Устройство для лазерной абляции материалов (варианты)

 

Изобретение относится к области лазерной техники и более конкретно - к лазерным медицинским инструментам для стоматологических, дерматологических, оторинологических применений, в том числе с использованием эндоскопов. Устройство состоит из первой ступени - лазера накачки, излучение которого, лежащее в диапазоне 0,93-1,15 мкм, по гибкому световоду поступает на вторую ступень - лазер-конвертер, излучающий в диапазоне 3±0,2 мкм. Заявляются варианты устройства, отличающиеся между собой составами кристаллов лазера-конвертера - смешанные фториды гольмия Но, соактивированные ионами празеодима Pr, иттербия Yb или иттрия Y. Торец активного элемента трехмикронного лазера выполнен сферическим. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия лазера, увеличение энергии импульсов и мощности лазера. 4 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области лазерной техники и предназначено, в частности, для изготовления медицинских инструментов, используемых для стоматологических, дерматологических, оторинологических операций, в том числе с использованием эндоскопов.

Варианты изобретения являются решением одной и той же задачи принципиально одним и тем же путем с получением общего технического результата.

Известно, что для эффективной и не приводящей к нежелательным побочным эффектам обработки материалов, содержащих соединения воды или включающих OH-группу, целесообразно применение импульсного излучения, лежащего в диапазоне длин волн, эффективно поглощающихся указанными соединениями. Соответствующими областями применений являются медицинские (стоматология [1-3], дерматология [4] , оторинология, эндоскопическая лазерная терапия [5,6], офтальмология [7], аналогичные области ветеринарии, а также обработка некоторых органических и неорганических материалов [8].

Возможна обработка материалов, содержащих OH-группы, с использованием лазеров, излучающих в областях ультрафиолетового (УФ) и среднего инфракрасного (длина волны ~ 10 мкм) диапазонов. Однако медицинское применение УФ-излучения имеет противопоказания из-за возможности вызванных им нежелательных мутаций в клетках организма [6], а применение излучения в области 10 мкм осложняется отсутствием в настоящее время гибких световодов для доставки лазерного излучения к обрабатываемому объекту.

Следующей возможностью обработки таких материалов является использование лазеров, излучающих в диапазоне 2.9-3.1 мкм, что соответствует максимуму поглощения указанных соединений. Доставка указанного излучения к месту операции посредством гибкого световода в настоящее время возможна с использованием волокон из фторцирконатных (F-Zr) или халькогенидных (As-Se) материалов, а также с использованием полых светопроводящих волокон. Однако эти волокна не обладают достаточной гибкостью, потери в полых световодах слишком велики, долговечность фторцирконатных и халькогенидных волокон мала из-за склонности материала к рекристаллизации, а введение внутрь организма материалов, содержащих мышьяк (халькогенидные волокна) или фтор, встречает возражения из-за медицинских противопоказаний. Помимо этих недостатков, при подведении излучения к объекту посредством волокна затруднена его дальнейшая фокусировка из-за большой величины расходимости излучения на выходе волокна, связанного с большой числовой апертурой последнего, требуемой для передачи лазерной энергии, достаточной для обработки материалов.

Известны технические решения [9-10] - двухступенчатые лазерные системы, в которых излучение лазера первой ступени - лазера накачки передается посредством гибкого световода к лазеру второй ступени - лазеру-конвертеру, излучающему в рабочем диапазоне длин волн. При этом излучение лазера накачки может быть выбрано в области прозрачности волокна, обладающего необходимыми механическими и оптическими свойствами, а также долговечностью (к таким волокнам относятся, в первую очередь, кварцевые волокна), а лазер-конвертер должен быть выполнен настолько миниатюрным, чтобы обеспечить удобство работы.

Первостепенную важность при таком решении приобретает коэффициент полезного действия лазерной системы, определяемый произведением КПД первой ступени (лазера накачки) на КПД второй ступени (лазера-конвертера).

Важными параметрами для рассматриваемых применений являются также энергия E и мощность P излучения лазера-конвертера. Для рассматриваемых применений эти характеристики должны находиться в пределах E=(0.025 - 0.5) Дж, P= (1-5) Вт, причем нижние границы соответствуют эндоскопическим применениям, а верхние - применению таких лазеров в стоматологии.

В известном решении [10], являющемся прототипом настоящего изобретения, предлагается использовать в качестве материала второй ступени лазерной системы - рабочего лазера, размещенного в операционном манипуляторе - кристаллы эрбий-иттриево-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂:Er), и иттербий-эрбий-иттриево-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂:Er,Yb).

К недостаткам прототипа следует отнести малый коэффициент полезного действия: для кристаллов эрбий-иттриево-алюминиевого граната (Y₃Al₅O₁₂:Er) отсутствуют эффективные твердотельные лазеры (такие как, например, лазеры на неодимсодержащих YAG, YAlO₃, YLF), излучающие на длинах волн, эффективно поглощаемых ионами эрбия Er. Лазерная накачка таких кристаллов возможна с использованием перестраиваемых лазеров на основе Ti-Al₂O₃. При такой накачке возможно получение значений энергии, соответствующих верхним границам требуемого диапазона, однако КПД таких лазеров не превосходит 0.1%. Возможна также накачка с использованием лазерных диодов; в этом случае имеются ограничения по мощности накачки. Так, в работе [11] максимальная мощность излучения при накачке лазером на основе Ti-Al₂O₃ составила лишь 143 мВт, а при накачке лазерными диодами - 171 мВт. Таким образом, вторым недостатком прототипа является ограничение достижимой выходной мощности.

Задачей настоящей группы изобретений является повышение КПД устройства для лазерной абляции материалов, и увеличение энергии импульсов и средней мощности излучения в диапазоне 2.9-3.1 мкм.

Поставленная задача решается следующим образом: в качестве материала активного элемента лазера-конвертера (второй ступени) предлагается использовать один из кристаллов многокомпонентных фторидов I, II и III групп Периодической системы, а именно: щелочных (калий К, литий Li, натрий Na), щелочноземельных (барий Ba) металлов, лантаноидов (гольмия Ho, празеодима Pr, иттербия Yb) и иттрия Y, синтезированных в соответствии с принципами, изложенными ниже, в качестве источников накачки (первой ступени) предлагается использовать лазеры, излучающие в диапазоне длин волн, имеющих хорошее поглощение в материале первой ступени, и обладающие высокими КПД, энергией и мощностью.

Объединение данных материалов в группу с единым изобретательским замыслом продиктовано общим принципом решения проблемы, заключающимся в подборе кристаллической матрицы, в которой каждый из компонентов выполняет свою определенную роль. В частности: поглощение излучения лазеров накачки, генерирующих в диапазоне 1.08-1.15 мкм, и генерация излучения на требуемой длине волны осуществляется ионами гольмия Ho, дезактивация нижнего рабочего уровня генерирующих ионов гольмия Ho, приводящая к увеличению КПД лазера, осуществляется ионами празеодима Pr, ионы иттрия Y служат для изоморфного замещения ионов гольмия Ho: введение их в состав кристалла позволяет оптимизировать коэффициент поглощения излучения накачки, ионы иттербия Yb служат для поглощения излучения эффективных лазеров накачки, генерирующих в диапазоне 0.93-1.05 мкм, длина волны излучения которых лежит вне области поглощения ионов гольмия Ho, ионы щелочных металлов лития Li или натрия Na или щелочноземельного металла бария Ba являются компонентами матрицы кристалла.

Предлагаются следующие варианты изобретения.

1. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0.2 мкм, в котором, в отличие от прототипа, в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов щелочных металлов, гольмия и празеодима следующего состава Me(Ho_1-xPr_x)F₄ где Me - Li или Na, при x = (0.001-0.03) ат.долей.

2. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0.2 мкм, в котором, в отличие от прототипа, в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов бария, гольмия и празеодима следующего состава Ba(Ho_1-x Pr_x)₂F₈, при x = (0.0005-0.015) ат.долей.

Эти варианты различаются используемыми в материале активного элемента ионами щелочных и щелочноземельных металлов.

В кристаллах состава Me(Ho_1-x Pr_x)F₄ и Ba(Ho_1-x Pr_x)₂F₈ излучение накачки поглощается непосредственно ионами гольмия Ho и должно находиться в диапазоне 1.08-1.15 мкм, определяемом спектром поглощения данного вещества.

В этих кристаллах выбор фторидов гольмия как основы кристалла обусловлен тем, что длина волны излучения гольмия лежит в требуемой области 3,0±0,2 мкм. Наличие фторида празеодима Pr в составе кристалла уменьшает время жизни нижнего уровня ионов гольмия Ho, что приводит к увеличению инверсной населенности для рабочего перехода и тем самым - к увеличению КПД. Снижение концентрации празеодима Pr менее 0.001 ат. доли делает этот эффект незначительным, а увеличение ее выше 0.03 ат. долей приводит к увеличению паразитного поглощения излучения накачки и потому нецелесообразно.

В кристаллах состава Me(Ho_1-x Pr_x)F₄ и Ba(Ho_1-x Pr_x)₂F₈ коэффициент поглощения составляет величину ~ 2 см^-1. Это позволяет уменьшить габаритные размеры лазера-конвертера до ⊘ (0.5-1)x(4-6) мм, что необходимо и для эндоскопических применений, когда требуются малогабаритные излучатели с относительно малой выходной мощностью (например, 1 Вт).

3. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0.2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов щелочных металлов, гольмия, празеодима и иттербия (или иттрия) следующего состава
Me(Ho_1-x-y Pr_xRE_y)F₄,
где Me - Li или Na; RE - Yb или Y, при x = (0.001-0.03) ат.долей, у = (0.2-0.9) ат.долей.

4. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0.2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов бария, гольмия, празеодима и иттербия (или иттрия) следующего состава:
Ba(Ho_1-x-y Pr_xRE_y)₂F₈,
где RE - Yb или Y, х = (0.0005-0.015) ат.долей, y = (0.1-0.45) ат.долей.

В этих вариантах вводятся соактиваторы иттрий Y или иттербий Yb.

Для того чтобы увеличить энергию и мощность излучения, активный элемент лазера-конвертера выполнен из кристалла состава Me_a(Ho_1-x-y Pr_xY_y)F_b, в котором часть ионов гольмия изоморфно замещена ионами иттрия Y, не имеющими поглощения в области 1.08-1.15 мкм. При этом коэффициент поглощения излучения накачки имеет меньшую величину, что дает возможность увеличить длину лазера-конвертера и улучшить теплоотвод, а вместе с ним и КПД. Снижение содержания иттрия Y менее 0.2 ат. долей для варианта 3 (менее 0.1 ат. долей для варианта 4) делает это уменьшение поглощения накачки незначительным, а увеличение ее выше 0.9 ат. долей для варианта 3 (более 0.45 ат. долей для варианта 4) приводит к снижению КПД из-за уменьшения общего числа генерирующих ионов гольмия Но и потому нецелесообразно.

В кристаллах составов Me(Ho_1-x-yPr_xYb_y)F₄ часть ионов гольмия изоморфно замещена ионами иттербия Yb, имеющими поглощение в области 0.93-1.05 мкм, в которой лежат длины волн излучения нескольких эффективных лазеров - источников накачки. Поглощенная ионами иттербия Yb энергия излучения накачки передается к ионам гольмия Но. При этом КПД двухступенчатой лазерной системы повышается благодаря тому, что лазер первой ступени (лазер накачки) обладает повышенным КПД. Снижение концентрации иттербия Yb менее 0.2 ат. долей для варианта 3 (менее 0.1 ат. долей для варианта 4) приводит к уменьшению поглощения накачки, а увеличение ее выше 0.9 ат. долей для варианта 3 (более 0.45 ат. долей для варианта 4) приводит к снижению КПД, связанному с уменьшением инверсионной населенности из-за нарастания апконверсии с верхнего рабочего уровня ионов гольмия Ho и потому нецелесообразно.

Во всех вариантах изобретения для получения лучшего технического результата - повышения КПД, целесообразно активный элемент лазера-конвертера выполнить в виде стержня, у которого торец, обращенный к гибкому световоду, выполнен со сферической поверхностью с радиусом кривизны 0.3-1.5 м, а другой, выходной, плоским, при этом зеркала нанесены непосредственно на торцы активного элемента и соответственно образуют оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0.2 мкм. Зеркало, нанесенное на сферический торец, выполнено высоко отражающим для излучения в области спектра ±2 мкм и пропускающим для излучения в области спектра лазера накачки, а зеркало, нанесенное на плоский торец, выполнено частично пропускающим для излучения в области спектра 3±0.2 мкм и высоко отражающим для излучения в области спектра излучения лазера накачки.

В данном техническом решении обеспечивается максимальная простота конструкции рабочего лазера, размещенного в операционном манипуляторе, а КПД лазера дополнительно повышается путем устранения паразитных потерь, связанных с поглощением излучения диапазона 3±0.2 мкм в материале подложек зеркал. Выполнение одного из торцов лазерного активного элемента сферическим приводит к повышению устойчивости лазера к разъюстировкам в процессе сборки и эксплуатации, и тем самым - к повышению КПД.

Совместно с лазерами-конвертерами на основе кристаллов составов Me(Но_1-xPr_x)F₄, Ba(Ho_1-x-yPr_x)₂F₈, Me(Ho_1-x-yPr_xY_y)F₄, Ba(Ho_1-x-yPr_xY_y)₂F₈ целесообразно использовать лазеры первой ступени (лазеры накачки), наиболее эффективно генерирующие в диапазоне длин волн 1.08-1.15 мкм.

Одним из таких является лазер накачки, активный элемент которого выполнен из кристалла Y₃Al₅O₁₂:Nd, излучающего на длине волны 1.12 мкм.

Другим техническим решением является лазер накачки, активный элемент которого выполнен из кристалла YAlO₃:Nd, излучающего на длине волны 1.08 мкм.

Другим техническим решением является лазер накачки в виде полупроводникового лазерного диода (набор лазерных диодов), излучающего в диапазоне длин волн 1.1-1.15 мкм.

Совместно с лазерами-конвертерами на основе кристаллов составов Me(Ho_1-x-yPr_xYb_y)F₄ и Ba(Ho_1-x-yPr_xYb_y)₂F₈ целесообразно использовать лазеры первой ступени (лазеры накачки), наиболее эффективно генерирующие в диапазоне длин волн 0.93-1.05 мкм.

Одним из таких является лазер накачки, активный элемент которого выполнен из кристалла YLiF₄:Nd, излучающего на длине волны 1.047 мкм.

Другим техническим решением является лазер накачки в виде полупроводникового лазерного диода (набора лазерных диодов), излучающего в диапазоне длин волн 0.93-0.98 мкм.

На чертеже представлена схема устройства, где: лазер накачки 1 соединен посредством гибкого световода 2 с лазером-конвертером 3, в котором позициями 4 и 5 обозначены торцы активного элемента 6. Торец 4, обращенный к гибкому световоду 2, выполнен со сферической формой поверхности.

Работа устройства при использовании различных вариантов изготовления активных элементов принципиально не отличается. Лазер накачки 1 генерирует излучение, которое передается по гибкому световоду 2 в лазер-конвертер 3. Гибкий световод 2, как правило, выполняется из кварцевого волокна, обладающего хорошим пропусканием в диапазоне 0.93-1.15 мкм, в котором, в соответствии с предложенной формулой изобретения, выбрана длина волны излучения лазера накачки. В случае использования набора лазерных диодов гибкий световод 3 может быть выполнен в виде жгута волокон. В резонаторе лазера-конвертера предпочтительно использовать по крайней мере одно из зеркал со сферической формой поверхности. На чертеже сферическим выполнен торец 4 активного элемента 6, на который нанесено одно из зеркал, образующих оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0.2 мкм; другое зеркало (выходное) нанесено на второй торец 3 активного элемента 6.

Результаты измерений КПД предпочтительного исполнения лазерного устройства для абляции материалов, изготовленного в соответствии с формулой изобретения, приведены в таблице.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что заявленная группа изобретений по совокупности существенных признаков не имеет аналогов, что соответствует критерию "новизна", не совпадает по существенным отличиям с известными техническими решениями, что подтверждает изобретательский уровень предложенного решения, а также может быть реализовано, в соответствии с изложенными примерами, т.е. соответствует критерию "промышленная применимость".

Литература
1. Hibst R. , Keller U. Experimental studies of the application of the Er:YAG laser on dental hard substances: I. Measurement of the ablation rate. "Lasers in Surgery and Medicine", 1989, 9, 338-339.

2. Keller U.,Hibst R. Experimental studies of the application of the Er: YAG laser on dental hard substances; II. Light microscopic and SEM investigation. "Lasers in Surgery and Medicine", 1989, 9, 345-351.

3. Der KaVo K'E'Y' Laser. 1992 (advertising brochure).

4. Hibst R., et al. Studien zur dermatologischen Anwendungen von Lasern als alternative zur mechanishen Dermabrasion, ILM Institute fuer Lasermedizin, ULM (1993).

5. Ahmed W.H., Bittl J.A. Eximer lasr coronary angioplasty, J.Cardiol. Clin., 1994 Nov. 12(4) p.585-593.

6. Baumbach A. et al. Acute complications of eximer laser coronary angioplasty, a multicenter study, Am.Coll.Cardiol. 1994, May 23(6) p. 1305-1313.

7. Conference Lasers in Ophtalmology, BiOS Europe'96: 7-10.96, Vienna, Austria Proceedings edited by SPIE. EUROpto series, Papers 2930-01 - 2930-36.

8. Sandulenko V. A. , Experimentell begrundete Studie zur Realisierung eines Zwestufenlasers (3μm Laserkonverter) Dez. 1992, Studie im Auftrag der VITRON Spezialwerkstoffe GmbH.

9. R. L.Byer, Diode Laser-Pumped Solid State Lasers, Science, v.239, p. 742-747, 1988.

10. Gerhard Mueller, German Patent Application N 4341108 Internat.cl. H 01s 3/23, "2-Stufen-Lasersystem fuer die Zahn-Mund-Kiefer-Chirurgie".

11. B. J. Dinerman, P. F.Moulton, 3-micron laser operation in Er-doped YSGG,GGG, and YAG, - Optics Letters, v.19, #5, p. 1143-1145 (1994).

Формула изобретения

1. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0,2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов щелочных металлов, гольмия и празеодима следующего состава: Me(Но_1-хPr_x)F₄, где Ме - литий Li или Na, при х=(0,001-0,03) ат. долей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обращенный к гибкому световоду торец активного элемента лазера-конвертера выполнен со сферической поверхностью с радиусом кривизны 0,3-1,5 м, а зеркала, образующие оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0,2 мкм, нанесены непосредственно на торцы активного элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве лазера накачки использован твердотельный лазер или лазерный диод с длиной волны излучения, лежащей в диапазоне 0,93-1,15 мкм.

4. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0,2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов бария, гольмия и празеодима следующего состава: Ва(Но_1-хPr_х)₂F₈, при х=(0,0005-0,015) ат. долей.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что обращенный к гибкому световоду торец активного элемента лазера-конвертера выполнен со сферической поверхностью с радиусом кривизны 0,3-1,5 м, а зеркала, образующие оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0,2 мкм, нанесены непосредственно на торцы активного элемента.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве лазера накачки использован твердотельный лазер или лазерный диод с длиной волны излучения, лежащей в диапазоне 0,93-1,15 мкм.

7. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0,2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов щелочных металлов, гольмия, празеодима и иттербия (или иттрия) следующего состава: Ме(Но_1-х-уPr_xRE_у)F₄, где Ме - Li или Na; RE - Yb или Y, х=(0,001-0,03) ат. долей, у=(0,2-0,9) ат. долей.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что обращенный к гибкому световоду торец активного элемента лазера-конвертера выполнен со сферической поверхностью с радиусом кривизны 0,3-1,5 м, а зеркала, образующие оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0,2 мкм, нанесены непосредственно на торцы активного элемента.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в качестве лазера накачки использован твердотельный лазер или лазерный диод с длиной волны излучения, лежащей в диапазоне 0,93-1,15 мкм.

10. Устройство для лазерной абляции материалов, включающее лазерный источник накачки, соединенный посредством гибкого световода с лазером-конвертером с длиной волны излучения 3±0,2 мкм, отличающееся тем, что в качестве материала активного элемента лазера-конвертера выбран кристалл на основе многокомпонентных фторидов бария, гольмия, празеодима и иттербия (или иттрия) следующего состава: Ва(Но_1-х-уPr_xRE_у)₂F₈, где RE - Yb или Y, х=(0,0005-0,015) ат. долей, у=(0,1-0,45) ат. долей.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что обращенный к гибкому световоду торец активного элемента лазера-конвертера выполнен со сферической поверхностью с радиусом кривизны 0,3-1,5 м, а зеркала, образующие оптический резонатор для излучения в области спектра 3±0,2 мкм, нанесены непосредственно на торцы активного элемента.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в качестве лазера накачки использован твердотельный лазер или лазерный диод с длиной волны излучения, лежащей в диапазоне 0,93-1,15 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2