Лазеры для диагностики биологических объектов - лазерная диагностика в биологии и медицине
Лазеры и лазерные системы для диагностики биологических объектов
Общая характеристика диагностических лазеров. Сложность и многообразие биологических объектов, значительное разнообразие в характере их взаимодействия со светом определяют необходимость привлечения широкого круга явлений и методов для диагностики этих явлений. Поэтому оказывается широким и круг лазеров, используемых в диагностике. Это наиболее простые и надежные с большим сроком службы газоразрядные лазеры, высокоинтенсивные химические и эксимерные лазеры, перестраиваемые в широком диапазоне длин волн жидкостные лазеры на красителях, высокоинтенсивные твердотельные лазеры со сверхкороткой длительностью импульсов, малогабаритные полупроводниковые лазеры и пр. Все эти лазеры перекрывают
Рис. 1.4. Длины волн и энергетические параметры наиболее распространенных лазеров: а — непрерывных, б — импульсных
широкий диапазон длин волн от 100 нм до 30 мкм- уровни выходной мощности непрерывных лазеров и средней мощности импульсных лазеров составляют от нескольких милливатт до десятков и сотен ватт- энергия в импульсе изменяется в пределах от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей- длительности их импульсов также изменяются в широком диапазоне: от нескольких миллисекунд до единиц фемтосекунд- ширина спектра излучения лазеров — от нескольких герц до десятков гигагерц- угловая расходимость — от десятков градусов у полупроводниковых лазеров до долей миллирадиана у газоразрядных [10—15, 27—371. На рис. 1.4 показаны уровни мощности и энергии наиболее распространенных и доступных лазеров.
Газоразрядные лазеры. Наиболее простыми и доступными среди газоразрядных лазеров, да и среди всех лазеров, являются гелий-неоновые (Не — Ne) лазеры, работающие на возбужденных атомах неона. Накачка осуществляется с помощью тлеющего разряда. Лазеры могут работать на многих линиях в видимой и ближней ИК области спектра (всего более 130 линий). Наиболее интенсивными являются линии с длинами волн 632,8- 1152,3 и 3391,2 нм. Уровень выходной мощности Р изменяется от долей до сотен милливатт на каждой линии. На =632,8 нм мощность с единицы длины активного элемента равна 50 мВт/м (при условии, что генерация на конкурирующей линии с =3391,2 нм подавлена). В коммерческих и лабораторных образцах лазеров применяются разнообразные средства подавления конкурирующих линий, что повышает не только мощность рабочей линии, но и ее стабильность.
Применение специальной технологии интерференционных покрытий зеркал открывает возможность создания стабильных и надежных лазеров с достаточной мощностью и широким набором длин волн, удовлетворяющих потребностям многих задач диагностики (например, для длин волн, равных 543,3- 593,9- 611,8- 640,1- 730,5 нм). Ряд зарубежных фирм уже приступил к выпуску Не— Ne лазеров с «новыми» нетрадиционными длинами волн — это «зеленый» лазер (л=543,3 нм, Р=0,5— 1 мВт) и ИК лазер ( = 1523,1 нм). В лабораторных условиях часто, наоборот, используют широкополосные зеркала, а перестройку осуществляют с помощью дисперсионного элемента внутри резонатора (призмы). Таким образом можно получить генерацию на восьми длинах волн вблизи 632,8 нм (543,3— 730,5), а также на ряде линий вблизи 1152,3 нм (1079,8- 1084,4- 1140,9- 1160,1- 1161,4- 1176,7- 1198,6).
Не — Ne лазеры характеризуются высокой стабильностью параметров излучения и значительным сроком службы (до 104 часов). Кратковременные флуктуации мощности серийных лазеров и ее долговременные уходы составляют обычно доли и единицы процентов [14, 27, 28]. Лазеры выпускаются двух типов—с внешними и внутренними зеркалами. В первом случае для герметизации активного элемента используются окошки Брюстера и излучение лазера оказывается линейно поляризованным с высокой степенью поляризации (/ц : /х=500 : 1), во втором поляризация излучения становится круговой (7ц : /х=1 : 1), при этом удается несколько повысить выходную мощность (примерно в 1,5 раза).
Для большинства современных конструкций Не — Ne лазеров характерным является режим работы на наинизшей поперечной ТЕМ00 моде, диаметр пучка 2а» для лазеров с =632,8 нм обычно составляет 0,5—0,8 мм для маломощных и около 2 мм для более мощных, расходимость излучения 0»1—3 мрад.
При всех достоинствах Не — Ne лазеров они имеют ряд существенных недостатков, к которым можно отнести малый коэффициент полезного действия (КПД), порядка 0,1 %, и малый уровень выходной мощности.
Более значительными КПД и уровнями средней мощности обладают импульсные атомарные лазеры, использующие пары изолированных атомов в качестве рабочей среды,— это лазеры на так называемых самоограниченных переходах [10]. Наиболее интересными с точки зрения применений являются лазеры на парах меди и золота, генерирующие интенсивное излучение в видимом диапазоне на зеленой, желтой и красной линиях. Наиболее интенсивная — это зеленая линия медного лазера с =510,5 нм (ее интенсивность составляет примерно 70 % от общей интенсивности). Длина волны желтой линии этого лазера равна 578,2]нм. Красное излучение лазера на парах золота имеет длину волны 627,8 нм. Инверсия в этих лазерах создается импульсным газовым разрядом в смеси паров металла и буферного газа (гелия или неона).
Зарубежными фирмами разработан ряд лазеров специального медицинского применения, в том числе полностью автоматизированных с водяным и воздушным охлаждением.
С точки зрения диагностического применения в биологии и медицине они интересны тем, что являются самыми мощными источниками излучения в видимой области, их излучение хорошо пропускается волоконными световодами, до 70 % при диаметре световода 1000 мкм, они обладают узкой линией и имеют малую расходимость.
Среди ионных лазеров на благородных газах наибольшее распространение получили аргоновые и криптоновые лазеры [П. 40, 10, 13, 27, 28], для возбуждения которых используется дуговой разряд. Они являются самыми мощными лазерами непрерывного действия видимого и ближнего УФ диапазонов длин волн. Суммарная мощность на многих линиях Аг лазера вблизи 500 нм достигает 10— 20 Вт, а в области 350 нм — 1—2 Вт. Мощность излучения Кг лазера вблизи 650 нм не превышает 1 Вт. Основные длины волн излучения Аг лазера перекрывают диапазон 351,1—514,5 нм (10 линий), Кг лазера — 350,7—799,3 нм (14 линий). Низкий КПД ионных лазеров, который не превышает 0,1 %, требует использования мощных источников питания и эффективного охлаждения активного элемента. Удельная выходная мощность на каждой из основных линий генерации Аг лазера с =488,0 и 514,5 нм составляет примерно 5 Вт/м при отношении тока разряда к диаметру рабочего капилляра 25 А/мм. Диаметр пучка излучения 2шда1—2 мм, 0даО,6 мрад.
Использование широких капилляров (7—10 мм) позволяет в лабораторных условиях получать непрерывную мощность до 100 Вт/м, создавать мощные источники УФ излучения на =351,1 и 363,8 нм с мощностью до 10 Вт. Большой интерес для биологии и медицины представляет УФ лазер умеренной мощности, излучающий в диапазоне 334,0—363,8 нм суммарную мощность порядка 1 Вт, а на А.=351,1 нм — 0,25 Вт.
Ионные лазеры на парах химических элементов также являются прекрасными источниками непрерывного излучения в видимой и ближней УФ областях спектра [П. 40, 10, 13, 27—29]. Поскольку в качестве рабочего вещества могут быть использованы пары многих химических элементов (Cd, Zn, Se, Те и т. д.), то набор длин волн оказывается существенно шире, чем у Не — Ne и Аг лазеров. При этом мощность излучения несколько больше, чем у Не — Ne лазеров, и ее уровень вполне удовлетворяет большинству задач биомедицинской диагностики. Лазеры работают при наличии вспомогательного газа, в качестве которого обычно применяют гелий.
Наибольшее распространение получили Не — Cd и Не — Se лазеры катафорезного типа, в которых подачу паров и их равномерное распределение внутри активного элемента обеспечивает процесс катафореза. Обычно возбуждение этих лазеров осуществляется продольным тлеющим разрядом постоянного тока с такими же примерно параметрами, как при возбуждении Не — Ne лазера. Принудительное охлаждение не требуется. Излучение Не — Cd лазера происходит на синей линии с =441,6 нм и УФ линии с 31=325,0 нм, а излучение Не — Se лазера — более чем на 19 линиях, перекрывающих почти весь видимый диапазон.
Промышленность у нас в стране и за рубежом выпускает разнообразные модификации Не — Cd лазеров, постоянно продолжается их модернизация и совершенствование. Этот лазер оценивается как один из наиболее перспективных лазеров для диагностики в биологии и медицине — это и микрофлуориметрия, КР-спектроскопия, новые цитометрические системы, лазерные микроскопы и пр. Мощность излучения промышленных лазеров в режиме ТЕМ00 моды на 1=441,6 нм составляет 8—100 мВт, на А,=325,0 нм — 1—20 мВт, 2ге»»0,8—3 мм, 0»О,4—1,0 мрад- кратковременные флуктуации выходной мощности в полосе 10—10е Гц обычно составляют 6—10 %, у лучших образцов менее 1 %» долговременные флуктуации 5—10 % за 8 часов, а у лучших образцов 5 % за 24 часа [29]. Срок службы лазеров (2—5) -103 часов. Есть реальная возможность довести срок их службы до 8-10® часов.
В отдельных применениях (например, при анализе загрязнений окружающей среды) полезными могут оказаться молекулярные лазеры ИК-диапазона, работающие на колебательно-вращательных переходах молекул СОа и СО [П. 40, 10, 11]. СОа лазер излучает на вращательных линиях молекулярных полос 9,4 и 10,4 мкм. Он может работать на многих линиях из этих полос. Перестройка линий генерации обычно осуществляется с помощью дифракционной решетки, используемой в качестве одного из зеркал лазера. Наибольшее усиление имеют линии, длина волны которых близка 10,6 мкм, поэтому лазер без дисперсионного элемента работает на этой длине волны. Для возбуждения лазера обычно используется продольный тлеющий разряд постоянного тока в многокомпонентной смеси, как правило, с составом С02 — N2 — Не—Хе. Выходная мощность промышленных лазеров малой и средней мощности составляет 5—40 Вт, размер пучка 5— 10 мм, расходимость 1—5 мрад. Этот лазер отличает чрезвычайно высокий КПД (10—30 %).
Перспективными для диагностики представляются малогабаритные волноводные С02 лазеры, которые имеют узкий рабочий капилляр (волновод), повышенное давление смеси от 100 Торр до атмосферного, что обеспечивает сравнительно высокие уровни мощности с единицы длины, значительную перестройку частоты в пределах одной линии излучения лазера (1 ГГц). Выходная мощность волноводных С02 лазеров в непрерывном режиме может достигать 30 Вт, типичное значение для компактного лазера
10 Вт. Размер пучка около 1 мм, однако расходимость оказывается значительной, порядка 10 мрад. Использование поперечного высокочастотного возбуждения и высокого давления смеси позволяют реализовать компактный спектрометр с квазиплавной перестройкой длины волны в диапазоне 9,1—11,0 мкм (1096—908 см-1). Еще более плавную перестройку можно получить при работе на смеси изотопов молекулы СОг (всего их 18).
СО лазер работает в интервале длин волн 5—6,5 мкм. Он обладает еще большим КПД (50—75 %), сравнимыми с С02 лазером уровнями мощности, также может перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Рабочая смесь газов содержит гелий, азот, ксенон и кислород. Возможно создание компактных инфракрасных спектрометров на основе перестраиваемых волноводных СО лазеров с поперечным высокочастотным возбуждением.
Близкие характеристики к С02 и СО лазерам имеют так называемые химические лазеры. Их генерация реализуется на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул галогеноводородных соединений [10]. Длины волн лазеров: HF — 2,7 мкм- НС1 — 3,7 мкм- НВг — 4,2 мкм- DF — 4,3 мкм. Они могут работать в импульсном и непрерывном режимах генерации, допускают дискретную перестройку длин волн в пределах колебательно-вращательных полос генерации.
Молекулярные лазеры, работающие на электронно-колебательных переходах, излучают в УФ диапазоне длин волн. Наиболее интересные из них — это лазер на молекулах азота, основная длина волны излучения которого равна 337,1 нм, и водородный лазер с излучением в вакуумном УФ (X = 116 и 160 нм) [10, 13]. Эти лазеры могут работать только в импульсном режиме, правда, с довольно большой частотой повторения импульсов /. Например, для Na лазера /=0,05—1 кГц, что для большинства применений эквивалентно непрерывной генерации. Они имеют не очень высокие значения КПД (0,01—1 %), РОр=10"3—1 Вт, т&bdquo-=1—10 не, Р&bdquo-=1—103 кВт. Промышленность выпускает несколько типов азотных лазеров- наиболее удобны отпаянные конструкции без прокачки газов, хотя они не дают оптимальных характеристик излучения. Эти лазеры применяются в фотобиологии, спектроскопии, а также для накачки лазеров на красителях.
Важным и чрезвычайно перспективным классом молекулярных лазеров на электронных переходах являются эксимерные лазеры [П. 40, 10—13, 37]. В качестве рабочего вещества таких лазеров используются так называемые эксимеры — молекулы-димеры, существующие устойчиво только в возбужденном состоянии и мгновенно распадающиеся в основном состоянии, что автоматически и обеспечивает инверсию. Накачка этих лазеров осуществляется быстрым поперечным разрядом, также как и некоторых типов азотных лазеров. Эксимерные лазеры имеют значительный КПД (1—15 %) и могут перестраиваться по длине волны в пределах 2—6 нм, средние длины волн эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов: ArF — 193 нм, KrCl — 222 нм, KrF — 248 нм, ХеВг — 308 нм, XeF — 351 нм, энергия их импульсов 0,01—0,25 Дж, /=100— 150 Гц, ти=4—20 не, РСр=5—40 Вт. Пучок излучения этих лазеров представляет собой прямоугольник с размерами 10x25 мм, а расходимость разная по двум координатам и составляет 2x5 мрад.
Жидкостные лазеры на красителях.
Активные среды лазеров на красителях представляют собой размещенные в специальных кюветах или прокачиваемые в струе на воздухе растворы органических красителей, инверсия в которых создается за счет внешней оптической накачки с помощью ламп или лазеров. Они обладают значительным КПД преобразования. Плавная перестройка длины волны излучения для одного типа красителя осуществляется с помощью дисперсионных элементов внутри резонатора в пределах нескольких десятков нанометров. Заменой красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длин волны во всем спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК.
Наиболее простую конструкцию имеют импульсные лазеры на красителях с ламповой накачкой [П. 40, П. 32, 30]. Созданы десятки моделей промышленных образцов таких лазеров. Они перекрывают диапазон длин волн от 340 до 960 нм. За счет удвоения и параметрического преобразования частоты диапазон еще более расширяется (217— 380 нм и 1,06—3,1 мкм). Энергия их излучения простирается от 1 мДж до 50 Дж в периодическом режиме, до 400 Дж в режиме одиночных импульсов, средняя мощность — от 0,06 до 20 Вт, длительность импульса — от 7 не до 8 мкс, частота повторения импульсов — от 200 Гц до одиночных импульсов, максимальный КПД лазеров — от 0,08 до 0,8 %. Ширина линии излучения лежит в пределах 0,4—0,001 нм, а рекордные значения для систем с усилителями достигают 10~4—10~6 нм. Расходимость излучения в зависимости от конструкции резонатора изменяется в пределах от 0,5 до 20 мрад.
Эффективную накачку в импульсном режиме обеспечивают азотный, медный и эксимерные лазеры, а также излучения второй и третьей гармоник гранатового лазера (532 и 355 нм) [П. 40, 10, 12, 13]. Используются как поперечная, так и продольная накачка (вдоль оси резонатора). Эффективность преобразования УФ излучения азотного лазера в видимое излучение лазера на красителях составляет около 10 %. Диапазон перестройки такого лазера 350—1000 нм и 217—300 нм с удвоением частоты. Ширина линии генерации 0,01 нм, а с эталоном Фабри — Перо внутри резонатора 0,001 нм. Частота повторения импульсов /=50—100 Гц, ти=5—10 не, Ри«10 Вт, 6» 10 мрад. При накачке излучением эксимерных лазеров диапазон длин волн — 320—980 нм, Рср«0,4 Вт. Накачка медным лазером мощностью 4 Вт позволяет с помощью четырех красителей перекрыть диапазон длин волн 530—710 нм со средней мощностью 6 Вт, обеспечить высокую частоту повторения импульсов, 10 кГц, и малую расходимость излучения, 3 мрад.
Лазеры на красителях являются уникальными перестраиваемыми источниками когерентного излучения и в непрерывном режиме. Для создания инверсии необходима жесткая фокусировка излучения лазера — накачки (до размера пучка 10—30 мкм), поскольку требуется высокая плотность мощности порядка 1 МВт/см2. При этом необходимое охлаждение облучаемого объема красителя происходит за счет быстрой его прокачки (струя в воздухе). В максимуме полосы красителя родамина-6Ж мощность генерации достигает 3 Вт, для других красителей она не превышает 100—200 мВт. Мощность лазеров накачки обычно
7 Вт. При использовании Аг и Кг лазеров диапазон Длин волн лазера на красителях составляет 400—1000 нм, тонкая перестройка частоты осуществляется в пределах 10—30 ГГц, ширина линии достигает 10—100 МГц, а при наличии системы стабилизации — менее 100 кГц- диаметр пучка около 5 мм, его расходимость 1,5—2 мрад.
Твердотельные лазеры [П. 40, 10—13]. Первым в мире лазером, созданным в 1960 г., является рубиновый лазер. С него началась история лазеров и их применений. Этот лазер представляет собой рубиновый стержень, накачиваемый обычно излучением спиральной или линейной ксеноновыми импульсными лампами. Лазер излучает красную линию на длине волны 694,3 нм. Изменяя температуру рубинового стержня в пределах 77—500 К, оказывается возможным перестраивать длину волны излучения в пределах примерно 50 см-1. По сравнению с другими твердотельными лазерами рубиновый лазер имеет низкий КПД (0,1 %). Длительность импульсов в режиме свободной генерации составляет 1—3]мс, энергия в импульсе в ТЕМ00 моде &bdquo-«1 Дж, /да 1 Гц, 0«1 мрад, 2ш»2—10 мм.
Лазеры на стекле с неодимом работают на силикатном и фосфатном стеклах. Рабочим веществом являются ионы неодима Nd$+. Длина волны излучения лазеров на силикатном стекле 1061 нм, а на фосфатном — 1054 нм. Эти лазеры работают в импульсном режиме и характеризуются высокими уровнями энергии в импульсе (до 10® Дж), широкими линиями флуоресценции, 26 и 19 нм, малой частотой повторения импульсов, 1—2 Гц. В режиме свободной генерации 2о»=5—10 мм, 0=5—10 мрад.
Наиболее широкое применение из всех твердотельных лазеров находят лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ : Nd). В качестве накачки используются обычно криптоновые и ксеноновые дуговые лампы. Наиболее легко возбуждается линия с А,= 1064 нм, генерация происходит также на линиях с =946, 1319 и 1833 нм, КПД лазеров 2—2,5 %. Создано уже несколько сотен промышленных образцов лазеров на гранате. Их можно разделить на три категории: непрерывные, импульсные с непрерывной накачкой и импульсные с импульсной накачкой.
Непрерывные лазеры работают при очень больших уровнях мощности 65—250 Вт на X ==1064 нм и 30 Вт на = 1319 нм, 0да1О—12 мрад. Средняя мощность излучения импульсных лазеров с непрерывной накачкой ( =1064 нм) в многомодовом режиме составляет 20—40 Вт, в ТЕМ00 моде 3—16 Вт, 0да1,2—2 мрад. Выпускаются лазеры с =1319 нм, а также с преобразованием частоты во вторую и четвертую гармоники с длинами волн: 532, 266, 659 нм. Мощность излучения на =1319 нм — 4 Вт, на =532 нм —
4 Вт, на =266 нм — 0,5 Вт. В этих лазерах предусмотрена периодическая модуляция добротности резонатора с частотой 5—50 кГц. Импульсные гранатовые лазеры с импульсной накачкой характеризуются большой по сравнению с рубиновыми и стеклянными лазерами частотой повторения импульсов, /да25—300 Гц, тида8—100 не, ида0,05—0,5 Дж, Ри=5—5-10-6 кВт, 0=0,05—6 мрад.
Перспективным для биологических применений является АИГ : Ег3+ лазер (эрбиевый) [111. По своим параметрам он практически не уступает гранатовому лазеру, а длина волны его излучения А=2,94 мкм лежит в полосе нормальных колебаний молекулы воды (Атах«2,94 мкм для «свободной» и Ятах «3,05 мкм для «связанной» воды), что и определяет его переспективность для применений в биологии и медицине.
Волоконные лазеры представляются весьма перспективными для диагностических целей в биологии и медицине [П. 32]. Типичный медицинский лазер многоцелевого назначения использует оптические волокна с диаметром сердцевины 7—10 мкм (диаметр оболочки 25—30 мкм), изготовленные из различных лазерных материалов, причем для волокон, активированных различными редкоземельными элементами, длину волны излучения можно варьировать в широких пределах от УФ до ИК. Излучатель лазера представляет собой спиралеобразный световод, расположенный вокруг лампы накачки, дистальный конец которого длиной 1—10 м выводится в область взаимодействия излучения с биологическим объектом. При активации материала волокна неодимом в моноимпульсном режиме выходная энергия лазера на >,= 1061 нм составляет 0,6— 0,7 Дж при т&bdquo-=100—120 мке, /=10—20 Гц, Рер=20— 25 Вт.
Рабочее вещество твердотельного лазера на красителях типа ЛКИ-301 представляет собой набор красителей в твердой матрице (полиметилметакрилат), например рода- мин-6Ж, родамин-С, оксазин-17, оксазин-1. Активный элемент изготовляют из дисков, накачку осуществляют второй гармоникой АИГ: Nd лазера по квазипродольной схеме. Спектральная область перестройки лазера 550— 750 нм, ширина линии генерации без эталона Фабри — Перо 1 нм, с эталоном 0,1 нм, т&bdquo-«20 не, /<100 Гц, 0да ^4 мрад, на =580 нм КПД преобразования 30 %.
Лазеры на центрах окраски по своим параметрам близки к лазерам на красителях, и, что очень важно, они могут излучать не только в видимой, но и в ближней ИК области
Длин волн вплоть до 4 мкм, где нет подходящих красителей [10, 12, 13]. Рабочей средой лазеров на центрах окраски являются ионные кристаллы, обычно щелочно-галоидные (ЩГК), в которых различными способами (фотохимическим, аддитивным или электронно-лучевым окрашиванием) создаются те или иные комплексы точечных дефектов, обладающие собственной частотой поглощения, так называемые /&rsquo-&rsquo--центры или собственные центры окраски. Наиболее стабильными являются /V. F}-, F^-, F А- и Fb-центры. Спектры их люминесценции перекрывают диапазон 600— 4000 нм. С помощью лазеров на ЩГК (NaF, LiF, КС1: Li, RbCl: Li, KC1 : Na, KC1 : Na+ : и др.) осуществлена плавная перестройка длин волн: 630—730, 800—1500, 1700—2200, 2250—3300 нм. Эти лазеры работают как в Импульсном, так и в непрерывном режимах. Некоторые из них эффективны лишь при низких температурах (77 К), другие имеют хорошие выходные характеристики при комнатной температуре.
Обычно используется лазерная накачка по аналогичным с лазерами на красителях схемам, при этом порог генерации оказывается существенно более низким, чем у лазеров на красителях. Например, для непрерывных лазеров пороговая мощность накачки составляет всего 13 мВт. В качестве источников накачки обычно используются Аг, Кг, АИГ : Nd лазеры. Эффективность лазеров на центрах окраски меняется в довольно широких пределах и может быть весьма большой (2,1—60 %). Выходная мощность излучения также меняется в довольно широких пределах (6 мВт — 1 Вт), в импульсном режиме энергия одного импульса достигает десятков миллиджоулей.
Приведем данные отечественного лазера MAJICAH-201, первого в мире промышленного лазера на ЩГК, работающего при комнатной температуре кристалла [31]. Он интересен также тем, что полностью автоматизирован с помощью встроенной мини-ЭВМ. В лазере обеспечена синхронная генерация в двух спектральных диапазонах (840— 1100 нм и 1090—1240 нм) с одним источником накачки (гранатовый или стеклянный лазеры), а также нелинейное преобразование этого излучения во вторую гармонику, перекрывающее соответственно два диапазона (420—550 нм и 545—620 нм). Эффективность нелинейного преобразования составляет 10 %. Рабочий кристалл LiF (F}, F^). Эффективность преобразования составляет 8 % при накачке 5 МВт на 532 нм и 15 % при накачке 25 МВт на основной гармонике (1064 нм), т&bdquo-=5—30 не, /<12,5 Гц.
Ширина линии излучения с дифракционной решеткой 1—3 см-1, с дифракционной решеткой и эталоном 0,3 см"1. Расходимость излучения равна 3 мрад при расходимости пучка накачки 1 мрад.
Полупроводниковые инжекционные лазеры.
Большинство рассмотренных лазеров имеют малый КПД, значительные размеры и довольно сложное устройство. Все это препятствует созданию на их основе компактных средств диагностики. В значительной мере конкуренцию им могут составить инжекционные полупроводниковые лазеры, которые перекрывают диапазон от 575 нм до 46,2 мкм, имеют высокую эффективность (20 %), чрезвычайно компактны и просты конструктивно [П. 40, П. 42, 10—13, 32, 33].
Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод с р — л-переходом, в области которого при пропускании инжекционного тока в прямом направлении создается инверсия населенности. В лазерах наиболее часто используются двойные гетероструктуры, когда в диоде создаются два перехода между различными материалами. Толщина активного слоя у таких лазеров 0,1—0,3 мкм, они работают при комнатной температуре. Для расширения спектрального диапазона и снижения пороговой накачки используют разнообразные тройные и четверные соединения. Например, Ga(As1_je PJ лазеры перекрывают диапазон от 830 (л:=0) до 640 нм (х=0,4). Наименьшая длина волны =575 нм получена для соединения 1пх_ж Ga^As^Pj-y. Этот четверной сплав при у—2,2х для разных значений х дает лазеры с длинами волн от 920 до 1500 нм.
Для ИК спектроскопии важным классом полупроводниковых лазеров являются лазеры на основе соединений t-винца PbSx.^Se*, Pbx_x Sn*Te и Pbj^Sn^Se и аналогичных, для которых получена генерация в диапазоне 2,5— 46,2 мкм. При заданной концентрации компонентов перестройка длины волны осуществляется изменением температуры кристалла, тока через диод (тепловой эффект), приложением внешнего магнитного поля и давления. Главным недостатком лазеров на соединениях свинца является необходимость их достаточно глубокого охлаждения (20— 10 К) при работе в непрерывном режиме, поэтому в промышленных ИК спектрометрах наряду с непрерывными используются импульсные диоды, для охлаждения которых можно применять простую технику — термоэлектрические холодильники [П. 42].
Если первые инжекционные лазеры имели сравнительно небольшую мощность (3—5 мВт), то в настоящее время созданы лазеры, которые в одной моде могут давать непрерывное излучение мощностью до 50 мВт. Созданы сфазированные структуры, состоящие из десяти или более лазеров, генерирующие излучение мощностью до 2,5 Вт. Конечно, главным недостатком полупроводниковых лазеров является чрезвычайно малый размер пучка на выходе (0,5—1,0 мкм), что влечет за собой по сравнению с другими лазерами значительную расходимость излучения (20—40° в плоскости, перпендикулярной плоскости активного слоя, и 5—10° в плоскости этого слоя).
Однако разнообразные технологические приемы позволяют уменьшить расходимость. Именно, применение сфазированных диодных структур способствует увеличению размеров пучка и снижению расходимости. Например, излучение структуры из десяти лазерных диодов (А,=770 нм, Р0бщ ^90 мВт) удается сфокусировать в пятно диаметром 2,5 мкм, что уже дает возможность эффективно использовать одномодовые световоды для передачи этого излучения и обеспечить диагностику биологических микрообъектов [32]. Следует отметить значительную ширину линии усиления инжекционных лазеров, малые размеры резонатора (около 1 мм), соответственно значительную разреженность продольных мод (50 ГГц, 1,6 см-1), чрезвычайно узкую ширину линии отдельной моды, которая может не превышать 50 кГц.
Перестраиваемые лазерные источники света.
Успех применения методов лазерной спектроскопии и диагностики, в том числе и в медико биологических задачах, во многом определяется существованием простого и надежного источника лазерного излучения, перестраиваемого в нужном диапазоне длин волн. По мере описания различных лазеров мы особое внимание уделили именно этой проблеме, как одной из главных для диагностики. Кроме представленных выше перестраиваемых лазеров существуют и другие способы получения перестраиваемого когерентного излучения. Рассмотрим наиболее важные из них [П. 40, 10—13].
Часто для получения перестраиваемого излучения используют явление вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Одним из представителей ВКР лазеров является полупроводниковый лазер на основе комбинационного рассеяния с переворотом спина, например на основе InSb. Диапазон длин волн этого лазера при накачке излучением СО лазера составляет 5—6,5 мкм, а при накачке
СО * лазером 9—14 мкм. Мощность генерации достигает 1 Вт. Изменением напряженности магнитного поля частоту излучения можно перестраивать в довольно широких пределах со скоростью 2 см-1/кГс. При использовании сверхпроводящих магнитов диапазон перестройки составляет примерно 80 см-1.
Существуют так называемые комбинационные лазеры, работающие на ВКР в газах и конденсированных средах. Так, использование в качестве источников накачки лазеров на красителях позволяет в комбинационных лазерах на газообразном водороде получить плавную перестройку в диапазоне 185 нм — 7 мкм. Для конденсированных активных сред, например. одномодовых кварцевых волоконных световодов, нет необходимости в перестраиваемом источнике накачки. С помощью излучения гранатового лазера мощностью несколько ватт в волоконном световоде длиной в несколько сот метров удается получить излучение в диапазоне 1,08—1,13 мкм для первого стоксового компонента и 1,15—1,175 мкм для второго [12]. В СССР выпускаются волоконно-оптические многоволновые источники дискретного по спектру когерентного излучения «Гамма-А» и «Гамма-С», которые возбуждаются излучением любых импульсных лазеров с =400—1100 нм* ти<1 не, Ри=0,01— —1МВт *).
*Рекламный проспект - ГОИ им. С. И. Вавилова»
ВКР лазеры относятся к большому многообразию лазерных систем, использующих разнообразные метода нелинейного оптического смешения, к которым также относятся генераторы второй гармоники, генераторы суммарных и разностных частот, параметрические генераторы,. Эти системы перекрывают весь диапазон от вакуумного УФ до далекого ИК, имеют вполне удовлетворительную для целей диагностики интенсивность когерентного излучения.
Для генерации второй гармоники обычно используют кристаллы LiNbOs (длина волны накачки Л,н= 1,06 мкм) и KDP (Ян=500—600 нм). Эффективность преобразования обычно не превышает 10—50 %. Таким образом можно преобразовать не только лазерное излучение с фиксированной частотой, но и перестраиваемое, однако для этого необходимо обеспечить синхронную угловую или температурную перестройку нелинейного кристалла для обеспечения фазового синхронизма взаимодействующих волн.
` Фи использовании лазеров на красителях с удвоением частоты удается перекрыть диапазон от 217 до 450 нм.
Для генерации излучения суммарных частот и высших гармоник можно, помимо кристаллов, использовать однородные смеси инертных газов и паров металлов — это позволяет расширить диапазон перестраиваемого когерентного излучения вплоть до вакуумного УФ. Например, утроение четвертой гармоники гранатового лазера с >.= =266 нм в смеси Хе — Аг позволяет генерировать излучение с Л=88,7 нм.
Нелинейное смешение излучения двух лазеров видимого диапазона, один из которых перестраиваемый, позволяет генерировать разностные частоты в ИК области спектра и на этой основе создавать спектрометры разностной частоты. Например, с помощью Аг лазера и лазера на красителях, излучения которых смешиваются в кристалле LiNb03, удается получить перестраиваемое когерентное излучение в диапазоне 2,2—4,2 мкм.
Важное место среди устройств нелинейной оптики занимает параметрический генератор света (ПГС), который представляет собой нелинейный кристалл, расположенный внутри оптического резонатора и накачиваемый излучением внешнего лазера, работающего на фиксированной частоте. Перестройка ПГС осуществляется или вращением кристалла, или изменением его температуры. При накачке кристалла LiNb03 излучением второй гармоники гранатового лазера удается получить параметрическую генерацию в диапазоне 550 нм — 4 мкм. При этом поворот кристалла на 4° изменяет его длину волны от 1,4 до 4,0 мкм.
Лазеры и лазерные системы с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов.
Одно из наиболее важных свойств лазеров заключается в возможности получения с их помощью чрезвычайно коротких световых импульсов. Невозможно в рамках краткого введения рассмотреть известные методы и устройства, реализующие световые импульсы короткой и сверхкороткой длительности, этому посвящена обширная литература (см., например, [П. 1 — П. 3, П. 40, 10—13, 15, 35, 36]). Здесь мы обсудим лишь основные принципы получения коротких и сверхкоротких импульсов и приведем некоторые цифры, характеризующие возможности отдельных типов лазеров, уже рассмотренных выше.
Для получения так называемых гигантских импульсов применяют режим модуляции добротности резонатора, который осуществляют путем включения и быстрого по сравнению со временем накачки выключения потерь в резонаторе. Этот режим характеризуется более короткими и существенно более мощными по сравнению с режимом свободной генерации импульсами. В качестве модуляторов, или, как их называют, оптических затворов, наиболее часто используют электрооптические или акустооптические модуляторы, пассивные затворы на просветляющихся красителях и щелочно-галоидных кристаллах с центрами окраски или нелинейно поглощающие газы внутри резонатора. Режим модуляции добротности осуществлен для всех типов лазеров, однако наиболее часто он используется для получения коротких и мощных импульсов в твердотельных или С02 лазерах. Типичные значения длительности гигантских импульсов составляют 10—100 не.
Существенно более короткие длительности можно получить в режиме синхронизации многих продольных (ТЕМ00) мод. Если между модами лазера устанавливаются определенные фазовые соотношения, т. е. излучение отдельных мод происходит синхронно, то говорят о существовании режима вынужденной или спонтанной синхронизации мод. Для осуществления вынужденной синхронизации мод используют модуляцию потерь или оптической длины резонатора с помощью электрооптических и акустооптических модуляторов на частотах, близких к межмодовому частотному интервалу cf2nL (рис. 1.3).
В режиме синхронизации моды лазера интерферируют между собой с образованием коротких световых импульсов длительностью, определяемой шириной спектра мод или шириной линии генерации x&bdquo-«l/Av, и разделенных временным интервалом, определяемым межмодовым частотным интервалом, At=2nL/c. Для газовых лазеров Av«109— 1010 Гц, поэтому можно получить импульсы лишь нано- секундной и субнаносекундной длительности- для твердотельных лазеров Av^lO12—1013 Гц и т,.<1 пс- для лазеров на красителях Av«1014 Гц, следовательно, в принципе можно достичь фемтосекундной области длительностей.
Наиболее эффективным способом получения сверхкоротких перестраиваемых по длине волны импульсов длительностью 10"11—10-13 с является метод синхронной оптической накачки, который заключается в модуляции усиления активной среды лазера на частотах, равных или кратных обратному времени обхода резонатора [36]. Такой лазер генерирует последовательность импульсов, следующих синхронно с импульсами накачки. Если в качестве источника накачки выбран лазер с синхронизированными модами, то оптические длины лазера-накачки и перестраиваемого лазера должны быть согласованы с необходимой точностью.
Практически для всех перестраиваемых лазеров и лазерных систем, которые мы рассмотрели, реализован синхронная накачка — это и лазеры на центрах окраска полупроводниковые и ВКР лазеры, параметрические генераторы и, конечно, лазеры на органических красителях получившие наибольшее распространение и уже выпускаемые промышленностью. Для этих лазеров характерным: являются сравнительно низкий порог возбуждения, широкая область перестройки, значительная эффективность и способность генерировать импульсы существенно меньшей длительности, чем импульсы накачки. Это импульсы высокого спектрального качества (без дополнительной модуляции частоты), поэтому они представляют особый интерес для прецизионной кинетической спектроскопа и возбуждения оптоволоконных систем, служащих для компрессии (сжатия) во времени импульсов [15].
Обычно методом синхронной накачки удается получить импульсы длительностью единицы пикосекунд — сотни фемтосекунд. Для лазеров на красителях с синхронной накачкой типичными являются импульсы длительностью 2,5—10 пс, средней мощностью 80—100 мВт, частотой повторения от одиночных импульсов до 100 МГц, энергией одиночного импульса 1—20 нДж, пиковой мощностью 0,5—2 кВт.
Наиболее короткие импульсы, полученные в лазерах на красителях, имеют длительность около 40 фс. Их усиление до 250 кВт и последующая компрессия в одномодовом волоконном световоде длиной 0,7 см позволяют получить импульсы длительностью 8 фс, что составляет примерно четыре периода оптического колебания и близко к теоретическому пределу [15].
Отметим, что лазеры с синхронизацией мод имеют высокую частоту повторения импульсов от нескольких килогерц до нескольких гигагерц, а также характеризуются умеренной энергией импульсов. Такой режим интересен для биологии с точки зрения развития высокочувствительных, неразрушающих и быстродействующих средств диагностики.
