Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях

282 Гл. 5. Волоконные световоды для биомедицины

Т а б л и ц а 5.5. Параметры волоконно-оптических облучателей для внутриполостной лазерной терапии [1155]

ляции (за счет локального контраста температур) используется принудительное охлаждение корпуса облучателя путем прокачки через рубашку охлаждения жидкости (воды) при температуре 5–25 ◦C. Аппликаторы

6 — сердцевина ВС диаметром 300 мкм

с мощностью на дистальном конце от 1 до 35 Вт используются для коагуляции тканей простаты, печени и мозга [2].

Оптическая схема одного из вариантов СО2-лазерного скальпеля, рассчитанного на мощность излучения 20–40 Вт, показана на рис. 5.21 [1143]. Визуализация фокальной точки ИК излучения СО2-лазера осуществлена с помощью пучков излучения Не–Nе-лазера. Выбранный ход лучей отражает разницу в фокальных длинах ZnSе-линзы для видимого (λ = 632,8 нм, F1 = 8,71 мм) и ИК- (λ = 10,6 мкм, F2 = 10 мм) излучений.

Для защиты входного и выходного торцов ВС от разрушения мощным лазерным излучением делают специальные оптические расширители на концах ВС, которые плавно меняют диаметр сердцевины, например, от 1 мм на входном торце до 0,4 мм в самом ВС и 1 мм на выходе. Расширитель приваривают к стандартным световодам; они действуют по принципу фокона (см. рис. 5.9) и имеют длину порядка 1 см. Изготавливают также световоды, у которых диаметр сердцевины плавно, на протяжении нескольких метров, уменьшается от входного конца до дистального. Преимущество таких ВС состоит в высокой концентрации энергии на дистальном конце и отсутствии сплавных соединений, на которых частично теряется мощность лазерного излучения.

5.3. Волоконные лазеры

Волоконные лазеры представляют собой широкий круг устройств, использующих различные виды оптической накачки от когерентных и некогерентных источников света. Активная среда создается за счет изготовления сердцевины из подходящих лазерных материалов, либо за счет использования нелинейных свойств материала волокна [1023, 1057, 1059, 1060, 1100–1103, 1197].

Волоконные лазеры являются перспективными для применения в биологии и медицине благодаря их компактности, совмещению функций лазера и световода, возможности создания многоканальных лазерных систем. Они с успехом могут быть использованы в лазерной микрохирургии, терапии и диагностике, в частности в генной инженерии, цитометрии, для облучения крови in situ, одномоментной рефлексотерапии и пр.

Втипичном медицинском лазере многоцелевого назначения применяют оптические волокна с диаметром сердцевины 7–10 мкм (диаметр оболочки 25–30 мкм), изготовленные из различных лазерных материалов, причем для волокон, активированных редкоземельными элементами, длину волны излучения можно варьировать

вшироких пределах, от УФ до ИК (см. [52]). Излучатель лазера представляет собой световод, располагаемый спирально вокруг лампы накачки, дистальный конец которого, длиной 1–10 м, выводится в область взаимодействия излучения с биологическим объектом. При активации материала волокна неодимом в моноимпульсном режиме выходная энергия лазера на λ = 1060 нм составила 0,6–0,7 Дж при длительности импульса генерации 100–120 мкс, в квазинепрерывном режиме с частотой повторения импульсов 10–20 Гц средняя мощность равна 20–25 Вт. Малый диаметр дистального конца и значительная его длина позволяют облучать биологические микрообъекты и транспортировать излучение к труднодоступным тканям.

Вволоконных лазерах необходимая для получения генерации положительная обратная связь осуществляется за счет отражения от торцов ВС и обратного рассеяния на оптических неоднородностях и микроизгибах [1123]. Использование жгутов из нескольких активных волокон позволяет реализовывать многоканальные медицинские лазерные системы.

Эффективную поперечную накачку активных волокон дают линейки светоизлучающих диодов на GaAlAs, поскольку длина волны их излучения очень близка

к одной из линий поглощения неодима (0,81 мкм). Обычно используется многовитковая укладка длинных отрезков ВС (около 1 м) на линейки светодиодов [1123]. Для получения генерации на торцы ВС наносят зеркальные покрытия. Системы компактны, обладают сравнительно высоким КПД и имеют большие перспективы в медицине. Наряду с поперечной используется и продольная накачка светодиодами и различными типами лазеров. Наилучшие характеристики дают волоконные лазеры

снакачкой излучением от лазерных диодов [1057, 1100–1103, 1197]. Они имеют низкие пороги генерации (6 100 мкВт) и большие коэффициенты усиления. В качестве активного элемента используются как одномодовые, так и многомодовые световоды. Отрезок ВС длиной 2–3 м с активированным материалом сердцевины размещают внутри оптического резонатора (зеркала вблизи торцов или зеркальные покрытия нанесены на торцы ВС). Зеркала резонатора эффективно отражают свет на длине

волны волоконного лазера и пропускают свет от лазера накачки (рис. 5.26). Световоды, изготовленные из материалов, легированных ионами Nd3+, Ho3+,

Er3+, Tm3+, Yb3+ используются для создания лазеров и усилителей в диапазоне 0,9–2,2 мкм. Примеси ионов других редкоземельных элементов не используются из-за многофононной релаксации, либо из-за отсутствия источников накачки [1197].

Для волоконного лазера на одномодовом кварцевом ВС, активированном неодимом, 97 % излучения лазера накачки с λ = 0,82 мкм поглощается в активной среде. Эффективность ввода излучения лазера накачки — около 25 %. Порог генерации для λ = 1,088 мкм составляет 3,7 мВт, область перестройки больше 80 нм. Такую же область перестройки можно получить и в эрбиевом лазере (λ = 1,55 мкм). В неодимовом лазере на многомодовом ВС (λ = 1,088 мкм) получена генерация с пиковой мощностью в режиме модуляции добротности порядка 10 Вт [1057]. В непрерывном режиме для световода длиной 20 м с диаметром сердцевины, равным 28 мкм, и с концентрацией эрбия, равной 40 ррm, для продольной накачки излучением мощностью 10 Вт мощность выходного излучения на λ = 1,534 мкм составила 2 Вт (выходная связь — около 96 %) при пороговой мощности накачки порядка 100 мВт.

Узкополосные лазеры на основе трехслойного ВС, легированного неодимом

Nd3+:Al2О3/GeO2/SiO2, описаны в [1159]. Активное волокно имеет две сердцевины — центральную диаметром 5 мкм, содержащую GeO2 и ионы неодима с концентрацией 200 ppm, и коаксиальную — диаметром 50 мкм, содержащую GeO2

сдобавлением Al2О3. Накачка осуществляется полупроводниковым лазером с длиной волны 810 нм и максимальной мощностью 650 мВт. Длина ВС равна 5 м, эффективность ввода 85 %. Один из лазеров в качестве спектрально-селективного элемента использует волоконный отражатель, составленный из двух асимметричных интерферометров Маха–Цендера, который обеспечивает ширину линии излучения лазера в 1 нм при полной выходной мощности 70 мВт. В другом лазере селекция осуществляется за счет брэгговской дифракционной решетки, в результате ширина линии снижена до 100 МГц при выходной мощности 15 мВт. Возможности эффективного (95 % и выше) сложения излучений нескольких волоконных лазеров с помощью одномодовых разветвителей Х-типа продемонстрированы в [1160]. Выпускаемые промышленностью мощные волоконные лазеры на редкоземельных элементах и области их медицинских приложений представлены в табл. 1.12 [420, 1101–1103].

Волоконные лазеры, использующие нелинейные явления, не требуют активирования материала сердцевины. Возможность их работы определяется высокой плотностью мощности лазера накачки и значительной областью взаимодействия излучения накачки с материалом сердцевины (большие длины ВС, продольная накачка). Наиболее часто в качестве нелинейного явления используют вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР). ВКР-волоконные лазеры на одномодовом ВС длиной в несколько сот метров при мощности лазера накачки в несколько ватт (λ = 1060 нм) дают из-

лучение в диапазоне 1080–1130 нм для первого стоксового компонента и 1150–1175 нм для второго [980]. Характерные длины волн возбуждения λвоз и излучения λизл, а также условия генерации ВКР волоконных лазеров приведены в табл. 5.6 [1156–1158].

Экспериментальная установка на основе волоконного лазера для исследования спектров пропускания биотканей в диапазоне длин волн от 1064 до 2000 нм описана

в[1190]. Излучение АИГ:Nd-лазера с акустооптической модуляцией добротности

(λ = 1064 нм, τи = 250 нс, f = 250 Гц) возбуждает многомодовый кварцевый ВС длиной в 1 км и диаметром сердцевины, равным 35 мкм. ВКР-лазер имеет набор дискретных линий с λ = 1064, 1120, 1176, 1240, 1308 и 1390 нм, а также сплошной спектр излучения, простирающийся вплоть до 2000 нм. Энергия отдельного импульса, поступающего через монохроматор (разрешение 20 нм) на биоткань, изменяется

впределах от 0,01 мДж на λ = 1064 нм до 0,001 мДж на λ = 2000 нм (соответственно, средняя мощность изменяется от 2 до 0,2 мВт).

ВРоссии выпускаются волоконно-оптические многомодовые источники дискретного по спектру когерентного излучения «Гамма-А» и «Гамма-С», которые возбуж-

даются излучением любых импульсных лазеров с λ = 400–1100 нм, τи 6 1 нс, Pи = 0,01–1 МВт.

Рис. 5.22. Одна из типичных конструкций волоконного лазера: λвоз — длина волны излучения накачки, λизл — длина волны излучения волоконного лазера [1100]

5.4.Микроструктурные световоды

Впоследние годы интенсивно развивается новое направление в волоконной оптике, связанное с разработкой и применением микроструктурных световодов (МСС) или фотонно-кристаллических световодов (ФКС) [1198–1217]. Оба термина считаются эквивалентными, хотя МСС представляют собой более широкий класс световодов. В таких световодах для передачи и преобразования излучения используется сплошная (рис. 5.23, а–г) или полая (рис. 5.23, д, е) сердцевина, окруженная микроструктурной оболочкой, содержащей систему ориентированных вдоль оси световода цилиндрических воздушных отверстий [1198]. Как правило, МСС изготавливаются путем вытяжки из преформ, набранных из капиллярных стеклянных или кварцевых трубок и стержней [1207, 1208].

Втом случае когда МСС сконструирован так, что в нем образуются фотонные запрещенные зоны, тогда он поддерживает распространение волноводных мод за счет высокой отражательной способности оболочки в области длин волн сформированной фотонной запрещенной зоны, что позволяет существенно снизить потери при распространении света в полой сердцевине. Существенное достоинство МСС заключается

ввозможности конструирования новых типов световодов с заданными характеристиками для конкретных приложений в технике, биологии и медицине, поскольку изменение структуры дает возможность формировать частотный профиль собственных мод световодов, обусловленный частотным профилем дисперсии, который может сделать практически любой степени сложности. А это, в свою очередь, дает новые

Рис. 5.24. Генерация суперконтинуума с помощью МСС в виде решетки кагоме (а) с локальными размерами 2,0 × 1,5 мкм; спектры, возбуждаемые в МСС излучением фемтосекундного титан-сапфирового лазера ( 800 нм, 220 фс) при примерно одинаковой внутриволоконной плотности мощности 40 ГВт/см2 и разных длинах волокна (б) [1206]

длин волн фотонных запрещенных зон. Сама полая сердцевина сформирована за счет извлечения семи капилляров из центральной части структуры. Период структуры оболочки составляет 5 мкм, а диаметр полой сердцевины 13 мкм. Излучение импульсного пикосекундного Nd:АИГ-лазера (1060 нм) пропускается через МСС и фокусируется на поверхность зуба, где производится абляция твердых тканей зуба. Возникающее при этом эмиссионное излучение образовавшейся при абляции плазмы попадает обратно в МСС и передается в систему регистрации для контроля процесса абляции. Важно, что профиль выходного пучка и МСС имеет форму, близкую гауссовой, что дает возможность его жесткой фокусировки на объект.

5.5. Биомедицинские волоконно-оптические датчики и зонды

Как уже говорилось выше, доставка лазерного излучения к биообъекту и обратно наиболее эффективно может быть осуществлена с помощью кварцевых или полимерных ВС. Малые размеры и вес ВС, химическая неактивность материала, помехозащищенность относительно электрических и магнитных полей, большая светосила и возможность сохранения поляризации излучения при использовании лазеров делают их перспективными для создания разнообразных датчиков и зондов, применяемых в биомедицине [1, 3, 7, 9, 205, 386, 436, 1069, 1070, 1114, 1122–1195]. Волоконно-оптические датчики (ВОД) и зонды безопасны для пациента, поскольку не имеют электрических контактов с телом и изготавливаются из химически неактивных материалов; благодаря малым размерам и весу они могут быть составной частью катетеров и эндоскопов для измерения параметров излучения внутри тканей, органов и кровеносных сосудов, требуют малых количеств исследуемого материала (например, крови); их невосприимчивость к внешним электромагнитным полям дает возможность проводить измерения в процессе воздействия на органы и ткани высоких электрических напряжений или СВЧ-полей.

Биомедицинские ВОД можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся оптические датчики (основаны на измерении спектров отражения и флуорес-