ARTICLES

The medical polymeric solid dye laser with high energy of radiation and the varying wavelength

А.С. Беличенко¹, Г.А. Матюшин¹, Т.Г. Матюшин¹, В.С. Нечитайло², С.К. Пикарелло²
1. Государственный научно-исследовательский институт медицинских полимеров, Россия, Москва.
2. Фирма Континуум Биомедикал, США, Даблин.

Резюме.
В настоящей работе представлены результаты исследований и испытаний нового высокоэнергетического медицинского лазера фирмы Континуум, в котором в качестве генерирующего тела используются полимерные оптические элементы (ПОЭ) выполненные из модифицированного полиметилметакрилата с введенными в него пиррометеновыми красителями. Полимерные оптические элементы представляют собой стержни цилиндрической формы диаметром 25 мм, высотой 25 мм, с непараллельностью торцевых поверхностей не более
3-х угловых минут, неплоскостностью N<=14 колец и чистотой поверхности не хуже РV. Оптические элементы были разработаны и изготовлены Государственным научно-исследовательским институтом медицинских полимеров. Созданный на основе полимерной активной среды лазер (ПАС-лазер) обеспечивает выходную энергию до 250 мДж на длине волны =585 нм, ресурс работы не менее 50000 импульсов на частоте 2 Гц и выходную энергию 150 мДж на длине волны =650 нм, ресурс работы не менее 20000 импульсов на частоте 1 Гц. Эффективность преобразования энергии накачки на длине волны =585 нм равна 80 %, на длине волны
=650 нм равна 50 % при плотности излучения оптической накачки 2,4 Дж/см² и длительностью импульса 5-7 нс. Сейчас ПАС-лазеры в США нашли широкое клиническое применение в дерматологии и косметической хирургии.
Ключевые слова: полимерный лазер на красителях, полимерный оптический элемент, полимерная активная среда, эффективность преобразования, выходная энергия, лазерная прочность, модифицированный полимер.

1. Введение.
Высокая надежность, компактность и простота эксплуатации моноимпульсных твердотельных лазеров обеспечили широкое применение их в медицинской практике. В частности в дерматологии и косметической хирургии твердотельные лазеры с хорошими клиническими результатами используются для удаления татуировок, пигментных пятен, волос, обработки кровеносных сосудов, следов повреждения кожи и т.д. [1]. В настоящее время для этих целей применяются рубиновые лазеры ( =694 нм), александритовые лазеры ( =755 нм), неодимовые лазеры награнате с удвоением частоты ( =532 нм, =1064 нм) и эрбиевые лазеры на гранате ( =2940 нм). Все эти лазеры имеют фиксированные длины волн выходного излучения, что во многих случаях существенно сужает возможности использования лазерного излучения для целевого назначения, учитывая различную поглощающую способность органических тканей.
Частично эту проблему решают путем размещения в едином лазерном комплексе трех различных лазеров. Однако эти системы имеют высокую стоимость, сложны в эксплуатации и не решают проблему расширения спектрального состава воздействующего излучения.
Целью настоящей работы являлось создание высокоэнергетического ПАС-лазера с различными длинами волн, позволяющего преобразовать существующие неодимовые лазеры на гранате с удвоением частоты в многочастотные системы, пригодные для воздействия на широкий круг биологических хромофоров.

2. Лазер оптической накачки.
Для достижения хороших клинических результатов при использовании лазеров в дерматологии необходимо иметь плотность излучения от 3 до 6 Дж/см². Эти плотности легко достигаются с помощью существующих лазерных систем на гранате с выходными энергиями излучения около 400 мДж ( =1064 нм) и 200 мДж ( =532 нм) в световом пятне от 2 до 4 мм и диаметром активного элемента 6 мм.
Однако применение излучения таких лазеров в системах оптической накачки ПАС-лазера затруднено, так как в этом случае энергия излучения на новых рабочих длинах волн будет значительно ниже необходимой [2]. То есть, модернизация существующих лазеров на гранате требует увеличения их выходной энергии тем больше, чем ниже эффективность преобразования излучения накачки с =532 нм в новую рабочую длину волны генерации. Так при эффективности преобразования энергии оптической накачки в ПАС-лазере 50 % гранатовый лазер должен излучать около 1000 мДж на длине волны =1064 нм и около 500 мДж на длине волны =532 нм. Известно, что для получения таких энергий необходимо использовать гранатовые стержни диаметром не менее 9 мм. При таком диаметре активного элемента появляются проблемы, связанные с термическими искажениями резонатора, которые вызывают существенную неоднородность в распределении выходного излучения. Эту проблему нам удалось решить за счет оригинальной конструкции осветителя лазера и зеркал резонатора. Было получено однородное поле выходного излучения с распределением, близким к гауссову. Такая конструкция при использовании стандартных оптических элементов позволила получить 1300 мДж энергии на =1064 нм и 520 мДж на
=532 нм. Применение же в резонаторе специальных оптических элементов с очень низкими потерями дало возможность достигнуть значений выходной энергии излучения равных 1600 мДж на =1064 нм и 750 мДж на =532 нм.
Полученные энергетические характеристики разработанного моноимпульсного Nd:YAG лазера с удвоением частоты были достаточны для использования его в системе оптической накачки ПАС-лазеров, коэффициент преобразования энергии которых должен быть не ниже
50 %.

3. Новый ПАС-лазер.
Самым простым путем преобразования имеющихся неодимовых лазеров на гранате с удвоением частоты в многочастотные системы, является разработка дополнительных устройств в виде наконечника к манипулятору, с помощью которого проводят лазерные операции [2]. Эта идея была воплощена, по крайней мере, в двух конструкциях. Одна конструкция - с использованием жидкой активной среды [3], другая конструкция - с применением полимерного оптического элемента [1]. Эксплуатация медицинских лазеров на основе жидких активных сред порождает много проблем, главная из которых обусловлена опасностью использования самой жидкой среды с ее физико-химическими свойствами. Разработанный и изготовленный фирмой Polyoptics ПАС-лазер [1], представляет собой конструкцию, резонатор которой состоит из дихроичного глухого зеркала (Т>95 % для =532 нм и R>99 % для
=560-700 нм), выходного зеркала (R=16 % для =560-700 нм). Расстояние между зеркалами равно 35 мм. Полимерный оптический элемент имеет длину 25 мм и диаметр 20 мм, и располагается симметрично между зеркалами. Конструкция обеспечивает быструю и легкую смену активного элемента без нарушения оптических и механических характеристик резонатора, что позволяет использовать полимерные оптические элементы с различными красителями. Однако этой конструкции ПАС-лазера присущ ряд существенных недостатков:

- низкое оптическое качество ПОЭ, используемого в резонаторе, не позволяющее получить высокую эффективность преобразования энергии накачки, хорошее распределение плотности излучения по сечению луча и требуемую расходимость выходного излучения;

- практическая невозможность использования в юстировочных операциях видимого излучения из-за эффективного поглощения его ПОЭ в диапазоне 400-580 нм и 99 % отражения глухим зеркалом в диапазоне 560-700 нм;

- появление по мере фотообесцвечивания ПОЭ излучения оптической накачки с =532 нм в выходном излучении.

Два последних недостатка в той или иной мере определяются конструкцией ПАС-лазера и используемой элементной базой. Для их преодоления было разработано специальное дихроичное глухое зеркало и применена конструкция резонатора, в которой ПОЭ зажат между глухим и выходным зеркалами [4]. Зеркала были изготовлены из стекла с показателем преломления, равным показателю преломления материала ПОЭ. Дополнительно был установлен дихроичный фильтр, с помощью которого из выходного излучения лазера убиралось излучение оптической накачки. Излучение оптической накачки, "вырезанное" из выходного излучения, возвращалось вновь в резонатор, что увеличивало энергию накачки активного элемента. В свою очередь прирост энергии накачки автоматически поддерживает постоянство выходной энергии ПАС-лазера и увеличивает ресурс его работы. Благодаря согласованию коэффициентов преломления материалов зеркал и ПОЭ, оптические потери на контактирующих поверхностях отсутствуют, а плотная "упаковка" ПОЭ между зеркалами резонатора исключает оптические искажения, связанные с оптическим качеством торцевых поверхностей ПОЭ. Все это означает, что в таком ПАС-лазере может быть достигнута наивысшая эффективность, а оптические характеристики выходного луча зависят лишь от юстировки (согласования) глухого и выходного зеркал резонатора и качества ПОЭ.
Различные длины волн выходного излучения ПАС-лазера могут быть получены на одном и том же ПОЭ путем изменения спектра отражения дихроичного глухого зеркала. Это позволяет подавлять излучение с нежелательными длинами волн и обеспечивать нужный спектральный диапазон выходного излучения.
С целью облегчения проведения юстировочных операций, было выбрано дихроичное глухое зеркало, отражающее в спектральном диапазоне 560-660 нм, что позволяет использовать в качестве юстировочного луча излучение диодного лазера с =670-700 нм.
Проблема увеличения эффективности преобразования энергии оптической накачки и получения выходного излучения требуемого "качества" решалась путем использования новых полимерных оптических элементов, разработанных и изготовленных для этих целей в Государственном научно-исследовательском институте медицинских полимеров.

4. Экспериментальные результаты.
Для изготовления ПОЭ был синтезирован лазеропрочный полимерный материал, представляющий собой специальным образом очищенный полиметилметакрилат с введенной в него низкомолекулярной модифицирующей добавкой, выбранной в соответствии с концепцией, изложенной в работе [5]. В качестве активных красителей использовались Пиррометен - 580, Пиррометен - 597 и Пиррометен - 650 в различных концентрациях. Готовые ПОЭ представляют собой цилиндрические стержни диаметром 25 мм и высотой 25 мм с оптически обработанными торцевыми поверхностями [6]. Оптические потери были сведены к минимуму за счет высокой однородности материала, отсутствию термических напряжений и рассеивающих центров в объеме элемента, а также за счет прецизионной оптической обработки торцевых поверхностей. Оптические характеристики, также как и лазерная стойкость (равная стойкости стекла К-8), неплоскостность N 14 колец, непараллельность 3 угловых минут и класс чистоты поверхностей не хуже PV, оставались в приведенных пределах более года.
В первой серии экспериментов был использован резонатор ПАС-лазера, состоящий из дихроичного глухого зеркала с Т=95 % (532 нм), R=99 % (580-650 нм) и выходного зеркала с отражением 16%, разделенных на расстояние 50 мм, лазеры типа PDL (Polymer Dye Laser). Во второй серии экспериментов были использованы такие же элементы, но ПОЭ был зажат между глухим и выходным зеркалами, лазеры типа MDL (Multilite Dye Laser). На рис. 1 приведена выходная энергия этих двух конфигураций резонатора в зависимости от энергии накачки.

Там же показаны экспериментальные результаты для двух красителей: Пиррометен - 597 (С=1х10-4 моль/л) и Пиррометен - 650 (С=3х10-4 моль/л) с длинами волн излучения 585 и 650 нм соответственно. Коэффициенты преобразования (КП) для различных ПАС-лазеров составили: для PDL - 585 - 67,5%, MDL - 585 - 81 %, PDL - 650 - 52%, MDL - 650 - 57,5% (подсчитаны по методу наименьших квадратов). Очевидно, что ПАС-лазеры типа MDL имеют более высокую эффективность преобразования энергии накачки, чем PDL. В ПАС-лазерах MDL-585 и MDL - 650 получены соответственно выходные энергии 155 мДж и 105 мДж при накачке 200 мДж. Это самые высокие выходные энергии из известных для твердотельных лазеров на красителях. Изменение выходной энергии в зависимости от числа импульсов ПАС-лазера PDL-585 c концентраций красителя С=2х10-4 моль/л представлено кривой 4 на рис. 2.

Энергия накачки составляла около 560 мДж (кривая 2), а частота следования импульсов - 2 Гц. Начальная выходная энергия для PDL - 585 равнялась 260 мДж, после 25000 импульсов она поднялась до 320 мДж, но упала до 260 мДж после 72000 импульсов, т.е. до 80% от максимальной выходной энергии 320 мДж. Конечно как увеличение выходной энергии, так и ее уменьшение нежелательно. Чтобы обеспечить стабильную работу ПАС-лазера типа MDL - 585 с выходной энергией 300 мДж (кривая 3), энергию накачки непрерывно изменяли (кривая 1), что компенсировало влияние на выходную энергию фотообесцвечивания красителя. Начальная энергия накачки была 500 мДж, затем ее снижали до 380 мДж после 3000 импульсов и поддерживали на этом уровне в течение следующих 33000 импульсов. После 36000 импульсов испытание на ресурс было остановлено из-за появления небольшого лазерного разрушения в месте соприкосновения выходного зеркала и ПОЭ. Это микроразрушение появилось в области выхода из фотообесцвеченного ПОЭ зеленого луча накачки, после того, как его энергия составила 1% от суммарной выходной энергии 300 мДж. Такой тип лазерного разрушения имеет место только на границе выходного зеркала и полимера в области прямого воздействия луча накачки, прошедшего через полимер. Разрушение происходит в момент увеличения доли энергии накачки в выходном излучении из-за обесцвечивания красителя в ПОЭ, при этом уменьшается значение выходной энергии ПАС-лазера типа MDL. Указанный эффект может быть объяснен появлением термонапряжений на границе между полимерной поверхностью и выходным зеркалом из-за неоднородного нагрева ПОЭ, обусловленного наличием различных по степени фотообесцвечавания зон в объеме активной среды. Эти термонапряжения вызывают нарушение контакта между поверхностями ПОЭ и зеркала, что приводит к лазерным разрушениям в этой области. Следует обратить внимание на предложенное изменение в главной концепции полимерного твердотельного лазера на красителе: вместо "оптического трансформатора", который дает переменную выходную энергию при постоянной энергии накачки, предлагается твердотельный лазер с постоянной выходной энергией при накачке от другого твердотельного лазера с переменной энергией накачки. Эта концепция в основании та же, что и для твердотельных лазеров с диодной накачкой, например, Nd:YAG лазеров и Er:YAG лазеров.
В соответствии с данной концепцией ПАС-лазера были выполнены эксперименты с PDL и MDL лазерными системами при различных ПОЭ с красителями Пиррометен - 580, Пиррометен - 597 и Пиррометен - 650 в различных концентрациях. Определялось число импульсов стабильной работы ПАС-лазера Ncт при заданном значении выходной энергии. Экспериментальные результаты представлены в таблицах 1, 2, 3, 4.

Как можно заметить из таблиц, число импульсов Ncт увеличивается в ряду Пиррометен - 650 => Пиррометен - 580 => Пиррометен - 597, более чем в 10 раз.
Число импульсов Ncт увеличивается примерно линейно в зависимости от концентрации красителя, и падает тоже линейно при уменьшении энергии накачки. Это означает, что фотостабильность молекул используемых красителей прямо зависит от общего числа фотонов, поглощенных каждой молекулой, и что фотодеструкция происходит при однофотонном поглощении энергии.
Другой значительный вывод состоит в том, что Ncт превышает 10000 импульсов для всех пиррометеновых красителей даже при очень высоких плотностях энергии накачки до 2,4 Дж/см² и больших плотностях мощности до 480 МВт/см². Ресурсы стабильной работы ПАС-лазеров, достигнутые при таких плотностях энергии, являются самыми высокими из известных полимерных лазеров на красителях с неподвижными активными элементами.
Характеристики современных ПАС-лазеров типа MDL представлены в таблице 5.

5. Заключение
Предложена и реализована новая концепция ПАС-лазера, которая позволяет создавать стабильно работающий лазер с максимальной эффективностью преобразования излучения оптической накачки и высоким ресурсом работы.
На основе этих исследований была разработана серия ПАС-лазеров марки Medlite IV^TM, которые превосходят по полезному клиническому применению все известные моноимпульсные медицинские лазерные системы. С такими ПАС-лазерами врач получает в свое распоряжение излучение с длинами волн, наиболее подходящими для использования в дерматологии и косметической хирургии.

Литература

1. Z. Azar, A. Bank, D. Donskoy and V. Nechitailo, "Tunable solid-state laser systems for dermatology applications", .Proc. SPIE "Medical Applications of Lasers II" 2327, p.p. 8-16 (1994)

2. J.M. Grevelink, D. Duke, R.L. van Leeuwen, E. Gonzalez, S.D. Decosts, and R.R. Anderson, "Laser treatment of tattoos in darkly pigmented patients: Efficacy and side effects", J AM ACAD DERMATOL 1996; 34:653-656

3. Rainbow Wavelength Extension Accessory, Lynton Lasers, United Kingdom.

4. Ya. V. Kravchenko, A. A. Manenkov, G. A. Matyushin, V. M. Mizin, D. P. Pacheco and H. R. Aldag, "New High-Efficiency pyrromethene-580 Doped Modified PMMA Solid-State Dye Laser", Proc. SPIE "Solid State Lasers VI" 2986 p.p. 124-131 (1997)

5. К.М. Дюмаев, А.А. Маненков, А.П. Маслюков, Г.А. Матюшин, В.С. Нечитайло, А.М. Прохоров, "Квантовая электроника", т. 10, ? 4, 810 (1983)

6. Д.А. Громов, К.М. Дюмаев, А.А. Маненков, А.П. Маслюков, Г.А. Матюшин, В.С. Нечитайло, А.М. Прохоров, Изв. АН СССР Сер. физ., т.46, с. 1956 (1982)