Ім'я файлу: реферат лазерна літорипсія.docx
Розширення: docx
Розмір: 427кб.
Дата: 21.03.2021

Міністерство освіти та науки України

Національний університет «Львівська політехніка»
Кафедра електронних приладів



Реферат

з дисципліни

«Лазери в медицині та біології»

на тему:

« Лазерна літорипсія»


Виконав:

студент групи ЕЛЕП-11

Городечний С.А.

Перевірив:

Микитюк З.М.

Львів 2021

ВСТУП

Волоконні лазери є одним з найбільш яскравих досягнень сучасної квантової електроніки. Цей напрямок виник на стику лазерної фізики та волоконної оптики. Ряд переваг волоконних лазерів у порівнянні з традиційними квантовими генераторами дозволяють їм знайти різні застосування та замінити традиційні випромінювачі.

Інтерес до лазерів, що генерують в області від 2 мкм до 2,4 мкм, обумовлений специфічним спектром поглинання ліпідної тканини, що відрізняється в цій області від спектра поглинання води [4].

У даний час розроблені та промислово виробляються потужні лазери на основі волокон, легованих іонами 3 Yb , 3 Er , 3 Tm , також ведуться активні дослідження в області лазерів на основі волокон, легованих вісмутом. Ці джерела в сукупності дозволяють перекрити спектральний діапазон від 1 мкм до 2 мкм. У той же час, волоконні лазери, що випромінюють на довжинах хвиль більше 2 мкм, розроблені значно слабкіше. Інтерес до таких джерел обумовлений тим, що в області від 2,1 мкм до 2,2 мкм розташований локальний максимум пропускання атмосфери.

1. Застосування лазера в медицині

Область застосування лазерної техніки в медицині постійно розширюється. Так, наприклад, в урології [3], гінекології, хірургії захворювань вуха, горла і носа, ортопедії широко використовуються гольмієві твердотільні лазери, однак вони працюють тільки в імпульсному режимі генерації високоенергетичних довгих імпульсів з частотою проходження до 20 Гц. Очевидно, що при існуючій різноманітності патологій потрібні інші режими роботи – такі, що можуть забезпечити волоконні гольмієві лазери. Більш того, волоконні лазери дозволяють знизити вартість випромінювача та його обслуговування.

Інтерес до лазерів, що генерують в області від 2 мкм до 2,4 мкм, обумовлений специфічним спектром поглинання ліпідної тканини, що відрізняється в цій області від спектра поглинання води (рис. 1.1) [4].

На даний момент з використанням кварцових волокон, легованих іонами гольмію, отримана лазерна генерація в діапазоні від 2 мкм до 2,21 мкм [5]. Максимально досягнута вихідна потужність склала 140 Вт, а квантова ефективність – 0,81. Також при впливі на біологічну тканину випромінювання гольмієвого волоконного лазера спостерігається гемостатичний ефект.



Рис. 1.1 – Спектри поглинання жиру та води

2. Елементи волоконного лазера

На рисунку 2.1. приведена найпростіша конфігурація волоконного лазера з торцевим накачуванням: 1 – напівпровідниковий випромінювач, 2 – точка зварювання, 3 – активне волокно, 4 – бреггівські решітки, 5 – вихід випромінювання. Вхідна бреггівська решітка зазвичай має коефіцієнт відбиття, близький до одиниці на довжині хвилі генерації, а необхідний коефіцієнт відображення вихідної решітки визначається величиною посилення і оптичних втрат випромінювання в активному волокні.

Бреггівські решітки можуть бути записані як безпосередньо в активному волокні, так і у відрізках фоточутливого волокна, які приварюються до активного.

Рис.к 2.1 – Найпростіша конфігурація лінійного волоконного лазера

3. Активні добавки для оптичних волокон

Так само як і у твердотільних лазерних джерелах випромінювання, найбільшого поширення у якості активних легуючих добавок для волокон отримали іони лантаноїдів, або рідкісноземельних елементів. Специфічні оптичні властивості даних елементів визначаються тим, що для них характерна добудова внутрішньої f-оболонки, коли вже заповнилися зовнішні оболонки. Наявність незаповненої внутрішньої оболонки призводить до появи яскраво вираженої дискретної структури електронних переходів, яка і обумовлює застосування іонів рідкоземельних елементів в якості активних домішок [9].

Застосування активного іона для легування волокон на основі кварцового скла визначається наступними факторами: по-перше, активний іон повинен мати радіаційний перехід в ближній ІЧ області спектра, де кварцове скло найбільш прозоре; по-друге, у ньому енергія фононів становить від 400 см-1 до 1100 см-1 [10], тому наявність енергетичних рівнів з малим енергетичним зазором всередині оптичного переходу призводить до безвипромінювальної релаксації, перешкоджаючи появі люмінесценції. Тому в якості активних домішок для волокон на основі кварцового скла найбільше поширення знайшов ряд елементів, наведених в таблиці 3.1, де також показані дані про область люмінесценції цих активних іонів.

Таблиця 3.1 – Рідкоземельні елементи, що використовуються для створення активних волокон, і спектральні області їх люмінесценці



Енергетична схема гольмію має лазерний перехід 5J7 5J8 з відповідною довжиною хвилі випромінювання в області 2 мкм. Час життя на збудженому рівні складає близько 0,5 мс. При цьому гольмієвий лазер повинен працювати за трирівневою схемою, оскільки на тій же довжині хвилі існує поглинання з основного стану. Тому для таких лазерів для досягнення інверсії необхідною є накачування в інтенсивній смузі поглинання. З цієї причини найбільшого поширення знайшли твердотільні гольмієві лазери з ламповим накачуванням в смузі поглинання, розташованій у видимій частині спектру. Використання смуги поглинання в області 0,9 мкм, що відповідає переходу 5J8 5J5 , для накачування напівпровідникових джерелом не отримало застосування внаслідок слабкої інтенсивності зазначеної смуги. У той же час наявність інтенсивної смуги поглинання в області 1,15 мкм, що відповідає переходу 5J8 5J8 дозволяє розраховувати на істотне поліпшення характеристик гольмієвого волоконного лазера при накачуванні в цю смугу. Це було здійснено при використанні в якості джерела накачування ітербієвого волоконного лазера.



Рис. 3.1 – Схема енергетичних рівнів іонів ряду рідкоземельних елементів

На рисунку 3.2 представлений спектр люмінесценції волокна, легованого іонами Но3+, при порушенні випромінюванням криптонового лазера на довжині хвилі 676 нм. Дана довжина хвилі відповідає переходу 5J8 5J4 . Постійна часу люмінесценції склала 0,5 мс.



Рис. 3.2 – Спектр люмінесценції волокна легованого іонами Но3+

4. Схеми накачування активних волокон

Для накачування активного волокна з подвійною оболонкою використовується кілька способів. Найбільш простим з них є спосіб торцевого накачування, коли випромінювання напівпровідникового джерела вводиться в активне волокно через торець. Найбільшою перевагою такого способу є можливість його використання для всіх типів волокон з подвійною оболонкою. Недоліками цього способу є: можливість використання лише одного джерела накачування (лазерного діода або його зборки), тому що потужність яка вводиться у волокно обмежена теперішніми можливостями напівпровідникових технологій [12].

Інші існуючі схеми накачування використовують принцип розподілення вводного випромінювання накачування по довжині активного волокна. У першому випадку для введення накачування пропонується використовувати набір V-образних канавок, виготовлених на бічній поверхні волокна. Принцип введення накачування показаний на рисунку 4.1 , на якому: 1 – активована серцевина, 2 – V-образна канавка, 3 – внутрішня оболонка, 4 – мікролінза, 5 – діодний лазер. Безсумнівною перевагою такого способу є можливість додавання джерел по довжині активного волокна в міру виснаження потужності від попереднього джерела, а до недоліків слід віднести необхідність фіксації напівпровідникового лазера відносно активного волокна і захисту області введення від зовнішніх впливів.



Рис.4.1 – Схема накачки через V- образну канавку

Особливістю іншого способу накачування є використання спеціального подвійного волокна, що представляє собою два волоконних світловода із загальним полімерним покриттям, що має понижений в порівнянні з кварцовим склом показник заломлення (GTW-волокно).

Одне з волокон (активне) має серцевину, леговану іонами ітербію, а друге (пасивне) – являє собою волокно з високочистого кварцового скла. На рисунку 2.8 зображена схема накачування, для якої використовується така конфігурація: 1 – накачування, 2 – активне волокно, 3 – пасивне волокно, 4 – накачування.

Випромінювання накачування від напівпровідникового випромінювача вводиться в пасивне волокно. В області контакту волокон відбувається перерозподіл потужності накачування, введеної в пасивне волокно, по двум волокнам, при цьому відношення потужностей накачування в обох волокнах визначається відношенням площ їх оболонок. При розподіленні по активному волокну поглинання частини накачування в його серцевині компенсується додатковим перекачуванням випромінювання з пасивного волокна, що необхідна для підтримки постійного відносини потужностей накачування в активному та пасивному волокнах. Таким чином, відбувається розподілене накачування по всій довжині активного волокна. У даній схемі можливе використання двох джерел накачування, випромінювання яких вводиться з протилежних кінців пасивного волокна, а також розрив 30 пасивного волокна в області виснаження потужності накачування і додавання наступного джерела.



Рис. 2.8 – Схема накачки з використанням подвійного волокна

5. Технічні характеристики гольмієвих лазерів

Режим роботи гольмієвого лазера імпульсний, тривалість цього імпульсу становить 300 – 600 мкс. Частота повторення імпульсів може змінюватися в діапазоні від 1 Гц до 20 Гц. Енергія імпульсу варіюється до 3 Дж при середній потужності вихідного випромінювання 20 – 30 Вт. Імпульсний режим значно зменшує час нагрівання біотканини, і, отже, опікову реакцію організму. При цьому пікова потужність випромінювання у 5 – 10 кВт дає можливість швидко випаровувати тканину практично без фази повільного нагріву. У фізиці такий процес називається адіабатичним, тобто без теплообміну з оточуючими тілами.

В таблиці 1.2 приведені порівняльні технічні характеристики двох гольмієвих лазерів серій «TRIPLE» і «Contact».

Таблиця 1.2 – Порівняльні технічні характеристики лазерів



Отже з таблиці видно, що дещо менші за потужністю характеристики гольмієвого лазера «Compact» в порівнянні з лазером «TRIPLE», дозволяють з успіхом використати його в хірургії: літотрипсія, ЛОР-хірургія, дерматологія та ін. На рисунку 1.2 показаний загальний вигляд лазерів «TRIPLE» і «Contact».



Рис. 1.2 – Загальний вигляд гольмієвих лазерів

Унікальні характеристики двохмікронного випромінювання гольмієвого лазера є найкращим вибором для хірурга, завдяки чому гольмієвий лазер з успіхом знаходить застосування в різних областях хірургії.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас