ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

МКИ: H01S 3/213, A61N5/00
Лазерная установка с перестройкой оптического излучения в красной области спектра
Полезная модель относится к лазерным установкам с перестройкой излучения в красной области спектра, содержащим лазер на растворе красителя (ЛРК) с накачкой источником монохроматического излучения в жёлто-зелёной области спектра на дискретных длинах волн 510.6 и 578.2 нм, и может быть использована в медицине при создании установок для фотодинамической терапии.
Известна установка для фотодинамической терапии "Лазерный терапевтический аппарат «ЛИТТ-ФДТ», изготавливаемый ООО «ЛИТТ» (см. Сибирский онкологический журнал.- 2009-№1 (31) и ТУ 9444-001-73746010-2007). Известная установка содержит лазер на парах меди, излучающий в жёлто-зелёной области спектра на дискретных длинах волн 510.6 и 578.2 нм, и лазер на красителе с накачкой упомянутым лазером на парах меди. В качестве красителя используется раствор оксазина 17 в этаноле. Установка генерирует импульсное монохроматическое излучение с длиной волны в диапазоне 630-670 нм и мощностью излучения до 1.0 Вт. Недостатком является то, что излучение накачки с длиной волны 510.6 нм слабо поглощается рабочим раствором красителя, и накачка ведется преимущественно на линии 578,2 нм при уровне возбуждения существенно выше порогового. При этом ширина линии генерации достаточно большая, поэтому спектральная яркость выходного излучения, определяемая отношением выходной мощности к ширине линии генерации, сравнительно невысока.
Известна аналогичная медицинская установка для фотодинамической терапии Металаз-М, производимая в НПО «Мехатрон» РФ (см. http://www.mechatron.ru/medical.html). Эта установка также содержит лазер на красителе с накачкой лазером на парах меди. Установка генерирует импульсное монохроматическое излучение в красной области спектра с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 630-670 нм, а также монохроматическое излучение в жёлто-зелёной области спектра на дискретных длинах волн 510.6 и 578.2 нм с суммарной мощностью излучения ~ 2 Вт. Спектральная яркость выходного излучения лазера на растворе красителей в красной области спектра также невысока, по тем же причинам, что указаны выше.
Ближайшим аналогом является лазерная установка, описанная в патенте РФ № 150380 «Лазерная установка с перестройкой излучения в красной области спектра» (опубл. 15.01.2015). Эта установка содержит лазер накачки на парах меди (источник монохроматического излучения с длинами волн 510.6 и 578.2 нм) и лазер на красителе. Лазер на красителе включает герметичную рабочую кювету, в которой выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна, а также дифракционную решетку. Рабочая кювета заполнена бинарным раствором красителей: основным красителем, например, сульфородамином 101, генерирующим в красной области спектра, и дополнительным красителем, например, пиррометеном 567, имеющим высокий коэффициент поглощения на длине волны 510,6 нм и эффективно конвертирующий излучение накачки в желтую область спектра, которая хорошо согласуется с полосой поглощения основного красителя. Кювета содержит средство для циркуляции рабочего раствора через активную зону генерации излучения, которая оптически связана с внутрирезонаторным и выходным окнами. В лазере на красителе установлены внутрирезонаторная сферическая линза и цилиндрическая линза, фокус которой находится внутри активной зоны, и через которую лазер накачки оптически связан с входным окном рабочей кюветы. Упомянутая дифракционная решётка расположена так, что она через внутрирезонаторную сферическую линзу оптически связана с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы и выполнена с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в плоскости этой решетки параллельно её штрихам.
Установка также обладает сравнительно невысокой спектральной яркостью выходного излучения в красной области спектра. Это обусловлено тем, что для получения максимальной эффективности преобразования "зеленого" импульса накачки и, соответственно, получения максимальной мощности излучения, конвертированного в желтую область спектра, концентрация дополнительного красителя выбирается достаточно высокой. При этом генерация на основном красителе осуществляется в условиях накачки, далеких от пороговых, и ширина спектра выходного излучения в красной области, определяемая шириной контура дисперсионного резонатора, будет достаточно большой, а спектральная яркость выходного излучения в красной области спектра, соответственно, малой.
Задачей полезной модели является повышение спектральной яркости выходного излучения в красной области спектра при накачке лазера на растворе красителей на дискретных длинах волн 510.6 и 578.2 нм.
Поставленная задача решается тем, что, так же как и прототип, лазерная установка содержит источник монохроматического излучения с длинами волн 510.6 и 578.2 нм (лазер накачки) и лазер на красителе. Лазер на красителе включает рабочую кювету, заполненную бинарным раствором красителей: основным красителем, генерирующим в красной области спектра, например, сульфородамином 101, и дополнительным красителем, имеющим высокий коэффициент поглощения на длине волны 510.6 нм и эффективно конвертирующим излучение накачки в желтую область спектра, которая хорошо согласуется с полосой поглощения основного красителя, например, пиррометеном 567. В кювете выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна. Кювета содержит средство для циркуляции рабочего раствора в виде помещенной в ней круговой шайбы с приводом её вращения вокруг собственной оси, активная зона генерации излучения в этом лазере образована зазором между находящейся в контакте с бинарным раствором красителей поверхностью входного окна рабочей кюветы и боковой поверхностью круговой шайбы. Установка содержит дифракционную решетку, оптически связанную с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы и имеющую возможность вращения ее отражающей плоскости, и цилиндрическую линзу, установленную между выходным окном лазера накачки и входным окном рабочей кюветы таким образом, чтобы ее фокус был расположен внутри активной зоны кюветы, а выходное окно лазера накачки было оптически связано с входным окном рабочей кюветы.
В отличие от известной установки, в заявленной лазерной установке концентрацию дополнительного красителя в рабочей кювете выбирают такой, чтобы она соответствовала надпороговому условию генерации излучения в красной области спектра на основном красителе.
Известно, что лазер на парах меди генерирует излучение на длинах волн 510.6 нм и 578.2 нм, причем "зеленый" импульс генерации с длиной волны 510.6 нм опережает "желтый" импульс генерации с длиной волны 578.2 нм на величину порядка 10 - 20 нс, а длительность этих импульсов в типичных условиях составляет, примерно, 15 - 20 нс. Органические красители, растворенные в соответствующих растворителях (например, в этаноле или этиленгликоле) обладают весьма широкими полосами как поглощения, так и люминесценции, причем их ширина, как и величина Стоксова сдвига, достигает нескольких десятков нм. Органические красители, генерирующие в красной области спектра, эффективно поглощают лазерное излучение преимущественно в желтой области, а более коротковолновое излучение, в частности, при длине волны 510.6 нм, значительно хуже. Введение в активную среду ЛРК дополнительного красителя с регулируемой концентрацией позволяет конвертировать излучение накачки с длиной волны 510,6 нм в излучение в желтую области с требуемой интенсивностью и длительностью, примерно равной длительности "зеленого" импульса. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять генерацию на переходах молекул основного красителя вблизи порога; генерация при этом происходит на нескольких продольных модах, для которых усиление за проход в дисперсионном резонаторе превышает соответствующие потери. Т.е., в первой фазе накачки (во время конверсии "зеленого" импульса в желтую область) в резонаторе формируется излучение генерации с узким спектром, а во второй фазе (во время накачки на длине волны 578.2 нм происходит усиление по мощности сформированного к этому моменту узкополосного излучения. Иными словами, в данном лазере на красителях реализуется система "генератор - усилитель", традиционно применяемая для повышения спектральной яркости перестраиваемых лазеров на красителях. Таким образом, подбором концентрации основного и дополнительного красителя в бинарном растворе лазера на красителях возможно существенное улучшение его выходных спектрально-энергетических характеристик (а именно, спектральной яркости) в красной области спектра, и, соответственно, предлагаемой лазерной установки в целом.
В качестве основного красителя, генерирующего в красной области спектра, можно использовать, например, краситель сульфородамин 101 (или оксазин 17, или DCM), а в качестве дополнительного красителя, конвертирующего излучение с длиной волны 510,6 нм в желтую область поглощения основного красителя, можно использовать, например, краситель пиррометен 567 (или родамин 6G, или родамин B). Дополнительный и основной красители образуют в данном случае взаимодополняющую пару красителей: донор - акцептор.
На фиг. 1 представлена оптическая блок-схема лазерной установки;
На фиг. 2 приведены спектры поглощения (сплошные линии) и люминесценции (пунктирные линии) донор-акцепторной пары красителей (пиррометен 567 - сульфородамин 101) в диапазоне 0.4-0.7 мкм, нормированные на единицу
1
2
Фиг. 3 иллюстрирует эффект сужения линии генерации при работе вблизи порога: а - работа лазера на красителях вдали от порога; Δν - ширина линии при большом уровне возбуждения;  б - работа лазера на красителях вблизи порога генерации; Δν- ширина линии в надпороговом режиме.
В состав лазерной установки входят следующие узлы:
1 - лазер на парах меди;
2 - лазер на красителе;
3 - рабочая кювета, которая заполнена раствором смеси красителей, например, пиррометеном 567 (донор) и сульфородамином 101 (акцептор);
5, 6, 7 - входное, внутрирезонаторное и выходное окна рабочей кюветы;
8 - цилиндрическая линза;
9 - внутрирезонаторная сферическая линза;
10 - дифракционная решётка;
11 - активная зона рабочей кюветы;
12 - полупрозрачное зеркало для вывода излучения лазера на красителе.
Узлы лазерной установки взаимосвязаны между собой следующим образом.
На выходе лазера на парах меди 1 расположена цилиндрическая линза 8, а сам этот лазер через линзу 8 оптически связан с входным окном 5 рабочей кюветы 3. Рабочая кювета 3 имеет внутрирезонаторное окно 6, выходное окно 7 с полупрозрачным зеркалом 12, и установлена внутри селективного резонатора, который образован зеркалом 12 и дифракционной решёткой 10, причем отражающая сторона дифракционной решётки через внутрирезонаторную сферическую линзу 9 оптически связана с внутрирезонаторным окном 6.
Данная лазерная установка работает следующим образом. При подаче электрического питания лазер на парах меди 1 начинает генерировать излучение на двух длинах волн, на 510,6 нм (зелёная линия) и на 578,2 нм (жёлтая линия). Это излучение поступает на цилиндрическую линзу 8 и через входное окно 5 рабочей кюветы 3 фокусируется в виде отрезка прямой линии в активной зоне 11. Лазер на красителе 2 содержит в качестве рабочей среды смесь красителей (например, пиррометен 567 - сульфородамин 101), которая при воздействии на нее излучением 510,6 и 578,2 нм генерирует излучение в красной области спектра в диапазоне (630-700) нм. Перестройка длины волны излучения осуществляется поворотом дифракционной решетки 10.
Поскольку для получения красного излучения в данной установке используется смесь красителей (донор-акцепторная пара), эффективно преобразующая излучение накачки 510,6 и 578,2 нм в красную область (что иллюстрируют спектральные кривые поглощения и люминесценции, приведенные на фиг.2), а ширина спектра, формируемого в первой фазе накачки, т.е. во время конверсии излучения с длиной волны 510.6 нм в излучение желтой области поглощения основного красителя при надпороговом (но близком к пороговому) уровне возбуждения, будет существенно меньше, чем при уровне возбуждения, значительно превышающем порог (см. рис. 3), то выходное излучение лазера на красителе будет обладать более высоким значением отношения средней мощности к ширине спектра генерации, а вся лазерная установка, использующая в качестве активной среды бинарный раствор красителей, будет обладать более высоким уровнем спектральной яркости.
Таким образом, согласование оптимальной концентрации дополнительного красителя с условиями генерации излучения в красной области спектра на основном красителе определяет максимальный коэффициент усиления в активной среде во второй фазе накачки, т.е. во время накачки на длине волны 578.2 нм.
Техническим результатом является повышение спектральной яркости выходного излучения в красной области спектра при накачке лазера на растворе красителей на дискретных длинах волн 510.6 и 578.2 нм.