УДК: 621.375.8, 535-15, 621.372.632, 615.47:617-089, 617.7, 616.8-089, 616.1

Лазер среднего инфракрасного диапазона спектра для прецизионной хирургии

Серебряков В.А., Бойко Э.В., Калинцев А.Г., Корнев А.Ф., Наривончик А.С., Павлова А.Л.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Серебряков В.А., Бойко Э.В., Калинцев А.Г., Корнев А.Ф., Наривончик А.С., Павлова А.Л. Лазер среднего инфракрасного диапазона спектра для прецизионной хирургии // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 12. С. 3–13.

Serebryakov V.A., Boyko E.V., Kalintsev A.G., Kornev A.F., Narivonchik A.S., Pavlova A.L. Mid-IR laser for high-precision surgery [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2015. V. 82. № 12. P. 3–13.

Ссылка на англоязычную версию:

V. S. Serebryakov, É. V. Boĭko, A. G. Kalintsev, A. F. Kornev, A. S. Narivonchik, and A. L. Pavlova, "Mid-IR laser for high-precision surgery," Journal of Optical Technology. 82(12), 781-788 (2015). https://doi.org/10.1364/JOT.82.000781

Аннотация:

Проанализированы перспективы использования лазеров среднего инфракрасного (ИК) диапазона для прецизионной атравматической хирургии. Обоснован выбор параметров и оптической схемы мультиволнового твердотельного лазера с параметрической конверсией излучения в полосу поглощения белков (6–8 мкм), проведена экспериментальная апробация его ключевых элементов. Разработан накачиваемый волоконным Tm-лазером (λ = 1,94 мкм) импульснопериодический Ho3+:YLF-лазер (λ = 2,051 мкм) с энергией в импульсе до 80 мДж на частоте 100 Гц и 50 мДж на частоте 1000 Гц. Длительность импульса – 20 нс, расходимость M2 – 1,5, оптический КПД лазера – 30%. На нелинейных кристаллах ZnGeP2 (ZGP) проведено параметрическое преобразование излучения Ho:YLF-лазера в средний ИК диапазон спектра (3–6 мкм). В схеме двухрезонаторного параметрического генератора света (ПГС) ZGP с параметрическим усилителем получена суммарная энергия сигнальной и холостой волны до 100 мДж на частоте следования импульсов 100 Гц при эффективности преобразования 40%.

Ключевые слова:

лазеры среднего ИК диапазона, параметрический генератор света, лазерная абляция, прецизионная хирургия

Благодарность:

Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.579.21.0015), а также при государственной финансовой поддержке ведущих университетов РФ (субсидия 074-U01) и гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ № НШ 1364.201.

Коды OCIS: 140.3070 , 170.1020, 170.3890, 190.4970

Список источников:

1. Haglund R.F. Applications of free electron lasers in biological sciences, medicine and material // Photonbased Nanoscience and Nanobiotechnology / Ed. by Dubowski J.J., Tanev S. Springer Netherlands, 2006. Р. 175–203.
2. Serebryakov V.A., Boĭko É.V., Petrishchev N.N., Yan A.V. Medical applications of mid-IR lasers. Problems and prospects // J. Optical Technology. 2010. V. 77. № 1. Р. 6–17.
3. Hutchens T.C., Darafsheh A., Fardad A., Antoszyk A.N., Ying H.S., Astratov V.N., Fried N.M. Detachable microsphere scalpel tips for potential use in ophthalmic surgery with the erbium:YAG laser // J. Biomedical Optics. 2014. V. 19. № 1. Р. 018003-1–8.
4. Shah M.J., Shen J.H., Joos K.M. Endoscopic free electron laser technique development for minimally invasive optic nerve sheath fenestration // Lasers Surg. Med. 2007. V. 39. P. 589–596.
5. Xiao Y., Guo M., Zhang P., Shanmugam G., Polavarapu P.L., Hutson M.S. Wavelength-dependent conformational changes in collagen after mid-infrared laser ablation of cornea // Biophysical Journal. 2008. V. 94. P. 1359–1366.
6. Mackanos M.A.W., Simanovskii D., Joos K.M., Schwettman H.A., Jansen E.D. Mid infrared optical parametric oscillator (OPO) as a viable alternative to tissue ablation with the free electron laser (FEL) // Lasers Surg. Med. 2007. V. 39. P. 230–236.
7. Awazu K.A., Ishii K., Hazama H. Infrared laser therapy using IR absorption of biomolecules // J. Physics: Conference Series 276. 2011. P. 012011-1–9.
8. Soldatov A.N., Mirza S., Polunin Ju.P., Shumeyko A.S., Costadinov I.C. Multiwavelength metal vapor laser systems for applied spectroscopy of the atmosphere // J. Applied Spectroscopy. 2015. V. 81. № 6. Р. 1025–1029.
9. Hashimura K., Ishii K., Akikusa N., Edamura T., Yoshida H., Awazu K. Coagulation and ablation of biological soft tissue by quantum cascade laser with peak wavelength of 5.7 μm // J. Innovative Optical Health Sciences. 2014. V. 7. № 3. Р. 1450029-1-9.
10. Huang Y., Kang J.U. Corneal tissue ablation using 6.1 μm quantum cascade laser // Proc. SPIE. 2012. V. 8209. Р. 82091W-1–6.
11. Stoeppler G., Schellhorn M., Eichhorn M. Enhanced beam quality for medical applications at 6.45 μm by using a RISTRA ZGP OPO // Laser Physics. 2012. V. 22. № 6. Р. 1095–1098.
12. Stoeppler G., Schellhorn M., Eichhorn M. Ho3+:LLF MOPA pumped RISTRA ZGP OPO at 3–5 μm // Proc. SPIE. 2013. V. 8604. Р. 86040I-1–7.
13. Mid-infrared solid-state laser systems for minimally invasive surgery // Final Project Report, Project MIRSURG, Grant Agreement number: 224042. Project's coordinator Dr. V. Petrov. Berlin, 2012. 77 р.
14. Kalintsev A.G., Katsev U.V., Kornev A.F., Narivonchik A.S., Oborotov D.O., Pavlova A.L., Pokrovsky V.P., Serebryakov V.A., Stupnikov V.K. 100 mJ/100 Hz mid-IR laser source // Intern. Conf. “Laser Optics 2014”, 2014. St. Petersburg. Paper ThR1-23. Р. 35.
15. Kornev A.F., Narivonchik A.S., Pavlova A.L., Serebryakov V.A. High-efficiency 50 mJ/1000 Hz Ho:YLF MOPA with multipass amplifier // Intern. Conf. “Laser Optics 2014”, 2014. St. Petersburg. Paper WeR1-p10. P. 30.
16. Gamaly E.G., Rode A.V., Luther-Davies B. Ultrafast ablation with high-pulse-rate lasers. Part I: Theoretical Considerations // J. Appl. Phys. 1999. V. 85. № 8. P. 4213–4221.
17. Awazu K., Ishii K., Hazama H. Infrared laser therapy using IR absorption of biomolecules // J. Physics: Conference Series. 2011. 276. 012011. Р. 1–9.
18. Hutson M.S., Ivanov B., Jayasinghe A., Adunas G., Xiao Y., Guo M., Kozub J. Interplay of wavelength, fluence and spot-size in free-electron laser ablation of cornea // Opt. Express. 2009. V. 17. № 12. Р. 9841–9850.
19. Arisholm G., Nordseth Ø., Rustad G. Optical parametric master oscillator and power amplifier for efficient conversion of high-energy pulses with high beam quality // Opt. Express. 2004. V. 12. P. 4189–4197.
20. Haakestad M.W., Arisholm G., Lippert E., Nicolas S., Rustad G., Stenersen K. Tunable high-pulse-energy midinfrared laser source based on optical parametric amplification in ZnGeP2 // Proc. SPIE. 2008. V. 7115. P. 71150Q-1–9.
21. Dergachev A., Armstrong D., Smith A., Drake T., Dubois M. High-power, high-energy ZGP OPA pumped by a 2.05-μm Ho:YLF MOPA system. // Proc. SPIE. 2008. V. 6875. P. 687507-1–10.
22. Greenemeier L. Will a bendable laser scalpel make the cut? // Scientific American. 2009. Mar 4. P. 1–3.

23. Strauss H.J., Preussler D., Collett P.O.J., Esser M.J.D., Jacobs C., Bollig C., Koen W., Nyangaza K. 330 mJ, 2 μm, single frequency, Ho:YLF Slab amplifier // OSA/ASSP. 2011. Paper АTuA4-1–3.
24. Dergachev A. 23-dB Ho:YLF amplifier // OSA/ASSP. 2009. Paper WB17-1–3.
25. Schmidt K., Reiter Ch., Voss H., Massmann F., Ostermeyer M. D. Ho:YAG (2.09 μm) laser system pumped by cw Thulium fiber laser (1.9 μm) with >120 mJ pulse energy at 100 Hz repetition rate // SPIE Conf. Security & Defence. 2012. V. 8543. Paper 8543-11.
26. Scholle K., Lamrini S., Gatzemeier F., Koopmann P., Fuhrberg P. In-band diode pumped high power Ho:YLF laser // CLEO. 2013. paper СА 3-4.
27. Hemming A., Richards J., Davidson A., Carmody N., Bennetts S., Simakov N., Haub J. 99 W mid-IR operation of a ZGP OPO at 25% duty cycle // Opt. Express. 2013. V. 21. № 8. Р. 10062–10069.
28. Lippert E., Fonnum H., Arisholm G., Stenersen K. A 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator // Opt. Express. 2010. V. 18. № 25. Р. 26475–26483.
29. Bigotta S., Stoppler G., Schoner J., Schellhorn M., Eichhorn M. Novel non-planar ring cavity for enhanced beam quality in high-pulse-energy optical parametric oscillators // Opt. Materials Express. 2014. V. 4. № 3. Р. 411–423.