منابع نور مبتنی بر لیزر دیود برای کاربردهای زیست پزشکی

1. معرفی

از زمان نمایش عملی لیزر توسط تئودور میمن در سال 1960 1 ، دامنه کاربردها به شدت افزایش یافته است. با پیشرفت در تولید و همچنین عملکرد ، لیزرهای دیود نیز به طور فزاینده ای جذاب شدند. با توجه به پمپاژ مستقیم الکتریکی ، لیزرهای دیود تاکنون کارآمدترین منابع نوری هستند که در حال حاضر 2 ، 3 موجود هستند.   بر اساس فن آوری تراشه ، آنها می توانند در تعداد بالا و با هزینه کم تولید شوند. ابعاد آنها تنها چند mm3 سیستم لیزر بسیار فشرده را امکان پذیر می کند. همه این ویژگی ها پتانسیل کاربرد آنها از جمله برنامه های زیست پزشکی را افزایش می دهد. برنامه های کاربردی از تصویربرداری و تشخیص ، به عنوان مثال ، توموگرافی انسجام نوری 4 ، تصویربرداری با طول عمر فلورسانس 5 ، تصویربرداری نوری پراکنده 6 ، تصویربرداری THz 7 ، تصویربرداری با لیزر داپلر 8 یا طیف سنجی رامان ، تا مستقیم درمان مانند فوتوآگولاسیون 10 ، درمان پویا عکس 11 یا زیست توده و زیست فعال سازی 12.

در مقایسه با لیزرهای محدود به انتقال اتمی خاص ، لیزرهای دیود دامنه طیفی بسیار وسیع تری را پوشش می دهند. بسته به نیمه هادی های ترکیب مورد استفاده و ترکیب آنها ، طول موج انتشار نیمه هادی های مرکب III ‐ V معمولی از آبی تا نزدیک near مادون قرمز (400 نانومتر - 2 میکرومتر ، 13) متغیر است. اگرچه حالتهای جانبی طیفی در جریانهای بالاتر 14 به اندازه کافی سرکوب می شوند ، کاربرد لیزرهای دیود ممکن است با ویژگیهای طیفی آنها محدود شود. در این موارد ، پهنای باند انتشار می تواند باریک باشد ، به عنوان مثال ، با استفاده از بازخورد ذاتی 15 یا خارجی 16. در حالت دوم ، علاوه بر قابلیت تنظیم به دست آمده با تنظیم جریان تزریق یا میزان انتشار ، می توان انتشار یک حالته را تنظیم کرد که در چندین ده نانومتر 17 تنظیم شده است. دمای لیزر

علیرغم تعداد طول موجهایی که با لیزرهای دیود قابل دستیابی است ، ممکن است توان خروجی کافی نباشد. علاوه بر این ، طول موجهای دیگر ، به ویژه در محدوده قابل مشاهده ، به دلیل عدم وجود ساختارهای لیزر موجود ممکن است دست یافتنی نباشد. یک گزینه همچنین برای دستیابی به این طول موجها یا افزایش توان خروجی در یک منطقه طیفی خاص ، تبدیل فرکانس غیرخطی 18 است ، همانطور که در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است. گزینه های دیگر لیزرهای نیمه هادی نوری 19 یا لیزر حالت جامد 20 پمپاژ نوری هستند ، اگرچه در بررسی حاضر پوشش داده نشده است. با توجه به تحریک نوری ، این لیزرها در مقایسه با لیزرهای دیود پمپ برقی 21 ، بازده نوری را کاهش می دهند.

توان خروجی و پارامترهای انتشار پرتو (M2) لیزرهای دیود به طراحی ساختارهای نیمه هادی بستگی دارد. پرتوهای محدود با پراش تقریباً با لیزر موج ریج (RW) و لیزرهای دیود ضخیم بدست می آیند. در حالی که توان خروجی لیزرهای RW به 1-2 W 22 محدود شده است ، بیش از 10 W با لیزرهای ضربدار حاصل می شود. 23- انتشار توان زیاد نیز با لیزرهای دیود منطقه 24 (BA) با دیودهای 24 یا دیودهای لیزری دیود و پشته ها حاصل می شود. با این حال ، این دستگاه ها به طور معمول کیفیت پرتوهای کاهش یافته را نشان می دهند که ممکن است با بازخورد اضافی بهبود یابد

همه این دستگاه ها لیزرهای دیود ساطع کننده لبه هستند ، یعنی انتشار انتشار لیزر تولید شده بصورت هواپیما با سطح بستر 27 است. در لیزرهای دیود ساطع کننده سطح ، همچنین به عنوان لیزرهای انتشار سطح حفره عمودی (VCSEL) شناخته می شوند ، جهت انتشار طبیعی است. به سطح بستر. حفره نوری آنها کوتاه است و بازتابی از جنبه صورت زیاد است ، در نتیجه جریانهای آستانه کم 27 وجود دارد. قدرت خروجی به طور معمول در دامنه میلی وات است اما می توان با پمپاژ نوری در لیزرهای به اصطلاح عمودی حفره خارجی عمودی افزایش داد (VECSEL) 28 در مقایسه با لیزرهای دیود ساطع شده حاشیه ای که در این مقاله توضیح داده شده است ، عامل چالش برانگیز به سمت قدرت زیاد ، نزدیک به پراش - انتشار محدود از VCSEL حذف حرارت مناسب از ناحیه فعال 29 است.

علاوه بر انتشار موج مداوم (CW) ، لیزرهای دیود ممکن است در حالت پالس نیز عمل شوند. انتشار پالس توسط حالت قفل 34 ، Q Q سوئیچینگ 31 یا به صورت مستقیم تر با افزایش gain تعویض 32 حاصل می شود. این تکنیک ها تولید pico‐ به پالس های femtosecond با نرخ تکرار در دامنه گیگاهرتز را ممکن می سازند. در مقایسه با سایر لیزرهای دارای حالت قفل شده یا Q، ، طول عمر بالای سطح نانو ثانیه ای 33 باعث کاهش انرژی پالس به دست آمده از لیزرهای دیود 34 می شود. با این حال ، پالس های تولید شده با قدرت حداکثر 50 W اوج 35 برای برنامه هایی مانند به عنوان اندازه گیری فلورسانس ، که در بررسی حاضر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

ویژگی های فوق الذکر ، یعنی قدرت خروجی ، خواص پرتوی ، پوشش طیف طول موج و قابلیت تنظیم ، فشردگی و کم هزینه بودن ، باعث شده است که فناوری لیزر دیود متنوع و بطور فزاینده ای در زمینه بیولوژیک کاربرد داشته باشد. در این بررسی ، ما مروری بر وضعیت لیزرهای دیود ساطع کننده لبه دیود و استفاده از آنها در برنامه های کاربردی اصلی زیست پزشکی ارائه می دهیم. در پایان ، ما چشم انداز آینده چشم انداز لیزرهای دیود را برای کاربردهای نوظهور در زمینه زیست پزشکی ارائه می دهیم.