота и малые габариты.

Лазер на красителях, работающий в режиме синхронизации мод, полученный методом сталкивающихся импульсов (CPM) и имеющий длительность 100 фс, широко используется в биомедицинских исследованиях [1, 173]. Для низкокогерентной томографии и нелинейной микроскопии биотканей широко используются титан-сапфиро- вый (Ti:Al2O3), Cr4+:Mg2SiO4- и Cr4+:YAG-лазеры с пассивной синхронизацией мод по методу керровской линзы (KLM), обеспечивающей надежную синхронизацию мод лазеров в соответствующих спектральных диапазонах: 700–1100 нм, 1180–1360 нм

и1350–1640 нм с длительностями импульсов менее 100 фс (до 10 фс) и средней мощностью до 100 мВт [1069, 1070]. Одна из схем фемтосекудного титан-сапфиро-

вого лазера (Ti:Al2O3), используемого в ОКТ системах сверхвысокого разрешения основана на технологии зеркала с двойным чирпом (DCM) [1069]. Эта технология позволяет существенно увеличить спектральную полосу отражения зеркал лазера

иобеспечивает эффективную компенсацию дисперсии кубического порядка [1098]. Такой лазер генерирует импульсы длительностью 5,5 фс, что соответствует полосе 300 нм с центральной длиной волны на 800 нм, со средней мощностью 150 мВт.

Малогабаритные лазеры на тонких дисках, отличительной особенностью которых является малая толщина активной среды, во много раз меньшая поперечного размера накачиваемой активной области, являются перспективными лазерами для биомедицинских исследований и приложений [1105, 1110–1112]. Диаметр активной области дискового лазера варьируется от 1 мм для лазеров с низкой выходной мощностью до 10 мм и более для получения лазеров с выходной мощностью в десятки киловатт. Толщина активной среды меняется обычно от 100 мкм до 300 мкм. Малая толщина активного материала позволяет эффективно охлаждать и отводить большой тепловой поток без значительного повышения температуры. Поэтому лазеры на тонких дисках способны генерировать излучение высокой мощности.

На рис. 4.18, а показана наиболее распространенная конфигурация активного элемента лазера. На верхнюю сторону диска нанесено просветляющее покрытие, а на нижнюю — зеркальное покрытие для отражения излучения накачки и генерируемого излучения. Диск закреплен на подложке зеркальной стороной. В средней

части диска создается инверсия заселенности путем накачки лазерными диодами. Достигаемая плотность излучения накачки несколько кВт на см2. Выделяющееся в лазерном материале тепло хорошо отводится. Поглощение излучения накачки при отражении на диске составляет около 15–20 %. Для получения высокого КПД в лазере используется многопроходная схема накачки (обычно 16–32 прохода), в этом случае до 90 % излучения накачки поглощается в лазерном диске. Фактически диск представляет собой усиливающее зеркало, которое заменяет одно из зеркал резонатора. При мощности накачки в 1 кВт можно получать выходную мощность до 700 Вт с диаметром активной области на диске около 5 мм.

Эффективное охлаждение активного материала позволяет использовать легирование ионами иттербия с практически трехуровневой энергетической схемой. Иттербий часто используют в лазерах из-за малой разницы энергий фотонов накачки и выходного излучения. Это позволяет уменьшить нагрев лазерного материала и увеличить КПД. В сравнении с неодимом (при накачке лазерными диодами с длиной волны излучения 808 нм) нагрев материала за счет разницы энергий фотонов уменьшается в два раза в случае использования иттербия. Ионы иттербия размещаются обычно

256

Гл. 4. Лазеры для биомедицины

вматрице граната (YAG). Кроме иттербия в лазерах на тонких дисках используются также и другие ионы: неодим, гольмий, тулий и эрбий. Однако в коммерческих лазерах на тонких дисках используются только иттербий и неодим (рис. 4.19).

Важным преимуществом тонких дисков является очень слабое фазовое искажение лазерных пучков при больших мощностях накачки (слабая тепловая линза). Амплитуда фазовых искажений более высокого порядка (за вычетом сферических аберраций) обычно меньше 100 нм. Эти искажения сосредоточены на краю активной области. Благодаря столь слабому искажению фазы излучатели на тонких дисках

могут достигать высокой выходной мощности в одномодовом (ТЕМ00) режиме работы с высоким КПД. Типичные значения КПД составляют 30–40 %.

Преимущества лазеров на тонких дисках проявляются особенно сильно в импульсном режиме работы. Средняя мощность в 100 Вт легко достигается для всех импульсных режимов, кроме режима сверхкоротких импульсов (< 800 фс). Частота повторения ограничивается только динамическим откликом лазера и составляет 1 МГц для лазеров с модуляцией добротности. На рис. 4.18, б показаны основные элементы, необходимые для построения лазера с заданной длительностью импульса. На рис. 4.19 представлены соответствующие данные по длительностям и энергиям импульсов для коммерческих и лабораторных лазеров на тонких дисках.

Для модуляции добротности резонатора, которая требует внесения в резонатор дополнительных потерь, препятствующих генерации между импульсами, обычно используется акустооптический модулятор (АОМ) (рис. 4.18, б). Ультразвуковые волны создают в материале модулятора дифракционную решетку. Она вызывает отклонение луча в резонаторе и создает потери. При накачке лазера от диодного лазера энергия, сохраненная активной средой дискового лазера, высвечивается затем в виде одного короткого и мощного импульса. Длительность выходного импульса зависит от многих факторов: от длины резонатора, усиления тонкого диска, пропускания выходного зеркала и т. д. Обычно длительность лежит в диапазоне 300 нс — 1 мкс. Более короткие импульсы требуют короткого резонатора. Длительность импульса и энергия зависят также от частоты повторения и не могут изменяться независимо друг от друга.

Для получения коротких импульсов с линейной поляризацией излучения в резонатор добавляется электрооптический ключ (ячейка Поккельса) и поляризатор (рис. 4.18, б). Добротность резонатора между импульсами снижена, за счет включения потерь, поэтому инверсия заселенности в активном элементе нарастает и после выключения потерь уже в полной мере используется для генерации короткого и мощного импульса. В такой схеме все зеркала могут быть глухими, а вывод излучения происходит через пластинку поляризатора. Обычно длительность импульса составляет 20–30 нс.

Схема регенеративного усилителя (рис. 4.18, б) внешне мало отличается от предыдущей схемы. Между импульсами потери в резонаторе регенеративного усилителя таковы, что предотвращают генерацию. Энергия накапливается в активном элементе

ввиде инверсной заселенности рабочих уровней. Процессы выключения потерь

ивведения оптического импульса от задающего генератора синхронизированы во времени. Это необходимо, чтобы исходный (усиливаемый) импульс оказался запертым в усилителе, когда резонатор окажется высокодобротным после выключения потерь.

В результате усиления (обычно 50 проходов резонатора достаточно для усиления в 105 раз) импульс покидает регенеративный усилитель через разделитель, построенный обычно с помощью эффекта Фарадея. Усилители для генерации наносекундных

ипикосекундных импульсов практически не отличаются друг от друга. Синхронизация мод может быть осуществлена с помощью полупроводникового

просветляющегося фильтра (SESAM). Оба основных элемента лазера — тонкий диск и просветляющийся фильтр — имеют малый размер в направлении, параллельном

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов

257

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.18. Дисковый лазер, схемы импульсной генерации: а — устройство активного элемента — тонкий диск, напаянный на подложку (активная область может иметь диаметр до 6 мм); б — схемы генерации, АОМ — акустооптический модулятор [1110]

9 Тучин

258

Гл. 4. Лазеры для биомедицины

Рис. 4.19. Режимы генерации дискового лазера

лучу лазера и плоскостное охлаждение. Поэтому хорошо интегрируются в единую систему. Активная область на обоих элементах может подбираться в соответствии

стребуемой мощностью. На рынке уже доступны излучатели с энергией в 1 мкДж и средней мощностью в 50 Вт. Большие импульсные энергии могут быть получены путем удлинения резонатора и снижения частоты повторения импульсов ниже обычных 50 МГц. Дополнительные меры, такие как, например, увеличение числа отражений на диске за проход резонатора, позволили достичь энергии 25,9 мкДж [1112] (см. рис. 4.19).

Рентгеновские лазеры, относящиеся к столкновительным лазерам, на Ni-подоб- ных ионах тяжелых металлов являются одними из наиболее разработанных [1084]. Источником рентгеновского излучения является мишень из тяжелых металлов, облучаемая одним или несколькими импульсами накачки высокой энергии и малой длительности. Например, эффективная лазерная генерация мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 6–8 нм получена при накачке ионов неодима цугом импульсов

сэнергией 250 Дж и λ = 1053 нм, длительностью отдельного импульса 200–400 пс

синтервалами между импульсами 400 пс [1084]. Рентгеновские лазеры должны позволить перейти на принципиально новую технологию рентгеновской компьютерной томографии, существенно более безопасную и эффективную [295].

Завершая обзор, приведем в табл. 4.9 параметры наиболее распространенных лазеров в единицах, удобных для биомедицинских исследований [978]:

ν = 3 · 1017, Гц; νe = ν/c = 107, см1;

hν = (1986/λ) · 1012, эрг = (1986/λ) · 1019, Дж = 1240, эВ; NAhν = (28,5/λ) · 103, ккал/моль; hν/k = (14,3/λ) · 106, К,

 

4.8. Лазеры с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов

259

 

Т а б л и ц а 4.9. Частоты излучения и энергии квантов некоторых лазеров

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

Лазер

λ, нм

 

 

· 103,

hν · 10−19,

hν,

NA hν,

hν/k · 103,

 

 

 

c

 

 

 

 

 

см−1

Дж

эВ

ккал/моль

К

 

 

He–Ne

543,3

18,4

3,65

2,28

52,5

26,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

632,8

15,8

3,14

1,96

45,0

22,6

 

 

 

1152,3

8,7

1,72

1,08

24,7

12,4

 

 

 

3391,2

2,9

0,59

0,37

8,4

4,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аргоновый

351,1

28,5

5,66

3,53

81,2

40,7

 

 

 

363,8

27,5

5,46

3,41

78,3

39,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

488,0

20,5

4,07

2,54

58,4

29,3

 

 

 

514,5

19,4

3,86

2,41

55,4

27,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Криптоновый

647,1

15,5

3,07

1,92

44,0

22,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

He–Cd

325,0

30,8

6,11

3,82

87,7

44,0

 

 

 

441,6

22,6

4,50

2,81

64,5

32,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO2

9600

1,0

0,21

0,13

3,0

1,5

 

 

 

10600

0,9

0,19

0,12

2,7

1,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO

5500

1,8

0,36

0,22

5,2

2,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Азотный

337,1

29,7

5,89

3,68

84,5

42,4

 

 

ArF

193

51,8

10,29

6,42

147,7

74,1

 

 

XeCl

308

32,5

6,45

4,03

92,5

46,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XeF

350

28,6

5,67

3,54

81,4

40,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Родаминовый

600

16,7

3,31

2,07

47,5

23,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рубиновый

694,3

14,4

2,86

1,79

41,0

20,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неодимовый

1064

9,4

1,87

1,17

26,8

13,4

 

 

Александри-товый

760

13,2

2,61

1,63

37,5

18,8

 

 

Гольмиевый

2088

4,8

0,95

0,59

13,6

6,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эрбиевый

2940

3,4

0,68

0,42

9,7

4,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LiF–F2+

1000

10,0

1,99

1,24

28,5

14,3

 

 

GaAs

830

12,0

2,39

1,49

34,3

17,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3I

1,25 · 106

8 · 10−3

1,6 · 10−3

9,9 · 10−4

0,2

1,1 · 10−2

 

где λ — длина волны, c — скорость света, см/с, h — постоянная Планка, NA — число Авогадро, k — постоянная Больцмана.

Итак, для биомедицинских исследований и практической деятельности в области фототерапии, диагностики и лазерной хирургии имеются разнообразные лазеры и лазерные устройства, которые могут обеспечить решение многих задач медицины. Наряду с традиционно используемыми в медицине Не–Nе-, Аr-, N2-, СО2-, АИГ:Nd-ла- зерами, эксимерными, лазерами на красителях интенсивно внедряются эрбиевый, гольмиевый, титан-сапфировый, александритовый, СО-лазеры и др. Перспективны в медицине полупроводниковые лазеры и твердотельные лазеры с диодной накачкой благодаря их высокой эффективности, малым габаритам и стабильности параметров излучения.

9*

Г л а в а 5

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ

5.1. Физика и техника волоконных световодов

В настоящее время разработано много различных типов волоконных световодов (ВС), предназначенных для решения конкретных научных и технических задач [1–3, 7, 9, 76, 310, 386, 436, 558, 997, 1069, 1070, 1114–1222]. Наиболее широкое применение, в том числе и в биологии, и в медицине, имеют диэлектрические ВС, схематически представленные на рис. 5.1. Свет по ВС распространяется за счет явления полного внутреннего отражения на границе двух диэлектриков: сердцевины ВС,

имеющей диаметр 2a и показатель преломления nc и оболочки, имеющей диаметр 2b

и показатель n0; nc > n0.

Распространение света в виде меридиональных (пересекающих ось световода)

и косых лучей в многомодовых ВС со ступенчатым и параболическим распределениями показателя преломления по сечению сердцевины показано на рис. 5.2. Видно, что по ВС распространяются лишь те меридиональные лучи, угол падения которых на торец не превышает некоторого критического угла ϑкр. Другими словами, все лучи, попадающие в конус, образующая которого составляет угол ϑкр с осью ВС, возбуждают световод. Угол ϑкр называют угловой апертурой или приемным углом ВС. Обычно для характеристики ВС используют параметр, называемый числовой апертурой:

q

N A ≡ n sin ϑкр = n2c − n20 , (5.1)

где n — показатель преломления вещества, в котором находится торец световода. В отличие от меридиональных, косые лучи идут по ломаным винтовым линиям (рис. 5.2, б). Имея больший критический угол, косые лучи несколько увеличивают коэффициент пропускания ВС и его числовую апертуру.

Путем повторяющихся многократных отражений свет по ВС может распространяться на большие расстояния, поскольку при полном внутреннем отражении потери чрезвычайно малы. Однако на определенных длинах ВС свет все-таки затухает как за счет очень большого числа отражений, так и поглощения и рассеяния света

вматериале сердцевины.

Вградиентном световоде (см. рис. 5.1, б) параболический профиль показателя преломления способствует фокусировке отдельных лучей при их распространении по ВС. Траектории лучей представляют собой синусоиды (меридиональные лучи) или винтовые линии (косые лучи). Период фокусировки градиентных ВС соответствует

нескольким диаметрам сердцевины. Для типичного ВС ( n = nc − n0 0,02) период фокусировки — около 10a [1126].

Для двуслойного ступенчатого диэлектрического волновода цилиндрического се-

чения число возбуждаемых мод (направляемых мод, лучей) [1115, 1123, 1126]

 

M ≈ 0,5V 2,

(5.2)

 

 

 

 

 

 

5.1. Физика и техника волоконных световодов

261

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.1. Типы волоконных световодов: а — световод без оболочки; б — ступенчатый многомодовый световод; в — градиентный многомодовый световод; г — ступенчатый одномодовый световод; д — одномодовый световод с сохранением поляризации типа РАNDА; е — волоконный жгут пучкового типа

где

2πaN A

 

 

V =

,

(5.3)

λ

 

 

 

— безразмерный параметр ВС (характеристическая частота), а режим единственной моды реализуется при V < 2,405 или 2a < 0,76λ/N A, где λ — длина волны в свободном пространстве (или воздухе).

Для кварцевых многомодовых ВС n0 1,46 и относительная разница показателей

преломления = (nc − n0)/nc 6 0,01. Следовательно, числовая апертура ВС, нахо-

дящегося в воздухе (n ≈ 1),

 

 

 

N A ≈ n1

2 ,

(5.4)

не должна быть больше 0,2 (обычно она составляет 0,1–0,2, что соответствует угловым апертурам ϑкр 5,7–11,5, для широкоапертурных медицинских ВС ϑкр