Проект по разработке лазеров среднего ИК-диапазона для медицины, промышленности и аналитической спектроскопии


Твердотельные лазеры с длиной волны излучения 1.9-2.5 μм используют в медицине и промышленности. Их распространение ограничивает низкий КПД и высокая стоимость существующих решений.

Мы предлагаем использовать новые лазерные материалы и конструктивные схемы дисковых лазеров для увеличения КПД, уменьшения стоимости и увеличения надёжности устройств. Проект направлен на разработку таких лазеров с мощностями от 50 до 100 Вт.

Проект осуществляется в рамках инновационного центра «Сколково»: "Лазеры среднего ИК-диапазона для применения в медицине, промышленности и аналитической спектроскопии". 

 

 

Рынок медицинских лазеров

Сейчас рынок лазерных медицинских систем находится на стадии бурного развития. Уже 50 различных видов лазерных систем используется для лечения нескольких тысяч различных заболеваний.

Различные коэффициенты поглощения в разных тканях, трудности работы с системами ввода излучения, низкая мощность некоторых видов лазеров иногда требует использования нескольких типов лазеров для различных методик.

 

Ниша лазеров в диапазоне от 1.9 до 2.5 μм

Для исследований и разработок выбран диапазон от 1.9 до 2.5 μм, т.к. этот диапазон перспективен из-за подходящего коэффициента поглощения в тканях:

  • Поглощение водой (влияет на общую глубину проникновения);
  • Поглощение модификациями гемоглобина (поглощение кровью и увеличение скорости коагуляции крови);
  • Поглощение пигментами;
  • Поглощение гидроксиапатитом – основной компонент твердых тканей 

Конкурирующим диапазоном для использования в хирургии является область в окрестностях 3 μм. Работу в этой области ограничивают технические сложности. Основное препятствие – проблемы при работе с оптическими волокнами. Это делает невозможным проведение операций через зонды и убирает основные преимущества лазеров для медицины.

Область длин волн 2.1-2.2 µm относительно новое направление для биомедицинских приложений. Активное использование началось около 20 лет назад с появлением работоспособных гольмиевых лазеров.

 

Преимущества и недостатки

Преимущества лазеров на длине волны 2.1-2.2 µm:

  • Относительная безопасность излучения для глаз. В данной области вода имеет высокий коэффициент поглощения и лазерное излучение не повреждает сетчатку, при прохождении через стекловидное тело глаза. Это делает возможным использование данных лазеров в системах дистанционного зондирования, экологического мониторинга, облегчает использование на производстве и т.д.;
  • Сопоставимые коэффициенты поглощения в биологических тканях;
  • Работа с оптическими волокнами. На данной длине волны ещё возможна работа с оптическими волокнами для ИК области. Есть лазеры с более подходящими для медицинских приложений характеристиками;
  • Большое число соединений с поглощением в данной области. Прежде всего это различные полимеры и биологические ткани

Недостатки лазеров на длине волны 2.1-2.2 µm

  • Низкие КДП и мощность устройств. Как следствие – большие размеры представленных на рынке устройств;
  • Импульсный режим работы (трудности с CW режимом), основная причина – тепловые эффекты;
  • Высокая стоимость и низкая надежность устройств высокой мощности

 

Пример использования

Лазеры в области 2.1-2.2 µm в настоящее время используются в урологии для лечения заболеваний предстательной железы, дробления камней в почках, операциях на суставах и позвоночнике

Другие направления в настоящее время находятся на стадии разработки методик.

Основные преимущества в данной области:

  • Совпадение коэффициентов поглощения как мягких, так и твердых тканей в этом диапазоне; 
  • Работа с оптическими волокнами;
  • Самоочищение торца оптоволокна (за счет взаимодействия с водой)

 

Области применения

Основные направления применения лазеров на длине волны 2.1-2.2 µm:

Существующие биомедицинские приложения - хирургические лазеры для работы по существующим методикам (урология, онкология и т.д.);

Перспективные биомедицинские приложения:

  • Хирургические лазеры для работ по протезированию;
  • Биопринтинг

Производственные приложения:

  • Обработка пластиков (резка, сварка и т.д.)

Аналитические системы:

  • Спектральный анализ газов (2.1-2.2 µм – находится в окне прозрачности атмосферы), например, паров воды, углекислый газ, N20, NH3 и т.д.
  • Лидары и системы трехмерного сканирования. Основное преимущество – относительная безопасность излучения для глаз;
  • Защищенные системы связи

 

Для успешного развития рынка лазеров с длиной волны от 1.9 до 2.5 μм необходимо добиться увеличения мощности (уменьшение тепловых эффектов, масштабирование устройств), уменьшения размеров, увеличения КПД, повышение надежности и времени жизни таких устройств.

 

Существующие и конкурирующие технологии

В настоящее время используют лазеры на основе CTH:YAG (хром, тулий, гольмий). Схема имеет достаточно низкий КПД (1-3%). Большая часть энергии переходит в тепло и из-за низкой теплопроводности активной среды сильное влияние начинают оказывать тепловые эффекты, в частности, тепловые линзы приводящие к деполяризации излучения и т.д. 

Это вызывает трудности при создании непрерывных лазеров (CW), ограничивает мощность и время непрерывной работы. 

Для данной области существуют полупроводниковые лазеры. Они имеют малые размеры и высокую эффективность, но мощность одиночных излучателей не превышает 1 Вт и работают они только в непрерывном режиме.

Разработаны и волоконные лазеры. Они технологичны, компактны, имеют высокое качество лазерного пучка и длительный рабочий ресурс, но в перспективе их мощность может достичь только 20 Вт и нет принципиальной возможности реализовать высокоэнергетический импульсный режим.

 

Предлагаемая технология

Для решения существующих проблем лазеров для диапазона от 1.9 до 2.5 μм мы предлагаем комплексный подход:

  • использование дискового лазерного элемента;
  • использование новых лазерных материалов

Переход на дисковую лазерную схему позволит увеличить КПД, уменьшить влияние тепловых эффектов, повысить удельную и полную мощность, уменьшить размеры и стоимость конструкции, масштабировать устройства.

Материалы для активной среды лазера должен подходить для работы в дисковой схеме (большая теплопроводность, высокими сечениями поглощения и испускания, широкая линия люминесценции).

Подбор материалов для активной среды лазера позволит переработать схему накачки активной среды и увеличить КПД устройств.