ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
FIBER LASER FOR MEDICINE

Изобретение относится к приборам для генерации с использованием стимулированного излучения когерентных электромагнитных волн и может быть использовано в квантовых устройствах для генерирования, стабилизации, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, а именно к волоконным лазерам для медицины.
Волоконные лазеры стали популярными в медицине для малоинвазивного лечения ряда серьезных заболеваний. Наиболее востребованными здесь являются тулиевые волоконные лазеры, способные генерировать излучение с длиной волны в диапазоне 1900-2000 нм, которое хорошо поглощается в воде и крови.
При разработке волоконных лазеров для медицины необходимо учитывать, что лазер должен обладать минимально возможными массо-габаритными параметрами высокой эффективностью и высокой надежностью.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте РФ на изобретение №2 045 298, опубл. 10.01.2012 г., МПК A61N-5/06, А61В-17/36, под названием «Медицинское лазерное устройство», содержащее глухое и выходное селективные зеркала резонатора, измеритель мощности излучения, источник подсветки, блок управления и выпрямитель,
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- использование твердотельного лазера существенно увеличивает массо-габаритные характеристики лазера и его стоимость;
- твердотельные лазеры имеют КПД в несколько раз меньший чем в волоконном;
- излучение твердотельного лазера при вводе в волокно может претерпевать потери до 50%.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей с уменьшением массогабаритных характеристик и улучшением качественных характеристик, а именно увеличение выходной мощности и эффективности лазера.
Технический результат, заключается в том, что существенно повышена эффективность лазера за счет эффекта кроссрелаксации, длина волны оптимальна для работы с биологическими тканями, обеспечена возможность использования только конвективного охлаждения в широком диапазоне температур, что снижает массо-габаритные характеристики и повышает удобство эксплуатации, предотвращается эффект самофильтрации.
Это достигается тем, что волоконный лазер для медицины, содержащий глухое и выходное селективные зеркала, резонатор, измеритель мощности излучения, источник подсветки, блок управления и выпрямитель, согласно изобретению, снабжен активным волокном и волоконно-оптическим делителем излучения, через который оптически связан с источником подсветки, резонатор выполнен волоконно-оптическим, образованным селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, выходная из которых выполнена с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%, лазерными диодами накачки, волоконно-оптическими объединителями накачки, соединенными с диодами накачки и активным волокном, волоконно-оптическим изолятором, расположенным в выходной части лазера, и волоконно-оптическим стриппером оболочки.
3+
Кроме того, в волоконном лазере для медицины по п. 1, активное волокно выполнено с концентрацией ионов Tmне менее 3% вес.
Кроме того, в волоконном лазере для медицины по п. 1, лазерные диоды накачки выполнены с длиной волны в диапазоне 785-795 нм.
Кроме того, в волоконном лазере для медицины по п. 1, активное волокно резонатора выполнено с длиной волны генерации в интервале от 1900 до 2000 нм.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки способа (он снабжен активным волокном и волоконно-оптическим делителем излучения, через который оптически связан с источником подсветки, резонатор выполнен волоконно-оптическим, образованным селективными зеркалами, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, выходная из которых выполнена с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%, лазерными диодами накачки, волоконно-оптическими объединителями накачки, соединенными с диодами накачки и активным волокном, волоконно-оптическим изолятором, расположенным в выходной части лазера, и волоконно-оптическим стриппером оболочки), не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:
на фиг. 1 представлена оптическая схема лазера;
на фиг. 2 представлена энергетическая диаграмма уровней ионов тулия;
на фиг. 3 представлен спектр поглощения тулиевого волокна в области 785-795 нм;
на фиг. 4 представлена зависимость нормированной эффективности тулиевого лазера от коэффициента отражения выходного зеркала.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - лазерный диод накачки;
2 -глухое селективное зеркало;
3 - объединитель накачки;
4 - активное волокно;
5 - объединитель накачки;
6 - выходное селективное зеркало;
7 - источник подсветки;
8 - делитель излучения;
9 - стриппер оболочки;
10 - изолятор.
Оптическая схема волоконного лазера для медицины состоит из (фиг. 1) глухого 2 и выходного 6 селективных зеркал, резонатора, источника подсветки 7, активного волокна 4 и волоконно-оптического делителя излучения 8, через который оптически связан с источником подсветки 7, резонатор выполнен волоконно-оптическим, образованным селективными зеркалами 2, 6, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, выходная из которых выполнена с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%, лазерными диодами накачки 1, волоконно-оптическими объединителями накачки 3, 5, соединенными с диодами накачки и активным волокном 4, волоконно-оптическим изолятором 10, расположенным в выходной части лазера, и волоконно-оптическим стриппером оболочки 9.
Устройство работает следующим образом.
3
3
3
3
3
3
6
4
5
4
01
02
03
5
4
Излучение диодов накачки 1 возбуждает ионы, находящиеся в состоянии Н (фиг. 2), и инициирует их переход на энергетические уровни F, Н, и Н со скоростью накачки W, W и W, соответственно. В устройстве используется накачка в диапазоне 785-795 нм, возбужденные ионы будут спонтанно переходить на нижние уровни со скоростями А. С уровня Н ионы безызлучательно переходят на уровень F.
3
3
3+
6
4
Лазерный переход расположен между уровнями Н и F. Поэтому можно считать, что волоконный лазер для медицины работает по трехуровневой схеме, и необходима мощная накачка, чтобы создать инверсию населенностей. Учитывая значительный квантовый дефект (примерно 58%), КПД преобразования «свет в свет» не может превышать 42% (без учета других потерь). Известно, что с повышением концентрации ионов тулия эффективность волоконного лазера для медицины повышается и связана такая зависимость с эффектом кроссрелаксации. Кроссрелаксация заключается в том, что один фотон может переместить на лазерный уровень сразу два иона. На фиг. 2 этот процесс обозначен как CR. Использование активного волокна 4 с концентрацией ионов тулия (Tm) более 3% позволяет достичь эффективности «свет в свет» более 60%.
Экспериментальные исследования спектра поглощения ионов тулия в диапазоне 785-795 нм (фиг. 3) показали, что максимум поглощения соответсвует длине волны 788 нм. Поэтому использование диодов накачки 1 с длиной волны 786 нм при температуре 25°С позволяет использовать пассивное охлаждение, т.к. дрейф длины волны диодов накачки 1 составляет 0.3 нм/К. Таким образом, спектр излучения диодов накачки 1 соответствует спектру поглощения ионов тулия в активном волокне 4 и при температуре 40°С. В предлагаемом волоконном лазере для медицины активное волокно выполнено с длиной волны генерации в интервале 1900-2000 нм, которое хорошо поглощается в воде и крови.
Выше сказанное позволяет существенно снизить массогабаритные характеристики волоконного лазера для медицины при температуре до 40°С, что идеально подходит для использования в медицинских учреждениях.
Оптимальный коэффициент отражения выходного зеркала (фиг. 4) лежит в диапазоне от 5 до 20%. Нижняя граница 5% обусловлена созданием обратной связи в резонаторе от торца волокна посредством френелевского отражения (4.6%), вследствие чего лазер может генерировать излучение на благоприятной ему длине волны в области 1970 нм. Верхняя граница обусловлена спадом эффективности.
Заявляемое изобретение позволило снизить массогабаритные характеристики волоконного лазера для медицины и достичь КПД лазера 15%.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность волоконного лазера для медицины и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».