Лазерная установка с перестройкой оптического излучения в красной области спектра
Устройство относится к лазерной технике с перестройкой излучения в красной области спектра и может быть использовано для создания установок по лечению онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии (ФДТ). Техническим результатом является уменьшение по величине отношения сигнал/шум для генерируемого выходного излучения. Устройство содержит медный лазер, лазер на красителе (ЛК) с накачкой на длинах волн 510,6 и 578,2 нм, дифракционную решетку, оптически связанную с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы ЛК и механически связанную с шаговым двигателем, а также электронный спектрометр, оптически связанный с выходом нулевого порядка дифракционной решетки. Дифракционная решетка установлена с возможностью поворота вокруг оси при поступлении сигналов управляющего модуля. Внутри резонатора медного лазера размещен поляризатор в виде призмы Глана или оптической стопы, ориентированный относительно оптической оси резонатора таким образом, что доля вертикально-поляризованной компоненты в выходном пучке лазерного излучения максимальна. 1 зпф., 2 библ., 3 рис.
Полезная модель относится к лазерным установкам с перестройкой излучения в красной области спектра, содержащим лазер на растворе красителя с накачкой медным лазером, излучающим 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 фото динамической терапии (ФДТ).
Целью создания данной полезной модели является существенное увеличение отношения сигнал/шум в спектре меньшим по величине отношением сигнал/шум излучения лазера на растворе красителя.
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).
Эта установка содержит медный лазер и лазер на красителе (ЛК) с накачкой указанным лазером на парах меди. Данная установка генерирует импульсное монохроматическое излучение с мощностью 1,0 Вт в красной области спектра с перестройкой длины волны в диапазоне 630-670 нм и шириной линии генерации ~1 нм во всем указанном участке длин волн; при этом в спектре выходного излучения ЛК наряду с сигнальной спектральной компонентой с указанной шириной присутствует широкополосная (~ более 10 нм) фоновая компонента, мощность которой может достигать до ~10% от уровня сигнала, что при лечении онкологических заболеваний по методу ФДТ приводит к излишнему нагреву тканей в оперативной зоне и, соответственно, ограничению по длительности сеанса облучения.
Известна также медицинская установка для фотодинамической терапии Металаз-М, производимая в НПО «Мехатрон» РФ (см. http://www.mechatron.ru/medical.html). Эта установка содержит медный лазер и лазер на красителе с накачкой указанным лазером. Установка генерирует импульсное монохроматическое излучение с мощностью излучения 1,0 Вт в красной области спектра с перестройкой длины волны в диапазоне 630-670 нм и шириной линии генерации ~1 нм во всем указанном участке длин волн, 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. Эта установка имеет тот же недостаток, что и первый аналог.
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. с приоритетом от 21.03.2006 г. Эта лазерная установка содержит медный лазер, излучающий на дискретных длинах волн 510,6 и 578,2 нм (лазер накачки) и лазер на красителе, включающий герметично закрытую емкость с твердыми стенками (рабочая кювета), в которой выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна, дифракционную решетку. При этом медный лазер 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 помещенной в кювете круговой в плане шайбы с приводом ее вращения вокруг оси симметрии, ортогональной плоской поверхности этой шайбы; причем активная зона генерации излучения в этом лазере образована зазором между внутренней стенкой указанного входного окна и боковой поверхностью указанной круговой шайбы, и 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 блок управления (модуль управления шаговым двигателем); причем цилиндрическая линза установлена таким образом, чтобы ее фокус был расположен внутри активной зоны, а источник монохроматического излучения с длинами волн 510,6 и 578,2 нм расположен таким образом, чтобы его выходное окно было оптически связано с входным окном рабочей кюветы через указанную цилиндрическую линзу; причем дифракционная решетка установлена на валу шагового двигателя и выполнена с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в плоскости этой решетки параллельно ее штрихам и расположена так, чтобы она была оптически связана через внутрирезонаторную сферическую линзу с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы; электронный же спектрометр оптически связан с оптическим выходом нулевого порядка дифракционной решетки, а электрический выход электронного спектрометра связан с входом компьютера, электрический выход которого связан с входом модуля управления шаговым двигателем, выход которого, в свою очередь, электрически связан с шаговым двигателем.
Эта установка имеет тот же недостаток что и первый аналог, при этом в спектре выходного излучения ЛК наряду с сигнальной спектральной компонентой с указанной шириной присутствует широкополосная (~ более 10 нм) фоновая компонента, мощность которой может достигать до ~10% от уровня сигнала.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение отношения сигнал/шум в спектре выходного излучения лазера на растворе красителя.
Поставленная задача решается тем, что, так же как и известная установка, заявленная лазерная установка содержит медный лазер (лазер накачки) с газоразрядной трубкой, лазер на красителе с накачкой излучением 510,6 и 578,2 нм, в рабочей кювете которого выполнены входное, внутрирезонаторное и выходное окна и размещена круговая в плане шайба с приводом вращения ее вокруг собственной оси. Установка содержит дифракционную решетку, оптически связанную через внутрирезонаторную сферическую линзу с внутрирезонаторным окном рабочей кюветы, цилиндрическую линзу, шаговый двигатель, модуль управления шаговым двигателем, электронный спектрометр, и компьютер. При этом электронный спектрометр оптически связан с оптическим выходом нулевого порядка дифракционной решетки, а его электрический выход связан с электрическим входом компьютера, электрический выход компьютера связан с входом модуля управления шаговым двигателем, выход которого, в свою очередь, электрически связан с шаговым двигателем. Активная зона генерации излучения в лазере на красителе образована зазором между поверхностью входного окна рабочей кюветы и боковой поверхностью круговой шайбы. Упомянутая цилиндрическая линза установлена таким образом, что ее фокус расположен внутри активной зоны кюветы. Лазер накачки расположен таким образом, что его выходное окно через упомянутую цилиндрическую линзу оптически связано с входным окном рабочей кюветы, а дифракционная решетка установлена на валу шагового двигателя с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в отражающей плоскости этой решетки параллельно штрихам этой же решетки. В отличие от прототипа внутри резонатора медного лазера размещен поляризатор в виде призмы Глана или оптической стопы, ориентированный относительно оптической оси упомянутого резонатора таким образом, чтобы доля вертикально-поляризованной компоненты в выходном пучке лазерного излучения была максимальна.
В конкретном случае упомянутые зеркальные окна газоразрядной трубки медного лазера могут быть установлены под углом Брюстера и ориентированы относительно оптической оси резонатора таким образом, чтобы доля вертикально-поляризованной компоненты в выходном пучке лазерного излучения была максимальна.
Поскольку возбуждение рабочего раствора красителя в данной лазерной установке осуществляется по поперечной схеме накачки, то использование для накачки излучения, содержащего преимущественно вертикально-поляризованную компоненту, при водит практически к полному подавлению фоновой компоненты в спектре выходного сигнала ЛК и, тем самым, к значительному увеличению отношения сигнал/шум.
В качестве красителя, который накачивается вертикально-поляризованным монохроматическим излучением с длинами волн 510,6 и 578,2 нм, можно использовать, например, краситель оксазин-17.
На фиг. 1а, фиг. 1б представлена оптическая блок-схема (1а - вид сверху; 1б - вид сбоку).
На фиг. 2 представлена электрическая схема управления перестройкой длины волны лазера на красителе. В состав лазерной установки входят следующие узлы:
1 - медный лазер, в качестве которого используется лазер на парах бромида меди модели CBL06M, изготавливаемый фирмой PULSLIGHT Ltd (Болгария);
2 - лазер на красителе (ЛК);
3 - рабочая кювета, которая содержит помещенную в нее круговую в плане шайбу 4 с приводом ее вращения вокруг собственной оси (патент РФ 59895) и заполнена раствором красителя с накачкой излучением на длинах волн 510,6 и 578,2 нм, например, оксазином-17;
5, 6, 7 - входное, внутрирезонаторное и выходное окна рабочей кюветы 3 соответственно;
8 - цилиндрическая линза;
9 - внутрирезонаторная сферическая линза;
10 - дифракционная решетка;
11 - активная зона кюветы;
12 - полупрозрачное зеркало для вывода перестраиваемого излучения лазера на красителе.
13 - шаговый двигатель, на валу которого установлена дифракционная решетка;
14 - электронный спектрометр (измеритель длины волны оптического излучения «Spectra»);
15 - персональный компьютер;
16 - модуль управления шаговым двигателем;
17 - заднее высокоотражающее зеркало резонатора медного лазера;
18 - выходное полупрозрачное зеркало резонатора медного лазера;
19 - газоразрядная трубка медного лазера;
20 - внутрирезонаторный поляризатор, в качестве которого установлена призма Глана или оптическая стопа.
Все перечисленные выше узлы лазерной установки взаимосвязаны между собой следующим образом.
Выход медного лазера 1 (см. фиг 1а) направлен на цилиндрическую линзу 8, и через нее оптически связан с входным окном 5 рабочей кюветы 3. Эта рабочая кювета 3 имеет, кроме входного окна 5, внутрирезонаторное окно 6, а также выходное окно 7 с напыленным на его внутренней, т.е. обращенной к рабочей зоне, поверхности полупрозрачным зеркалом 12. Кювета 3 установлена внутри селективного резонатора, который образован указанным полупрозрачным зеркалом 12 и дифракционной решеткой 10, закрепленной на валу шагового двигателя ШД 13 и расположенной таким образом, что ее отражающая сторона оптически связана через внутрирезонаторную сферическую линзу 9 с внутрирезонаторным окном 6 рабочей кюветы 3 и с оптическим входом электронного спектрометра 14 (см. фиг. 2). При этом электрический выход спектрометра 14 связан с электрическим входом компьютера ПК 15, электрический выход которого связан с электрическим входом модуля управления шаговым двигателем МУШД 16, электрический выход которого, в свою очередь, связан с электрическим входом шагового двигателя 13.
Данная лазерная установка с перестройкой оптического излучения в красной области спектра работает следующим образом (фиг. 1б). При подаче электрического питания на электроды газоразрядной трубки с активной средой 19, помещенной в оптический резонатор, образованный зеркалами 17 и 18 медного лазера 1, последний начинает генерировать излучение на двух длинах волн: на 510,6 нм (зеленая линия) и на 578,2 нм (желтая линия). Благодаря наличию в резонаторе медного лазера поляризатора 20, ориентированного относительно оптической оси резонатора таким образом, чтобы вертикально-поляризованная компонента генерируемого излучения (необыкновенный луч) проходила через указанный поляризатор без потерь и без отклонения от направления оптической оси резонатора, а ортогональная компонента генерируемого излучения (обыкновенный луч) выводилась из резонатора, отклоняясь от оси резонатора (см. фиг. 1б), выходное излучение медного лазера становится практически полностью вертикально-поляризованным.
Это излучение поступает на цилиндрическую линзу 4 (см. фиг. 1а), затем, после прохождения 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 среде краситель оксазин-17, который при воздействии на него вертикально-поляризованным излучением с указанными длинами волн 510,6 и 578,2 нм генерирует излучение в красной области спектра в диапазоне (630-700) нм с существенно улучшенным отношением сигнал/шум в спектре выходного излучения лазера на красителе, 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, который электрически связан с модулем управления шаговым двигателем МУШД 16, который исполняет команды, поступающие от компьютера 15. На компьютере 15 устанавливают желаемое значение длины волны красного излучения и, если поступающее на компьютер 15 значение длины волны отличается от установленного, то с компьютера 15 на модуль управления шаговым двигателем 16 подается команда, что длину волны нужно или увеличить или уменьшить. Модуль управления 16 передает команду на шаговый двигатель 13, на валу которого установлена дифракционная решетка 10. В соответствии с этой командой 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 длине волны, которая задана на компьютере 15. При этом, поскольку для накачки раствора красителя и получения перестраиваемого красного излучения в данной установке используется вертикально поляризованное излучение медного лазера с внутрирезонаторным поляризатором в виде призмы Глана или оптической стопы, то вся эта лазерная установка с перестройкой оптического излучения в красной области спектра будет обладать значительно меньшим по величине отношением сигнал/шум, чем любой аналог, использующий для накачки раствора красителя медный лазер, выходное излучение которого не поляризовано (или не вертикально-поляризовано).
В конкретных случаях высокоотражающее и полупрозрачное зеркало медного лазера можно устанавливать под углом Брюстера, т.е. с таким углом падения света, при котором свет, отраженный от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение по величине отношения сигнал/шум для генерируемого выходного излучения.
1. Лазерная установка с перестройкой оптического излучения в красной области спектра, содержащая медный лазер, лазер на красителе, включающий рабочую кювету, заполненную красителем 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 её вращения вокруг собственной оси, а активная зона генерации излучения лазера на красителе 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, установленную таким образом, чтобы её фокус был расположен внутри активной зоны кюветы, отличающаяся тем, что внутри резонатора медного лазера помещен поляризатор в виде призмы Глана или оптической стопы, ориентированный относительно оптической оси резонатора таким образом, чтобы в выходном пучке лазерного излучения доля вертикально-поляризованной компоненты была максимальна.
2. Лазерная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в ней окна газоразрядной трубки медного лазера установлены под углом Брюстера и ориентированы относительно оптической оси резонатора таким образом, чтобы в выходном пучке лазерного излучения доля вертикально-поляризованной компоненты была максимальна.
РИСУНКИ
