Лазери для діагностики біологічних об`єктів - лазерна діагностика в біології та медицині

Лазери і лазерні системи для діагностики біологічних об`єктів
Загальна характеристика діагностичних лазерів. Складність і різноманіття біологічних об`єктів, значна різноманітність в характері їх взаємодії зі світлом визначають необхідність залучення широкого кола явищ і методів для діагностики цих явищ. Тому виявляється широким і коло лазерів, що використовуються в діагностиці. Це найбільш прості і надійні з великим терміном служби газорозрядні лазери, високоінтенсивні хімічні і ексимерні лазери, перебудовуються в широкому діапазоні довжин хвиль рідинні лазери на барвниках, високоінтенсивні твердотільні лазери з надкоротких тривалістю імпульсів, малогабаритні напівпровідникові лазери та ін. Всі ці лазери перекривають

Мал. 1.4. Довжини хвиль і енергетичні параметри найбільш поширених лазерів: а - безперервних, б - імпульсних
широкий діапазон довжин хвиль від 100 нм до 30 мкм- рівні вихідної потужності безперервних лазерів і середньої потужності імпульсних лазерів становлять від декількох милливатт до десятків і сотень ватт- енергія в імпульсі змінюється в межах від декількох мілліджоулей до декількох джоулей- тривалості їх імпульсів також змінюються в широкому діапазоні: від декількох мілісекунд до одиниць фемтосекунд- ширина спектра випромінювання лазерів - від декількох герц до десятків гігагерц- кутова розбіжність - від десятків градусів у напівпровідникових лазерів до часткою міллірадіан у газорозрядних [10-15, 27-371. На рис. 1.4 показані рівні потужності та енергії найбільш поширених і доступних лазерів.
газорозрядні лазери. Найбільш простими і доступними серед газорозрядних лазерів, та й серед всіх лазерів, є гелій-неонові (Не - Ne) лазери, що працюють на порушених атомах неону. Накачування здійснюється за допомогою тліючого розряду. Лазери можуть працювати на багатьох лініях у видимій та ближній ІЧ області спектра (всього понад 130 ліній). Найбільш інтенсивними є лінії з довжинами хвиль 632,8- 1152,3 і 3391,2 нм. Рівень вихідної потужності Р змінюється від часток до сотень милливатт на кожній лінії. На = 632,8 нм потужність з одиниці довжини активного елемента дорівнює 50 мВт / м (за умови, що генерація на конкуруючої лінії з = 3391,2 нм пригнічена). У комерційних і лабораторних зразках лазерів застосовуються різноманітні засоби придушення конкуруючих ліній, що підвищує не тільки потужність робочої лінії, але і її стабільність.
Застосування спеціальної технології інтерференційних покриттів дзеркал відкриває можливість створення стабільних і надійних лазерів з достатньою потужністю і широким набором довжин хвиль, які відповідають потребам багатьох завдань діагностики (наприклад, для довжин хвиль, рівних 543,3- 593,9- 611,8- 640,1 - 730,5 нм). Ряд зарубіжних фірм вже приступив до випуску Не- Ne лазерів з «новими» нетрадиційними довжинами хвиль - це «зелений» лазер (л = 543,3 нм, Р = 0,5 1 мВт) і ІК лазер ( = 1523,1 нм). У лабораторних умовах часто, навпаки, використовують широкосмугові дзеркала, а перебудову здійснюють за допомогою дисперсійного елемента всередині резонатора (призми). Таким чином можна отримати генерацію на восьми довжинах хвиль поблизу 632,8 нм (543,3- 730,5), а також на ряді ліній поблизу 1152,3 нм (1079,8- 1084,4- 1140,9- 1160,1 - 1161,4- 1176,7- 1198,6).
Чи не - Ne лазери характеризуються високою стабільністю параметрів випромінювання та значним терміном служби (до 104 годин). Короткочасні флуктуації потужності серійних лазерів і її довготривалі відходи складають зазвичай частки і одиниці відсотків [14, 27, 28]. Лазери випускаються двох типів-з зовнішніми і внутрішніми дзеркалами. У першому випадку для герметизації активного елементу використовуються віконця Брюстера і випромінювання лазера виявляється лінійно поляризованим з високим ступенем поляризації (/ ц: / х = 500: 1), у другому поляризація випромінювання стає кругової (7ц: / х = 1: 1), при це вдається трохи підвищити вихідну потужність (приблизно в 1,5 рази).
Для більшості сучасних конструкцій Нє - Ne лазерів характерним є режим роботи на найнижчої поперечної ТЕМ00 моді, діаметр пучка 2а »для лазерів з = 632,8 нм зазвичай становить 0,5-0,8 мм для малопотужних і близько 2 мм для більш потужних , розбіжність випромінювання 0 »1-3 мрад.
При всіх перевагах Чи не - Ne лазерів вони мають ряд суттєвих недоліків, до яких можна віднести малий коефіцієнт корисної дії (ККД), близько 0,1%, і малий рівень вихідної потужності.
Найбільшими ККД і рівнями середньої потужності мають імпульсні атомарні лазери, що використовують пари ізольованих атомів в якості робочого середовища, - це лазери на так званих самообмеження переходах [10]. Найбільш цікавими з точки зору застосувань є лазери на парах міді і золота, що генерують інтенсивне випромінювання у видимому діапазоні на зеленій, жовтої та червоної лініях. Найбільш інтенсивна - це зелена лінія мідного лазера з = 510,5 нм (її інтенсивність становить приблизно 70% від загальної інтенсивності). Довжина хвилі жовтої лінії цього лазера дорівнює 578,2] нм. Червоне випромінювання лазера на парах золота має довжину хвилі 627,8 нм. Інверсія в цих лазерах створюється імпульсним газовим розрядом в суміші парів металу і буферного газу (гелію або неону).

Зарубіжними фірмами розроблений ряд лазерів спеціального медичного застосування, в тому числі повністю автоматизованих з водяним і повітряним охолодженням.
З точки зору діагностичного застосування в біології та медицині вони цікаві тим, що є найпотужнішими джерелами випромінювання у видимій області, їх випромінювання добре пропускається волоконними световодами, до 70% при діаметрі світловода тисячу мкм, вони мають вузьку лінією і мають малу розбіжність.
Серед іонних лазерів на благородних газах найбільшого поширення набули аргонові і криптонові лазери [П. 40, 10, 13, 27, 28], для збудження яких використовується дугового розряд. Вони є найпотужнішими лазерами безперервної дії видимого та ближнього УФ діапазонів довжин хвиль. Сумарна потужність на багатьох лініях Аг лазера поблизу 500 нм досягає 10 20 Вт, а в області 350 нм - 1-2 Вт. Потужність випромінювання Кг лазера поблизу 650 нм не перевищує 1 Вт. Основні довжини хвиль випромінювання Аг лазера перекривають діапазон 351,1-514,5 нм (10 ліній), Кг лазера - 350,7-799,3 нм (14 ліній). Низький ККД іонних лазерів, що не перевищує 0,1%, вимагає використання потужних джерел живлення і ефективного охолодження активного елементу. Питома вихідна потужність на кожній з основних ліній генерації Аг лазера з = 488,0 і 514,5 нм становить приблизно 5 Вт / м при відношенні струму розряду до діаметру робочого капіляра 25 А / мм. Діаметр пучка випромінювання 2шда1-2 мм, 0даО, 6 мрад.
Використання широких капілярів (7-10 мм) дозволяє в лабораторних умовах отримувати безперервну потужність до 100 Вт / м, створювати потужні джерела УФ випромінювання на = 351,1 і 363,8 нм з потужністю до 10 Вт. Великий інтерес для біології та медицини представляє УФ лазер помірної потужності, що випромінює в діапазоні 334,0-363,8 нм сумарну потужність порядку 1 Вт, а на А. = 351,1 нм - 0,25 Вт.

Іонні лазери на парах хімічних елементів також є прекрасними джерелами безперервного випромінювання у видимій та ближній УФ областях спектру [П. 40, 10, 13, 27-29]. Оскільки в якості робочої речовини можуть бути використані пари багатьох хімічних елементів (Cd, Zn, Se, Ті і т. Д.), То набір довжин хвиль виявляється значно ширше, ніж в Не - Ne і Аг лазерів. При цьому потужність випромінювання дещо більше, ніж у Нє - Ne лазерів, і її рівень цілком задовольняє більшості завдань біомедичної діагностики. Лазери працюють при наявності допоміжного газу, в якості якого зазвичай застосовують гелій.
Найбільшого поширення набули Чи не - Cd і Нє - Se лазери катафорезного типу, в яких подачу пари і їх рівномірний розподіл всередині активного елементу забезпечує процес катафорезу. Зазвичай збудження цих лазерів здійснюється поздовжнім тліючим розрядом постійного струму з такими ж приблизно параметрами, як при порушенні Чи не - Ne лазера. Примусове охолодження не потрібно. Випромінювання Чи не - Cd лазера відбувається на синій лінії з = 441,6 нм і УФ лінії з 31 = 325,0 нм, а випромінювання Нє - Se лазера - більш ніж на 19 лініях, що перекривають майже весь видимий діапазон.
Промисловість у нас в країні і за кордоном випускає різноманітні модифікації Чи не - Cd лазерів, постійно триває їх модернізація і вдосконалення. Цей лазер оцінюється як один з найбільш перспективних лазерів для діагностики в біології та медицині - це і мікрофлуоріметрія, КР-спектроскопія, нові цитометрические системи, лазерні мікроскопи та ін. Потужність випромінювання промислових лазерів в режимі ТЕМ00 моди на 1 = 441,6 нм становить 8 -100 мВт, на А, = 325,0 нм - 1-20 мВт, 2ге »» 0,8-3 мм, 0 »О, 4-1,0 мрад- короткочасні флуктуації вихідної потужності в смузі 10-10е Гц зазвичай складають 6-10%, у кращих зразків менше 1% »довготривалі флуктуації 5-10% за 8 годин, а у кращих зразків 5% за 24 години [29]. Термін служби лазерів (2-5) -103 годин. Є реальна можливість довести термін їх служби до 8-10® годин.
В окремих застосуваннях (наприклад, при аналізі забруднень навколишнього середовища) корисними можуть виявитися молекулярні лазери ІК-діапазону, що працюють на колебательно-обертальних переходах молекул СОа і СО [П. 40, 10, 11]. СОа лазер випромінює на обертальних лініях молекулярних смуг 9,4 і 10,4 мкм. Він може працювати на багатьох лініях з цих смуг. Перебудова ліній генерації зазвичай здійснюється за допомогою дифракційної решітки, використовуваної в якості одного з дзеркал лазера. Найбільше посилення мають лінії, довжина хвилі яких близька 10,6 мкм, тому лазер без дисперсійного елемента працює на цій довжині хвилі. Для збудження лазера зазвичай використовується поздовжній тліючий розряд постійного струму в багатокомпонентної суміші, як правило, зі складом С02 - N2 - Ні-Хе. Вихідна потужність промислових лазерів малої і середньої потужності становить 5-40 Вт, розмір пучка 5 10 мм, розбіжність 1-5 мрад. Цей лазер відрізняє надзвичайно високий ККД (10-30%).
Перспективними для діагностики представляються малогабаритні хвильове С02 лазери, які мають вузький робочий капіляр (хвилевід), підвищений тиск суміші від 100 Торр до атмосферного, що забезпечує порівняно високі рівні потужності з одиниці довжини, значну перебудову частоти в межах однієї лінії випромінювання лазера (1 ГГц) . Вихідна потужність хвилеводних С02 лазерів в безперервному режимі може досягати 30 Вт, типове значення для компактного лазера
10 Вт. Розмір пучка близько 1 мм, однак розбіжність виявляється значною, близько 10 мрад. Використання поперечного високочастотного збудження і високого тиску суміші дозволяють реалізувати компактний спектрометр з квазіплавной перебудовою довжини хвилі в діапазоні 9,1-11,0 мкм (1096-908 см-1). Ще більш плавну перебудову можна отримати при роботі на суміші ізотопів молекули СОГ (всього їх 18).
СО лазер працює в інтервалі довжин хвиль 5-6,5 мкм. Він володіє ще більшим ККД (50-75%), порівнянними з С02 лазером рівнями потужності, також може перебудовуватися в широкому діапазоні довжин хвиль. Робоча суміш газів містить гелій, азот, ксенон і кисень. Можливе створення компактних інфрачервоних спектрометрів на основі перебудовуються хвилеводних СО лазерів з поперечним високочастотним збудженням.
Близько характеристики до С02 і СО лазерів мають так звані хімічні лазери. Їх генерація реалізується на колебательно-обертальних переходах двоатомних молекул галогеноводородних з`єднань [10]. Довжини хвиль лазерів: HF - 2,7 мкм- НС1 - 3,7 мкм- НВг - 4,2 мкм- DF - 4,3 мкм. Вони можуть працювати в імпульсному і безперервному режимах генерації, допускають дискретну перебудову довжин хвиль в межах колебательно-обертальних смуг генерації.
Молекулярні лазери, що працюють на електронно-коливальних переходах, випромінюють в УФ діапазоні довжин хвиль. Найцікавіші з них - це лазер на молекулах азоту, основна довжина хвилі випромінювання якого дорівнює 337,1 нм, і водневий лазер з випромінюванням в вакуумному УФ (X = 116 і 160 нм) [10, 13]. Ці лазери можуть працювати тільки в імпульсному режимі, правда, з досить великою частотою повторення імпульсів /. Наприклад, для Na лазера / = 0,05-1 кГц, що для більшості застосувань еквівалентно безперервної генерації. Вони мають не дуже високі значення ККД (0,01-1%), РОР = 10"3-1 Вт, т&bdquo- = 1-10 ні, Р&bdquo- = 1-103 кВт. Промисловість випускає кілька типів азотних лазеров- найбільш зручні відпаяні конструкції без прокачування газів, хоча вони не дають оптимальних характеристик випромінювання. Ці лазери застосовуються в фотобиологии, спектроскопії, а також для накачування лазерів на барвниках.
Важливим і надзвичайно перспективним класом молекулярних лазерів на електронних переходах є ексимерні лазери [П. 40, 10-13, 37]. Як робоча речовина таких лазерів використовуються так звані Ексімер - молекули-димери, існуючі стійко тільки в збудженому стані і миттєво розпадаються в основному стані, що автоматично і забезпечує інверсію. Накачування цих лазерів здійснюється швидким поперечним розрядом, також як і деяких типів азотних лазерів. Ексимерні лазери мають значний ККД (1-15%) і можуть перебудовуватися по довжині хвилі в межах 2-6 нм, середні довжини хвиль ексимерних лазерів на галогенидах інертних газів: ArF - 193 нм, KrCl - 222 нм, KrF - 248 нм, ХеВг - 308 нм, XeF - 351 нм, енергія їх імпульсів 0,01-0,25 Дж, / = 100 150 Гц, ти = 4-20 ні, РСР = 5-40 Вт. Пучок випромінювання цих лазерів є прямокутником з розмірами 10x25 мм, а розбіжність різна по двох координатах і становить 2x5 мрад.

Рідинні лазери на барвниках

Активні середовища лазерів на барвниках є розміщення в спеціальних кюветах або прокачувати в струмені на повітрі розчини органічних барвників, інверсія в яких створюється за рахунок зовнішньої оптичного накачування за допомогою ламп або лазерів. Вони мають значний ККД перетворення. Плавне перебудова довжини хвилі випромінювання для одного типу барвника здійснюється за допомогою дисперсійних елементів всередині резонатора в межах декількох десятків нанометрів. Заміною барвників і джерел накачування можна здійснити перебудову довжин хвилі у всьому спектральному діапазоні від УФ до ближнього ІК.
Найбільш просту конструкцію мають імпульсні лазери на барвниках з ламповим накачуванням [П. 40, П. 32, 30]. Створено десятки моделей промислових зразків таких лазерів. Вони перекривають діапазон довжин хвиль від 340 до 960 нм. За рахунок подвоєння і параметричного перетворення частоти діапазон ще більш розширюється (217- 380 нм і 1,06-3,1 мкм). Енергія їх випромінювання тягнеться від 1 мДж до 50 Дж в періодичному режимі, до 400 Дж в режимі одиночних імпульсів, середня потужність - від 0,06 до 20 Вт, тривалість імпульсу - від 7 не до 8 мкс, частота повторення імпульсів - від 200 Гц до одиночних імпульсів, максимальний ККД лазерів - від 0,08 до 0,8%. Ширина лінії випромінювання лежить в межах 0,4-0,001 нм, а рекордні значення для систем з підсилювачами досягають 10 ~ 4-10 ~ 6 нм. Розбіжність випромінювання в залежності від конструкції резонатора змінюється в межах від 0,5 до 20 мрад.
Ефективну накачування в імпульсному режимі забезпечують азотний, мідний і ексимерні лазери, а також випромінювання другої і третьої гармонік гранатового лазера (532 і 355 нм) [П. 40, 10, 12, 13]. Використовуються як поперечна, так і поздовжнє накачування (уздовж осі резонатора). Ефективність перетворення УФ випромінювання азотного лазера в видиме випромінювання лазера на барвниках становить близько 10%. Діапазон перебудови такого лазера 350-1000 нм і 217-300 нм з подвоєнням частоти. Ширина лінії генерації 0,01 нм, а з еталоном Фабрі - Перо всередині резонатора 0,001 нм. Частота повторення імпульсів / = 50-100 Гц, ти = 5-10 ні, Рі «10 Вт, 6» 10 мрад. При накачуванні випромінюванням ексимерних лазерів діапазон довжин хвиль - 320-980 нм, Рср «0,4 Вт. Накачування мідним лазером потужністю 4 Вт дозволяє за допомогою чотирьох барвників перекрити діапазон довжин хвиль 530-710 нм з середньою потужністю 6 Вт, забезпечити високу частоту повторення імпульсів, 10 кГц, і малу розбіжність випромінювання, 3 мрад.
Лазери на барвниках є унікальними перебудовувати джерелами когерентного випромінювання і в безперервному режимі. Для створення інверсії необхідна жорстка фокусування випромінювання лазера - накачування (до розміру пучка 10-30 мкм), оскільки потрібна висока щільність потужності порядку 1 МВт / см2. При цьому необхідне охолодження опромінюється обсягу барвника відбувається за рахунок швидкої його прокачування (струмінь в повітрі). У максимумі смуги барвника родаміну-6Ж потужність генерації досягає 3 Вт, для інших барвників вона не перевищує 100-200 мВт. Потужність лазерів накачування зазвичай
7 Вт. При використанні Аг і Кг лазерів діапазон Длин хвиль лазера на барвниках становить 400-1000 нм, тонка перебудова частоти здійснюється в межах 10-30 ГГц, ширина лінії досягає 10-100 МГц, а при наявності системи стабілізації - менше 100 кГц діаметр пучка близько 5 мм, його розбіжність 1,5-2 мрад.
Твердотільні лазери [П. 40, 10-13]. Першим в світі лазером, створеним в 1960 р, є рубіновийлазер. З нього почалася історія лазерів і їх застосувань. Цей лазер являє собою рубіновий стрижень, що накачується зазвичай випромінюванням спіральної або лінійної ксеноновими імпульсними лампами. Лазер випромінює червону лінію на довжині хвилі 694,3 нм. Змінюючи температуру рубінового стрижня в межах 77-500 К, виявляється можливим перебудовувати довжину хвилі випромінювання в межах приблизно 50 см-1. У порівнянні з іншими твердотільними лазерами рубіновийлазер має низький ККД (0,1%). Тривалість імпульсів в режимі вільної генерації становить 1-3] мс, енергія в імпульсі в ТЕМ00 моді &bdquo- «1 Дж, / да 1 Гц, 0« 1 мрад, 2ш »2-10 мм.
Лазери на склі з неодимом працюють на силикатном і фосфатном стеклах. Робочою речовиною є іони неодиму Nd $ +. Довжина хвилі випромінювання лазерів на силикатном склі 1061 нм, а на фосфатному - 1054 нм. Ці лазери працюють в імпульсному режимі і характеризуються високими рівнями енергії в імпульсі (до 10® Дж), широкими лініями флуоресценції, 26 і 19 нм, малою частотою повторення імпульсів, 1-2 Гц. У режимі вільної генерації 2о »= 5-10 мм, 0 = 5-10 мрад.
Найбільш широке застосування з усіх твердотільних лазерів знаходять лазери на алюмоітрієвому гранаті з неодимом (АІГ: Nd). Як накачування використовуються зазвичай криптонові і ксенонові дугові лампи. Найбільш легко збуджується лінія з А, = 1064 нм, генерація відбувається також на лініях з = 946, 1319 і 1833 нм, ККД лазерів 2-2,5%. Створено вже кілька сотень промислових зразків лазерів на гранаті. Їх можна розділити на три категорії: безперервні, імпульсні з безперервною накачуванням і імпульсні з імпульсною накачуванням.
Безперервні лазери працюють при дуже високих рівнях потужності 65-250 Вт на X == 1064 нм і 30 Вт на = 1319 нм, 0да1О-12 мрад. Середня потужність випромінювання імпульсних лазерів з безперервною накачуванням ( = 1064 нм) в многомодовом режимі складає 20-40 Вт, в ТЕМ00 моді 3-16 Вт, 0да1,2-2 мрад. Випускаються лазери з = 1319 нм, а також з перетворенням частоти в другу і четверту гармоніки з довжинами хвиль: 532, 266, 659 нм. Потужність випромінювання на = 1319 нм - 4 Вт, на = 532 нм -
4 Вт, на = 266 нм - 0,5 Вт. У цих лазерах передбачена періодична модуляція добротності резонатора з частотою 5-50 кГц. Імпульсні гранатові лазери з імпульсною накачуванням характеризуються великою в порівнянні з рубіновими і скляними лазерами частотою повторення імпульсів, / да25-300 Гц, тіда8-100 ні, іда0,05-0,5 Дж, Рі = 5-5-10-6 кВт , 0 = 0,05-6 мрад.
Перспективним для біологічних застосувань є АІГ: Ег3 + лазер (ербіевий) [111. За своїми параметрами він практично не поступається гранатовому лазеру, а довжина хвилі його випромінювання А = 2,94 мкм лежить в смузі нормальних коливань молекули води (Атаху «2,94 мкм для« вільної »і Ятах« 3,05 мкм для «пов`язаної» води), що і визначає його переспективний для застосувань в біології та медицині.
Волоконні лазери видаються вельми перспективними для діагностичних цілей в біології та медицині [П. 32]. Типовий медичний лазер багатоцільового призначення використовує оптичні волокна з діаметром серцевини 7-10 мкм (діаметр оболонки 25-30 мкм), виготовлені з різних лазерних матеріалів, причому для волокон, активованих різними рідкоземельними елементами, довжину хвилі випромінювання можна варіювати в широких межах від УФ до ІК. Випромінювач лазера являє собою Спіралевидний світловод, розташований навколо лампи накачування, дистальний кінець якого довжиною 1-10 м виводиться в область взаємодії випромінювання з біологічним об`єктом. При активації матеріалу волокна неодимом в моноімпульсного режимі вихідна енергія лазера на gt;, = 1061 нм становить 0,6 0,7 Дж при т&bdquo- = 100-120 МКЕ, / = 10-20 Гц, РЕР = 20 25 Вт.
Робоча речовина твердотільного лазера на барвниках типу ЛКИ-301 являє собою набір барвників у твердій матриці (поліметилметакрилат), наприклад роду-хв-6Ж, родамін-С, оксазін-17, оксазін-1. Активний елемент виготовляють з дисків, накачування здійснюють другий гармонікою АІГ: Nd лазера по квазіпродольной схемою. Спектральна область перебудови лазера 550- 750 нм, ширина лінії генерації без еталона Фабрі - Перо 1 нм, з еталоном 0,1 нм, т&bdquo- «20 і не мав, / lt; 100 Гц, 0да ^ 4 мрад, на = 580 нм ККД перетворення 30%.
Лазери на центрах забарвлення за своїми параметрами близькі до лазерів на барвниках, і, що дуже важливо, вони можуть випромінювати не тільки у видимій, а й в ближній ІЧ області
Довжин хвиль аж до 4 мкм, де немає відповідних барвників [10, 12, 13]. Робочим середовищем лазерів на центрах забарвлення є іонні кристали, зазвичай лужно-галоїдні (ЩГК), в яких різними способами (фотохимическим, адитивним або електронно-променевим фарбуванням) створюються ті чи інші комплекси точкових дефектів, що володіють власною частотою поглинання, так звані /&rsquo-&rsquo - центри або власні центри забарвлення. Найбільш стабільними є / V. F} -, F ^ -, F А- і Fb-центри. Спектри їх люмінесценції перекривають діапазон 600- 4000 нм. За допомогою лазерів на ЩГК (NaF, LiF, КС1: Li, RbCl: Li, KC1: Na, KC1: Na +: і ін.) Здійснена плавна перебудова довжин хвиль: 630-730, 800-1500, 1700-2200, 2250- 3300 нм. Ці лазери працюють як в імпульсних, так і в безперервному режимах. Деякі з них ефективні лише при низьких температурах (77 К), інші мають хороші вихідні характеристики при кімнатній температурі.
Зазвичай використовується лазерна накачування по аналогічним з лазерами на барвниках схемами, при цьому поріг генерації виявляється істотно нижчим, ніж у лазерів на барвниках. Наприклад, для безперервних лазерів порогова потужність накачування становить всього 13 мВт. Як джерела накачування зазвичай використовуються Аг, Кг, АІГ: Nd лазери. Ефективність лазерів на центрах забарвлення змінюється в досить широких межах і може бути вельми великий (2,1-60%). Вихідна потужність випромінювання також змінюється в досить широких межах (6 мВт - 1 Вт), в імпульсному режимі енергія одного імпульсу досягає десятків мілліджоулей.
Наведемо дані вітчизняного лазера MAJICAH-201, першого в світі промислового лазера на ЩГК, що працює при кімнатній температурі кристала [31]. Він цікавий також тим, що повністю автоматизований за допомогою вбудованої міні-ЕОМ. У лазері забезпечена синхронна генерація в двох спектральних діапазонах (840- 1100 нм і 1090-1240 нм) з одним джерелом накачування (гранатовий або скляний лазери), а також нелінійне перетворення цього випромінювання в другу гармоніку, що перекриває відповідно два діапазони (420-550 нм і 545-620 нм). Ефективність нелінійного перетворення становить 10%. Робочий кристал LiF (F}, F ^). Ефективність перетворення становить 8% при накачуванні 5 МВт на 532 нм і 15% при накачуванні 25 МВт на основній гармоніці (1064 нм), т&bdquo- = 5-30 ні, / lt; 12,5 Гц.
Ширина лінії випромінювання з дифракційною решіткою 1-3 см-1, з дифракційною решіткою і еталоном 0,3 см"1. Розбіжність випромінювання дорівнює 3 мрад при розбіжність пучка накачування 1 мрад.

Напівпровідникові інжекційні лазери

Більшість розглянутих лазерів мають малий ККД, значні розміри і досить складний пристрій. Все це перешкоджає створенню на їх основі компактних засобів діагностики. Значною мірою конкуренцію їм можуть скласти інжекційні напівпровідникові лазери, які перекривають діапазон від 575 нм до 46,2 мкм, мають високу ефективність (20%), надзвичайно компактні і прості конструктивно [П. 40, П. 42, 10-13, 32, 33].
Напівпровідниковий лазер являє собою напівпровідниковий діод з р - л-переходом, в області якого при пропущенні инжекционного струму в прямому напрямку створюється інверсія населеності. У лазерах найбільш часто використовуються подвійні гетероструктури, коли в діоді створюються два переходи між різними матеріалами. Товщина активного шару у таких лазерів 0,1-0,3 мкм, вони працюють при кімнатній температурі. Для розширення спектрального діапазону і зниження порогової накачування використовують різноманітні потрійні і четверні з`єднання. Наприклад, Ga (As1_je PJ лазери перекривають діапазон від 830 (л: = 0) до 640 нм (х = 0,4). Найменша довжина хвилі = 575 нм отримана для з`єднання 1пх_ж Ga ^ As ^ Pj-y. Цей четверний сплав при у-2,2х для різних значень х дає лазери з довжинами хвиль від 920 до 1500 нм.
Для ІК спектроскопії важливим класом напівпровідникових лазерів є лазери на основі сполук t-винця PbSx. ^ Se *, Pbx_x Sn * Te і Pbj ^ Sn ^ Se і аналогічних, для яких отримана генерація в діапазоні 2,5- 46,2 мкм. При заданій концентрації компонентів перебудова довжини хвилі здійснюється зміною температури кристала, струму через діод (парниковий ефект), додатком зовнішнього магнітного поля і тиску. Головним недоліком лазерів на з`єднаннях свинцю є необхідність їх досить глибокого охолодження (20 10 До) при роботі в безперервному режимі, тому в промислових ІК спектрометрах поряд з безперервними використовуються імпульсні діоди, для охолодження яких можна застосовувати просту техніку - термоелектричні холодильники [П. 42].
Якщо перші інжекційні лазери мали порівняно невелику потужність (3-5 мВт), то в даний час створені лазери, які в одній моді можуть давати безперервне випромінювання потужністю до 50 мВт. Створено сфазіровать структури, що складаються з десяти або більше лазерів, що генерують випромінювання потужністю до 2,5 Вт. Звичайно, головним недоліком напівпровідникових лазерів є надзвичайно малий розмір пучка на виході (0,5-1,0 мкм), що тягне за собою в порівнянні з іншими лазерами значну розбіжність випромінювання (20-40 ° в площині, перпендикулярній площині активного шару, і 5-10 ° в площині цього шару).
Однак різноманітні технологічні прийоми дозволяють зменшити розбіжність. Саме, застосування сфазіровать діодних структур сприяє збільшенню розмірів пучка і зниження розбіжність. Наприклад, випромінювання структури з десяти лазерних діодів (А, = 770 нм, Р0бщ ^ 90 мВт) вдається сфокусувати в пляму діаметром 2,5 мкм, що вже дає можливість ефективно використовувати одномодове світлопроводи для передачі цього випромінювання і забезпечити діагностику біологічних мікрооб`єктів [32] . Слід відзначити значну ширину лінії посилення інжекційних лазерів, малі розміри резонатора (близько 1 мм), відповідно значну розрідженість поздовжніх мод (50 ГГц, 1,6 см-1), надзвичайно вузьку ширину лінії окремої моди, яка може не перевищувати 50 кГц.

Перебудовувані лазерні джерела світла

Успіх застосування методів лазерної спектроскопії та діагностики, в тому числі і в медико біологічних завданнях, багато в чому визначається існуванням простого і надійного джерела лазерного випромінювання, що перебудовується в потрібному діапазоні довжин хвиль. У міру опису різних лазерів ми особливу увагу приділили саме цій проблемі, як однієї з головних для діагностики. Крім наведених вище перебудовуються лазерів існують і інші способи отримання перебудовується когерентного випромінювання. Розглянемо найбільш важливі з них [П. 40, 10-13].
Часто для отримання перебудовується випромінювання використовують явище вимушеного комбінаційного розсіювання (ВКР). Одним з представників ВКР лазерів є напівпровідниковий лазер на основі комбінаційного розсіювання з переворотом спина, наприклад на основі InSb. Діапазон довжин хвиль цього лазера при накачуванні випромінюванням СО лазера становить 5-6,5 мкм, а при накачуванні
СО * лазером 9-14 мкм. Потужність генерації досягає 1 Вт. Зміною напруженості магнітного поля частоту випромінювання можна перебудовувати в досить широких межах зі швидкістю 2 см-1 / кгс. При використанні надпровідних магнітів діапазон перебудови становить приблизно 80 см-1.
Існують так звані комбінаційні лазери, що працюють на ВКР в газах і конденсованих середовищах. Так, використання в якості джерел накачування лазерів на барвниках дозволяє в комбінаційних лазерах на газоподібному водні отримати плавну перебудову в діапазоні 185 нм - 7 мкм. Для конденсованих активних середовищ, наприклад. одномодових кварцових волоконних світловодів, немає необхідності в перебудовувати джерелі накачування. За допомогою випромінювання гранатового лазера потужністю кілька ват в волоконному световоде довжиною в кілька сот метрів вдається отримати випромінювання в діапазоні 1,08-1,13 мкм для першого стоксово компонента і 1,15-1,175 мкм для другого [12]. В СРСР випускаються волоконно-оптичні багатохвильові джерела дискретного по спектру когерентного випромінювання «Гамма-А» і «Гамма-С», які порушуються випромінюванням будь-яких імпульсних лазерів з = 400-1100 нм * тіlt; 1 ні, Рі = 0,01 -1МВт *).

* Рекламний проспект - ГОІ ім. С. І. Вавилова »

ВКР лазери відносяться до великого різноманіття лазерних систем, які використовують різноманітні методи нелінійного оптичного змішання, до яких також відносяться генератори другої гармоніки, генератори сумарних і різницевих частот, параметричні генератори ,. Ці системи перекривають весь діапазон від вакуумного УФ до далекого ІК, мають цілком задовільну для цілей діагностики інтенсивність когерентного випромінювання.
Для генерації другої гармоніки зазвичай використовують кристали LiNbOs (довжина хвилі накачування Л, н = 1,06 мкм) і KDP (Ян = 500-600 нм). Ефективність перетворення зазвичай не перевищує 10-50%. Таким чином можна перетворити не тільки лазерне випромінювання з фіксованою частотою, але і перебудовує, однак для цього необхідно забезпечити синхронну кутову або температурну перебудову нелінійного кристала для забезпечення фазового синхронізму взаємодіючих хвиль.
`Фі використанні лазерів на барвниках з подвоєнням частоти вдається перекрити діапазон від 217 до 450 нм.
Для генерації випромінювання сумарних частот і вищих гармонік можна, крім кристалів, використовувати однорідні суміші інертних газів і парів металів - це дозволяє розширити діапазон перебудовується когерентного випромінювання аж до вакуумного УФ. Наприклад, потроєння четвертої гармоніки гранатового лазера з gt;. = = 266 нм в суміші Хе - Аг дозволяє генерувати випромінювання з Л = 88,7 нм.
Нелінійне змішання випромінювання двох лазерів видимого діапазону, один з яких перебудовується, дозволяє генерувати різницеві частоти в ІК області спектра і на цій основі створювати спектрометри різницевої частоти. Наприклад, за допомогою Аг лазера і лазера на барвниках, випромінювання яких змішуються в кристалі LiNb03, вдається отримати перебудовувати когерентне випромінювання в діапазоні 2,2-4,2 мкм.
Важливе місце серед пристроїв нелінійної оптики займає параметричний генератор світла (ПГС), який являє собою нелінійний кристал, розташований всередині оптичного резонатора і накачується випромінюванням зовнішнього лазера, що працює на фіксованій частоті. Перебудова ПГС здійснюється або обертанням кристала, або зміною його температури. При накачуванні кристала LiNb03 випромінюванням другої гармоніки гранатового лазера вдається отримати параметричну генерацію в діапазоні 550 нм - 4 мкм. При цьому поворот кристала на 4 ° змінює його довжину хвилі від 1,4 до 4,0 мкм.

Лазери і лазерні системи з короткою і надкоротких тривалістю імпульсів

Одне з найбільш важливих властивостей лазерів полягає в можливості отримання з їх допомогою надзвичайно коротких світлових імпульсів. Неможливо в рамках короткого вступу розглянути відомі методи і пристрої, що реалізують світлові імпульси короткою і надкоротких тривалості, цьому присвячена велика література (див., Наприклад, [П. 1 - П. 3, П. 40, 10-13, 15, 35, 36]). Тут ми обговоримо лише основні принципи отримання коротких і надкоротких імпульсів і наведемо деякі цифри, що характеризують можливості окремих типів лазерів, вже розглянутих вище.
Для отримання так званих гігантських імпульсів застосовують режим модуляції добротності резонатора, який здійснюють шляхом включення і швидкого в порівнянні з часом накачування виключення втрат в резонаторі. Цей режим характеризується більш короткими і істотно більш потужними у порівнянні з режимом вільної генерації імпульсами. Як модуляторів, або, як їх називають, оптичних затворів, найбільш часто використовують електрооптичні або акустооптичні модулятори, пасивні затвори на просвітлювати барвниках і лужногалоїдних кристалах з центрами забарвлення або нелінійно поглинають гази всередині резонатора. Режим модуляції добротності здійснений для всіх типів лазерів, однак найбільш часто він використовується для отримання коротких і потужних імпульсів в твердотільних або С02 лазерах. Типові значення тривалості гігантських імпульсів складають 10-100 ні.
Істотно коротші тривалості можна отримати в режимі синхронізації багатьох поздовжніх (ТЕМ00) мод. Якщо між модами лазера встановлюються певні фазові співвідношення, т. Е. Випромінювання окремих мод відбувається синхронно, то говорять про існування режиму вимушеної або спонтанної синхронізації мод. Для здійснення вимушеної синхронізації мод використовують модуляцію втрат або оптичної довжини резонатора за допомогою електрооптичних і акустооптичних модуляторів на частотах, близьких до межмодовой частотному інтервалу cf2nL (рис. 1.3).
У режимі синхронізації моди лазера интерферируют між собою з утворенням коротких світлових імпульсів тривалістю, визначеною шириною спектра мод або шириною лінії генерації x&bdquo- «l / Av, і розділених тимчасовим інтервалом, що визначаються межмодовой частотним інтервалом, At = 2nL / c. Для газових лазерів Av «109- 1010 Гц, тому можна отримати імпульси лише нано- секундної і субнаносекундной тривалості- для твердотільних лазерів Av ^ lO12-1013 Гц і т, .lt; 1 пс- для лазерів на барвниках Av« 1014 Гц, отже , в принципі можна досягти фемтосекундною області тривалостей.
Найбільш ефективним способом отримання надкоротких перебудовуються по довжині хвилі імпульсів тривалістю 10"11-10-13 з є метод синхронної оптичної накачки, який полягає в модуляції посилення активного середовища лазера на частотах, рівних або кратних зворотному часу обходу резонатора [36]. Такий лазер генерує послідовність імпульсів, наступних синхронно з імпульсами накачки. Якщо в якості джерела накачування обраний лазер з синхронізованими модами, то оптичні довжини лазера-накачування і перебудованого лазера повинні бути узгоджені з необхідною точністю.
Практично для всіх перебудовуються лазерів і лазерних систем, які ми розглянули, реалізований синхронна накачування - це і лазери на центрах забарвлення напівпровідникові і ВКР лазери, параметричні генератори і, звичайно, лазери на органічних барвниках набули найбільшого поширення і вже випускаються промисловістю. Для цих лазерів характерним: є порівняно низький поріг збудження, широка область перебудови, значна ефективність і здатність генерувати імпульси істотно меншою тривалості, ніж імпульси накачування. Це імпульси високого спектрального якості (без додаткової модуляції частоти), тому вони представляють особливий інтерес для прецизійної кінетичної спектроскопа і збудження оптоволоконних систем, службовців для компресії (стиснення) в часі імпульсів [15].
Зазвичай методом синхронної накачування вдається отримати імпульси тривалістю одиниці пикосекунд - сотні фемтосекунд. Для лазерів на барвниках з синхронної накачуванням типовими є імпульси тривалістю 2,5-10 пс, середньою потужністю 80-100 мВт, частотою повторення від одиночних імпульсів до 100 МГц, енергією одиночного імпульсу 1-20 нДж, пікової потужністю 0,5-2 кВт .
Найбільш короткі імпульси, отримані в лазерах на барвниках, мають тривалість близько 40 фс. Їх посилення до 250 кВт і подальша компресія в одномодовом волоконному световоде довжиною 0,7 см дозволяють отримати імпульси тривалістю 8 ФС, що становить приблизно чотири періоди оптичного коливання і близько до теоретичної межі [15].
Відзначимо, що лазери з синхронізацією мод мають високу частоту повторення імпульсів від декількох кілогерц до декількох гігагерц, а також характеризуються помірною енергією імпульсів. Такий режим цікавий для біології з точки зору розвитку високочутливих, неразрушающих і швидкодіючих засобів діагностики.