ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01S3/941 H01S3/23 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к лазерам преимущественно ближнего ИК диапазона и способу генерации лазерного ИК излучения преимущественно для применения в хирургической урологии.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для малоинвазивных хирургических операций на простате и для лазерной литотрипсии (фрагментации камней) нашли применение высокоэнергетичные (~ 1 Дж/импульс) импульсно - периодические гольмиевые лазеры с длиной волны излучения 2,09 мкм, импульсной мощностью 2-5 кВт и уровнем средней мощности излучения 30-100 Вт, доставляемой к операционному полю с помощью оптического волокна. Лазерное воздействие производит точную вапоризацию и/или резку ткани с проникновением лазерной энергии примерно до 0,4 мм в ткани предстательной железы с одновременной коагуляцией кровеносных сосудов с очень малым тепловым рассеянием. Также гольмиевые лазеры с энергией импульса 0,1-3 Дж и длительностью импульсов 200-300 мкс широко используются для дробления камней в почках in vivo (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61(4), 2012). Гольмиевая литотрипсии и гольмиевая лазерная энуклеации предстательной железы (HoLEP - Holmium Laser Enucleation of Prostate) являются современными общепризнанными «золотыми» стандартами лечения основных урологических заболеваний, а гольмиевые лазеры - универсальным инструментом хирургической урологии.

Однако распространение гольмиевой лазерной хирургии сдерживается рядом существенных недостатков, присущих высокоэнергетичным гольмиевым лазерам. В них используется ламповая накачка активных элементов на основе базового материала YAG, легированного наряду с ионами Но³⁺, также ионами Tm³⁺ и Cr³⁺. Накачка осуществляется на длинах волн (450 нм) поглощения ионов хрома, далее передается на тулий, а с тулия через оптический канал (1,9 мкм) - на гольмий. Схема имеет достаточно низкий КПД (1-2%) и большое тепловыделение в активных элементах, поэтому в коммерческих версиях устройств используется до 4-х отдельных лазерных генераторов, работающих в параллель, либо в попеременном режиме, что негативно сказывается на их надежности, стоимости и эксплуатационных характеристиках. Низкая надежность обусловлена также малым (~ 10⁷ импульсов) временем жизни ламп накачки.

Более эффективная накачка может быть осуществлена в гольмиевом лазере на основе волокна, активированного ионами Но³⁺ (US Patent 7170909, опубл. 30.01.2007). Лазер содержит двухоболочечное лазерное волокно, сердцевина которого легирована ионами трехвалентного гольмия (Но³⁺). В качестве источника накачки в такой конструкции выступает лазерный диод на длине волны 1,9 мкм. Волоконный лазер подобного типа способен иметь высокую эффективность в виду малого дефекта кванта, то есть малого различия длин волн накачки и генерации.

Недостатком указанного лазера является использование лазерных диодов с длиной волны излучения 1,9 мкм, которые сами имеют достаточно низкую эффективность преобразования тока накачки в световое излучение, имеют малое время жизни при эксплуатации и очень высокую стоимость. Использование для накачки коммерчески доступных AlGaAs и InGaAs лазерных диодов невозможно, поскольку активная среда, легированная только ионами Но³⁺ не имеет интенсивных линий поглощения в диапазоне 780-980 нм.

Высокими КПД, надежностью и ресурсом характеризуется хирургическая оптоволоконная лазерная система с активным элементом, легированным ионами Tm³⁺ (Патент РФ 2535454, опубл. 10.07.2014). В оптоволоконных тулиевых лазерах, применяемых для лазерной хирургии, накачка осуществляется относительно дешевыми непрерывными или CW (англ. - continuous wave(CW))-лазерными диодами с излучением на длине волны, выбираемой в диапазоне 775-850 нм. Генерация излучения в диапазоне длин волн 1,87-2,05 мкм осуществляется в непрерывном или модулированном режиме с мощностью на уровне ~ 100 Вт. К преимуществам тулиевых лазеров с характерной длиной волны излучения 1,94 мкм относятся: эффективное рассечение тканей, сравнимое с гольмиевым лазером; хорошая остановка кровотечения, минимальная травматизация тканей за счет того, что луч проникает на небольшую глубину, ~ 0,1 мм, благодаря этому практически отсутствует риск повреждения крупных артерий и нервов. Поэтому тулиевый лазер рекомендовано использовать для лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) небольшой или средней степени.

Однако тулиевые лазеры не столь эффективны для лечения мочекаменной болезни методом лазерной литотрипсии, как гольмиевые лазеры. Это связано с тем, что в тулиевых лазерах с накачкой CW - лазерными диодами не осуществлены режимы с высокими энергией (~ 1 Дж/импульс) и импульсной мощностью (2-5 кВт).

Этого недостатка лишена лазерная система задающий генератор- усилитель мощности (англ. - master oscillator - power amplifier (МОРА)) с боковой накачкой стержневых активных элементов, одновременно легированных Но и Tm, квазинепрерывными или QCW (англ. - quasi-continuous wave (QCW))-лазерными диодами (Optics Letters Vol. 31, Issue 4, pp. 462-464 (2006) https://doi.org/10.1364/OL.31.000462). В лазерной системе, содержащей задающий генератор с энергией генерации 0,14 Дж/импульс в режиме с модулированной добротностью и два усилителя мощности, достигнута выходная энергия лазерного излучения более 1,2 Дж/ импульс на длине волны 2,09 мкм.

Однако лазерное устройство не позволяет осуществлять вывод излучения через оптоволокно из-за его лазерно-индуцированного разрушения вследствие высокой импульсной мощности, характерной для лазерных систем с модулированной добротностью. В лазерных системах с модулированной добротностью для активных элементов, одновременно легированных Но и Tm, накачку производят в течение достаточно малого, около 1 мс, времени, что требует высокой пиковой мощности накачки и большого количества QCW лазерных диодов накачки, что приводит к слишком высокой стоимости лазерной системы, делая ее коммерчески малодоступной. Кроме этого, при работе QCW-лазерных диодов с длительностью импульсов ~ 1 мс, не оптимальной (слишком большой) с точки зрения обеспечения их высокого времени жизни, ресурс лазерной системы резко снижается (F. Amzajerdian et al. Qualification Testing of Laser Diode Pump Arrays for Space-based 2-micron Coherent Doppler LIDAR 14th Coherent Laser Radar Conference 2007, p. 234).

Здесь и далее лазерные диоды, предназначенные для работы в непрерывном режиме будем называть непрерывными лазерными диодами или CW-лазерными диодами. Другой тип диодов, предназначеных для работы в квазинепрерывном режиме здесь и далее будем называть квазинепрерывными лазерными диодами или QCW-лазерными диодами. Термин "квазинепрерывный режим работы" лазерного диода означает, что он находится в состоянии "включено" в течение настолько коротких интервалов времени, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к непрерывному. Работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. QCW-лазерные диоды с более высокой по сравнению с CW-лазерными диодами пиковой мощностью используются для работы с большой частотой следования импульсов при длительности импульсов, как правило, не более 500 мкс и рабочем цикле, не превышающем нескольких процентов.

Также, здесь и далее «лазерные диоды накачки» означает «лазерные диоды для накачки» или «лазерные диоды, предназначенные для накачки».

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к разработке новых способов генерации лазерного излучения и созданию на их основе мощных высокоэнергетичных лазерных систем ближнего ИК диапазона с лазерно-диодной накачкой, характеризующихся высокими ресурсом и надежностью, коммерческой доступностью, низкой стоимостью эксплуатации и, в частности, наиболее полным удовлетворением требованиям, предъявляемым к универсальным лазерным системам для хирургической урологии.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью лазерной системы, включающей в себя импульсный задающий генератор и, по меньшей мере, один усилитель мощности, в которой активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента.

Система характеризуется тем, что задающий генератор снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, а усилитель снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки.

В вариантах изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется CW-лазерными диодами в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня: t≤τ.

Предпочтительно задающий генератор работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW-лазерными диодами от 200 до 600 мкс.

Предпочтительно вывод излучения лазерной системы осуществляется в оптоволокно.

Активные элементы лазерной системы могут содержать базовый материал, легированный ионами Tm³⁺ и Но³⁺.

В этих вариантах накачка активного элемента усилителя мощности может осуществляться в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора быть равна или больше величины, обратной эффективного времени жизни τ_Ho верхнего лазерного уровня ⁵I₇Ho³⁺:f≥1/τ_Ho.

В других вариантах изобретения активные элементы содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺.

В этих вариантах накачка активного элемента усилителя мощности может осуществляться в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора быть равна или больше величины, обратной эффективного времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄ Tm³⁺:f≥1/τ_Tm.

Базовый материал активных элементов может быть выбран из группы: Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Y₃AlO₃ (YAP), LiYF₄ (YLF), Y₃GeO₅, Lu₂O₃, Y₃Sc₂Ga₃O₁₂ (YSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Y₃Ga₅O₁₂(YGG), LaF₃, Y₂O₃, BaY₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно.

В вариантах изобретения активный элемент задающего генератора выполнен в виде стержня.

В вариантах изобретения активный элемент усилителя выполнен в виде стержня.

В другом аспекте изобретение относится к способу генерации лазерного ИК излучения, включающему накачку активных элементов задающего генератора и усилителя характеризующемуся тем, что накачку активных элементов усилителя мощности осуществляют сборками CW-лазерных диодов, а накачку активного элемента задающего генератора осуществляют сборками QCW-лазерных диодов.

В вариантах изобретения осуществляют работу задающего генератора режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.

В вариантах изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Но³⁺

В других вариантах изобретения генерацию лазерного излучения осуществляют на переходе ³Н₄→³Н₆ ионов Tm³⁺.

Техническим результатом изобретения является создание коммерчески доступных высокоресурсных лазерных систем, с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней, ~ 100 Вт и более, мощностью излучения на длине волны, варьируемой в диапазоне 1,85-2,1 мкм, предназначенных, в том числе, для хирургического лечения основных урологических заболеваний.

Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - схематичное изображение лазерной системы

Фиг. 2, Фиг. 3 - иллюстрации режимов работы лазерных диодов накачки

Фиг. 4 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном Tm³⁺и Но³⁺.

Фиг. 5 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном ионами Tm³⁺.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с изобретением (Фиг. 1) лазерная система 1 включает в себя импульсный задающий генератор 2 и, по меньшей мере, один усилитель мощности 3. Активные элементы 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3 содержат прозрачный для ИК излучения базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента. При переходах этих ионов с верхнего лазерного уровня на нижний лазерный уровень осуществляются генерация и усиление излучения. Лазерная система характеризуется тем, что задающий генератор 2 снабжен сборками QCW-лазерных диодов 6 накачки, а усилитель мощности 3 снабжен сборками CW-лазерных диодов 7 накачки.

При выполнении лазерной системы в предложенном виде высокая энергия излучения и высокая выходная мощность лазерной системы достигаются при значительно меньшем (почти на порядок величины) количестве лазерных диодов по сравнению с импульсными лазерными системами, использующими для накачки усилителя только QCW лазерные диоды. Это значительно снижает стоимость системы накачки и лазерной системы в целом, обеспечивая ее коммерческую доступность.

По сравнению с аналогами, использующими ламповую накачку, в несколько раз повышается КПД лазерной системы, ее надежность и удобство эксплуатации, поскольку время жизни системы накачки, исчисляемое количеством лазерных импульсов, возрастает почти на два порядка величины.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 усилителя мощности 3 могут быть выполнены в виде стержней с боковой диодной накачкой. Активные элементы 4, 5 в виде стержней вместе с соответствующими сборками лазерных диодов 6 и 7 могут быть размещены в герметичных корпусах 8, 9 и охлаждаться протоком жидкого теплоносителя, в частности, дистиллированной водой с помощью системы охлаждения 10. В других вариантах изобретения сборки лазерных диодов 6, 7 могут охлаждаться кондуктивным теплоотводом. Таким образом, лазерная система может быть построена на основе лазерных модулей или квантронов с боковой лазерно-диодной накачкой.

В других вариантах изобретения накачка активных элементов лазерной системы может быть продольной. В вариантах изобретения накачка задающего генератора и усилителя мощности может быть различной, например, продольной у задающего генератора и боковой у усилителя мощности.

В вариантах изобретения активные элементы лазерной системы могут быть волоконными.

Для питания сборок лазерных диодов 6, 7, а также для питания системы охлаждения 10 и других узлов лазерной системы предназначен блок источников питания 11, в свою очередь, управляемый процессором 12.

Торцы каждого из активных элементов 4, 5 лазерной системы выведены наружу герметичных корпусов 8,9 для прохождения через них лазерного излучения.

Полностью отражающее зеркало 13 резонатора и частично прозрачное зеркало 14 резонатора служат для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2, энергия которого усиливается при проходе через активный элемент 5 усилителя 4, формируя лазерный пучок 16 на выходе лазерной системы.

В вариантах реализации изобретения для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2 могут применяться дополнительные оптические элементы, в частности, внутрирезонаторный поляризатор 17.

Предпочтительно вывод излучения усилителя 4 осуществляется через оптоволокно 18. При этом лазерный пучок 16 на выходе усилителя 4 вводится с помощью оптической системы или оптического элемента 19 в гибкое оптоволокно 18, что позволяет транспортировать энергию излучения лазерная система к мишени, например, к оперируемой ткани.

Оптоволокно 18, предназначенное для транспортировки лазерного излучения может быть сменным, присоединяемым к лазерному устройству посредством оптического коннектора 20.

Для обеспечения возможности вывода излучения через оптоволокно 18 задающий генератор 2 работает в режиме свободной генерации. В отличие от лазерных систем с модулированной добротностью, генерируемые в режиме свободной генерации лазерные импульсы имеют достаточно большую (субмиллисекундную) длительность. В результате лазерные импульсы на выходе лазерной системы с большими энергией, ~ 1 Дж/импульс, и импульсной мощностью, ~ 2-5 кВт, можно передавать по оптоволокну в отличие от лазерных систем с модулированной добротностью, характеризующихся высокой импульсной мощностью излучения, приводящей к лазерно-индуцированному разрушению оптоволокна.

Для обеспечения высокого ресурса оптоволокна при передаче импульса излучения с большими энергией и импульсной мощностью, необходимыми для ряда применений в хирургической урологии, длительность импульсов накачки задающего генератора обеспечивают не меньше 200 мкс. Верхняя граница длительности импульсов определяется номинальным режимом работы квазинепрерывных QCW-лазерных диодов 6 накачки задающего генератора 2, в соответствии с которым длительность импульсов накачки задающего генератора предпочтительно не превышает 600 мкс.

В соответствии с изобретением накачку относительно низкоэнергетичного задающего генератора 2 осуществляют сборками мощных QCW-лазерных диодов 6, обеспечивая работу задающего генератора 2 в режиме свободной генерации, а накачку высокоэнергетичного усилителя 3 осуществляют сборками CW-лазерных диодов 7 относительно небольшой мощности и потому не столь дорогих, что позволяет минимизировать стоимость лазерной системы 1, обеспечивая ее коммерческую доступность. В соответствии с этим предпочтительно, что выходная энергия лазерной системы многократно, более чем в три раза, превосходит энергию лазерного излучения на выходе задающего генератора, что позволяет уменьшить количество относительно дорогих QCW-лазерных диодов. В вариантах изобретения лазерная система может содержать несколько усилителей мощности. Кроме этого усилители мощности могут быть многопроходными. Все это позволяет масштабировать выходные параметры лазерной системы.

В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг. 2, накачка CW-лазерными диодами 7 активного элемента 5 усилителя мощности 3 осуществляется в непрерывном режиме. При этом временной интервал t между импульсами задающего генератора 2 равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента 5 усилителя мощности 3: t≤τ. Это означает, что частота f (f=1/t) повторения импульсов задающего генератора 2 равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ.

Здесь и далее под эффективным временем жизни понимается характерное время опустошения заселенности верхнего лазерного уровня в отсутствие интенсивных оптических полей накачки или излучения. Это время приблизительно равно экспериментально определяемому радиационному времени жизни верхнего лазерного уровня, известному из научно-технической литературы.

При выполнении лазерной системы в указанном виде обеспечивается высокая эффективность накачки усилителя мощности 3 за счет обеспечения малого уровня потерь, обусловленных процессами спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня. В этом варианте требуемая средняя мощность лазерной системы достигается при оптимально малом количестве CW-лазерных диодов, работающих в номинальном режиме, что также способствует снижению стоимости системы накачки и лазерной системы в целом, а также снижению стоимости ее эксплуатации.

Для применений, требующих максимальной энергии лазерного импульса при заданной средней мощности лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме, предпочтителен вариант, при котором t≈τ или f=1/τ.

Указанный режим работы лазерной системы не является ограничивающим. В вариантах реализации изобретения лазерная система может работать в режиме генерации пачек или пакетов импульсов (англ.- burst mode), иллюстрируемом Фиг. 3. Такой режим позволяет без снижения энергии импульсов лазерного излучения при необходимости предотвращать появление нежелательных тепловых эффектов в активных элементах 4, 5 или на мишени, к которой доставляется лазерное излучение. Предпочтительно в таком режиме накачку осуществляют с модуляцией тока CW-лазерных диодов 7 усилителя мощности 3, обеспечивая соответствующие паузы в перерыве между пачками импульсов задающего генератора 2. В частном варианте реализации такого режима работы пачка импульсов может содержать только один импульс, что, при необходимости, позволяет уменьшать частоту следования импульсов лазерного излучения без снижения эффективности лазерной системы.

В этих и других вариантах реализации изобретения при генерации каждого импульса лазерного излучения длительность t накачки активного элемента 5 усилителя мощности 3 не превышает эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня: t≤τ.

В соответствии с изобретением базовый материал активного элемента выбран из группы: Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Y₃AlO₃ (YAP), LiYF₄ (YLF), Y₃GeO₅, Lu₂O₃, Y₃Sc₂Ga₃O₁₂ (YSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Y₃Ga₅O₁₂ (YGG), LaF₃, Y₂O₃, BaY₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно. Это позволяет оптимизировать характеристики лазерной системы, в частности, время жизни верхнего лазерного уровня τ, частоту следования импульсов f, диапазон перестройки длины волны лазерного излучения λ. Базовый материал определяет также теплофизические и механические свойства активных элементов лазерной системы.

В вариантах реализации изобретения активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный одновременно ионами Tm³⁺ и Но³⁺. При этом в соответствии с изобретением накачка активного элемента 5 усилителя мощности 3 может осуществляться CW-лазерными диодами 7 в непрерывном режиме при частоте f повторения импульсов задающего генератора равной или большей величины, обратной эффективному времени жизни τ_Ho верхнего лазерного уровня ⁵I₇Ho³⁺:f≥1/τ_Ho.

Как иллюстрируется Фиг. 4, в этих вариантах изобретения излучение накачки коммерчески доступных лазерных AlGaAs диодов в диапазоне около 800 нм переводит ионы Tm³⁺ на возбужденный уровень ³F₄. Затем следует процесс кросс-релаксации между соседними ионами возбужденного ³F₄ и основного состояния ³Н₆. Этот процесс преобразует один возбужденный ион Tm в состоянии ³F₄ в два возбужденных иона Tm в состоянии ³Н₄. Энергия возбужденных ионов Tm в состоянии ³Н₄ очень близка к энергии верхнего лазерного состояния ⁵I₇ иона Но³⁺. В результате передачи возбуждения ионы гольмия (их характерная концентрация 0,5%) переходят в возбужденное состояние, создавая инверсию заселенности в активной среде с последующей генерацией лазерного излучения на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Но³⁺ с длиной волны около 2,09 мкм.

Эффективное время жизни τ_Ho верхнего лазерного уровня ⁵I₇ Но³⁺ зависит от базового материала. Так, τ_Ho≈8,5 мс для базового материала YAG и τ_Ho≈15 мс для базового материала YLF. Накачка активных элементов 5 усилителя в течение времени, не превосходящего эффективное время жизни верхнего лазерного уровня, наиболее эффективна, так как при этом роль процесса спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня невелика. Однако в присутствии Tm достаточно велика роль процессов ап- конверсии и обратной передачи ионам Tm энергии с верхнего лазерного уровня ⁵I₇; Но³⁺. Характерное время этих процессов ~ 1 мс. Тем не менее, эти процессы, критичные в лазерных системах с модуляцией добротности и коротким, менее 1 мкс, импульсом лазерного излучения, не столь пагубны в лазерной системе, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с предпочтительными вариантами настоящего изобретения длительность импульса вынужденного излучения достаточно велика, не менее 200 мкс, что больше характерного времени обмена энергии между состояниями ионов ³H₄ Tm³⁺ и ⁵I₇ Но³⁺. В результате энергия, накопленная в активном элементе усилителя на энергетических уровнях ионов Tm³⁺ и Но³, обеспечивает эффективную генерацию лазерного излучения на переходе ⁵I₇→⁵I₈ Но³⁺ с длиной волны около 2,1 мкм в течение достаточно длительного импульса вынужденного излучения.

В этих вариантах изобретения предпочтительная частота f повторения импульсов задающего генератора выбирается равной величине или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Ho верхнего лазерного уровня ⁵I₇Ho³⁺:f≥1/τ_Ho≈100 Гц. При таких частотах повторения импульсов достигается максимальная эффективность лазерной системы. КПД гольмиевой лазерной системы может быть 7-9%.

Большей, примерно в два раза, эффективностью характеризуется лазерная система, выполненная в соответствии с вариантами реализации изобретения, в которых активный элемент 3 задающего генератора 2 и активный элемент 5 каждого усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺.

Для накачки активных элементов 4, 5 из базового материала, легированного ионами Tm³⁺, используются сборки лазерных диодов 6, 7. Как иллюстрируется Фиг. 5, излучение накачки с длиной волны около 800 нм, переводит ионы Tm³⁺ на возбужденный уровень ³F₄, после чего следует переход на верхний лазерный уровень ³Н₄ в результате одного из следующих процессов:

- безызлучательный переход ³F₄→³H₅ и безызлучательный переход ³H₅→³Н₄,

- излучательный переход ³F₄→³H₅ и безызлучательный переход ³H₅→³H₄,

- излучательный переход ³F₄→³Н₄

- кросс-релаксация, при которой ион Tm³⁺, который перешел с уровня ³F₄ на уровень

³Н₄, отдает часть своей энергии соседнему иону Tm³⁺, находящемуся на основном уровне ³Н₆, и в результате оба иона оказываются на верхнем лазерном уровне ³Н₄.

Процесс кросс-релаксации приводит к высокой, до 80%, квантовой эффективности накачки, если концентрация Tm³⁺ достаточно высокая (~ 5%).

Далее, переход ³Н₄→³Н ⁶ иона Tm³⁺ дает лазерную генерацию.

Длина волны λ лазерного излучения, а также эффективное время жизни τ верхнего лазерного уровня зависят от сорта базового материала активных элементов 4, 5. Так, значения длин волн излучения λ_Tm Tm - лазерной системы и времени жизни τTm верхнего лазерного уровня находятся в диапазонах соответственно от λ_Tm=1,84 мкм для Y₃GeO₅ до λ_Tm=2,07 мкм для Tm: LU₂O₃ и от τ_Tm=4,0 мс для Tm:Sc₂O₃ до τ_Tm⁼15,6 мс для Tm:YLF.

Эти варианты изобретения позволяют с высокой эффективностью получать лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 1,84-2,07 мкм.

В соответствии с изобретением для Tm- лазерной системы частота f повторения импульсов задающего генератора может быть равна величине или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄Tm³⁺:f≥1/τ_Tm.

Способ генерации лазерного ИК излучения посредством лазерной системы (Фиг. 1) реализуют следующим образом. Осуществляют накачку активных элементов 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3. При этом накачку активных элементов 5 усилителя мощности 3 осуществляют сборками CW-лазерных диодов 7, а накачку активного элемента 3 задающего генератора 2 осуществляют сборками QCW-лазерных диодов 5.

Предпочтительно осуществляют работу задающего генератора 2 в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активных элементов 5 усилителя мощности 3 осуществляют в непрерывном режиме. Фиг. 2 иллюстрирует соответствующий этому варианту изобретения непрерывный режим работы CW-лазерных диодов накачки усилителя (вверху на Фиг. 2) и импульсно- периодический режим работы QCW-лазерных диодов накачки задающего генератора (внизу на Фиг. 2).

В процессе работы активные элементы 4, 6 лазерной системы (Фиг. 1), предпочтительно выполненные в виде стержней с боковой диодной накачкой и размещенные в герметичных корпусах 8, 9 вместе со сборками лазерных диодов 6 и 7, охлаждаются с помощью системы охлаждения 10. Электропитание сборок лазерных диодов 6, 7, а также питание системы охлаждения 10 осуществляют с помощью блока источников питания 11, управляемого процессором 12. Зеркала 13, 14 резонатора служат для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2, энергия которого усиливается при проходе через усилитель, формируя лазерный пучок 16 на выходе усилителя мощности 3. Длительность импульсов лазерного излучения задающего генератора 2 обеспечивают в диапазоне от 200 до 500 мкс.Лазерный пучок 16 на выходе усилителя мощности 3 с помощью оптического элемента или элементов 19 вводится в гибкое оптоволокно 18, посредством которого излучение лазерная система транспортируется к мишени, например, к оперируемой ткани.

В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны 2,1 мкм осуществляют на переходе ⁵I₇→⁵I₈ ионов Но³. При этом каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного одновременно ионами тулия Tm³⁺ и ионами Но³⁺.

В других вариантах изобретения каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного ионами тулия Tm³⁺, и генерацию лазерного излучения с длиной волны 1,8-2,07 мкм осуществляют на переходе ³Н₄→³Н₆ ионов Tm³⁺.

В вариантах изобретения лазерную систему переключают с импульсно-периодического режима, Фиг. 2, на режим генерации пачек импульсов. Фиг. 3 иллюстрирует соответствующий этому варианту изобретения модулированный режим работы CW-лазерных диодов накачки усилителя (вверху на Фиг. 3) и режим генерации пачек импульсов QCW-лазерных диодов накачки задающего генератора (внизу на Фиг. 3).

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей лазерных систем ближнего ИК диапазона за счет обеспечения их высокой импульсной (2-5 кВт) и средней мощности излучения (~ 100 Вт и более) в диапазоне длин волн 1,85-2,1 мкм наряду высокой эффективностью, большим временем жизни, коммерческой доступностью и низкой стоимостью эксплуатации.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Лазерные системы, выполненные в соответствии с изобретением, предназначены для применения в таких областях, как лазерная хирургия, лидары, спектральный анализ газов, биопринтинг, протезирование; обработка пластиков и др.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазерная система инфракрасного (ИК) диапазона включает в себя импульсный задающий генератор, снабженный сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, и усилитель мощности, снабжённый сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки. В вариантах изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется CW-лазерными диодами в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня: t ≤ τ. Активные элементы лазерной системы могут содержать базовый материал, легированный ионами Tm³⁺, либо ионами Tm³⁺ и Но³⁺. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания лазерных систем с высокими импульсной (2-5 кВт) и средней, 100 Вт и более, мощностью излучения на длине волны, выбираемой в диапазоне 1,85 - 2,1 мкм, предназначенных, в том числе, для лазерной хирургии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лазерная система инфракрасного (ИК) диапазона (1), включающая в себя импульсный задающий генератор (2) и по меньшей мере один усилитель мощности (3), в которой активные элементы (4), (5) задающего генератора (2) и усилителя мощности (3) содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, характеризующаяся тем, что

задающий генератор (2) снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов (6) накачки, а усилитель мощности (3) снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов (7) накачки.

2. Система по п. 1, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора (2) равен или меньше эффективного времени жизни τ верхнего лазерного уровня активного элемента (5) усилителя мощности (3): t≤τ.

3. Система по п. 1, в которой задающий генератор (2) работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW-лазерными диодами (6) от 200 до 600 мкс.

4. Система по п. 1 с выводом излучения в оптоволокно (16).

5. Система по п. 1, в которой активные элементы (4), (5) содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺ и Но³⁺.

6. Система по п. 5, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора (2) равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Ho верхнего лазерного уровня ⁵I₇ Но³⁺: f≥1/τ_Ho.

7. Система по п. 1, в которой активные элементы (4), (5) содержат базовый материал, легированный ионами Tm³⁺.

8. Система по п. 7, в которой накачка активного элемента (5) усилителя мощности (3) осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора (2) равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни τ_Tm верхнего лазерного уровня ³F₄ Tm³⁺: f≥1/τ_Tm.

9. Система по п. 1, в которой базовый материал активных элементов (4), (5) выбран из группы: Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Y₃AlO₃ (YAP), LiYF₄ (YLF), Y₃GeO₅, Lu₂O₃, Y₃Sc₂Ga₃O₁₂ (YSGG), Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂ (GSGG), Y₃Ga₅O₁₂ (YGG), LaF₃, Y₂O₃, BaY₂F₈, KCaF₃, SiO₂, кварцевое оптоволокно.

10. Система по п. 1, в которой активный элемент (4) задающего генератора (2) выполнен в виде стержня.

11. Система по п. 1, в которой активный элемент (5) усилителя мощности (3) выполнен в виде стержня.

12. Способ генерации лазерного ИК излучения, включающий накачку активных элементов импульсного задающего генератора и усилителя мощности, характеризующийся тем, что

накачку активных элементов усилителя мощности осуществляют сборками CW-лазерных диодов (7), а накачку активного элемента задающего генератора осуществляют сборками QCW-лазерных диодов (6).

13. Способ по п. 12, при котором осуществляют работу задающего генератора в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни τ верхнего лазерного уровня: f≥1/τ, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.

14. Способ по п. 12, при котором осуществляют генерацию лазерного излучения на переходе ⁵I₇→⁵I₈ в ионов Но³⁺.

15. Способ по п. 12, при котором осуществляют генерацию лазерного излучения на переходе ³Н₄→³Н₆ ионов Tm³⁺.