Эксимерный лазер

Эксимерный лазер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к лазерам и может быть использовано, преимущественно, для лечения внутриполостных инфекций, в частности абсцессов, таких как кавернозный туберкулез. Изобретение также может быть использовано в микроэлектронике, лазерной химии, а также в других технологических процессах, где требуется воздействие мощного УФ-излучения.

В патенте России №2064801, опубликованном 10 августа 1996 г., описано устройство для лечения деструктивных форм туберкулеза легких. На внутреннюю поверхность каверны воздействуют расфокусированным импульсным ультрафиолетовым излучением. В качестве источника указанного излучения используют азотный лазер с длиной волны 337 нм с накачкой скользящим по поверхности диэлектрика разрядом. Электродная система азотного лазера содержит диэлектрическую пластину с размещенными на ней электродами. На поверхности пластины образуется слой плазмы скользящего разряда, которая служит источником накачки лазера. За счет того, что плазма скользящего разряда представляет собой плазменный лист толщиной 1 мм, происходит быстрое охлаждение газа в зоне разряда в промежутках между импульсами, что позволяет увеличить частоту следования импульсов генерации азотного лазера до 350 Гц без прокачки газа вместо 10 Гц в лазере с накачкой по классической схеме поперечного объемного разряда.

При лечении деструктивных форм туберкулеза по методике согласно патенту №2064801 получены положительные результаты, в частности сроки лечения сокращаются как минимум вдвое.

Однако, как показали дальнейшие исследования, излучение с длиной волны 337 нм не является оптимальным, так как пик гибели микобактерий расположен в диапазоне длин волн 220-290 нм с максимумом в районе 250 нм. Несовпадение длины волны излучения со спектральным пиком бактерицидности является существенным недостатком азотного лазера.

Подходящим источником импульсного ультрафиолетового излучения в этом диапазоне является твердотельный лазер на YAG-Nd с преобразованием частоты излучения в четвертую гармонику 266 нм и эксимерный лазер на KrF с длиной волны излучения 248 нм.

В патенте РФ 2141859, выданном в 1998 г., описано применение ультрафиолетового излучения, генерируемого твердотельным лазером на YAG-Nd с преобразованием излучения на длине волны 1,06 мкм в четвертую гармонику. Применение твердотельного лазера с диодной накачкой позволило получить генерацию необходимого излучения со средней мощностью 5 мВт с частотой следования импульсов генерации до 5000 Гц по сравнению с предельно достижимой частотой следования импульсов генерации 100 Гц в случае ламповой накачки. Это позволило использовать кварцевое волокно диаметром 0,6 мм для транспортировки лазерного излучения с длиной волны 266 нм от лазера к пораженной инфекцией полости, так как импульсная мощность не превышала 100 Вт при длительности импульса генерации 10 нс.

К настоящему времени твердотельные лазерные медицинские установки для лечения деструктивных форм туберкулеза легких не получили должного распространения по причине высокой стоимости лазерных диодов и кристаллов для преобразования частоты генерации в четвертую гармонику. Кроме того, преобразование основной частоты лазера в четвертую гармонику требует особо тонкой юстировки оптической системы лазера, что усложняет механическую конструкцию лазерной установки.

Относительно простым и надежным источником излучения в требуемом диапазоне частот является эксимерный лазер на KrF с длиной волны излучения 248 нм. Требуемая для медицинских целей средняя мощность излучения в несколько десятков мВт может быть получена в простых и относительно малогабаритных системах с достаточным для применения в медицине ресурсом. Лазерные медицинские установки на эксимерном лазере на KrF нашли также широкое применение в офтальмологии при лазерной коррекции зрения.

Но классическая схема накачки эксимерного лазера с поперечным разрядом не позволяет получать генерацию с частотой следования импульсов генерации выше 100-300 Гц без прокачки газовой смеси через объем резонатора лазера. Это приводит при требуемых средних мощностях излучения и длительности лазерного импульса ~ 10 нс к пиковой мощности излучения до 10 кВт, что на длине волны 248 нм приводит к быстрому разрушению светопроводящего волокна, используемого для транспортировки излучения.

Известен эксимерный лазер, описанный в работе Tutsumi Goto at all (Rev.Sci. Instrum, 66 (11), November 1995), содержащий 2-х электродную систему с предварительной ионизацией газа в рабочем объеме между электродами и импульсную схему питания с коммутатором, например тиратроном, подключенным параллельно к электродной системе. К электродам тиратрона подключена цепочка: накопительная емкость - резистор. Частоту генерации данного эксимерного лазера с поперечным разрядом для объемной накачки лазерной газовой среды повышают путем осуществления быстрой прокачки газовой активной среды через разрядный промежуток лазера. В частности, сообщается о получении мощной генерации в ХеСl эксимерном лазере с частотой следования импульсов генерации до 5 кГц. При этом скорость прокачки составляла 137 м/с.

Очевидно, что для применения в эксимерных лазерах, предназначенных для медицинских целей, такой способ повышения частоты следования импульсов генерации малопригоден, так как это приводит к увеличению габаритов установки и большому расходу газовой смеси.

В основу настоящего изобретения положена задача создания эксимерного лазера, обеспечивающего генерацию ультрафиолетового излучения в малом объеме с частотой следования импульсов 2000 Гц без прокачки газовой активной среды через объем лазера.

Поставленная задача решается тем, что в эксимерном лазере, содержащем электродную систему, импульсную схему питания с накопительной емкостью и коммутатор в виде тиратрона, согласно изобретению, электродная система содержит диэлектрическую пластину, на которой размещены электроды, при этом тиратрон последовательно подключен к накопительной емкости и электродной системе.

В эксимерном лазере, согласно изобретению, электродная система для организации объемной накачки лазерной газовой среды с поперечным объемным электрическим разрядом заменена на электродную систему, обеспечивающую накачку скользящим по поверхности диэлектрика разрядом. Это позволяет в малом объеме получить генерацию с частотой следования импульсов генерации 2000 Гц.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает электродную систему скользящего разряда;

фиг.2 - принципиальную электрическую схему эксимерного лазера.

Электродная система эксимерного лазера содержит протяженные электроды 1, 2 (фиг.1), размещенные на диэлектрической пластине 3 с образованием между ними рабочего объема с лазерной газовой средой. Один из электродов, например электрод 1, является высоковольтным, а другой электрод 2 заземлен. Диэлектрическая пластина 3 выполнена из лейкосапфира.

Схема накачки лазера содержит электродную систему с последовательно подключенными к ней коммутатором в виде тиратрона 4 (фиг.2) и накопительной емкостью С_н.

При подаче напряжения на накопительную емкость С_н происходит ее зарядка до напряжения источника питания. При срабатывании коммутатора - тиратрона 4 напряжение прикладывается на электроды 1, 2 и на поверхности диэлектрической пластины 3 образуется слой плазмы скользящего разряда толщиной 1-1,5 мм, которая является активной средой лазера. Обострительная емкость С_об может быть образована конструктивно электродами скользящего разряда, расположенными по обе стороны диэлектрика, либо путем расположения малоиндуктивных конденсаторов в разрядной камере непосредственно на разрядном промежутке, что обеспечивает минимальную индуктивность разрядного контура. Использование тиратрона 4 в качестве коммутатора позволяет резко повысить частоту следования импульсов генерации и перейти в кГц-вый диапазон.

При отсутствии зарядного сопротивления происходит укорочение переднего фронта напряжения на электродах скользящего разряда, что является достаточным условием получения генерации на эксимерной смеси. Длительность фронта импульса напряжения составляет ~ 25-30 нс.

Отличие требований накачки эксимерных лазеров от требований для накачки азотных заключается в том, что для обеспечения условий образования инверсной заселенности в эксимерном лазере требуется более высокий уровень вкладываемой в разряд мощности, т.е. сокращение времени вклада энергии в разряд. Это осуществляют путем организации малоиндуктивного разрядного контура, т.е. использованием малоиндуктивных накопителей энергии, соединением элементов схемы шинами, максимально возможным приближением элементов разрядного контура к газоразрядному промежутку.

Обеспечение большой частоты следования импульсов генерации достигается за счет образования тонкого слоя плазмы (толщина 1-1,5 мм) скользящего разряда, которая служит источником накачки лазера. Плазма скользящего разряда зажигается по поверхности сапфировой пластины, которая лежит на массивном металлическом электроде 2, который, как правило, является заземленным. Это создает оптимальные условия для теплоотвода от слоя плазмы и позволяет повышать частоту следования импульсов накачки и генерации.

Применение скользящего по поверхности диэлектрика разряда для накачки эксимерного лазера позволило впервые получить генерацию в KrF лазера на длине волны 248 нм с частотой следования импульсов генерации 2000 Гц без прокачки газовой смеси. При этой частоте и средней мощности излучения 20 мВт пиковая мощность импульсов генерации длительностью 10 нс составляет не более 1,0 кВт, что позволяет транспортировать энергию жесткого ультрафиолетового излучения от лазера в облучаемую полость по кварцевому световолокну диаметром 0,6 мм без его разрушения.

Эксимерный лазер, содержащий электродную систему, импульсную схему питания с накопительной емкостью и коммутатор в виде тиратрона, отличающийся тем, что электродная система содержит диэлектрическую пластину, на которой размещены электроды, при этом тиратрон последовательно подключен к накопительной емкости и электродной системе, а электродная система выполнена с возможностью обеспечения накачки эксимерной газовой среды скользящим по поверхности диэлектрической пластины разрядом.