MED24INfO

Наиболее часто в биомедицинских технологиях используются газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры.
Для газов характерна передача (возбуждение) энергии от одного вида атомов к другому в результате неупругих столкновений (передача тем эффективней, чем ближе друг к другу лежат уровни газов). Достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью протекания здесь релаксационных процессов. Основные константы для газов (времена жизни уровней атомов и т.д.) хорошо известны.
Наиболее распространённым среди лазеров является гелий-неоновый (Не-№) атомарный лазер, работающий на возбуждённых атомах неона. Накачка осуществляется с помощью тлеющего разряда, возбуждаемого в узком капилляре (1^5 мм), заполненном гелием и неоном в соотношении (5^ 10:1) при общем давлении 133 Па. Лазер может работать на многих линиях в видимой и ближней ИК области спектра (всего более 200 линий). Однако наиболее интенсивными являются линии с длинами волн 632,8 нм, 1152,3 нм и 3391,2 нм. Схема энергетических уровней приведена на рис. 3-1.

Рис. 3-1. Схема энергетических уровней гелий-неонового лазера.


Гелий имеет метастабильные уровни S, которые хорошо накапливают энергию. Дефицит энергии между S уровнями гелия и неона составляет 300 см-1. Опустошение нижних лазерных уровней происходит за счёт столкновений (в том числе со стенками газоразрядной трубки). Уровень выходной мощности в зависимости от конструкции (в основном длины и диаметра активного элемента) составляет от долей до сотен милливатт. Для линии ^=632,8 нм удельная мощность излучения, получаемая с единицы активного элемента, равна 50 мВт/м при удельной мощности разряда (накачки) 50 Вт/м. Для получения такого значения удельной мощности и стабильной генерации лазера необходимо подавлять сопутствующую генерацию на А=3391,2 нм, для чего разработаны

разнообразные средства, широко применяемые в коммерческих и лабораторных образцах лазеров. Наиболее простым и надёжным средством, позволяющим получить высокую стабильность параметров излучения,              является применение специальной технологии
интерференционных покрытий зеркал лазера, обеспечивающих высокое отражение на "рабочей" длине волны и малое на длине волны конкурирующего перехода. Такой путь открывает возможность создания целой гаммы стабильных и надёжных Не-№ лазеров с достаточной мощностью и широким набором длин волн, удовлетворяющих потребностям многих задач диагностики и терапии. В зависимости от модификации лазеры могут работать в режиме только продольных мод (ТЕМоо) или многих мод (ТЕМмм), иметь линейную или случайную поляризацию, излучать на одной, двух длинах волн или перестраиваться по длинам волн. Существует возможность дискретной перестройки длины волны Не-№ лазера путём замены зеркал, оптимизированных на генерацию конкретной линии излучения. Для получения генерации на линиях с малым усилением зеркала должны быть просветлены на ^=632,8 и 3391,2 нм. Заменой зеркал легко произвести перестройку лазеров, работающих на ^=632,8 нм, на любую другую длину волны. В России выпускают двух- и трёхцветные лазеры типа ЛГН-215 с длинами волн

8. нм (55 мВт) и 730,5 нм (1^3 мВт) и типа ЛГН-113 с длинами волн

8. нм (10 мВт), 1152,3 нм (3 мВт) и 3391,2 нм (3 мВт). Перестройка длины волны осуществляется заменой зеркал, в последнем случае сменные выходные зеркала располагаются на турели, что даёт возможность быстрой перенастройки лазера.

Конечно, перестройка длин волн путём замены зеркал не всегда удобна, поэтому              часто              используют широкополосные зеркала,
допускающие одновременную генерацию на нескольких линиях, а перестройку осуществляют поворотом дисперсионного элемента внутри резонатора (призмы, дифракционной решетки). Таким способом можно без изменений наполнения активного элемента лазера типа ЛГН-215 получить одновременную генерацию на пяти длинах волн вблизи 632,8 нм с общей мощностью до              5 мВт              при соотношении мощностей для
633 : 612 : 640 : 629 : 635 нм как 1,0 : 0,5 : 0,4 : 0,1 : 0,1 мВт.
Использование поворачивающихся призм внутри резонатора даёт последовательную генерацию на восьми длинах волн вблизи 632,8 нм (543,3^730,5 нм) с мощностью до 30 мВт, а также вблизи 1152,3 нм (1079,8 нм; 1084,4 нм; 1140,9 нм; 1160,1 нм; 1161,4 нм; 1176,7 нм; 1198,6 нм) с мощностью от долей до нескольких милливатт на каждой линии. Перестройку длин волн можно осуществлять и путём изменения длины резонатора. Гелий-неоновые лазеры могут работать и на более длинных волнах. Например, возможно получение генерации с длиной волны 5404,8 нм (0,1 мВт).
Вообще Не-Ne лазеры генерируют излучение вплоть до 57 мкм. Не-Ne лазеры характеризуются высокой стабильностью параметров излучения и значительным сроком службы (до 100 тыс. часов). Кратковременные флуктуации выходной мощности серийных лазеров и её долговременные уходы составляют обычно несколько процентов. He-Ne лазеры выпускаются с внешними или внутренними зеркалами. В первом случае для герметизации активного элемента используются "окна Брюстера", и излучение лазера становится линейно поляризованным с высокой степенью поляризации ^ 500:1. Во втором случае (внутренние зеркала) удаётся несколько повысить выходную мощность, а поляризация излучения оказывается круговой с равным соотношением интенсивностей для двух взаимноперпендикулярных направлений поляризации.
Для большинства современных конструкций Не-N лазеров характерным является режим работы на низшей поперечной моде ТЕМ00, имеющей поперечное распределение интенсивности очень близкое к распределению Гаусса. Диаметр пучка для Не-Ые лазеров с X=632,8 нм обычно составляет 0,5^2,0 мм.
Характеристики Не-Хе (атомарный лазер) очень похожи на характеристики Не-Ые лазера с X =3391,2 нм. Не-Хе лазер работает в ИК области спектра на длинах волн 2026,2 нм, 3508,0 нм, 3869,7 нм и 5575,4 нм, обладает чрезвычайно высоким усилением, узкой линией генерации и сравнительно малой мощностью (не более 10 мВт на X =3508,0 нм при длине порядка 0,5 м).
При всех достоинствах Не-Ые и Не-Хе лазеров они имеют ряд существенных недостатков, к которым можно отнести: малый коэффициент полезного действия (КПД) около 0,1% и малый уровень выходной мощности.
Более значительными КПД и уровнями средней мощности обладают импульсные атомарные лазеры, использующие в качестве "рабочей" среды пары изолированных атомов. Это лазеры на так называемых самоограниченных переходах.
Интересными для биомедицинских применений являются лазеры на парах меди и золота генерирующие интенсивное излучение на зелёной, жёлтой и красной линиях. Наиболее интенсивной (около 70% от общей интенсивности) является зелёная линия лазера на парах меди с X =510,5 нм. Длина волны жёлтой линии равна 578,2 нм. Красное излучение лазера на парах золота имеет длину волны 627,8 нм. Инверсия в рассматриваемых лазерах создаётся импульсным газовым разрядом в смеси паров металла и буферного газа (гелия и неона). Внутри активного элемента обеспечивается высокая температура (+1500^+1700°С). Средняя мощность у лазеров на парах меди достигает 60 Вт, частота следования импульсов может быть 2-^30 кГц, длительность лазерного импульса 3-^50 нс, энергия лазерного импульса порядка 2 мкДж. КПД лазера на парах меди обычно около 1%, расходимость лазерного пучка 0,9^2,0 мрад, диаметр пучка порядка 15 мм.
Для лазеров на парах золота при прочих равных условиях средняя мощность в 4-^8 раз меньше чем у лазера на парах меди, примерно во столько же раз меньше и энергия в импульсе.
Разработаны трёхцветные лазеры на смеси меди и золота, а также лазеры специального медицинского применения, в том числе полностью автоматизированные. Атомарные лазеры на парах металлов интересны тем, что являются самыми мощными источниками излучения в видимой области. Зелёная и красная линии их излучения практически без потерь пропускаются волоконными световодами. Они обладают узкой линией и имеют малую расходимость, поэтому используются для эффективной накачки лазеров на красителях, работающих в диапазоне 530^950 нм.
Среди ионных лазеров на благородных газах наибольшее распространение в биотехнологиях получили лазеры на однократно ионизированных атомах аргона и криптона. Для возбуждения используется дуговой разряд. Такие лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного действия видимого и ближнего УФ диапазонов длин волн. Так, средняя мощность аргонового (Ar) лазера в области длин волн 457,9^514,5 нм достигает 50 Вт, а в ближней УФ области (351,1^363,8 нм) - 5 Вт.
Для криптонового лазера (Кг) на длинах волн 647,1^676,4 нм средняя мощность достигает 15 Вт, на длинах волн 350,7^356,4 нм - 5 Вт.
Для лазеров на смеси газов (Аг+Кг) средняя мощность может достигать 20 Вт. В зависимости от типа и конструктивных особенностей Аг и Кг лазеры могут работать на многих линиях в различных спектральных диапазонах, на одной линии (в многомодовом или одномодовом режимах) или даже на единственной продольной моде (одночастотная генерация). Так же, как и в Не-№ лазерах, для выделения отдельных линий и спектральных диапазонов в этих лазерах используются селективные зеркала, оптимизированные на выбранные длины волн. Низкий КПД ионных лазеров, который не превышает 0,2% , требует использования мощных источников питания и эффективного охлаждения кварцевого, керамического или металлокерамического активного элемента. Обычно это водяное охлаждение. Для маломощных конструкций используется воздушное охлаждение.
Удельная выходная мощность на каждой из основных линий генерации Аг лазера с Я =488,0 нм и 514,5 нм составляет 5 Вт/м при соотношении тока разряда к диаметру рабочего капилляра 25 А/мм. Диаметр трубки здесь обычно 1^3 мм, диаметр пучка излучения 1,5^2,0 мм, расходимость излучения 0,4^0,8 мрад.
Использование широких капилляров порядка 7^10 мм и малых давлений газа 30^40 атм. позволяет в лабораторных условиях получать непрерывную удельную мощность до 100 Вт/м, создавать источники УФ излучения на Я =351,1 и 363,8 нм с мощностью до 10 Вт. Достаточно часто эти лазеры используются в онкологии для фотодинамической терапии тканей (ФДТ), косметологии и для низкоинтенсивной терапии.
Ионные лазеры на парах химических элементов также являются прекрасными источниками непрерывного излучения в видимой и ближней УФ областях спектра. Поскольку в качестве "рабочего" вещества здесь могут быть использованы пары многих химических элементов (кадмия Cd, цинка Zn, селена Se, теллура Те и др.), то набор длин волн оказывается довольно широким. Уровень мощности излучения лазеров на парах химических элементов несколько больше, чем у Не-№ лазеров, и вполне удовлетворяет многим задачам биотехнологий, особенно в диагностике и низкоинтенсивной терапии. Лазеры работают при наличии вспомогательного газа, в качестве которого применяют гелий. Наибольшее распространение получили ^^d и Не^е лазеры. Необходимое давление паров достигается, как правило, за счёт внешнего подогрева резервуара с металлом, расположенного вблизи анода. Возбуждение осуществляется продольным тлеющим разрядом постоянного тока с параметрами, близкими к Не-№ лазеру. Принудительное охлаждение не требуется. Излучение ^^d лазера лежит в области длин волн 325,0=441,6 нм.
^^d лазеры, использующие для накачки разряд в полом катоде, генерируют излучение в широком диапазоне длин волн - от УФ до ИК. Всего таких длин волн двенадцать: 325,0 нм, 441,6 нм, 533,7 нм, 537,8 нм, 635,5 нм, 636,0 нм, 723,7 нм, 728,4 нм, 806,7 нм, 853,1 нм, 865,2 нм и

8. нм. ^^d лазеры оцениваются как наиболее перспективные для биостимуляции, диагностики в микрофлуориметрии, спектроскопии комбинационного рассеяния (КР), новых цитометрических системах, лазерных микроскопах, приборах по влиянию на наследственность организмов.

Не^е лазер излучает более двадцати линий, перекрывающих почти весь видимый диапазон 460,4=653,5 нм длин волн. Излучение Не-Zn лазера наблюдается на десятке линий в диапазоне 491,2=775,8 нм с максимальной мощностью на линиях с длинами волн 747,9 нм и 758,8 нм.
Ярким представителем молекулярных газовых лазеров является СО2 лазер, излучающий на колебательно-вращательных линиях молекулярных полос. Он может работать на многих линиях из этих полос (до 110) в области длин волн от 9,2 мкм до 11,1 мкм. Перестройка линий генерации обычно осуществляется с помощью дифракционной решётки, используемой в качестве одного из зеркал лазера. Наибольшее усиление имеют линии Р18, Р20 и Р22, длины волн которых близки к Я=10,6 мкм, поэтому данный лазер без дисперсионного элемента работает именно на этой длине волны.
Для возбуждения лазера непрерывного действия используется продольный тлеющий разряд постоянного тока в многокомпонентной смеси (обычно СО2-Ы2-Не-Хе) при общем давлении 15=20 атм. Выходная
мощность промышленных лазеров малой и средней мощности составляет 5-100 Вт, диаметр пучка 5-10 мм, расходимость 1-5 мрад, КПД 10-20%. Для активных элементов диаметром около 10 мм реализуется одномодовый режим с уровнем мощности почти до 70 Вт. Импульсные, так называемые ТЕА-СО2 лазеры, возбуждаются поперечным разрядом и работают при давлениях смесей СО2-Ы2-Не, близких к атмосферному. Существуют и другие способы возбуждения активной среды СО2 лазеров, среди которых следует выделить поперечный высокочастотный (ВЧ) разряд,              при использовании которого удаётся конструировать
малогабаритные              лазеры              с высокими              эксплуатационными
характеристиками. Перспективными для биотехнологий (диагностика, терапия) представляются малогабаритные волноводные СО2 лазеры, к особенностям которых следует отнести узкий "рабочий" капилляр (волновод), повышенное давление смеси (обеспечивает сравнительно высокие уровни мощности, получаемые с единицы длины), перестройку частоты в пределах одной линии излучения порядка 1,5 ГГц. Средняя мощность излучения волноводных СО2 лазеров в непрерывном режиме может достигать 30 Вт, диаметр пучка - около 1 мм, расходимость - порядка 10 мрад.
СО2 лазеры находят широкое применение в хирургии в качестве альтернативы скальпелю, в сосудистой хирургии. Их излучение используется также в терапии и диагностике, в экологических исследованиях при анализе загрязнений окружающей среды и т.п.
Молекулярный СО лазер работает в интервале длин волн 5,0-6,5 мкм. Он обладает ещё большим КПД (до 30-60%), чем СО2 лазер, сравнимыми с СО2 лазером уровнями средней мощности. Он также может перестраиваться в широком диапазоне длин волн, генерировать в непрерывном и импульсном режимах. "Рабочая" смесь газов содержит гелий, азот, ксенон и кислород. Отечественная промышленность выпускает СО лазеры типа ИЛГН-706 и ИЛГН-711 (см. таблицу 3-1):
Таблица 3-1. Технические характеристики СО лазеров российского производства.

Параметр	ИЛГН-706	ИЛГН-711
Выходная мощность, Вт	10-15	35-40
Длина волны, мкм	5,1-6,2	5,1-6,2
Степень поляризации	линейная	круговая
Расходимость, мрад	3	5
Диаметр пучка, мм	6-8	6-8

Отечественной промышленностью выпускается также малогабаритный СО лазер типа ИЛГН-705-СО с выходной мощностью 3,0 Вт, областью генерации 5,2-6,1 мкм, в которой наблюдается 20-30 линий. Его КПД составляет 5-7%.
СО лазеры перспективны для хирургических и терапевтических целей, поскольку благодаря более короткой чем у СО2 лазера длине волны излучения дают ряд положительных медицинских эффектов, а именно: уменьшение кровотечения, снижение порога испарения ткани, излучения СО лазера в меньшей степени ослабляется при прохождении через волоконные световоды.
Среди молекулярных газовых лазеров, работающих в ИК области спектра, следует упомянуть К2О лазер с Л=10,5 и 11,0 мкм, Н2О лазер с Л =28,78 и 118 мкм, Б2О лазер Л=171 мкм, БО2 лазер Л=141 и 193 мкм, НСК лазер с Л =311 и 337 мкм, DCN лазер Л=195 мкм.
К газовым лазерам относятся также лазеры с оптической накачкой, работающие на парах высокомолекулярных соединений. Например, лазер на парах муравьиной кислоты (НСООН), накачиваемый излучением СО2 лазера, излучает на частоте 23,13 см-1 (длина волны около 0,5 мм) с мощностью, равной нескольким милливаттам. Применяются и другие химические соединения: СН3Вг (545 и 1582 мкм), СD3Вr (351 и 554 мкм), СD3Q (791 мкм), DСООН (362 и 528 мкм). В общем, субмиллиметровые лазеры с оптической накачкой перекрывают широкий диапазон длин волн от 70 до 1990 мкм. Эти лазеры могут быть использованы для биостимуляции растительных и животных биообъектов.
Существуют химические лазеры, генерация в которых реализуется на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул галогено-водородных соединений. Химические лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах генерации, допускают дискретную перестройку длины волны в пределах колебательно-вращательных полос генерации. Наиболее часто используются ОТ лазер (2,5^3,4 мкм), НС1 лазер (3,6^4,1 мкм), НВг лазер (4,0^4,1 мкм), DF лазер (3,5^4,5 мкм). Отметим, что диапазон длин волн излучения ОТ лазера приходится на максимум поглощения воды, поэтому его излучение эффективно для абляционного удаления биотканей в хирургии, стоматологии и т.д.
Для биотехнологий интерес представляют и молекулярные лазеры, работающие на электронно-колебательных              переходах. Наиболее
интересными из них являются лазер на молекулах азота, основная длина волны излучения которого равна 337,1 нм, и водородный лазер с излучением в вакуумном УФ (116 и 160 нм). Азотные лазеры относятся к лазерам на самоограниченных переходах и могут работать только в импульсном режиме с довольно большой частотой повторения импульсов (вплоть до 1 кГц), что для большинства биотехнологических применений эквивалентно непрерывной генерации. Рассматриваемые лазеры являются суперлюминесцентными, т.е. их излучение представляет собой усиленное спонтанное свечение, а зеркала служат лишь для снижения порога генерации и уменьшения расходимости. Средняя мощность этих лазеров не превышает 1 Вт, КПД 0,01^1,00%, длительность импульса 1^10 нс.
Важным и чрезвычайно перспективным классом молекулярных лазеров на электронных переходах являются эксимерные лазеры. "Рабочим" веществом являются так называемые эксимеры (молекулы-димеры), существующие устойчиво только в возбуждённом состоянии и мгновенно распадающиеся в основном состоянии, что и обеспечивает автоматически инверсию. Накачка лазеров осуществляется быстрым поперечным разрядом, так же, как и у некоторых типов азотных лазеров. Активной средой эксимерных лазеров является смесь газов с достаточно большим суммарным давлением (вплоть до 1,5 атм.). Например, активной средой KrF лазера (248 нм) является смесь криптона, молекулярного фтора F2 и аргона или гелия в качестве буферного газа.
Эксимерные лазеры имеют КПД порядка 1^15%, ширину линии около 0,8 нм, типичную длительность импульсов 4^20 нс, могут перестраиваться по длине волны в пределах 2^6 нм.
Пучок излучения эксимерных лазеров обычно представляет собой прямоугольник с размерами 10x25 мм, расходимость различается по двум координатам и составляет 2x5 мрад. Мощные эксимерные лазеры имеют среднюю мощность излучения вплоть до 400 Вт при очень высокой частоте повторения импульсов до 1 кГц. Наиболее часто в биотехнологиях используются ArF (193 нм) и XeCl (308 нм) лазеры. Типичные медицинские применения:              ангиопластика, литотрипсия, артроскопия,
офтальмология и пр. Эксимерные лазеры могут быть использованы для накачки лазеров на красителях.
Жидкостные лазеры на красителях нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники, главным из которых является сверхчувствительная лазерная спектроскопия, в том числе и биологических объектов. Жидкостные лазеры обладают всеми достоинствами идеальных лазерных источников: перестройкой длины волны в широких пределах, высоким уровнем мощности или энергии излучения, возможностью работы в непрерывном и импульсном режимах, получения узкой линии генерации в непрерывном режиме и генерирования сверхкоротких импульсов в режиме синхронной накачки короткими импульсами. Активные среды лазеров на красителях представляют собой размещённые в специальных кюветах или прокачиваемые в струе на воздухе растворы органических красителей, инверсия в которых создаётся за счёт внешней оптической накачки с помощью ламп или лазеров. Лазеры на красителях обладают значительным КПД преобразования. Плавная перестройка длины волны излучения для одного типа красителя осуществляется в пределах нескольких десятков нанометров с помощью дисперсионных элементов внутри резонатора, при этом ширина спектральной линии излучения не превышает нескольких мегагерц. Заменой красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длины волны во всем спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК.
Наиболее простую конструкцию имеют импульсные лазеры на красителях с ламповой накачкой. Диапазон длин волн генерации таких лазеров составляет 340^960 нм. Энергия излучения изменяется от 1 мДж до 50 Дж в периодическом режиме и достигает 400 Дж в режиме одиночных импульсов, средняя мощность - от 0,06 до 20 Вт, длительность импульса - от 10 нс до 10 мкс, частота следования лазерных импульсов - от 1 кГц до одиночного импульса. КПД таких лазеров может достигать 1%, диаметр пучка - порядка 0,5 мм, ширина линии излучения лежит в пределах 4х10-1 до 10-5 нм, расходимость излучения в зависимости от конструкций резонатора и кюветы с красителями изменяется в пределах от 0,3 до 100 мрад.
Наиболее часто для накачки красителей используют импульсные азотный, медный, неодимовый и эксимерные лазеры. Используется как поперечная, так и продольная накачка. Эффективность преобразования УФ излучения азотного лазера в видимое излучение лазера на красителях составляет 10%, диапазон перестройки такого лазера - от 350 до 1000 нм, ширина линии генерации - порядка 0,001 нм, частота повторения импульсов - 50^100 Гц, длительность импульса - 5-^10 нс, расходимость лазерного пучка может быть порядка 10 мрад.
При накачке эксимерными лазерами достигают диапазон перестройки длин волн 320^980 нм, среднюю мощность - около 0,4 Вт. Импульсную генерацию красителей получают также при накачке излучением второй (532 нм) или третьей (355 нм) гармоник основной линии генерации YAG: Nd лазера (1064 нм).
Лазеры на красителях являются уникальными перестраиваемыми источниками когерентного излучения и в непрерывном режиме. В этом случае в качестве лазеров накачки используются Аг и Кг лазеры. Для создания инверсии необходима жёсткая фокусировка излучения накачки (до размера пучка 10^30 мкм), поскольку требуется высокая плотность мощности порядка 1 МВт/см . При этом охлаждение облучаемого объекта происходит за счёт быстрой его прокачки (струя в воздухе). Наиболее часто в качестве активной среды используют родамин 6Ж. Эффективность (КПД) преобразования для родамина 6Ж (максимум длины волны генерации 600 нм) при накачке аргоновым лазером около 25%. Примерно такую же эффективность преобразования имеет краситель оксазин-1 (750 нм) при накачке криптоновым лазером (647^676 нм). Остальные красители имеют меньший КПД преобразования (3^ 15%).
Наибольшую энергию, вплоть до 1800 Дж, можно получать от лазеров на неорганических жидкостях. Активная среда таких лазеров состоит из неорганической жидкости (например, оксихлорида фосфора (РОС13) или оксихлорида селена ^еОСЬ)), которая является матрицей для внедрения в неё ионов Nd , возбуждаемых светом лампы накачки. Линии генерации лазеров имеют длины волн 0,9 мкм, 1,06 мкм и 1,33 мкм. Наиболее интенсивная линия имеет длину волны 1,06 мкм. Такие лазеры обладают довольно высоким КПД (вплоть до 2,5^3,5%), однако имеют значительную расходимость (порядка 0,1 рад). Для типичного лазера на РОСЬ-ZrQ^Nd , имеющего длину кюветы 16,5 см, диаметр 1,4 см, скорость прокачки активной среды 25 л/мин., в моноимпульсном режиме получены длительность импульса 20 нс, средняя мощность 45 Вт, частота следования лазерных импульсов 10 Гц.
Существуют так называемые твердотельно-жидкостные лазеры, "рабочим" веществом которых являются красители (родамин 6Ж, родамин С, родамин 101, ДСМ, ПФ-103, оксазин-1, оксазин-17 и др.), внедрённые в твёрдую матрицу пилиметилметакрилата. Активный элемент обычно представляет собой вращающиеся диски диаметром 50^70 мм и толщиной 8-^10 мм. Накачка осуществляется второй гармоникой Nd:YAG лазера по квазипродольной схеме под углом 6^8° к оси активного элемента.
Параметры твердотельно-жидкостных лазеров близки к параметрам жидкостных лазеров. Существенным преимуществом этих лазеров по сравнению с жидкостными является именно "твердотельность" активного элемента, улучшающая эксплуатационные качества лазера как прибора.
Наибольший же интерес для биотехнологий представляют твердотельные лазеры. Первым в мире был рубиновый лазер на кристалле Al2O3:Cr . Он представлял собой рубиновый стержень, накачиваемый обычно светом спиральной или линейной ксеноновой лампы. При комнатной температуре такой лазер излучает красную линию на длине волны 694,3 нм. Изменением температуры рубинового стержня в пределах от 77 до 500 К длина волны генерации перестраивается в пределах 5 нм. По сравнению с другими твердотельными лазерами рубиновый имеет низкий КПД (около 0,1%), длительности импульсов в режиме свободной генерации составляют 1^3 мс, энергия в импульсе до 100 Дж, частота следования лазерных импульсов не превышает 1 Гц, расходимость излучения порядка 1 мрад, диаметр пучка 2^10 мм. Рубиновый лазер может работать и в непрерывном и импульсном режимах. Этот лазер с успехом используется, например, в косметологии для удаления волос.
Твердотельные лазеры на стекле с неодимом (glass-Nd ) работают на силикатном или фосфатном стёклах. "Рабочим" веществом здесь являются ионы неодима Nd . Длина волны излучения лазеров на силикатном стекле равна 1,061 мкм, а на фосфатном - 1,054 мкм. Лазеры работают в импульсном режиме и характеризуются высокими уровнями энергии в импульсе (до 1 кДж), широкими линиями флуоресценции (26 и 19 нм соответственно), малой частотой повторения импульсов (1^2 Гц). В
3+
режиме свободной генерации диаметры пучков излучения glass-Nd лазеров составляют 5^10 мм, расходимость - 5^10 мрад.
Из всех известных твердотельных лазеров лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (YAG: Nd) находят наиболее широкое применение в биотехнологиях. Они работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются обычно криптоновые (ДНП) или ксеноновые (ИНП) дуговые лампы. По уровню выходной мощности в непрерывном режиме гранатовые лазеры уступают лишь СО2 лазерам. Коэффициент полезного действия данных лазеров достаточно высок и составляет 2^5%. Наиболее легко возбуждается линия с А=1,064 мкм, генерация происходит также на линиях 0,946 мкм, 1,319 мкм, 1,44 мкм и 1,833 мкм.
YAG: Nd лазеры можно разделить на импульсные с непрерывной накачкой, непрерывные и импульсные с импульсной накачкой. Средняя мощность излучения импульсных лазеров с непрерывной накачкой (на А=1,064 мкм) в многомодовом режиме достигает 50 Вт, в ТЕМ00 - 20 Вт. Средняя мощность излучения на А=1,319 мкм достигает 5 Вт. В этих лазерах предусмотрена периодическая модуляция добротности резонатора с частотой 5-^50 кГц. Непрерывные лазеры могут генерировать очень большие средние мощности (65^250 Вт на А=1,064 мкм и 30 Вт на А=1,319 мкм), расходимость при этом может достигать 10^12 мрад.
Импульсные YAG: Nd лазеры с импульсной накачкой характеризуются большей по сравнению с рубиновыми и стеклянными лазерами частотой следования импульсов (25^300 Гц). Длительность импульса здесь изменяется в пределах от единиц наносекунд до сотен миллисекунд, энергия в импульсе без дополнительных усилителей составляет 0,05^10 Дж, средняя мощность достигает 100 Вт, расходимость - порядка 4^8 мрад. Вполне реальными являются мультиоволновые системы на основе YAG: Nd, которые позволяют работать на нескольких длинах волн (например, на 1,064 мкм и 1,318 мкм). Подобные системы могут быть использованы в диагностических целях при зондировании глубоколежащих биотканей. В лазерной фототерапии ряда кожных заболеваний представляет интерес лазерное излучение УФА диапазона. По средней мощности и длине волны излучения подходящим оказывается излучение третьей гармоники YAG: Nd лазера (355 нм).
Излучение основной гармоники YAG: Nd лазера с успехом используется в хирургии для иссечения тканей с уверенной коагуляцией, в дерматологии для удаления сосудов, в стоматологии для операций с мягкими тканями полости рта и т.д. В ряде случаев YAG может быть заменён на YSGG или GSGG. Добавление хрома (Cr) в эти матрицы при различных концентрациях может приводить к автомодуляции добротности или к полному подавлению генерации на основной линии неодима.
Перспективным для биомедицины является YAG: Er лазер. По своим параметрам он практически не уступает YAG: Nd лазеру, а длина волны его излучения (2,94 мкм) лежит в полосе нормальных (валентных) колебаний молекулы воды, что и определяет его перспективность для применений в биологии и медицине, в частности, хирургии и стоматологии. Близкие характеристики и возможности имеет YSGG: Cr, Ег
лазер с длиной волны генерации 2,79 мкм. Отметим, что эрбиевые лазеры с успехом применяются в стоматологии для обработки твёрдых тканей зуба.
Оптимальным для многих задач лазерной медицины ("сварка" или абляция тканей внутренних органов) является излучение гольмиевого лазера, работающего в зависимости от типа "рабочего" кристалла в диапазоне длин волн 2,09^2,15 мкм. Например, YSGG: Сг, Тт, Но лазер работает на переходах ионов гольмия с X =2,088 мкм. В режиме свободной генерации энергия излучения лазера с размерами кристалла 4x76 мм достигает при КПД более 2% 8 Дж. Однако для достижения этих параметров кристалл нуждается в эффективном охлаждении, т.к. его эффективность существенно зависит от температуры. Достаточно эффективно гольмиевые лазеры применяются в ортопедии и офтальмологии.
Миниатюрные лазеры на основе              эрбиевого              стекла
(хром-иттербий-эрбиевое стекло, ЛГС-Х), работающие на X=1,54 мкм, также перспективны для практической медицины. Эти лазеры с успехом применяются для коррекции зрения в офтальмологии или для реструктуризации кожи (Fractional Photothermolysis) в косметологии.
Твердотельные лазеры на центрах окраски по своим параметрам генерации близки к лазерам на красителях. Очень важно, что они могут излучать не только в видимой, но и в ближней ИК области длин волн, вплоть до 4 мкм, где нет подходящих красителей. "Рабочей" средой лазеров на центрах окраски являются ионные кристаллы, в которых различными способами (фотохимическим,              аддитивным или
электронно-лучевым окрашиванием) создаются те или иные комплексы точечных дефектов, обладающие собственной частотой поглощения, так называемые F-центры, или собственные центры окраски. В качестве ионных кристаллов обычно используют щелочно-галоидные кристаллы (ЩГК). Наиболее стабильными являются F2-^rnpbi окраски. Лазеры на ЩГК перекрывают диапазон 500^3500 нм. Наиболее часто используют LiF:F2 кристаллы, генерирующие в диапазоне 620^730 нм и LiF:F2, генерирующие в диапазоне 1080^1250 нм. Наиболее длинноволновую генерацию обеспечивает кристалл RbCl:Li:FA(II) (2500^3330 нм).
Лазеры на центрах окраски работают как в импульсном, так и непрерывном режимах. Некоторые из них эффективны лишь при низких температурах (77К), другие имеют хорошие выходные характеристики при комнатной температуре. Обычно применяется лазерная накачка по аналогичным с лазерами на красителях схемам, при этом порог генерации оказывается существенно более низким, чем у лазеров на красителях. Для непрерывных лазеров пороговая мощность накачки составляет всего 10^50 мВт. В качестве источников накачки используются Аг, Кг, 2ю YAG: Nd лазеры. Эффективность (КПД) таких лазеров меняется в довольно широких пределах и в зависимости от вида кристалла и "рабочего" центра может быть весьма большой (до 60%).
Выходная мощность излучения также меняется в довольно широких пределах от 0,1 до 1 Вт. В импульсном режиме энергия одного импульса может достигать 100 мДж. Лазеры на F-центрах имеют высокую степень однородности линии усиления и поэтому при слабой селективности резонатора могут работать в одночастотном режиме, к тому же ширина линии излучения даже в нестабилизированном лазере оказывается достаточно малой (около 260 кГц). В России промышленно выпускают МАЛСАН-201. Это первый в мире промышленный лазер на ЩГК, (кристалл LiF:F2+, F2-), работающий при комнатной температуре кристалла. В лазере обеспечена синхронная генерация в двух спектральных диапазонах 840^ 1100 нм и 1090^1250 нм с одним источником накачки (YAG: Nd или glass-Nd лазеры), а также нелинейное преобразование во вторую гармонику, дающее ещё два диапазона, - 420^550 нм и 545^620 нм. КПД преобразования составляет 20% (при накачке основной гармоникой YAG: Nd), длительность импульса -              5^10 нс, частота
следования лазерных импульсов - 12,5 Гц, ширина линии до 1 см-1 (при использовании дифракционной решётки и эталона Фабри-Перо ширина линии может достигать 0,1 см-1), расходимость излучения - до 3 мрад. Расширение диапазона длин волн лазеров на центрах окраски в видимую и УФ области возможно при использовании оксидных кристаллов СаО (357^420 нм), Al2O3 (540^620 нм и 750^1150 нм), Al2O3: Мg (500^590 нм).
Как видно из настоящего обзора, большинство лазеров и лазерных систем, излучающих в видимом и ближнем ИК диапазонах, имеют или малую полную эффективность (КПД) порядка 0,05^4%, или значительные размеры и довольно сложное устройство. В значительной мере конкуренцию им могут составить инжекционные полупроводниковые лазеры, которые перекрывают диапазон от 575 нм до 49,1 мкм, имеют высокую эффективность (до 66%), чрезвычайно компактны и просты конструктивно. Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый диод с р-n переходом, в области которого при пропускании тока в прямом направлении создаётся инверсия населённости. Активная область (р-n переход) занимает слой толщиной порядка 1 мкм. В качестве "рабочего" вещества в ближней ИК области используется арсенид галлия (GaAs, X =830 нм), на основе которого делают так называемые гомолазеры, имеющие сравнительно высокую пороговую плотность тока инжекции при комнатной температуре. На два порядка меньшую пороговую плотность тока при комнатной температуре имеют лазеры на гетероструктурах. Наиболее часто применяются двойные гетероструктуры, когда в диоде создаются два перехода между различными материалами с толщиной активного слоя 0,1^0,3 мкм. Для расширения спектрального диапазона и снижения пороговой накачки используют разнообразные тройные и четверные соединения. Например, GaPXAs1-X лазеры перекрывают диапазон от 830 нм (х=0) до 640 нм (х=0,4). Наименьшая длина волны X =575^600 нм получена для соединений GaInP,
AlGaAs, AlGalnP, GalnAsP. Четверной сплав GaXIn1-XAsYP1-Y при y=2,2x для разных значений х даёт лазеры с длинами волн от 920 нм до 1500 нм. Интересным для биотехнологий классом полупроводниковых лазеров являются лазеры на основе соединений свинца (PbS1-X, SnXPb1-XTe, SnXPb1- XSe и др.), для которых получена генерация в диапазоне 2,5^49,1 мкм. При заданной концентрации компонентов (значение              параметра "х")
перестройка длины волны в полупроводниковом лазере осуществляется: изменением температуры кристалла, изменением тока через диод (тепловой эффект), приложением внешнего магнитного поля или внешнего давления. Основным недостатком лазеров на соединениях свинца является необходимость их достаточно глубокого охлаждения (20^40К) при работе в непрерывном режиме. В промышленности наряду с непрерывными используются импульсные диоды, для охлаждения которых можно применять термоэлектрические микрохолодильники. Из неохлаждаемых наиболее длинноволновыми полупроводниковыми лазерами являются лазеры на двойных гетероструктурах с GaInAsSb активными слоем, излучающие в интервале длин волн 2,3^2,4 мкм. Для целого ряда биотехнологий представляет интерес видимая и ближняя ИК области излучени