Волоконный лазер с обратной связью
Полезная модель относится к медицине и может быть использована в хирургии, онкологии, нейрохирургии, косметологии для проведения прецизионных и органо-сохранных лазерных операций. Волоконный лазер с обратной связью состоит из блока управления, блока генерации излучения, оптического разветвителя Y-типа, оптического разъема, оптического волокна, приемника оптического излучения. Предложенная модель позволяет с высоким отношением сигнал/шум детектировать обратно рассеянное излучение по методу автодинного детектирования и тем самым создать обратную связь, позволяющую проводить оперативную диагностику типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани.
Полезная модель относится к медицине и может быть использована в хирургии, онкологии, нейрохирургии, косметологии для проведения прецизионных и органо-сохранных лазерных операций.
Создание лазерных хирургических систем с обратной связью, которые способны контролировать процесс деструкции и определять тип биологической ткани непосредственно во время операции является одним из основных направлений развития современных лазерных технологий в медицине.
Известна хирургическая установка с обратной связью основе СO2 лазера (В.В.Васильцов, В.М.Гордиенко, А.К.Дмитриев, А.Н.Коновалов, В.Н.Кортунов, В.Я.Панченко, В.А.Ульянов, Диагностика процесса лазерной перфорации биотканей методом автодинного детектирования обратнорассеянного излучения // Квантовая Электроника, 2002. Т.32, N10. С.891-896). Известная установка состоит из блока управления, блока генерации излучения на основе CO2 лазера, системы подведения лазерного излучения к объекту. Оперативная диагностика типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани в такой установке происходит за счет хорошо известного специалистам автодинного детектирования излучения, рассеянного обратно из зоны взаимодействия лазерного излучения и биоткани. Преимущество такого подхода заключается в хорошей чувствительности автодинного детектирования и в том, что для диагностики не требуется наличие другого лазерного источника, и, кроме того, имеет большую чувствительность по сравнению с прямым детектированием. Существенным недостатком известной хирургической установки является то, что в настоящее время не разработана доставка излучения CO2 лазера по тонким волокнам, что существенно сужает область применения и не позволяет выполнять микрохирургических вмешательств.
Данного недостатка лишены волоконные лазеры, например лазерный скальпель-коагулятор ЛС-0.97 (В.П.Минаев, К.М.Жилин, Современные лазерные аппараты для хирургии и силовой терапии на основе полупроводниковых и волоконных лазеров, 2009, Издатель И.В.Баланов, Москва), который позволяют выполнять микрохирургические вмешательства, в том числе внутриполостные операции с использованием эндоскопической техники. Известный лазерный скальпель-коагулятор состоит из блока управления, блока генерации излучения на основе полупроводникового лазера с длиной волны 0.97 мкм, соединенного с оптическим разъемом, с которым состыковано оптическое волокно. Излучение, параметры которого задаются блоком управления, поступает на оптический разъем и далее на оптическое волокно, рабочий торец которого соприкасается с биотканью. В результате воздействия лазерного излучения на биоткань, происходит ее быстрый разогрев и коагуляция. Недостаток известного лазерного скальпеля-коагулятора заключается в отсутствии обратной связи, что не позволяет проводить оперативную диагностику типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани.
Подобная обратная связь в известном лазерном скальпеле-коагуляторе не может быть создана, что хорошо известно специалистам, поскольку в нем и в подобных установках излучение является многомодовым, т.е генерация происходит на нескольких поперечных модах. Для реализации обратной связи, организованной на основе детектирования рассеянного обратно излучения, излучение должно быть одномодовым (В.М.Гордиенко, А.Н.Коновалов, В.А.Ульянов, "Самогетеродинирование обратно рассеянного излучения в одномодовых С02 лазерах". Квантовая электроника, т.41, N5, стр.433-440, 2011).
Известна волоконная лазерная установка на основе одномодового волоконного лазера, которая имеет высокую выходную мощность (до 100 Вт) на длине волны 1.53-1.6 мкм и с успехом может использоваться в различных областях лазерной хирургии (http://www.ipgphotonics.com/apps_mat_single_ELR.htm), выбранная в качестве аналога. Известная лазерная установка состоит из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения на основе волоконного лазера, соединенного с Фарадеевским изолятором, соединенным с оптическим разъемом, с которым состыковано оптическое волокно. Фарадеевский изолятор установлен для повышения стабильности параметров выходного излучения, что достигается благодаря блокировке рассеянного обратно излучения, при этом степень подавления этого излучения составляет 40-50 dB (http://www.rp-photonics.com/faradav_isolators.html). Недостатком известной волоконной лазерной установки является отсутствие обратной связи, что не позволяет проводить оперативную диагностику типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани.
Организация же обратной связи на основе детектирования рассеянного обратно излучения для такого лазера невозможна, поскольку происходит значительное подавление обратно рассеянного излучения Фарадеевским изолятором. При отсутствии Фарадеевского изолятора возникает большая чувствительность к рассеянному обратно излучению, что приводит к хаотической модуляции лазерной мощности на выходе блока генерации излучения и сбою лазерной генерации (В.М.Гордиенко, А.Н.Коновалов, В.А.Ульянов, Самогетеродинирование обратно рассеянного излучения в одномодовых CO2 лазерах // Квантовая электроника, 2011. Т.41, N5. С.433-440).
Задачей полезной модели является создание лазерной хирургической установки с обратной связью, на основе автодинного детектирования обратно рассеянного излучения, что позволяет проводить оперативную диагностику типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани.
Поставленная задача достигается волоконным лазером с обратной связью, который состоит из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения, выход которого соединен с входом оптического разветвителя Y-типа, выход которого соединен с оптическим разъемом, с которым состыковано оптическое волокно, при этом второй выход оптического разветвителя Y-типа соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления, а оптическое волокно выполнено многомодовым.
Заявленный технический результат достигается тем, что обратно рассеянное излучение не подавляется полностью, что создает возможность регистрировать его по методу автодинного детектирования с использованием приемника оптического излучения, выход которого сопряжен с блоком управления.
Достижение заявленного технического результата, а именно, создание лазерной хирургической установки с обратной связью, на основе автодинного детектирования обратно рассеянного излучения технически достигается тем, что выход блока генерации излучения соединен с входом оптического разветвителя Y-типа, выход которого соединен с оптическим разъемом, с которым состыковано оптическое волокно, при этом второй выход оптического разветвителя Y-типа соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления, а оптическое волокно выполнено многомодовым.
На фиг.1 представлена блок схема заявляемого устройства.
Волоконный лазер с обратной связью состоит из блока управления (1), соединенного с блоком генерации излучения (2), выход которого соединен с входом оптического разветвителя Y-типа (3), выход которого соединен с оптическим разъемом (4), с которым состыковано оптическое волокно (5), при этом второй выход оптического разветвителя Y-типа соединен с приемником оптического излучения (6), выход которого соединен с блоком управления.
В отличие от прототипа, в данном случае, необходимое для стабильной работы лазера уменьшение рассеянного обратно излучения достигается не применением Фарадеевского изолятора, а тем, что выход блока генерации излучения, основанного на одномодовом волоконном лазере, состыкован с многомодовым волокном Y разветвителя (3), который оптическим разъемом состыкован с многомодовым волокном (5), выполненным с таким же или большим диаметром сердцевины. Это создает необходимое ослабление обратного рассеянного излучения, поступающего в одномодовый волоконный лазер блока генерации излучения (2) при минимальных потерях основного излучения генерации, подаваемого на биоткань. Кроме этого в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа создана обратная связь, организованная на основе автодинного детектирования рассеянного обратно излучения.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, блок управления, блок генерации излучения, оптический разветвитель Y-типа, оптический разъем, оптическое волокно и приемник оптического излучения являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой чувствительности и быстродействия, и оптических характеристик биотканей.
Например, в качестве лазера блока генерации излучения может быть использован волоконный одномодовый лазер на длине волны 1.56 мкм и выходной мощностью до 5-10 Вт. При контактном способе воздействия на биоткань (волокно непосредственно касается биоткани) возникает наиболее сильный обратно рассеянный сигнал и для его ослабления необходимо использовать оптическое волокно большего диаметра. Например, волокно Y разветвителя диаметром сердцевины 50 мкм, а диаметр сердцевины выходного волокна (5) 400 мкм. В качестве приемника излучения на длине волны 1.56 мкм могут использоваться любые стандартные фотоприемники, например на основе InGaAs.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого волоконного лазера с обратной связью. В качестве блока генерации излучения использовался блок на основе одномодового лазера с длиной волны 1.56 мкм и выходной мощностью от 0 до 5 Вт, в качестве оптического волокна Y разветвителя применялось кварцевое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм, в качестве приемника излучения использовался стандартный фотоприемник на основе InGaAs. Как показали проведенные авторами исследования, созданная установка при резке различных биологических тканей работала стабильно и не происходил срыв генерации, который наблюдается в стандартных одномодовых лазерах при отсутствии Фарадеевского изолятора. При этом степень подавления обратно рассеянного излучения была такой, что позволяла уверенно с высоким отношением сигнал/шум регистрировать автодинный сигнал. Сигнал с фотоприемника подавался на блок управления, который по написанной нами программе подавал управляющие команды на блок генерации, например команду на экстренное выключение лазера. Это позволило нам испарять один тип биоткани и не затрагивать другую соседнюю ткань.
Таким образом, достигнут заявленный технический результат, а именно создана лазерная хирургическая установка с обратной связью, на основе автодинного детектирования обратно рассеянного излучения, что позволяет проводить оперативную диагностику типа испаряемой интенсивным лазерным излучением биоткани.
Волоконный лазер с обратной связью, состоящий из блока управления, соединенного с блоком генерации излучения, оптического разъема, с которым состыковано оптическое волокно, отличающийся тем, что выход блока генерации излучения соединен с входом оптического разветвителя Y-типа, выход которого соединен с оптическим разъемом, при этом второй выход оптического разветвителя Y-типа соединен с приемником оптического излучения, выход которого соединен с блоком управления, а оптическое волокно выполнено многомодовым.
