Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

Так, при w = 1,6r0 максимальная эффективность возбуждения основной моды достигает 81 %.

Формулы (5.13)–(5.18) записаны без учета френелевского отражения от входного торца ВС, которое для nc = 1,5 и n = 1 составляет 4 % от падающей мощности.

На рис. 5.7 и 5.8 показаны некоторые варианты схем возбуждения ВС коллимированным малорасходящимся пучком газоразрядного (или твердотельного) лазера или сильно расходящимся пучком полупроводникового лазера, который благодаря очень малой излучающей площади является источником, близким к точечному.

Рис. 5.7. Возбуждение ВС коллимированным пучком света диаметром 2w с помощью собирающей линзы с фокусным расстоянием F

Рис. 5.8. Некоторые варианты ввода излучения полупроводникового лазера (или светодиода) в волоконный световод: 1 — лазер (или светодиод); 2 — линзовый элемент; 3 — световод

Кроме традиционных линз, объективов и микролинз для передачи света в во- локонно-оптических системах используют также волоконно-оптические элементы, которые позволяют уменьшить или увеличить угловую расходимость излучения или сфокусировать пучок. На рис. 5.9 изображены два элемента — фокон и селфок-линза. В зависимости от направления падающего на фокон излучения (с широкого или узкого торца) он может расширять или сужать диаграмму направленности точечного источника (полупроводникового лазера или светодиода). Селфок-линза представляет собой небольшой отрезок градиентного ВС, равный длине фокусировки коллимированного пучка, и является плоскопараллельным линзовым элементом, удобным для конструирования компактных волоконно-оптических систем. Числовая апертура селфок-линз достигает 0,45. В качестве микролинз используются также стеклянные стержни, у которых показатель преломления изменяется по линейному закону в продольном направлении. Существуют пластиковые цилиндрические микролинзы, а также микролинзы из стекол с добавкой серебра для УФ-диапазона длин волн.

Рис. 5.9. Волоконно-оптические элементы: а — фокон; б — градиентная стержневая линза (селфок-линза)

Некоторые типичные волоконно-оптические устройства показаны на рис. 5.10. Два из них на основе сферических и селфок-линз служат для стыковки ВС. Два других решают задачи разъединения и объединения световых пучков одной и разных длин волн. Они сконструированы на основе селфок-линз. Принцип действия устройств ясен из хода лучей, показанного на рисунке, который в данном случае соответствует режиму деления. Обращение хода лучей дает режим объединения разных пучков. Разработаны и выпускаются промышленностью специальные разъемы для надежной стыковки ВС [1123–1125].

Рис. 5.10. Волоконно-оптические устройства: а, б — устройства стыковки ВС; в — делитель (разветвитель); г — устройство спектрального деления (или объединения). 1, 2, 3 — световоды; 4 — сферические линзы; 5 — градиентные стержневые линзы; 6 — зеркало; 7 — интерференционный фильтр, пропускающий излучение с λ1 и отражающий излучение с λ2

Отметим, что практические работы с волоконно-оптическими устройствами, разработка и конструирование новых устройств требуют особой тщательности исследователя, поскольку из-за малости длины волны света и геометрических размеров этих устройств они очень чувствительны к различным возмущениям механической, акустической и тепловой природы. Уровень нестабильности интенсивности и длины волны излучения в системе ВС — возбуждающий лазер (см. рис. 5.8) определяется нестабильностью оптической длины пути между торцом ВС и излучающей поверхностью. При одинаковом уровне внешних возмущений оказывается возможным путем оптимизации устройства связи добиться минимальных флуктуаций излучения при достаточно высоком уровне ввода излучения в одномодовый ВС. Соответствующие данные для шести типов различных устройств связи инжекционного полупроводникового лазера и одномодового ВС (7/125) приведены в табл. 5.2 [991]. Наилучшие результаты получаются для устройства связи, выполненного в виде вытянутого конуса длиной 15 мкм на торце ВС; при этом необходима высокая точность установки вытянутого конуса относительно лазера как по продольной (z), так и поперечным (x, y)

координатам. В то же время плоский торец допускает почти в два раза более грубую установку по всем трем координатам, однако все остальные параметры существенно хуже. Лишь небольшая настройка требуется для системы с двумя селфок-линзами (рис. 5.10, б), которая имеет минимальный уровень флуктуаций интенсивности, однако и малую эффективность возбуждения ВС (всего 46 %).

Т а б л и ц а 5.2. Зависимость эффективности возбуждения одномодового ВС (7/125) при различных конструкциях устройства связи

Для многомодовых световодов серьезным источником флуктуаций является так называемый модовый шум [558, 1116]. Причина его возникновения заключается

втом, что при возбуждении ВС когерентным светом в результате интерференции большого числа мод на выходе формируется спекл-картина, которая чрезвычайно чувствительна к различным возмущениям световода: температурным, механическим, акустическим. Если в системе возникает пространственная фильтрация, например, световод неидеальным образом состыкован с другим световодом в продольном направлении, имеют место потери на микроизгибах; или если на пути до приемника излучения стоит апертурный ограничитель, то любое возмущение спекл-картины приведет к нестабильности передаваемой мощности. Коэффициент преобразования на неоднородности зависит от длины волны излучения лазера; характерный масштаб этой зависимости определяется дисперсией световода. Следовательно, нестабильности частоты (длины волны) источника также приводят к модовому шуму. На уровень модового шума существенно влияет ширина спектра источника, число мод лазера и длина световода [558].

При высокой степени когерентности излучения модовый шум оказывается значительным даже для очень длинных световодов. Для некогерентных источников света спекл-структура не формируется и модовые шумы отсутствуют. Для когерентных источников низкочастотные модовые шумы можно подавить путем принудительной фазовой модуляции распространяющегося по ВС света, осуществляемой с помощью пьезокерамического цилиндра, раскачиваемого на частотах 9–14 кГц [558].

Модовые шумы существуют также в одномодовых ВС [558]. Причиной их возникновения являются эффекты разделения и фильтрации мод источника излучения

всамом световоде, приводящие к перераспределению флуктуаций в отдельных модах проходящего излучения, а также интерференция между LP01- и LP11-модами на

где эффективность ввода–вывода η = η1 · η2 · η3; 1 − η1 и 1 − η2 — потери на отражение от входного и выходного торцов; η3 характеризует эффективные потери, связанные с расходимостью лазерного излучения; χ0 — установившееся на длине L > L0 значение распределенных потерь при распространении света в ВС вдоль оси x.

Т а б л и ц а 5.3. Параметры ВС с сердцевиной из кварца КУВИ [1145]

ченные для трех типов эксимерных лазеров, представлены в табл. 5.3 [1145]. Расходимость лазерного излучения — около 3 мрад, частота следования импульсов равна 5 Гц. Излучение лазера через диафрагму и согласующую линзу направлялось на входной торец ВС так, как это изображено на рис. 5.11. Для исключения эффектов, связанных с изменением угла ввода, авторы [1145] использовали длиннофокусную линзу с F ≈ 300 мм. При L > L0 (L0 6 20 см) расходимость излучения на выходе ВС в дальней зоне сохранялась постоянной и не превышала 17◦. При средней плотности входной энергии (W1 ≈ 3 Дж/см2) распределенные потери для λ = 308 и 351 нм не зависят от W1, т. е. имеется лишь линейный компонент затухания.

Рис. 5.11. Схема возбуждения ВС излучением большой энергии

В то же время для более коротковолнового излучения с λ = 248 нм значительными оказываются нелинейные потери,

χ0 = α + βW2

(α = 3 · 103 см−1, β = 5,3 · 10−2 см/Дж), которые существенно ограничивают плотность энергии на выходе (W2).

Эффективность ввода–вывода излучения зависит от качества подготовки торца ВС и длины волны. В табл. 5.3 приведены данные для параметра η, полученные для сколотых торцов. На λ = 308 и 351 нм значения η близки друг к другу. Сильный разброс значений η определяется качеством скола. Для λ = 308 нм полировка торцов дает η ≈ 0,94 ± 0,04 при углах ввода излучения ϑ1 6 6–7◦. Однако полировка торцов снижает лучевую стойкость ВС из-за неизбежного внедрения абразива в поверхностный слой, что в конечном итоге уменьшает максимально достижимое

значение энергии на выходе. Предельно достижимые значения энергии на выходе ВС определяются не только эффективностью ввода–вывода и потерями в материале, но также и лучевой стойкостью ВС, W1 max. Наиболее характерными видами деградации ВС являются разрушения входного и выходного торцов, боковой поверхности вблизи входного торца или на промежуточных участках. На рис. 5.11 пунктиром показаны области с повышенной плотностью энергии, где следует ожидать разрушения. Выходной торец (дистальный конец ВС) разрушается в основном из-за загрязнений, поглощающих излучение. При этом происходит скол загрязненного участка. Разрушение боковой поверхности вблизи входного торца обусловлено, главным образом, неоптимальным вводом излучения, а повреждения на промежуточных участках — оптическими неоднородностями за счет дефектов при изготовлении или микроизгибов.

Снижение лучевой стойкости ВС к излучению с λ = 248 нм (см. табл. 5.3) авторы [1145] связывают с нелинейными процессами. Вид разрушений существенно отличается от вида разрушений при более длинноволновом излучении: наблюдаются узкие трещины длиной несколько миллиметров в боковой поверхности вблизи входного торца.

Кроме рассмотренных причин снижения предельной энергии на выходе ВС существует еще одна — весьма значительная — зависимость W1 max от длительности импульса τи. При передаче лазерного излучения с λ = 308 нм по промышленным кварцевым ВС с диаметром сердцевины 400 мкм лучевая прочность входного тор-

ца W1 max ≈ 12√τи (Дж/см2) в диапазоне τи ≈ 10–300 нс.

При использовании промышленного ХеСl-лазера с λ = 308 нм, с длительностью импульсов τи = 40 нс и частотой повторения импульсов f = 75 Гц для большего, чем 103, числа импульсов нетрудно обеспечить на выходе кварцевого ВС с диаметром 400 мкм и длиной 4 м плотность энергии около 6–7 Дж/см2, что примерно в четыре раза превышает порог абляции ткани стенки сосудов для выбранной длины волны и ниже порога разрушения загрязненного остатками биоткани дистального конца ВС.

При фиксированной длительности импульсов с ростом длины волны лучевая стойкость переднего торца кварцевого ВС довольно значительно увеличивается, при этом отношение W1 max к величине порога абляции биоткани падает более чем в два раза, что казалось бы делает эффективнее использование коротковолнового излучения (табл. 5.4), однако значительные линейное и нелинейное затухания на λ = 248 нм, а также образование центров окраски в материале ВС под действием последовательных УФ-импульсов, катастрофически снижающих пропускание (до 10 % первоначальной величины после нескольких тысяч импульсов), являются главными причинами, ограничивающими применение этого лазера в сочетании с промышленными световодами.

Т а б л и ц а 5.4. Некоторые параметры ВС с сердцевиной из плавленого кварца ([46], с. 1772)

В зависимости от конкретной ситуации может быть рекомендован для использования один из типов длинноволновых лазеров с λ = 308 нм или 351 нм. Если требуются длинные, до 10 м, отрезки ВС, меньшее количество импульсов для удаления патологической ткани и снижение опасности канцерогенных эффектов, предпочтение

278 Гл. 5. Волоконные световоды для биомедицины

следует отдать излучению с λ = 351 нм. Однако более тонкое послойное удаление патологической биоткани возможно лишь при использовании коротковолнового излучения.

Линейное пропускание кварцевых световодов в УФ-области спектра можно повысить при использовании технологии их вытяжки, дающей значительное содержание гидроксильных групп ОН (ВС на основе так называемого «мокрого» или «сверхмокрого» кварцевого стекла). Методы ВЧ и СВЧ плазмохимического осаждения позволяют получить кварц-кварцевые ВС с фторсиликатной оболочкой и сердцевиной из чистого кварцевого стекла с большим содержанием гидроксил-ионов, обладающие низкими потерями на λ = 308 нм, α 6 0,17 дБ/м [1123]. Разработанные авторами [1139] ВС предназначены для передачи высокоинтенсивного УФ- и ИК-излучения, имеют диаметр сердцевины, равный 300–600 мкм; числовую апертуру — 0,19–0,38; оптические потери на λ = 308 нм — 0,17–2,8 дБ/м и на λ = 1060 нм — (1,7–5,7) ×· × 10−3 дБ/м.

Распространение импульсного УФ-излучения по кварцевым световодам имеет одну интересную особенность, которую необходимо учитывать на практике. Например, излучение азотного лазера с λ = 337 нм, длительностью τи ≈ 6 нс и средней мощностью импульса около 15 кВт вызывает люминесценцию центров окраски в материале сердцевины (кварцевое стекло КУВИ) в широкой области видимого спектра [1150]. Материальная дисперсия ВС определяет опережающее распространение импульса люминесценции по сравнению с импульсом накачки. Время опережения переднего

через ВС типа кварц–полимер с диаметром сердцевины 400 и 600 мкм наблюдалось красное свечение (λ ≈ 670 нм), обусловленное фотоиндуцированными центрами окраски с центром полосы возбуждения на λ = 260 нм [1151].

Послойное удаление биоткани можно реализовать и при использовании ИК-лазер- ного излучения (λ > 2 мкм). При этом нет опасности возникновения канцерогенных эффектов. ИК-лазеры в сочетании с ВС применяются, например, в кардиологии (ангиопластика, лечение врожденных пороков сердца), они обеспечивают эффективное рассечение и поверхностное удаление биоткани [7, 61, 1141]. Например, промышленные кварц-полимерные ВС типа КП-400 и КП-600 с затуханием на λ = 0,85 мкм порядка 8–10 дБ/км могут быть использованы для достаточно эффективной передачи (> 50 %) излучения гольмиевого лазера (λ = 2,09 мкм) на расстояние 3–10 м [1144]. С учетом потерь на согласование (10–13 %) световод длиной 3 м пропускает около

(около 104 импульсов) без каких-либо повреждений, что достаточно для проведения многих хирургических операций и терапевтических воздействий.

Как уже было отмечено в предыдущем разделе, наиболее перспективными для медицинских применений в области длин волн 3–10 мкм являются ВС на основе галогенидов серебра (ВСГС). Они не токсичны, гибки, не растворяются в воде, достаточно эффективно пропускают как непрерывное, так и импульсное излучения с длинными и короткими импульсами.

Одним из лучших материалов для ВСГС является КРС-13 (0,25АgСl–0,75АgВr) [1120]. Прочность на разрыв экструдированных поликристаллических ВС из КРС-13

достигает 150 МПа, световод диаметром 0,5 мм допускает многократные изгибы радиусом до 7 см. Пропускание ВС диаметром 0,8 мм не изменяется при изгибах вплоть до радиуса 5 см. Полные потери для безоболочечных ВС в диапазоне длин волн 2–13 мкм определяются соотношением ([1120], с. 3)

α = (0,5 + 16,2/λ2), дБ/м.

Значительный показатель преломления материала ВС, n > 2, и отсутствие отражающей оболочки приводят к большим значениям числовой апертуры и, как следствие, большим потерям за счет затухания мод высоких порядков на поверхности ВС (из-за поверхностных дефектов). Реальная числовая апертура (N A ≈ 0,3–0,4) устанавлива-

ется на длине ВС Lст > 2 м.

Большим показателем преломления обусловлено и высокое отражение света от торца (френелевские потери). Например, для СО2-лазера только 70 % мощности проходит через ВС диаметром 0,9 мм и длиной 1 м, 8 % мощности теряется за счет рассеяния и поглощения, а остальные 22 % — за счет отражения [1114].

Распределение интенсивности на выходе ВС в дальней зоне имеет ширину на уровне половинной мощности порядка 30◦. Поскольку при выходе из ВС амплитуды падающей и отраженной волн суммируются, то разрушениям при высоких уровнях непрерывной мощности (4–5 кВт/см2) подвержен именно выходной торец ВС. Кроме того, наличие спекл-картины на выходе (интерференция волноводных мод) с высокими значениями локальной интенсивности также способствует разрушению выходного торца. Принудительное охлаждение торца увеличивает порог разрушения до 38 кВт/см2, а просветление входного и выходного торцов ВС увеличивает его пропускание на 25 % и порог разрушения до 50 кВт/см2 ([1120], с. 3). Порог разрушения ВС из КРС-13 с просветленными торцами для непрерывного излучения с λ = 10,6 мкм достигает 70 кВт/см2 [1140]. ВСГС позволяют также пропускать короткие импульсы с большой пиковой энергией и мощностью (СО2- и АИГ:Еr-лазе- ры): Eи ≈ 20–50 мДж (до 6,5 Дж/см2), τи = 0,1–4,2 мкс, P ≈ 50–60 кВт (8 МВт/см2, τи = 0,1 мкс) [1114, 1120]. Увеличение длительности импульса (τи > 100 мкс) позволяет повысить порог разрушения до 36 Дж/см2 и передавать импульсно-пе- риодическое излучение СО2-лазера высокой мощности [1140]. Порог разрушения сапфировых ВС на длине волны эрбиевого лазера (2,94 мкм) превышает 1,2 кДж/см2 при τи = 110 мкс [1140].

Авторами [1140] разработан гибкий кабель на основе ВС из КРС-13 со специальной дистальной насадкой, передающий излучение СО2-лазера мощностью около 1 Вт, который может быть использован при проведении ряда хирургических операций, например для сварки сосудов.

По сравнению с поликристаллическими ВС полые металлические световоды обладают высокой прочностью и лучевой стойкостью, поэтому находят применение в ИК лазерной хирургии [1133]. Изготовленные по специальной технологии полые световоды имеют достаточную гибкость и сравнительно малые потери (0,3–2,0 дБ/м). Пропускаемая ими мощность излучения уменьшается не более чем в два раза при изгибе радиусом 5 см и скрутке на 180◦. Отражающими поверхностями полых световодов являются две зеркально отполированные полоски алюминиевой или медной фольги, которые вставляются в пазы прокладок специальной конфигурации, далее вся конструкция помещается в термоусаживаемую трубку и равномерно сжимается ею [1133]. Величина пропускания световодом излучения СО2-лазера мощностью 30 Вт достигает 70 % при его длине 1 м и внутреннем сечении 0,5 × 8,0 мм. Максимальная плотность мощности на выходе скальпеля, построенного на базе полого

световода, равна 10 кВт/см2 (диаметр пятна 500 мкм, фокусировка системой двух линз — цилиндрической и сферической).

Разработаны также пластиковые полые световоды для передачи излучения СО2-лазера. Основой для них служат трубки из тефлона — материала, который обычно используется в медицине. Внутренняя поверхность трубки покрывается тонким (несколько микрометров) слоем металла и поверх него тонким защитным слоем диэлектрика. Световоды имеют гибкость тефлона, хорошо стерилизуются и могут быть многократно использованы для лазерной хирургии и терапии внутренних органов (полый световод с помощью линзы с F = 12,5 см согласуется с СО2-лазером мощностью 50 Вт).

В лазерной диагностике, хирургии и терапии требуются различные формы световых пучков на выходе волоконно-оптического облучателя и скальпеля. Торцы приемных отрезков ВС также должны быть определенным образом сформированы, чтобы эффективно передавать информационное излучение от объекта в диагностических системах. Для целей лазерной диагностики и химиотерапии тканей внутренних органов (пищевод, брюшина, желудок, мочевой пузырь, бронхи и пр.) разрабатываются разнообразные волоконно-оптические осветители [7, 61, 205, 1143, 1152–1155]. Принцип работы цилиндрического осветителя можно понять с помощью рис. 5.12 [1152].

Рис. 5.12. Освещение злокачественной опухоли с помощью обычного ВС (а); ВС со специально обработанным концом (б): 1 — ВС; 2 — область высокой энергии; 3 — опухоль

В случае использования ВС с полированным или сколотым выходным торцом (рис. 5.12, а) в биоткани вблизи торца формируется очень сильный вторичный источник света, где значительная часть мощности теряется за счет бесполезного нагрева ткани. Для того чтобы уменьшить эти потери и получить равномерное распределение энергии в пространстве, используют химическое травление выходного отрезка ВС, дающее диффузно рассеивающую поверхность сердцевины ВС (рис. 5.12, б). Травление конца ВС, длиной 15 мм, с предварительно снятой оболочкой и диаметром сердцевины 400 мкм осуществляется в растворе фторида аммония в плавиковой кислоте в течение нескольких минут. В результате химического процесса на поверхности сердцевины ВС формируется неоднородная структура с пространственным периодом от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.

Конструкция и диаграмма излучения другого типа цилиндрического осветителя показана на рис. 5.13 [1153]. Стеклянный колпачок изготавливают из трубки соответствующего диаметра (боросиликатное стекло или кварц), один конец которой оплавляют так, чтобы получить полусферическую форму. Затем внутренняя часть колпачка матируется с помощью абразивного порошка, покрывается белой термостойкой эпоксидной смолой, одевается на очищенный от оболочки конец ВС, к которому колпачок приклеивается той же смолой. На рис. 5.13, б показана диаграмма распределения энергии излучения в пространстве, полученная с помощью Не–Nе-лазера (λ = 633 нм) мощностью 1 мВт.