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 желто-зеленой области спектра на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм, и может быть использована для создания установок по лечению онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии.
Известна медицинская 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 желто-зеленой области спектра на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм, и лазер на красителе с накачкой указанным лазером на парах меди. Данная установка генерирует импульсное монохроматическое излучение в красной области спектра с длиной волны в диапазоне 630-670 нм и мощностью излучения до 1 Вт. В качестве раствора органического красителя используют, например, раствор красителя оксазин 17 в этаноле.
Известна также медицинская установка для фотодинамической терапии Металаз-М, производимая в НПО «Мехатрон» РФ (см. http://www.mechatron.ru/medical.html). Эта установка содержит лазер на парах меди и лазер на красителе с накачкой указанным лазером. Установка генерирует импульсное монохроматическое излучение в красной области спектра с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 630-670 нм и мощностью излучения до 1 Вт, а также монохроматическое излучение в желто-зеленой области спектра на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм с суммарной мощностью излучения ~2 Вт. Общим недостатком известных устройств является невысокая эффективность преобразования излучения накачки раствором красителя в красную область спектра, поскольку излучение накачки с длиной волны 510,6 нм слабо поглощается рабочим раствором красителя.
Ближайшим из известных технических решений является лазерная установка с перестройкой излучения, описанная в патенте РФ №59895 на полезную модель «Импульсный лазер на растворе красителя», опубликованном 27.12.2006 г. Эта установка содержит лазер накачки на парах меди, излучающий на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм и лазер на красителе, включающий герметично закрытую рабочую кювету с твердыми стенками, в которой выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна, дифракционную решетку. При этом лазер на парах меди и лазер на красителях закреплены на несущем основании, а рабочая кювета заполнена раствором красителя с накачкой излучением на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм, например, красителем оксазин-17, и содержит средство для циркуляции рабочего раствора через активную зону, которое выполнено в виде размещенной в кювете круговой в плане шайбы с приводом вращения вокруг оси симметрии, ортогональной плоской поверхности этой шайбы. Активная зона генерации излучения в этом лазере образована зазором между внутренней стенкой указанного входного окна и боковой поверхностью указанной круговой шайбы. Эта активная зона генерации оптически связана с указанными внутрирезонаторным и выходным окнами, при этом в лазере на красителе дополнительно установлены цилиндрическая линза, внутрирезонаторная линза, шаговый двигатель, электронный спектрометр и электронный модуль управления шаговым двигателем, причем цилиндрическая линза установлена таким образом, что ее фокус расположен внутри активной зоны, а источник монохроматического излучения с длинами волн 510,6 и 578,2 нм расположен таким образом, что его выходное окно через указанную цилиндрическую линзу оптически связано с входным окном рабочей кюветы. Дифракционная решетка установлена на валу шагового двигателя, выполнена с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в плоскости этой решетки параллельно ее штрихам, и расположена так, что она через внутрирезонаторную сферическую линзу оптически связана с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы; электронный же спектрометр оптически связан с оптическим выходом нулевого порядка дифракционной решетки, электрический выход электронного спектрометра связан с входом компьютера, электрический выход компьютера связан с входом модуля управления шаговым двигателем, выход которого, в свою очередь, электрически связан с шаговым двигателем. Принято за прототип.
Эта установка, как и описанные выше аналоги заявленной полезной модели, также обладает сравнительно невысокой эффективностью преобразования излучения накачки раствором красителя в красную область спектра.
Технической задачей является существенное повышение эффективности преобразования излучения накачки на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм в перестраиваемую генерацию лазера на растворе красителя в красной области спектра.
Поставленная задача решается тем, что заявленная лазерная установка, как и известная, содержит лазер накачки, т.е. источник монохроматического излучения с длинами волн 510,6 и 578,2 нм, лазер на растворе красителя (ЛРК), включающий рабочую кювету, заполненную раствором красителя с накачкой излучением на длинах волн 510,6 и 578,2 нм, в которой выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна, и содержащую помещенную в ней круговую в плане шайбу с приводом ее вращения вокруг собственной оси, а активная зона генерации излучения в этом лазере образована зазором между находящейся в контакте с раствором красителя поверхностью входного окна указанной рабочей кюветы и боковой поверхностью указанной круговой шайбы, дифракционную решетку, оптически связанную через внутрирезонаторную сферическую линзу с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы, и цилиндрическую линзу, при этом указанная цилиндрическая линза установлена таким образом, чтобы ее фокус был расположен внутри активной зоны кюветы, а также шаговый двигатель, электронный спектрометр, модуль управления шаговым двигателем и компьютер, причем лазер накачки расположен таким образом, чтобы его выходное окно было оптически связано с входным окном рабочей кюветы через указанную цилиндрическую линзу, а дифракционная решетка установлена на валу шагового двигателя с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в отражающей плоскости этой решетки параллельно штрихам этой же решетки; электронный же спектрометр оптически связан с оптическим выходом нулевого порядка дифракционной решетки, а его электрический выход связан с электрическим входом компьютера, электрический выход которого связан с входом модуля управления шаговым двигателем, выход которого, в свою очередь, электрически связан с шаговым двигателем. В отличие от известной лазерной установки, в заявленной установке в раствор основного красителя, генерирующего в красной области спектра, например, сульфородамина 101, добавлен дополнительный краситель, имеющий высокий коэффициент поглощения на длине волны 510,6 нм и эффективно конвертирующий излучение накачки в желтую область спектра, хорошо согласующуюся с полосой поглощения основного красителя, например, пиррометен 567,
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 отношение импульсов на длинах волн 510,6 и 578,2 нм по мощности в типичных условиях составляет примерно 2:1. Органические красители, растворенные в соответствующих растворителях, например, в этаноле или этиленгликоле, обладают весьма широкими полосами как поглощения, так и люминесценции, причем ширина этих полос, 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, на длине волны 510,6 нм, поглощают значительно хуже. Введение в активную среду ЛРК дополнительного красителя, эффективно конвертирующего излучение с длиной волны 510,6 нм в желтую область поглощения основного красителя, способствует повышению мощности накачки для основного красителя на десятки процентов и, соответственно, росту выходной мощности примерно на ту же величину, т.е. обеспечивает существенное улучшение выходных энергетических характеристик ЛРК в красной области спектра, а именно, средней мощности и энергии в импульсе.
В качестве основного красителя, генерирующего в красной области спектра, можно использовать, например, краситель сульфородамин 101, 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. Дополнительный и основной красители образуют в данном случае взаимодополняющую пару красителей: донор - акцептор (см. Масарновский Л.В., Солдатов А.Н., Суханов В.Б. // Квантовая электроника. - 1979. - Т.6. - №7. - С. 1536-1538).
На фиг. 1 представлена оптическая блок-схема лазерной установки с перестройкой оптического излучения в красной области спектра, на фиг. 2 - ее электрическая блок-схема, на фиг. 3 -спектры поглощения (сплошные линии) и люминесценции (пунктирные) донор-акцепторной пары красителей пиррометен 567 - сульфородамин 101 в диапазоне 0,4-0,7 мкм.
В состав лазерной установки входят следующие узлы (см. фиг. 1 - фиг. 2):
1 - лазер на парах меди (ЛПМ); 2 - лазер на красителе; 3 - рабочая кювета с шайбой 4; 5, 6, 7 - входное, внутрирезонаторное и выходное окна рабочей кюветы; 8 - цилиндрическая линза; 9 - внутрирезонаторная сферическая линза; 10 - дифракционная решетка ДР; 11 - активная зона кюветы; 12 - полупрозрачное зеркало для вывода перестраиваемого излучения; 13 - шаговый двигатель ШД с решеткой 10 на валу; 14 - электронный спектрометр «Spectra»; 15 - персональный компьютер ПК; 16 - модуль управления шаговым двигателем МУШД.
Рабочая кювета 3 содержит помещенную в нее круговую в плане шайбу 4 с приводом вращения вокруг собственной оси по патенту РФ №59895 и заполнена раствором смеси красителей с накачкой излучением на длинах волн 510,6 и 578,2 нм, например, пиррометеном 567 (донор) и родамином 101 (акцептор);
Перечисленные выше узлы лазерной установки взаимосвязаны между собой следующим образом. На выходе лазера на парах меди 1 расположена цилиндрическая линза 8, а сам лазер 1 через указанную цилиндрическую линзу 8 оптически связан с входным окном 5 рабочей кюветы 3. Рабочая кювета 3 имеет кроме входного окна 5 внутрирезонаторное окно 6 и выходное окно 7 с напыленным на внутренней обращенной к рабочей зоне поверхности указанного окна полупрозрачным зеркалом 12 и установлена внутри селективного резонатора, который образован указанным полупрозрачным зеркалом 12 и дифракционной решеткой 10, закрепленной на валу шагового двигателя 13 и расположенной таким образом, чтобы ее отражающая сторона через внутрирезонаторную сферическую линзу 9 была одновременно оптически связана с внутрирезонаторным окном 6 рабочей емкости 3 и с оптическим входом электронного спектрометра 14. При этом электрический выход спектрометра 14 связан с электрическим входом компьютера 15, электрический выход которого связан с электрическим входом модуля управления шаговым двигателем 16, электрический выход которого, в свою очередь, связан с электрическим входом шагового двигателя 13.
Лазерная установка работает следующим образом. При подаче электрического питания на лазер на парах меди 1 он начинает генерировать излучение на двух длинах волн, на 510,6 нм (зеленая линия) и на 578,2 нм (желтая линия). Это излучение поступает на цилиндрическую линзу 4, затем, после прохождения через входное окно 5 рабочей кюветы 3, фокусируется в виде отрезка прямой линии в активной зоне 11. Лазер 2 на красителе содержит в качестве рабочей среды смесь красителей пиррометен 567 - сульфородамин 101, которая при воздействии на нее излучением с указанными длинами волн 510,6 и 578,2 нм генерирует излучение в красной области спектра в диапазоне 630-700 нм, причем перестройка длины волны излучения осуществляется поворотом дифракционной решетки 10. Часть красного излучения, отражаясь от дифракционной решетки 10 в направлении нулевого порядка, поступает на электронный спектрометр 14, в котором определяется значение длины волны этого излучения. Это значение длины волны поступает на компьютер 15, электрически связанный с модулем управления шаговым двигателем 16, который исполняет команды, поступающие от компьютера 15. На компьютере 15 устанавливают желаемое значение длины волны красного излучения, и, если измеренное спектрометром значение длины волны отличается от установленного, с компьютера 15 на модуль управления шаговым двигателем 16 подается команда, что длину волны нужно изменить. В этом случае модуль управления 16 передает команду на шаговый двигатель 13, на валу которого установлена дифракционная решетка 10. Шаговый двигатель 13 поворачивает дифракционную решетку 10 в ту или иную сторону до тех пор, пока длина волны излучения, поступающего на электронный спектрометр 14, не будет соответствовать той длине волны, которая задана на компьютере 15. При этом, поскольку для получения перестраиваемого красного излучения используется смесь донор - акцепторная пара, обладающая гораздо большей эффективностью преобразования излучения накачки в красную область, что иллюстрируют спектральные кривые поглощения и люминесценции донор-акцепторной пары лазерных красителей, приведенные на фиг. 3, то вся лазерная установка будет обладать более высокими выходными характеристиками - средней мощностью и энергией в импульсе, чем установка-прототип.
1 Сибирский онкологический журнал. - 2009. - №1 (31) и ТУ 9444-001-73746010-2007
2 Установка для фото динамической терапии Металаз-М: http://www.mechatron.ru/medical.html от 01.06.2014.
3 Патент РФ 59895 U «Импульсный лазер на растворе красителя», опубл. 27.12.2006