WO2020032827A1 - Лазерное устройство, способ генерации ик излучения и хирургическая лазерная система, использующая их - Google Patents

Лазерное устройство, способ генерации ик излучения и хирургическая лазерная система, использующая их Download PDF

Info

Publication number
WO2020032827A1
WO2020032827A1 PCT/RU2019/000542 RU2019000542W WO2020032827A1 WO 2020032827 A1 WO2020032827 A1 WO 2020032827A1 RU 2019000542 W RU2019000542 W RU 2019000542W WO 2020032827 A1 WO2020032827 A1 WO 2020032827A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
power amplifier
master oscillator
radiation
ions
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000542
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евгений Вячеславович ГОРСКИЙ
Владимир Михайлович КРИВЦУН
Константин Алексеевич КУРЧИКОВ
Олег Борисович ХРИСТОФОРОВ
Original Assignee
Евгений Вячеславович ГОРСКИЙ
Владимир Михайлович КРИВЦУН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2018129058A external-priority patent/RU2693542C1/ru
Priority claimed from RU2018129056A external-priority patent/RU2694126C1/ru
Application filed by Евгений Вячеславович ГОРСКИЙ, Владимир Михайлович КРИВЦУН filed Critical Евгений Вячеславович ГОРСКИЙ
Publication of WO2020032827A1 publication Critical patent/WO2020032827A1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode

Definitions

  • Laser device method for generating IR radiation and a surgical laser system using them
  • the invention relates to infrared (IR) lasers with a radiation wavelength of about 2 ⁇ m, a method for generating laser IR radiation and surgical laser systems based on them intended primarily for use in surgical urology.
  • IR infrared
  • Reliable and compact pulsed laser sources with high peak power operating in the wavelength range of about 2 microns can be used in industry, analytical spectroscopy, as well as for military purposes.
  • BPH and ICD are the most common diseases in urology.
  • endoscopic methods of surgical treatment into surgical practice, treatment methods using lasers are becoming more widespread, the radiation of which is delivered to the exposure zone using optical fibers.
  • Universal laser systems that can be used both for lithotripsy (fragmentation or destruction of stones) in the treatment of MKD and for dissection of soft tissues in the treatment of BPH are most in demand.
  • high-energy ( ⁇ 1 J / pulse) pulsed periodic holmium lasers with a radiation wavelength of 2.09 ⁇ m, a pulsed power of 2-5 kW and an average radiation power level of 30-100 W delivered to the surgical field using optical fiber.
  • Laser exposure produces precise vaporization and / or cutting of tissue with the penetration of laser energy of up to about 0.4 mm into the tissue of the prostate gland with the simultaneous coagulation of blood vessels with very little thermal scattering.
  • holmium lasers with a pulse energy of 0.1-3 J and a pulse duration of 200-300 ⁇ s are widely used for crushing kidney stones in vivo (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61 (4), 2012).
  • Holmium lithotripsy and holmium laser enucleation of the prostate are modern universally recognized “gold” standards for the treatment of major urological diseases, and holmium lasers are a universal tool for surgical urology.
  • holmium laser surgery is constrained by a number of significant drawbacks inherent in high-energy holmium lasers.
  • They use tube pumping of active elements based on the base material YAG, doped along with Ho 3+ ions, as well as Tm 3+ and Cr 3+ ions. The pumping is carried out at wavelengths (450 nm) of absorption of chromium ions, then it is transmitted to thulium, and from thulium through the optical channel (1, 9 ⁇ m) - to holmium.
  • the circuit has a fairly low efficiency (1-2%) and a large heat release in the active elements, so in the commercial versions of the devices up to 4 separate laser generators are used, operating in parallel or in alternating mode, which negatively affects their reliability, cost and operational characteristics. Low reliability is also due to the short ( ⁇ 10 7 pulses) lifetime of the pump lamps.
  • a more efficient pumping can be carried out in a holmium laser based on a fiber activated by Ho 3+ ions (US Patent 7170909, publ. 30.01.2007).
  • the laser contains a double-shell laser fiber, the core of which is doped with trivalent holmium ions (Ho 3+ ).
  • a laser diode at a wavelength of 1, 9 ⁇ m acts as a pump source in this design.
  • a fiber laser of this type is capable of high efficiency in view of a small quantum defect, i.e., a small difference in the pump and generation wavelengths.
  • the disadvantage of this laser is the use of laser diodes with a radiation wavelength of 1.9 ⁇ m, which themselves have a rather low efficiency of converting the pump current into light radiation, have a short lifetime during operation and a very high cost.
  • the use of commercially available AlGaAs and InGaAs laser diodes for pumping is impossible, since the active medium doped only with Ho 3+ ions does not have intense absorption lines in the range of 780–980 nm.
  • High efficiency, reliability and resource is characterized by a surgical fiber-optic laser system with an active element doped with ions Tsh 3-n (RF Patent 2535454, publ. 07/10/2014).
  • pumping is carried out with relatively cheap continuous or CW (eng. - continuous wave (CW)) laser diodes with radiation at a wavelength selected in the range of 775-850 nm.
  • the generation of radiation in the wavelength range of 1, 87-2.05 microns is carried out in a continuous or modulated mode with a power level of - 100 watts.
  • thulium lasers with a characteristic radiation wavelength of 1.94 microns include: effective tissue dissection, comparable to a holmium laser; a good stop of bleeding, minimal tissue trauma due to the fact that the beam penetrates to a shallow depth of 0.1 mm, due to this there is practically no risk of damage to large arteries and nerves. Therefore, a thulium laser is recommended for the treatment of small to medium BPH (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61 (4), 2012).
  • thulium lasers are not as effective for treating urolithiasis with laser lithotripsy as holmium lasers. This is due to the fact that in thulium lasers with CW laser pump diodes, modes with a high pulsed power (2-5 kW) and energy ( ⁇ 1 J / pulse) are not implemented.
  • the studies (Glybochko P.V., Altshuler G.B., et al. Tulieva (Tsh) laser lithotripsy. Experimental research. V Russian Congress of Endourology and New Technologies 02.27.2017) showed that when reaching a power of 500 W (now in a medical fiber ⁇ laser average and peak power of 120 W) there is an effective destruction of stones.
  • a power of 500 W now in a medical fiber ⁇ laser average and peak power of 120 W
  • there is an effective destruction of stones can lead to a significant increase in the cost of the laser, which is not economically justified.
  • This lack of a laser device which includes a master oscillator-power amplifier (Eng. - master oscillator - power amplifier (MORA)) with lateral pumping of rod active elements simultaneously doped with Ho and TT, is quasicontinuous or QCW (eng. - quasi-continuous wave ( C> C ⁇ ⁇ )) - laser diodes (Optics Letters Vol. 31, Issue 4, pp. 462-464 (2006) https://doi.org/l0.l364/OL.3 l .000462).
  • a master oscillator-power amplifier Eng. - master oscillator - power amplifier (MORA)
  • the output laser energy of more than 1.2 J / pulse at a wavelength of 2.09 ⁇ m is achieved.
  • the laser device does not allow the output of radiation through the optical fiber due to its laser-induced destruction due to the high pulsed power characteristic of Q-switched laser systems.
  • Q-switched laser systems for active elements simultaneously doped with Ho and Tm pumping is performed for a sufficiently short time, about 1 ms, which requires a high peak pump power and a large number of QCW laser pump diodes, which leads to too high a cost of laser devices, making it commercially inaccessible.
  • laser diodes designed to operate in a continuous mode will be called continuous laser diodes or CW laser diodes.
  • Another type of diode designed to operate in quasi-continuous mode will hereinafter be called quasi-continuous laser diodes or QCW laser diodes.
  • the term “quasi-continuous operation” of a laser diode means that it is in the “on” state for as short time intervals as necessary to reduce the effects associated with heat generation in the structure, but still long enough for stable radiation close to continuous. Operation in quasi-continuous mode leads to an increase in peak power due to a drop in average power.
  • QCW laser diodes with a higher peak power than CW laser diodes are used to operate with a high pulse repetition rate with a pulse duration of typically not more than 500 ⁇ s and a duty cycle of not more than a few percent.
  • laser pump diodes means “laser pump diodes” or “laser pump diodes”.
  • the technical problem to which the invention is directed relates to the development of new methods for generating laser radiation and the creation on their basis of powerful high-energy near-infrared laser devices with laser-diode pumping, characterized by high resource and reliability, commercial availability, low cost of operation and, in particular, the most complete satisfaction of the requirements for universal laser systems for surgical urology.
  • the task can be achieved using a laser device that includes a pulsed master oscillator and at least one power amplifier, in which the active elements of the master oscillator and power amplifier contain a base material doped with rare-earth ions.
  • the device is characterized in that the master oscillator is equipped with assemblies of quasicontinuous or QCW laser pump diodes, and the amplifier is equipped with assemblies of continuous or CW laser pump diodes.
  • the active element of the power amplifier is pumped by CW laser diodes in a continuous mode, and the time interval t between pulses of the master oscillator is equal to or less than the effective lifetime t of the upper laser level: ⁇ ⁇ t.
  • the master oscillator operates in the free-running mode with a pump pulse duration of QCW laser diodes from 200 to 600 ⁇ s.
  • the radiation from the laser device is output to the optical fiber.
  • the active elements of the laser device contain a base material doped with either Tm 3+ and Ho 3+ ions or Tm 3+ ions.
  • the base material of the active elements is selected from the group: Y 3 Al 5 O l2 (YAG), U 3 A10 3 (YAP), LiYF 4 (YLF), Y 3 GeO s , Lu 2 0 3 ,
  • Y 3 Sc 2 Ga 3 Oi 2 (YSGG), Gd 3 Sc 2 Ga 3 O l2 (GSGG), Y 3 Ga 5 O l2 (YGG), LaF 3 , Y 2 0 3 , BaY 2 F 8 , KCaF 3 , Si0 2 , quartz fiber.
  • the active element of the master oscillator and the active element of the power amplifier are made in the form of rods.
  • the invention in another aspect, relates to a method for generating laser IR radiation, comprising pumping the active elements of a master oscillator and an amplifier characterized in that the active elements of the power amplifier are pumped by assemblies of CW laser diodes, and the active element of the master oscillator is pumped by assemblies of QCW laser diodes.
  • the master oscillator operates in a free-running mode with a pulse repetition rate f equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime t of the upper laser level: f / t, while the active element of the power amplifier is pumped in a continuous mode.
  • laser radiation is generated either at the transition > 51 8 ions But s + or at the transition 3 H 4 -> 3 H 6 ions Tsh s _ (_ ..
  • the invention in another aspect, relates to a surgical laser system of the infrared range, comprising a laser device with outputting radiation through an optical fiber, the distal end of which is connected to a surgical instrument, characterized in that the laser device includes a pulsed oscillator operating in the free-running mode, and, at least one power amplifier, the active elements of the master oscillator and power amplifier contain a base material doped with rare earth ions entent, while the master oscillator is equipped with assemblies of QCW laser pump diodes, and the power amplifier is equipped with assemblies of CW laser pump diodes.
  • the active element of the power amplifier is pumped in a continuous mode, and the time interval t between pulses of the master oscillator is equal to or less than the effective lifetime t of the upper laser level of the active element of the power amplifier: t ⁇ T.
  • the base material of the active elements of the master oscillator and power amplifier is doped with either Tm 3 ions or Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • the laser device is characterized by the ability to switch from a pulse-periodic mode to work in the burst mode.
  • the laser device is characterized by the ability to switch to the continuous generation of laser radiation.
  • the invention relates to a surgical laser system of the infrared range, comprising a laser device with outputting radiation through an optical fiber, the distal end of which is connected to a surgical instrument, characterized in that the laser device includes a pulsed oscillator operating in the free-running mode, and, at least one power amplifier, active elements of the master oscillator and the power amplifier comprise a base material doped with Tm 3+ ions, base materi th active power amplifier element is LiYF 4, is provided with a master oscillator assemblies QCW- laser pumping diodes and a power amplifier is provided with pump assemblies CW- laser diodes.
  • the base material of the active element of the master oscillator is LiYF 4 .
  • the active element of the power amplifier is pumped in a continuous mode, and the pulse repetition frequency f of the master oscillator is equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime Tms of the upper laser level 3 F 4 Tm 3+ : f> 1 / ⁇
  • radiation is generated at a wavelength of about 1.88 ⁇ m, for which the absorption coefficient of radiation by biological tissues and water is the same as the radiation of Ho lasers.
  • the laser wavelength is 1, 907 microns
  • the technical result of the invention is the creation of commercially available high-resource laser devices with high pulsed (2-5 kW) and average, ⁇ 100 W or more, radiation power at a wavelength that varies in the range of 1, 85-2.1 microns, allowing you to create they are based on universal highly effective surgical laser systems designed, inter alia, for the surgical treatment of major urological diseases.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a laser device
  • FIG. 5 is a diagram of energy levels and transport processes in an active element doped with Tg 3+ and Ho 3+ ,
  • FIG. 6 is a diagram of energy levels and transport processes in an active element doped with Tg 3+ ions
  • FIG. 7 Schematic representation of a surgical laser system
  • FIG. 8 Dependence of water absorption coefficient on radiation wavelength.
  • the laser device 1 includes a pulsed master oscillator 2 and at least one power amplifier 3.
  • the active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and power amplifier 3 contain a base material transparent to IR radiation, doped with rare earth ions. Upon transitions of these ions from the upper laser level to the lower laser level, radiation is generated and amplified.
  • the laser device is characterized in that the master oscillator 2 is equipped with assemblies of QCW laser pump diodes 6, and the power amplifier 3 is equipped with assemblies of CW laser pump diodes 7.
  • the laser device When the laser device is implemented in the proposed form, high radiation energy and high output power of the laser device are achieved with a significantly smaller (almost an order of magnitude) number of laser diodes compared to pulsed laser devices that use only QCW laser diodes to pump the amplifier. This significantly reduces the cost of the pump system and the laser device as a whole, ensuring its commercial availability. Compared to analogs using lamp pumping, the efficiency of the laser device is several times higher, its reliability and ease of use, since the lifetime of the pumping system, calculated by the number of laser pulses, increases by almost two orders of magnitude.
  • the active element 4 of the master oscillator 2 and the active element 5 of the power amplifier 3 can be made in the form of rods with lateral diode pumping.
  • Active elements 4, 5 in the form of rods together with assemblies of laser diodes 6 and 7 can be placed in sealed enclosures 8, 9 and cooled by a flow of liquid coolant, in particular, distilled water using a cooling system 10.
  • assemblies of laser diodes 6 , 7 can be cooled by a conductive heat sink.
  • the laser device can be built on the basis of laser modules or quantrons with lateral laser-diode pumping.
  • the pumping of the active elements of the laser device may be longitudinal.
  • the pump of the master oscillator and the power amplifier may be different, for example, longitudinal for the master oscillator and lateral for the power amplifier.
  • the active elements of the laser device may be fiber.
  • a block of power sources 11 is designed, in turn, controlled by a programmable control unit 12.
  • each of the active elements 4, 5 of the laser device are brought out of the sealed enclosures 8.9 for laser radiation to pass through them.
  • the fully reflecting mirror 13 of the resonator and the partially transparent mirror 14 of the resonator serve to form a laser beam 15 of the master oscillator 2, the energy of which is amplified when passing through the active element 5 of the power amplifier 3, forming a laser beam 16 at the output of the laser device.
  • additional optical elements in particular, an intracavity polarizer 17, can be used to form the laser beam 15 of the master oscillator 2.
  • the laser beam 16 at the output of the amplifier 3 is introduced using an optical system or an optical element 19 into a flexible optical fiber 18, which allows the radiation energy of the laser device to be transported to a target, for example, to the tissue being operated on.
  • the optical fiber 18 for transporting laser radiation can be interchangeable, attached to the laser device by means of an optical connector 20.
  • the master oscillator 2 operates in the free generation mode.
  • laser pulses generated in the free generation mode have a sufficiently long (submillisecond) duration.
  • laser pulses at the output of a laser device with high energy, ⁇ 1 J / pulse, and pulsed power, ⁇ 2-5 kW can be transmitted via optical fiber, unlike Q-switched laser systems, characterized by a high pulsed radiation power leading to laser -induced destruction of optical fiber.
  • the duration of the pump pulses of the master oscillator is no less than 200 ⁇ s.
  • the upper limit of the pulse duration is determined by the nominal operating mode of the quasicontinuous QCW laser diodes 6 of the pump of the master oscillator 2, according to which the duration of the pump pulses of the master oscillator is preferably not more than 600 ⁇ s.
  • the relatively low-energy master oscillator 2 is pumped by assemblies of high-power QCW laser diodes 6, ensuring the master oscillator 2 operates in free-running mode, and the high-energy power amplifier 3 is pumped by assemblies of relatively low power CW laser diodes 7 and therefore not so expensive that allows you to minimize the cost of the laser device 1, providing its commercial availability. Accordingly, it is preferable that the output energy of the laser device is many times, more than three times greater than the energy of the laser radiation at the output of the master oscillator, thereby reducing the number of relatively expensive QCW laser diodes.
  • the laser device may comprise several power amplifiers. In addition, power amplifiers can be multi-pass. All this allows you to scale the output parameters of the laser device.
  • the CW laser diodes 7 of the active element 5 of the power amplifier 3 are pumped continuously, FIG. 2B.
  • the time interval t between the pulses of the master oscillator 2 is equal to or less than the effective lifetime t of the upper laser level of the active element 5 of the power amplifier 3: ⁇ ⁇ t, FIG. 2 A.
  • the effective lifetime is understood as the characteristic time of the population devastation of the upper laser level in the absence of intense optical pump or radiation fields. This time is approximately equal to the experimentally determined radiation lifetime of the upper laser level, known from the scientific and technical literature.
  • the required average power of the laser device is achieved with an optimally small number of CW laser diodes operating in nominal mode. This helps to reduce the cost of the pumping system and the laser device as a whole, as well as reducing the cost of its operation.
  • the specified mode of operation of the laser device is not limiting.
  • the laser device may operate in a burst mode or burst mode, as illustrated in FIG. FOR, FIG. ST This mode allows, without reducing the energy of the laser pulses, if necessary, to prevent the appearance of undesirable thermal effects in the active elements 4, 5 or on the target to which the laser radiation is delivered.
  • the pumping is carried out with modulation of the current of the CW laser diodes 7 of the power amplifier 3, providing corresponding pauses in the interval between the pulse packets of the master oscillator 2, FIG. ST
  • the pulse train can contain only one pulse, which, if necessary, can reduce the pulse repetition rate of laser radiation without compromising the efficiency of the laser device, FIG. 4A, FIG. 4B.
  • the pump duration t of the active element 5 of the power amplifier does not exceed the effective lifetime t of the upper laser level: t ⁇ t.
  • the longer the pump duration of the active element 5 of the power amplifier 3 within the indicated limits (/ ⁇ t) the higher the energy and pulsed power of the laser device 1. Therefore, to obtain the maximum energy and power of the laser pulse, the option is preferred in which t ⁇ x, and the effective lifetime t of the upper laser level is maximum.
  • the base material of the active element is selected from the group: Y 3 Al 5 O l2 (YAG), U 3 A10 3 (YAP), LiYF 4 (YLF), Y 3 Ge0 5 , Lu 2 0 3 , Y 3 Sc 2 Ga 3 Oi 2 (YSGG), Gd 3 Sc 2 Ga 3 0 12 (GSGG), Y 3 Ga 5 0i 2 (YGG), LaF 3 , Y 2 0 3 , BaY 2 F 8 , KCaF 3 , Si0 2 , quartz optical fiber.
  • the active element 4 of the master oscillator 2 and the active element 5 of the power amplifier 3 comprise a base material doped simultaneously with Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • the active element 5 of the power amplifier 3 can be pumped by CW laser diodes 7 in a continuous mode at a pulse repetition frequency f of the master oscillator of equal or greater magnitude inverse to the effective lifetime xn 0 of the upper laser level 5 I 7 Ho 3+ : ⁇ > 1 / t Ho
  • the pump radiation of commercially available AlGaAs laser diodes in the range of about 800 nm transfers TT 3+ ions to the excited 3 F 4 level.
  • This is followed by the process of cross-relaxation between neighboring ions of excited 3 F 4 and the ground state of H 6 .
  • This process converts one excited Tg ion in the F 4 state to two excited Tm ions in the H 4 state.
  • the energy of excited Tm ions in the H 4 state is very close to the energy of the upper laser state 5 1 7 of the Ho 3+ ion.
  • holmium ions (their characteristic concentration of 0.5%) go into an excited state, creating an inversion of the population in the active medium with subsequent generation of laser radiation at the transition 5 1 7 - ions of But 3+ with a wavelength of about 2.09 microns.
  • Effective lifetime tn 0 of the upper laser level Depends on the base material. So, t Ho ⁇ 8.5 ms for the base material YAG and tn 0 ⁇ 15 ms for the base material YLF. Pumping the active elements 5 of the amplifier for a time not exceeding the effective lifetime of the upper laser level is most effective, since the role of the process of spontaneous emission from the upper laser level is small. However, in the presence of Tm, the role of the processes of up-conversion and reverse transfer of Tg ions from the upper laser level is 5 17 ; But 3+ . The characteristic time of these processes is ⁇ 1 ms.
  • the pulse duration of the stimulated emission is sufficiently long, not less than 200 ⁇ s, which is longer than the characteristic time of energy exchange between the states of 3 H 4 Tm 3+ and 5 I 7 Ho 3+ ions.
  • the energy accumulated in the active element of the amplifier at the energy levels of Tg 3+ and Ho 3 ions ensures efficient generation of laser radiation at transition 5 I 7— Ho 3+ with a wavelength of about 2.1 microns for a sufficiently long pulse of stimulated emission.
  • the preferred pulse repetition frequency f of the master oscillator is selected to be equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime tn 0 of the upper laser level 1 7 But: 1 1 / hn o ⁇ 100 Hz.
  • the maximum efficiency of the laser device is achieved.
  • the efficiency of a holmium laser device can be 7–9%.
  • the efficiency is characterized by a laser device made in accordance with embodiments of the invention in which the active element 4 of the master oscillator 2 and the active element 5 of each power amplifier 3 contain a base material doped with Tm 3+ ions.
  • the cross-relaxation process leads to a high, up to 80%, quantum pump efficiency if the concentration of Tm 3+ is sufficiently high ( ⁇ 5%).
  • transition 3 H 4 - 3 H 6 ions Tsh 3+ gives laser generation.
  • the wavelength l of the laser radiation, as well as the effective lifetime t of the upper laser level, depend on the type of base material of the active elements 4, 5.
  • the pulse repetition frequency f of the master oscillator can be equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime xm t of the upper laser level F 4 Tm: fl / xx m .
  • the method of generating laser IR radiation by means of a laser device is implemented as follows.
  • the active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and the power amplifier 3 are pumped.
  • the active elements 5 of the power amplifier 3 are pumped by assemblies of CW laser diodes 7, and the active element 4 of the master generator 2 is pumped by assemblies of QCW laser diodes 6.
  • FIG. 2 A, FIG. 2B illustrate the continuous operation of CW laser pump diodes of an amplifier and the pulse-periodic operation of QCW laser pump diodes of a master oscillator corresponding to this embodiment of the invention.
  • the active elements 4, 5 of the laser device (Fig. 1), preferably made in the form of rods with lateral diode pumping and housed in sealed housings 8, 9, together with the assemblies of laser diodes 6 and 7, are cooled using a cooling system 10.
  • Power supply assemblies laser diodes 6, 7, as well as power supply to the cooling system 10 is carried out using a power supply unit 11 controlled by a programmable control unit 12.
  • the resonator mirrors 13, 14 serve to form a laser beam 15 of the master oscillator 2, energy otorrhea is enhanced by forming the laser beam 16 at the output of power amplifier 3.
  • the laser pulse duration oscillator 2 provides in the range of 200 to 500 microseconds.
  • each active element of the laser device consists of a base material doped simultaneously with thulium ions Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • each active element of the laser device consists of a base material doped with thulium ions ⁇ 3+ , and laser radiation with a wavelength of 1, 8-2.07 ⁇ m is generated at the transition 3 ⁇ 4 -> 3 ⁇ 6 of ⁇ 3 ions + .
  • inventions relate to laser surgical systems based on a laser device in the infrared range and the method for generating infrared radiation described above.
  • FIG. 7 schematically illustrates an embodiment of an infrared surgical laser system in accordance with the present invention.
  • the surgical laser system includes a laser device 1 with the output of radiation through an optical fiber 18, the distal end of which is connected to the surgical instrument 22.
  • surgical laser systems with a wavelength in the range of 1.84-2.12 microns are characterized by precise tissue processing with simultaneous coagulation of blood vessels with very low thermal scattering. At the same time, they combine the high efficiency and reliability inherent in systems with laser-diode pumping, with the high pulsed power of laser radiation characteristic of surgical laser systems with lamp pumping. As a result, the versatility of the surgical laser system is achieved, which can be used with high efficiency for the treatment of major urological diseases: BPH, ICD, etc.
  • the master oscillator 2 may be provided with assemblies of additional CW laser pump diodes 21. Due to this, it is possible to switch the laser device 1 to continuous operation, in which the pump of the master oscillator 2 is pumped by assemblies of additional CW laser pump diodes 21.
  • the mirror 13 of the resonator of the master oscillator 2 is dichroic.
  • Surgical instrument 22 may include a laser probe 23, to which the distal end of the optical fiber 18 is connected through an optical connector 24. The laser probe 23 is designed to deliver laser radiation energy to the affected area, in particular, to hyperplastic tissue of the prostate that is subjected to cutting and / or ablation or to the stone being fragmented.
  • the laser energy exits through its distal end along the axis, or at an angle to the axis of the laser probe 23.
  • the laser probe 23 and the optical fiber 18 can be combined, that is, the distal end of the optical fiber 18 can serve to output the laser IR radiation affecting tissue.
  • the surgical laser system also includes a programmable control unit 12 with a control and display panel, an actuator 25, for example, in the form of a wireless single or double pedal, and an auxiliary equipment unit 26.
  • the settings of the programmable control unit 12 include settings for the duration of laser pulses, laser energy, pulse repetition frequency f and / or average radiation power for several operating modes of the laser device 1.
  • the pedal or pedals of the actuator 25 allow the laser device 1 to be turned on during operation different modes of his work.
  • the auxiliary equipment unit 26 may include an irrigator for supplying and outputting through the channels in the surgical instrument 22 a solution washing the distal end of the surgical instrument 22.
  • a miniature illuminated video camera controlled by its own controller, is installed in one of its channels. The image from the miniature video camera is transmitted to the monitor, with the help of which the surgeon monitors the image of the exposure zone.
  • the accessory unit 26 may also include a device for gripping and holding the fragmented stone, as well as a morcellator to remove enucleated portions of the prostate after laser irradiation.
  • the base material of the active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and the power amplifier 3 is doped with ions Tm 3+ and Ho 3+ .
  • the generation of laser IR radiation with a wavelength of about 2.1 ⁇ m, which is optimal for a number of applications in laser urology, is carried out at the transition 5 I 7 -> ⁇ 5 I 8 of holmium ions Ho 3+ .
  • laser-diode pumping is much more efficient than the previously used tube-based pump, which can significantly (approximately 4 times) increase the efficiency of the laser device.
  • the diode pump is more compact, more durable and requires less infrastructure for its operation compared to pumping with discharge lamps.
  • the base material of the active elements 4, 5 of the master oscillator 2 and the power amplifier 3 is doped with thulium ions TT 3+ .
  • the generation of laser radiation with a wavelength selected in the range of 1.84 - 2.07 ⁇ m is carried out at the transition 3 H 4 -> 3 H 6 thulium ions Tm 3+ .
  • the efficiency of a TT laser device can reach 20%, which is about 2 times higher than for a holmium laser device made in accordance with the present invention.
  • the commercial availability of the laser device achieved in accordance with the present invention helps to optimize the cost of the surgical laser system as a whole.
  • the base material of the active element 4 of the master oscillator 2 is preferably also LiYF 4 .
  • the active element Tm: YLF of the power amplifier 3 is pumped continuously, and the pulse repetition frequency f of the master oscillator 2 is equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime Tm t of the upper laser level F 4
  • FIG. Figure 8 shows the dependence of the coefficient of absorption of radiation by water on the wavelength of the radiation, including in the wavelength range of 1.8-2.1 microns, on the leader in an enlarged view.
  • Tm YLF-power amplifier is most effective when operating at a wavelength of laser radiation of 1.907 microns. Accordingly, in embodiments of the invention, the laser wavelength of the surgical laser system is 1.907 microns.
  • the wavelength of 1.907 ⁇ m is close to the extremum of the dependence of the absorption coefficient of radiation by water, FIG. 8.
  • the depth of penetration of radiation with a wavelength of 1.907 ⁇ m into water and biological tissue is small (-0.135 mm). Accordingly, when using a Tm: YLF laser device with a radiation wavelength of 1.907 ⁇ m, greater accuracy and safety of surgical operations are achieved.
  • the surgical laser system is characterized by the generation of radiation at a wavelength of about 1.88 ⁇ m, for which the absorption coefficient of radiation by biological tissues and water is the same as that of No laser radiation, as illustrated in FIG. 8.
  • the radiation of the laser device is p-polarized, which is achieved through the use of an intracavity polarizer 17, or through the use of p-polarized radiation from laser pump diodes 6, 7, 21.
  • Radiation with a wavelength of 1.88 ⁇ m penetrates biological tissues and water to a depth of about 0.4 mm, as radiation with a wavelength of 2.09 ⁇ m characteristic of Ho lasers, FIG. 8.
  • the introduction of a highly effective surgical Tm: YLF laser system, made in accordance with the present invention is facilitated by the possibility of using for them the existing material base and surgical techniques created for medical Nos.
  • the surgical Tm: YLF laser system made in accordance with the invention can be as versatile for surgical urology applications as surgical Ho: YAG laser systems.
  • the surgical laser system can be configured to switch, for example, using a polarizer 17, to the modes of generating laser radiation with either p-polarization or s- polarization, which allows you to change the wavelength of laser radiation from 1.88 to 1.907 microns and vice versa.
  • the surgical laser system operates as follows. Through the control and display panel of the programmable control unit 12, the doctor enters information about the required operating modes of the laser device 1. The doctor places the surgical instrument 22 in the operating field and activates the actuator 25. The signal from the actuator 25 is fed to the programmable controller of the control unit 12, which is turned on power sources 1 1 of the master oscillator 2 and power amplifier 3. The generation of infrared radiation of the laser device 1 is carried out as described above. The IR radiation of the laser device 1, transported to the exposure area through the optical fiber 18 and the laser probe 23 of the surgical instrument 22, carries out the destruction of calculi or ablation and / or evaporation of biological tissue. Upon reaching the desired result, the doctor stops the operation of the laser device 1 or transfers it to another mode of operation through the actuator 25.
  • the pumping of the active element 5 of the power amplifier 3 is carried out in a continuous mode.
  • the operation of the master oscillator 2 is carried out in a pulse-periodic mode with a time interval t between pulses equal to or less than the effective lifetime t of the upper laser level of the active element 5 of the power amplifier: t ⁇ t, FIG. 2.
  • the laser system is switched from the pulse-periodic mode illustrated in FIG. 2, FIG. 4 to the burst or burst mode; FIG. 3.
  • each active element of the laser system consists of a base material doped simultaneously with thulium ions Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • the generation of laser IR radiation with a wavelength selected in the range of 1.84 - 2.07 ⁇ m is carried out at the transition H 4 -> H 6 ions Tg 3+ using active elements from a base material doped with thulium ions Tg 3+ .
  • the generation is carried out using LiYF 4 active elements as the base material.
  • radiation is generated using active elements Tm: LiYF 4 at lengths! waves of 1.907 microns, or 1.88 microns.
  • active elements Tm LiYF 4 at lengths! waves of 1.907 microns, or 1.88 microns.
  • the absorption coefficient of radiation by hydrated biological tissues and water is the same as that of radiation from repetitively pulsed Lasers used for modern “gold standards” for the treatment of major urological diseases: BPH and ICD.
  • the active element Tm: YLF-power amplifier 3 is pumped preferably in continuous mode at a pulse repetition frequency f of the master oscillator 2 equal to or greater than the reciprocal of the effective lifetime Xm t of the upper laser level 3 F 4
  • TT f> 1 / TT t ⁇ 65 Hz, FIG. 2, which allows to achieve high pulsed (2-5 kW) and average (100 W or more) laser radiation power.
  • the invention makes it possible to make highly efficient TT laser systems as versatile and high-performance surgical instruments as holmium lasers.
  • Laser devices made in accordance with the invention are intended for use in such fields as remote laser sensing, spectral analysis of gases, bioprinting, prosthetics; material processing, laser surgery, etc.
  • Surgical laser systems using the proposed laser devices are intended for use as an improved universal surgical instrument, in particular, for minimally invasive urological operations.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)

Abstract

Лазерное устройство инфракрасного (ИК) диапазона и использующая его хирургическая лазерная система включают в себя импульсный задающий генератор, снабженный сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, и усилитель мощности, снабженный 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 т верхнего лазерного уровня: t. Активные элементы лазерной системы могут содержать базовый материал, легированный ионами Tm3+, либо ионами Tm3+ и Но3+. Технический результат - создание лазерных устройств и хирургических лазерных систем на их основе 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.

Description

Лазерное устройство, способ генерации ИК излучения и хирургическая лазерная система, использующая их
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к инфракрасным (ИК) лазерам с длиной волны излучения около 2 мкм, способу генерации лазерного ИК излучения и хирургическим лазерным системам на их основе предназначенных преимущественно для использования в оперативной урологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Надежные и компактные импульсные лазерные источники с высокой пиковой мощностью, работающие в диапазоне длин волн около 2 мкм могут быть использованы в промышленности, аналитической спектроскопии, а также в военных целях.
Из-за относительно высокого поглощения выходного излучения в биологических тканях эти лазеры также находят применение в медицине, в частности, в урологии при лечении доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) и при лечении мочекаменной болезни (МКБ). ДГПЖ и МКБ являются наиболее распространенными заболеваниями в урологии. С внедрением в хирургическую практику эндоскопических методов хирургического лечения все большее распространение получают способы лечения с использованием лазеров, доставка излучения которых к зоне воздействия осуществляется с помощью оптических волокон. Наиболее востребованы универсальные лазерные системы, которые могут использоваться как для литотрипсии (фрагментация или разрушение камней) при лечении МКБ, так и для рассечения мягких тканей при лечении ДГПЖ.
Для малоинвазивных хирургических операций на простате и лазерной литотрипсии 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 Тш3+ и Сг3+. 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 Тш 3 -н (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 ДГПЖ небольшой или средней степени (EAU Guidelines on Laser Technologies. European Urology 61(4), 2012).
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 CW- лазерными диодами накачки не осуществлены режимы с высокими импульсной мощностью (2-5 кВт) и энергией (~ 1 Дж/импульс). Проведенные исследования (Глыбочко П.В., Альтшулер Г.Б., и др. Тулиевая (Тш) лазерная литотрипсия. Экспериментальное исследование. V Российский Конгресс по Эндоурологии и Новым Технологиям 27.02.2017) показали, что при достижении мощности 500 Вт (сейчас в медицинском волоконном Тш лазере средняя и пиковая мощность 120 Вт) происходит эффективное разрушение камней. Однако такое увеличение мощности может привести к существенному увеличению себестоимости лазера, что экономически не оправдано.
Этого недостатка лишено лазерное устройство, включающее задающий генератор- усилитель мощности (англ. - master oscillator - power amplifier (МОРА)) с боковой накачкой стержневых активных элементов, одновременно легированных Но и Тт, квазинепрерывными или QCW (англ. - quasi-continuous wave (С>С\¥))-лазерными диодами (Optics Letters Vol. 31, Issue 4, pp. 462-464 (2006) https://doi.org/l0.l364/OL.3 l .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 Тт, 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 лазерного устройства, делая его коммерчески малодоступным. 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 лазерного устройства резко снижается (F. Amzajerdian et al. Qualification Testing of Laser Diode Pump Arrays for Space-based 2-micron Coherent Doppler LIDAR l4th 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 устройств 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 лазерного устройства, включающей в себя импульсный задающий генератор и, по меньшей мере, один усилитель мощности, в котором активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента.
Устройство характеризуется тем, что задающий генератор снабжен сборками квазинепрерывных или QCW-лазерных диодов накачки, а усилитель снабжен сборками непрерывных или CW-лазерных диодов накачки.
В предпочтительных 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 t верхнего лазерного уровня: ί<t.
Предпочтительно задающий генератор работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW-лазерными диодами от 200 до 600 мкс.
Предпочтительно вывод излучения лазерного устройства осуществляется в оптоволокно.
В вариантах изобретения активные элементы лазерного устройства содержат базовый материал, легированный либо ионами Тш3+ и Но3+ либо ионами Тш3+.
В вариантах изобретения базовый материал активных элементов выбран из группы: Y3Al5Ol2(YAG), U3A103 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3GeOs, Lu203,
Y3Sc2Ga3Oi2 (YSGG), Gd3Sc2Ga3Ol2 (GSGG), Y3Ga5Ol2(YGG), LaF3, Y203, BaY2F8, KCaF3, Si02, кварцевое оптоволокно.
В вариантах изобретения активный элемент задающего генератора и активный элемент усилителя мощности выполнены в виде стержней.
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 t верхнего лазерного уровня: f /t, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.
В вариантах изобретения осуществляют генерацию лазерного излучения либо на переходе
Figure imgf000008_0001
> 518 ионов Но з+ либо на переходе 3 Н4— > 3 Н6 ионов Тш з_(_ ..
В другом аспекте изобретение относится к хирургической лазерной системе ИК диапазона, содержащей лазерное устройство с выводом излучения через оптоволокно, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту, характеризующейся тем, что лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, при этом задающий генератор снабжен сборками QCW- лазерных диодов накачки, а усилитель мощности снабжен сборками CW- лазерных диодов накачки.
В вариантах реализации изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется в непрерывном режиме, а временной интервал t между импульсами задающего генератора равен или меньше эффективного времени жизни t верхнего лазерного уровня активного элемента усилителя мощности: t < Т.
В вариантах изобретения базовый материал активных элементов задающего генератора и усилителя мощности легирован либо ионами Тт3 либо онами Тт3+ и Но3+.
В вариантах изобретения лазерное устройство характеризуется возможностью переключения с импульсно- периодического режима на работу в режиме пачек импульсов.
В других вариантах изобретения лазерное устройство характеризуется возможностью переключения на режим непрерывной генерации лазерного излучения. В другом аспекте изобретение относится к хирургической лазерной системе ИК диапазона, содержащей лазерное устройство с выводом излучения через оптоволокно, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту, характеризующейся тем, что лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал легированный ионами Тт3+, базовым материалом активного элемента усилителя мощности является LiYF4, задающий генератор снабжен сборками QCW- лазерных диодов накачки, а усилитель мощности снабжен сборками CW- лазерных диодов накачки.
Предпочтительно базовым материалом активного элемента задающего генератора является LiYF4.
В вариантах реализации изобретения накачка активного элемента усилителя мощности осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни Ттш верхнего лазерного уровня 3F4 Tm3+: f > 1/ Т | П1.
В вариантах реализации изобретения генерация излучения осуществляется на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биотканями и водой, такой же, как у излучения Но- лазеров.
В других вариантах длина волны лазерного излучения 1 ,907 мкм
Техническим результатом изобретения является создание коммерчески доступных высокоресурсных лазерных устройств, 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, позволяющих создать на их основе универсальные высокоэффективные хирургические лазерные системы предназначенные, 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, на которых:
Фиг. 1 - схематичное изображение лазерного устройства, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 - иллюстрации режимов работы сборок лазерных диодов накачки,
Фиг. 5 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном Тш3+и Но3+,
Фиг. 6 - схема энергетических уровней и процессов переноса в активном элементе, легированном ионами Тш3+,
Фиг. 7- Схематичное изображение хирургической лазерной системы,
Фиг. 8- Зависимость коэффициента поглощения воды от длины волны излучения.
На чертежах совпадающие элементы устройств имеют одинаковые ссылочные номера.
Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.
В соответствии с изобретением (Фиг. 1) лазерное устройство 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. Лазерное устройство 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 лазерного устройства в предложенном виде высокая энергия излучения и высокая выходная мощность лазерного устройства достигаются при значительно меньшем (почти на порядок величины) количестве лазерных диодов по сравнению с импульсными лазерными устройствами, использующими для накачки усилителя только QCW лазерные диоды. Это значительно снижает стоимость системы накачки и лазерного устройства в целом, обеспечивая ее коммерческую доступность. По сравнению с аналогами, использующими ламповую накачку, в несколько раз повышается КПД лазерного устройства, его 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 со 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, лазерное устройство может быть построено на основе лазерных модулей или квантронов с боковой лазерно-диодной накачкой.
В других вариантах изобретения накачка активных элементов лазерного устройства 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 лазерного устройства могут быть волоконными.
Для питания сборок лазерных диодов 6, 7, а также для питания системы охлаждения 10 и других узлов лазерного устройства предназначен блок источников питания 11, в свою очередь, управляемый программируемым блоком управления 12.
Торцы каждого из активных элементов 4, 5 лазерного устройства 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 мощности 3, формируя лазерный пучок 16 на выходе лазерного устройства. В вариантах реализации изобретения для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2 могут применяться дополнительные оптические элементы, в частности, внутрирезонаторный поляризатор 17.
Предпочтительно лазерный пучок 16 на выходе усилителя 3 вводится с помощью оптической системы или оптического элемента 19 в гибкое оптоволокно 18, что позволяет транспортировать энергию излучения лазерное устройство 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 лазерного устройства 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 мощности 3 осуществляют сборками CW-лазерных диодов 7 относительно небольшой мощности и потому не столь дорогих, что позволяет минимизировать стоимость лазерного устройства 1 , обеспечивая ее коммерческую доступность. В соответствии с этим предпочтительно, что выходная энергия лазерного устройства 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 лазерное устройство может содержать несколько усилителей мощности. Кроме этого усилители мощности могут быть многопроходными. Все это позволяет масштабировать выходные параметры лазерного устройства.
В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг. 2 А, Фиг. 2В, накачка CW-лазерными диодами 7 активного элемента 5 усилителя мощности 3 осуществляется в непрерывном режиме, Фиг. 2В. При этом временной интервал t между импульсами задающего генератора 2 равен или меньше эффективного времени жизни t верхнего лазерного уровня активного элемента 5 усилителя мощности 3: ί<t, Фиг. 2 А. Это означает, что частота f (f=l/t) повторения импульсов задающего генератора 2 равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни t верхнего лазерного уровня: ί>1/t.
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 лазерного устройства в указанном виде обеспечивается высокая эффективность накачки усилителя мощности 3 за счет малого уровня потерь, обусловленных процессами спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня. В этом варианте требуемая средняя мощность лазерного устройства достигается при оптимально малом количестве CW-лазерных диодов, работающих в номинальном режиме. Это способствует снижению стоимости системы накачки и лазерного устройства в целом, а также снижению затрат на ее эксплуатацию.
Для применений, требующих максимальной энергии лазерного импульса при заданной средней мощности лазерного излучения в импульсно- периодическом режиме, предпочтителен вариант, при котором t—t или f=l/x. Указанный режим работы лазерного устройства не является ограничивающим. В вариантах реализации изобретения лазерное устройство может работать в режиме генерации пачек или пакетов импульсов (англ - burst mode), иллюстрируемом Фиг. ЗА, Фиг. ЗВ. 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, Фиг. ЗВ. 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 лазерного устройства, Фиг. 4А, Фиг. 4В.
В этих (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4) и других вариантах реализации изобретения при генерации каждого импульса лазерного излучения длительность t накачки активного элемента 5 усилителя мощности не превышает эффективное время жизни t верхнего лазерного уровня: t < t. Вместе с тем, чем больше в указанных пределах (/ < t) длительность t накачки активного элемента 5 усилителя мощности 3, тем выше энергия и импульсная мощность лазерного устройства 1. Поэтому для получения максимальной энергии и мощности лазерного импульса предпочтителен вариант, при котором t~ х, а эффективное время жизни t верхнего лазерного уровня максимально.
В соответствии с изобретением базовый материал активного элемента выбран из группы: Y3Al5Ol2 (YAG), U3A103 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3Ge05, Lu203, Y3Sc2Ga3Oi2(YSGG), Gd3Sc2Ga3012 (GSGG), Y3Ga50i2 (YGG), LaF3, Y203, BaY2F8, KCaF3, Si02, кварцевое оптоволокно. Это позволяет оптимизировать характеристики лазерного устройства, в частности, теплофизические и механические свойства активных элементов, время жизни верхнего лазерного уровня х, частоту следования импульсов f, диапазон перестройки длины волны лазерного излучения l.
В вариантах реализации изобретения активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный одновременно ионами Тт3+ 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 хн0 верхнего лазерного уровня 5I7Ho3+:ί>1/tHo·
Как иллюстрируется Фиг. 5, в этих вариантах изобретения излучение накачки коммерчески доступных лазерных AlGaAs диодов в диапазоне около 800 нм переводит ионы Тт3+ на возбужденный уровень 3F4. Затем следует процесс кросс-релаксации между соседними ионами возбужденного 3F4 и основного состояния Н6. Этот процесс преобразует один возбужденный ион Тгп в состоянии F4 В два возбужденных иона Тш в состоянии Н4. Энергия возбужденных ионов Тт в состоянии Н4 очень близка к энергии верхнего лазерного состояния 517 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 517—
Figure imgf000015_0001
ионов Но3+ с длиной волны около 2,09 мкм.
Эффективное время жизни тн0 верхнего лазерного уровня
Figure imgf000015_0002
зависит от базового материала. Так, tHo~8,5 мс для базового материала YAG и тн0~15 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 Тш достаточно велика роль процессов ап- конверсии и обратной передачи ионам Тш энергии с верхнего лазерного уровня 517; 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 3Н4 Тш3+ и 5I7Ho3+. В результате энергия, накопленная в активном элементе усилителя на энергетических уровнях ионов Тш3+ и Но3, обеспечивает эффективную генерацию лазерного излучения на переходе 5I7—
Figure imgf000016_0001
Ho3+ 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 тн0 верхнего лазерного уровня 17Но :1 1/хно ~100 Гц. При таких частотах повторения импульсов достигается максимальная эффективность лазерного устройства. КПД гольмиевого лазерного устройства может быть 7-9%.
Большей, примерно в два раза, эффективностью характеризуется лазерное устройство, выполненное в соответствии с вариантами реализации изобретения, в которых активный элемент 4 задающего генератора 2 и активный элемент 5 каждого усилителя мощности 3 содержат базовый материал, легированный ионами Тш3+.
Для накачки активных элементов 4, 5 из базового материала, легированного ионами Тш3+, используются сборки лазерных диодов 6, 7. Как иллюстрируется Фиг. 6, излучение накачки с длиной волны около 800 нм, переводит ионы Тт на возбужденный уровень F4, после чего следует переход на верхний лазерный уровень 3Н4 в результате одного из следующих процессов:
безызлучательный переход F4— > Н5 и безызлучательный переход
Figure imgf000016_0002
- излучательный переход 3 F4— > 3 Н5 и безызлучательный переход 3 Н5— > 3 Н4,
- излучательный переход F4— > Н4
- кросс-релаксация, при которой ион Тш3+, который перешел с уровня F4 на уровень Н4, отдает часть своей энергии соседнему иону Tm , 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 Тт3+ достаточно высокая (~ 5%).
Далее, переход 3Н4—3Н 6 иона Тш3+ дает лазерную генерацию.
Длина волны l лазерного излучения, а также эффективное время жизни t верхнего лазерного уровня зависят от сорта базового материала активных элементов 4, 5. Так, значения длин волн излучения тт Tm - лазерного устройства и времени жизни ттт верхнего лазерного уровня находятся в диапазонах соответственно от xm=l ,84 мкм для Y3GeC>5 до lcp1=2,07 мкм для Tm: LU203 и от ttih =4,0 мс для Tm:Sc203 до ххт ~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- лазерного устройства частота f повторения импульсов задающего генератора может быть равна величине или больше величины, обратной эффективному времени жизни хтт верхнего лазерного уровня F4Tm :f l/xxm.
Способ генерации лазерного ИК излучения посредством лазерного устройства (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 4 задающего генератора 2 осуществляют сборками QCW-лазерных диодов 6.
Предпочтительно осуществляют работу задающего генератора 2 в режиме свободной генерации с частотой следования импульсов f, равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни х верхнего лазерного уровня: ί>\/t, при этом накачку активных элементов 5 усилителя мощности 3 осуществляют в непрерывном режиме. Фиг. 2 А, Фиг. 2В иллюстрируют соответствующий этому варианту изобретения непрерывный режим работы CW- лазерных диодов накачки усилителя и импульсно- периодический режим работы QCW-лазерных диодов накачки задающего генератора.
В процессе работы активные элементы 4, 5 лазерного устройства (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 программируемым блоком управления 12. Зеркала 13, 14 резонатора служат для формирования лазерного пучка 15 задающего генератора 2, энергия которого усиливается, 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. В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны 2,1 мкм осуществляют на переходе 5I7-^5Ig ионов Но3. При этом каждый активный элемент лазерного устройства состоит из базового материала, легированного одновременно ионами тулия Тш3+ и ионами Но3+.
В других вариантах изобретения каждый активный элемент лазерного устройства состоит из базового материала, легированного ионами тулия Тш3+, и генерацию лазерного излучения с длиной волны 1 ,8-2,07 мкм осуществляют на переходе 3Н4— >3Н6 ионов Тш3+.
Другие варианты реализации изобретения относятся к лазерным хирургическим системам на основе лазерного устройства ИК диапазона и способа генерации ИК излучения, описанных выше.
На Фиг. 7 схематично представлен вариант реализации хирургической лазерной системы ИК диапазона в соответствии с настоящим изобретением. Хирургическая лазерная система содержит лазерное устройство 1 с выводом излучения через оптоволокно 18, дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту 22. Части лазерного устройства 1, которые в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1), имеют на Фиг. 7 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
При выполнении в предложенном виде хирургические лазерные системы с длиной волны в диапазоне 1,84-2,12 мкм характеризуются точной обработкой тканей с одновременной коагуляцией кровеносных сосудов при очень малом тепловым рассеянии. При этом они сочетают в себе высокую эффективность и надежность, присущую системам с лазерно- диодной накачкой, с высокой импульсной мощностью лазерного излучения, характерной для хирургических лазерных систем с ламповой накачкой. В результате достигается универсальность хирургической лазерной системы, которая с высокой эффективностью может использоваться для лечения основных урологических заболеваний: ДГПЖ, МКБ и др.
В вариантах изобретения задающий генератор 2 может быть снабжен сборками дополнительных CW- лазерных диодов 21 накачки. За счет этого возможно переключение лазерного устройства 1 на работу в непрерывном режиме, при котором накачка задающего генератора 2 осуществляется сборками дополнительных CW- лазерных диодов накачки 21. В этих вариантах реализации изобретения зеркало 13 резонатора задающего генератор 2 является дихроичным. Хирургический инструмент 22 может содержать лазерный зонд 23, к которому дистальный конец оптоволокна 18 подсоединен через оптический коннектор 24. Лазерный зонд 23 предназначен для доставки энергии лазерного излучения к зоне воздействия, в частности, к гиперплазированной ткани предстательной железы, подвергаемой резке и/или абляции или к камню, подвергаемому фрагментации. В зависимости от конструкции лазерного зонда 23 лазерная энергия выходит через его дистальный конец вдоль оси, либо под углом к оси лазерного зонда 23. В некоторых вариантах лазерный зонд 23 и оптоволокно 18 могут быть совмещены, то есть дистальный конец оптоволокна 18 может служить для вывода лазерного ИК излучения, воздействующего на ткани.
Хирургическая лазерная система также содержит программируемый блок управления 12 с панелью управления и индикации, исполнительный механизм 25, например, в виде беспроводной одиночной или двойной педали, и блок вспомогательного оборудования 26.
Настройки программируемого блока управления 12 включают в себя установки величин длительности лазерных импульсов, лазерной энергии, частоты f следования импульсов и/или средней мощности излучения для нескольких режимов работы лазерного устройства 1. Педаль или педали исполнительного механизма 25 позволяют во время операции включать лазерное устройство 1 в различных режимах его работы.
Блок вспомогательного оборудования 26 может включать в себя ирригатор для подачи и вывода через каналы в хирургическом инструменте 22 раствора, омывающего дистальный конец хирургического инструмента 22. На дистальном конце хирургического инструмента 22 в одном из его каналов установлена миниатюрная видеокамера с подсветом, управляемая собственным контроллером. Изображение с миниатюрной видеокамеры передается на монитор, с помощью которого хирург наблюдает за изображением зоны воздействия. Блок вспомогательного оборудования 26 также может включать в себя устройство для захвата и удерживания фрагментируемого камня, а также морцеллятор для удаления энуклеированных долей предстательной железы после лазерного воздействия.
В вариантах реализации изобретения базовый материал активных элементов 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3 легирован ионами Тш3+ и Но3+. При этом генерация лазерного ИК излучения с длиной волны около 2,1 мкм, оптимальной для целого ряда применений в лазерной урологии, осуществляется на переходе 5I7— >·5I8 ионов гольмия Но3+. В предложенной хирургической Но- лазерной системе лазерно- диодная накачка значительно более эффективна по сравнению с ранее использовавшейся ламповой, что позволяет значительно (примерно в 4 раза) повысить КПД лазерного устройства. Кроме этого, диодная накачка компактнее, долговечнее и требует меньшую инфраструктуру для своей работы по сравнению с накачкой разрядными лампами.
В других вариантах изобретения базовый материал активных элементов 4, 5 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3 легирован ионами тулия Тт3+. При этом генерация лазерного излучения с длиной волны, выбираемой в диапазоне 1,84- 2,07 мкм осуществляется на переходе 3Н4—>3Н6 ионов тулия Тт3+.
В этом варианте реализации изобретения КПД Тт- лазерного устройства может достигать 20%, что примерно в 2 раза выше, чем для гольмиевого лазерного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от известных хирургических Тт- лазерных систем достигается возможность работы с высокой, 2- 5 кВт, импульсной мощностью лазерного излучения, что обеспечивает универсальность хирургической Тт- лазерной системы. При этом коммерческая доступность лазерного устройства, достигаемая в соответствии с настоящим изобретением, способствует оптимизации стоимости хирургической лазерной системы в целом.
Для повышения эффективности работы лазерного устройства 1 базовым материалом активного элемента 4 задающего генератора 2 предпочтительно также является LiYF4.
Для достижения максимальной средней мощности лазерного излучения накачка активного элемента Tm:YLF усилителя мощности 3 осуществляется в непрерывном режиме, а частота f повторения импульсов задающего генератора 2 равна или больше величины, обратной эффективному времени жизни Ттт верхнего лазерного уровня F4
Тт 3+: f > 1/ Ттт~65 Гц, Фиг. 2. Такой режим работы позволяет повысить производительность хирургической лазерной системы.
Эффективность воздействия лазерного излучения на ткань помимо длительности, энергии и частоты повторения импульсов в значительной степени определяется выбором длины волны с соответствующим коэффициентом поглощения. Вода является основным хромофором биологических тканей, поэтому эффективность лазерного воздействия при хирургических операциях в значительной степени определяется взаимодействием лазерного излучения с водой, в том числе, содержащейся в биотканях. На Фиг. 8 показана зависимость коэффициента поглощения излучения водой от длины волны излучения, в том числе, в области длин волн 1,8- 2,1 мкм- на выноске в увеличенном виде.
Tm:YLF- усилитель мощности наиболее эффективен при работе на длине волны лазерного излучения 1,907 мкм. В соответствии с этим в вариантах реализации изобретения длина волны лазерного излучения хирургической лазерной системы- 1,907 мкм.
Длина волны 1,907 мкм близка к экстремуму зависимости коэффициента поглощения излучения водой, Фиг. 8. В соответствии с этим глубина проникновения излучения с длиной волны 1,907 мкм в воду и биоткани мала (—0,135 мм). Соответственно, при использовании Tm:YLF- лазерного устройства с длиной волны излучения 1,907 мкм достигается большая точность и безопасность хирургических операций.
В другом варианте реализации изобретения хирургическая лазерная система характеризуется генерацией излучения на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биологическими тканями и водой, такой же, как у излучения Но- лазеров, как это иллюстрируется Фиг. 8. В этих вариантах излучение лазерного устройства p- поляризовано, что достигается за счет применения внутрирезонаторного поляризатора 17, либо за счет применения p- поляризованного излучения лазерных диодов накачки 6, 7, 21. Излучение с длиной волны 1,88 мкм проникает в биологические ткани и воду на глубину около 0,4 мм, как излучение с длиной волны 2,09 мкм, характерной для Но- лазеров, Фиг. 8.
В связи с этим внедрению высокоэффективной хирургической Tm:YLF- лазерной системы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, способствует возможность использования для них уже существующих материальной базы и хирургических методик, созданных для медицинских Но- лазеров. При этом хирургическая Tm:YLF- лазерная система, выполненная в соответствии с изобретением, может быть столь же универсальной для применений в хирургической урологии, как и хирургические Ho:YAG- лазерные системы.
В вариантах реализации изобретения хирургическая лазерная система может быть выполнен с возможностью переключения, например, с помощью поляризатора 17, в режимы генерации лазерного излучения либо с p- поляризацией, либо с s- поляризацией, что позволяет изменять длину волны лазерного излучения с 1.88 на 1.907 мкм и наоборот.
Хирургическая лазерная система работает следующим образом. Через панель управления и индикации программируемого блока управления 12 врач вводит информацию о требуемых режимах работы лазерного устройства 1. Врач располагает хирургический инструмент 22 в операционном поле и активирует исполнительный механизм 25. Сигнал от исполнительного механизма 25 поступает на программируемый контроллер блока управления 12, которым осуществляется включение источников питания 1 1 задающего генератора 2 и усилителя мощности 3. Генерация ИК излучения лазерного устройства 1 осуществляется описанным выше образом. ИК излучение лазерного устройства 1 , транспортируемое к зоне воздействия через оптоволокно 18 и лазерный зонд 23 хирургического инструмента 22, осуществляет разрушение конкрементов или абляцию и/или испарение биоткани. По достижении необходимого результата врач прекращает работу лазерного устройства 1 или переводит его в другой режим работы через исполнительный механизм 25.
Предпочтительно, что в режиме с максимальной средней мощностью излучения накачка активного элемента 5 усилителя мощности 3 осуществляется в непрерывном режиме. При этом работа задающего генератора 2 осуществляется в импульсно- периодическом режиме с временным интервалом t между импульсами, равным или меньшим эффективного времени жизни t верхнего лазерного уровня активного элемента 5 усилителя мощности: t < t, Фиг. 2.
В вариантах изобретения лазерную систему переключают с импульсно- периодического режима, иллюстрируемого Фиг. 2, Фиг. 4, на режим пачек или пакетов импульсов, Фиг. 3. В вариантах изобретения возможно переключение лазерного устройства 1 на работу в непрерывном режиме, при котором накачка задающего генератора 2 осуществляется сборками дополнительных CW- лазерных диодов накачки 21.
В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны
2,09±0,04 мкм осуществляют на переходе 17— > 18 ионов Но . При этом каждый активный элемент лазерной системы состоит из базового материала, легированного одновременно ионами тулия Тт3+ и ионами Но3+. В вариантах изобретения генерацию лазерного ИК излучения с длиной волны, выбираемой в диапазоне 1,84- 2,07 мкм, осуществляют на переходе Н4— > Н6 ионов Тш3+, используя активные элементы из базового материала, легированного ионами тулия Тш3+.
В вариантах изобретения генерацию осуществляют с использованием в качестве базового материала активных элементов LiYF4.
В вариантах изобретения генерацию излучения осуществляют с использованием активных элементов Tm:LiYF4 на длин! волны 1,907 мкм, либо 1,88 мкм. Для длины волны 1,88 мкм коэффициент поглощения излучения гидратированными биологическими тканями и водой такой же, как у излучения импульсно- периодических Но- лазеров, используемых для современных «золотых стандартов» лечения основных урологических заболеваний: ДГПЖ и МКБ. В режимах с максимальной средней мощностью излучения накачку активного элемента Tm:YLF- усилителя мощности 3 предпочтительно осуществляют в непрерывном режиме при частоте f повторения импульсов задающего генератора 2 равной или большей величине, обратной эффективному времени жизни Хтт верхнего лазерного уровня 3F4
Тт : f > 1/ Ттт~65 Гц, Фиг. 2, что позволяет достичь высокую импульсную (2-5 кВт) и среднюю (100 Вт и более) мощность лазерного излучения. Таким образом, изобретение позволяет сделать высокоэффективные Тт- лазерные системы столь же универсальным и высокопроизводительными хирургическим инструментом, как и гольмиевые лазеры.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Лазерные устройства, выполненные в соответствии с изобретением, предназначены для применения в таких областях, как дистанционное лазерное зондирование, спектральный анализ газов, биопринтинг, протезирование; обработка материалов, лазерная хирургия и др. Хирургические лазерные системы с использованием предложенных лазерных устройств предназначены для применения в качестве улучшенного универсального хирургического инструмента, в частности, для малоинвазивных урологических операций.

Claims

Формула изобретения
1. Лазерное устройство инфракрасного (ИК) диапазона (1), включающее в себя импульсный задающий генератор (2) и, по меньшей мере, один усилитель мощности (3), в котором 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. Устройство по п. 1, в котором 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 t верхнего лазерного уровня активного элемента (5) усилителя мощности (3): t < х.
3. Устройство по п. 1, в котором задающий генератор (2) работает в режиме свободной генерации при длительности импульса накачки QCW- лазерными диодами (6) от 200 до 600 мкс.
4. Устройство по п. 1 с выводом излучения в оптоволокно (18).
5. Устройство по п. 1, в котором активные элементы (4), (5) содержат базовый материал, легированный либо ионами Тш3+ и Но3+ либо ионами Тт3+.
6. Устройство по п. 1, в котором базовый материал активных элементов (4), (5) выбран из группы: Y3Al5Ol2 (YAG), У3АЮ3 (YAP), LiYF4 (YLF), Y3GeOs, Lu203, Y3Sc2Ga3Ol2 (YSGG), Gd3Sc2Ga3012 (GSGG), Y3Ga5Ol2 (YGG), LaF3, Y203, BaY2F8, KCaF3, Si02, кварцевое оптоволокно.
7. Устройство по п. 1, в котором активный элемент (4) задающего генератора (2) и активный элемент (5) усилителя мощности (3) выполнены в виде стержней.
8. 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).
9. 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 t верхнего лазерного уровня: f > l/t, при этом накачку активного элемента усилителя мощности осуществляют в непрерывном режиме.
10. Способ по п. 12, при котором осуществляют генерацию лазерного излучения либо на переходе — »518 ионов Но3+ либо на переходе 3Н4— »3Н6 ионов Тш3+.
11. Хирургическая лазерная система ИК диапазона, содержащая лазерное устройство (1) с выводом излучения через оптоволокно (2), дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту (3), характеризующаяся тем, что
лазерное устройство включает в себя импульсный задающий генератор, функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности, активные элементы задающего генератора и усилителя мощности содержат базовый материал, легированный ионами редкоземельного элемента, при этом задающий генератор (2) снабжен сборками QCW- лазерных диодов (6) накачки, а усилитель мощности (3) снабжен сборками CW- лазерных диодов (7) накачки.
12. 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 t верхнего лазерного уровня активного элемента (5) усилителя мощности (3): t < т.
13. Система по п. 1, в которой базовый материал активных элементов (4), (5) задающего генератора и усилителя мощности легирован либо ионами Тт3 либо онами Тт3+ и Но3+.
14. Система по п. 1, в которой лазерное устройство характеризуется возможностью переключения с импульсно- периодического режима на работу в режиме пачек импульсов.
15. Система по п. 1, в которой лазерное устройство характеризуется возможностью переключения на режим непрерывной генерации лазерного излучения.
16. Хирургическая лазерная система ИК диапазона, содержащая лазерное устройство (1) с выводом излучения через оптоволокно (18), дистальный конец которого подсоединен к хирургическому инструменту (22), характеризующаяся тем, что лазерное устройство (1) включает в себя импульсный задающий генератор (2), функционирующий в режиме свободной генерации, и, по меньшей мере, один усилитель мощности (3),
активные элементы (4), (5) задающего генератора (2) и усилителя мощности (3) содержат базовый материал легированный ионами Tm ,
базовым материалом активного элемента (5) усилителя мощности является LiYF4,
задающий генератор (2) снабжен сборками QCW- лазерных диодов (6) накачки, а усилитель мощности (3) снабжен сборками CW- лазерных диодов (7) накачки.
17. Система по п. 16, в которой базовым материалом активного элемента (4) задающего генератора является LiYF4.
18. Система по п. 16, 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
3 з+
времени жизни Хтга верхнего лазерного уровня F4 Tm : f > 1/ Ттт·
19. Система по п. 16 с генерацией излучения на длине волны, около 1,88 мкм, для которой коэффициент поглощения излучения биотканями и водой, такой же, как у излучения Но- лазеров.
20. Система по п. 16, в которой длина волны лазерного излучения 1,907 мкм.
PCT/RU2019/000542 2018-08-08 2019-08-01 Лазерное устройство, способ генерации ик излучения и хирургическая лазерная система, использующая их WO2020032827A1 (ru)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129056 2018-08-08
RU2018129058 2018-08-08
RU2018129058A RU2693542C1 (ru) 2018-08-08 2018-08-08 Лазерная система и способ генерации ик излучения
RU2018129056A RU2694126C1 (ru) 2018-08-08 2018-08-08 Хирургическая лазерная система

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020032827A1 true WO2020032827A1 (ru) 2020-02-13

Family

ID=69414283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000542 WO2020032827A1 (ru) 2018-08-08 2019-08-01 Лазерное устройство, способ генерации ик излучения и хирургическая лазерная система, использующая их

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020032827A1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030198262A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-23 Tanner Allen H. Rapidly oscillating laser light source
WO2016081042A1 (en) * 2014-10-31 2016-05-26 Raytheon Company Method and apparatus for temporally concentrating pump power to support generation of high peak-power pulse bursts or other time-varying laser output waveforms
US20170085053A1 (en) * 2012-10-16 2017-03-23 Imra America, Inc. Compact ultra-short pulse source amplifiers

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030198262A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-23 Tanner Allen H. Rapidly oscillating laser light source
US20170085053A1 (en) * 2012-10-16 2017-03-23 Imra America, Inc. Compact ultra-short pulse source amplifiers
WO2016081042A1 (en) * 2014-10-31 2016-05-26 Raytheon Company Method and apparatus for temporally concentrating pump power to support generation of high peak-power pulse bursts or other time-varying laser output waveforms

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIRONG YU ET AL.: "1 J/pulse Q-switched 2µm solid state laser", OPTICS LETTERS, vol. 31, no. 4, 15 February 2006 (2006-02-15), XP055685986 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6998567B2 (en) Generation and application of efficient solid-state laser pulse trains
Knappe et al. Principles of lasers and biophotonic effects
Gross et al. History of lasers
EP2066253B1 (en) Treatment of skin by a solid-state laser
US4979180A (en) Modular interchangeable laser system
US6613040B2 (en) Twin light laser
JP5744860B2 (ja) 側面ポンプモノリシック固体レーザー及びその用途
US7963958B2 (en) Portable optical ablation system
EP1485036B1 (en) System for photoselective vaporization for gynecological treatments
US20220061918A1 (en) Laser source, laser device and method of cutting a tissue
US6631153B2 (en) Light generating device and laser device using said light generating device
RU2315582C1 (ru) Лазерная установка
WO2020032827A1 (ru) Лазерное устройство, способ генерации ик излучения и хирургическая лазерная система, использующая их
US6761713B2 (en) Medical laser unit
RU2694126C1 (ru) Хирургическая лазерная система
RU2693542C1 (ru) Лазерная система и способ генерации ик излучения
Vitruk Laser Physics and Equipment
Frank Biophysical fundamentals for laser application in medicine
Apfelberg Biophysics, advantages, and installation of laser systems
Kim et al. Understanding the Instruments: Intracorporeal Lithotripsy—Laser
Colt Basic principles of medical lasers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19846630

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19846630

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1