لیزر دیود برای کاربردهای پزشکی

معرفی

از زمان اولین نمایش عملی لیزر توسط تئودور مایمن در سال 1960 1 ، دامنه کاربردها به شدت افزایش یافته است. با پیشرفت در تولید و همچنین عملکرد ، لیزرهای دیود نیز جذاب تر می شوند. به دلیل پمپاژ الکتریکی مستقیم ، لیزرهای دیود بسیار کارآمدترین منابع نوری هستند که در حال حاضر در دسترس هستند. 2 ، 3. براساس تکنولوژی تراشه ، می توان آنها را در تعداد بالا و با هزینه کم تولید کرد. ابعاد آنها فقط چند میلی متر مکعب سیستم های لیزری بسیار جمع و جور را امکان پذیر می کند.   همه این ویژگی ها پتانسیل کاربرد آنها را افزایش می دهد ، از جمله برنامه های زیست پزشکی. این برنامه ها از تصویربرداری و تشخیص ، از جمله توموگرافی انسجام نوری 4 ، تصویربرداری فلورسانس در طول عمر 5 ، تصویربرداری نوری منتشر 6 ، تصویربرداری THz 7 ، تصویربرداری داپلر لیزری 8 یا طیف سنجی رامان ، تا درمان مستقیم مانند فوتو انعقاد 10 ، درمان پویای عکس 11 یا 12. تعدیل زیستی و فعال سازی زیستی

در مقایسه با لیزرهای محدود شده به انتقال اتمی خاص ، لیزرهای دیود طیف طیفی بسیار گسترده تری را پوشش می دهند. بسته به نیمه هادیهای ترکیبی مورد استفاده و ترکیب آنها ، طول موجهای انتشار نیمه هادیهای ترکیبی معمولی III-V از آبی تا مادون قرمز نزدیک است (400 نانومتر - 2 میکرومتر ، 13). اگرچه حالتهای کناری طیفی در جریانهای بالاتر به اندازه کافی سرکوب می شوند ، اما استفاده از لیزرهای دیود ممکن است توسط خصوصیات طیفی آنها محدود شود. در این موارد ، می توان پهنای باند انتشار را کاهش داد ، به عنوان مثال ، با ذات 15 یا بازخورد خارجی 16. دومی همچنین می تواند انتشار یک حالت را تنظیم کند که در چندین ده نانومتر 17 تنظیم می شود ، علاوه بر قابلیت تنظیم به دست آمده با تنظیم جریان تزریق یا دمای لیزر

با وجود تعداد طول موج هایی که می توان با لیزرهای دیود قابل دسترسی بود ، ممکن است توان خروجی کافی نباشد. علاوه بر این ، طول موج های دیگر ، به ویژه در محدوده مرئی ، به دلیل کمبود ساختارهای لیزر موجود ، ممکن است قابل دستیابی نباشد. یک گزینه نیز برای دستیابی به این طول موج ها یا افزایش توان خروجی در یک منطقه طیفی خاص ، تبدیل فرکانس غیرخطی 18 است ، همانطور که در این مقاله بحث شد. گزینه های دیگر لیزر نیمه هادی نیمه هادی پمپ شده 19 یا لیزر حالت جامد 20 است ، اگرچه در بررسی حاضر شامل آنها نمی شود. به دلیل تحریک نوری ، این لیزرها کارایی نوری را در مقایسه با لیزرهای دیود پمپ شده الکتریکی 21 کاهش می دهند.

توان خروجی و پارامترهای انتشار پرتو (M2) لیزرهای دیود به شدت به طراحی ساختارهای نیمه هادی بستگی دارد. پرتوهای تقریباً پراش محدود با لیزرهای موجبر رج (RW) و دیودهای مخروطی بدست می آیند. در حالی که توان خروجی لیزرهای RW به 1-2 W 22 محدود می شود ، بیش از 10 W با لیزرهای مخروطی حاصل می شود. 23 انتشار زیاد با ولتاژ وسیع (BA) لیزرهای دیود 24 یا میله های لیزر دیود و پشته ها 25 با این حال ، این دستگاه ها به طور معمول کیفیت پرتوی کاهش یافته را نشان می دهند که ممکن است با بازخورد اضافی بهبود یابد 26.

همه این دستگاه ها لیزرهای دیود ساطع کننده لبه هستند ، یعنی انتشار لیزر تولید شده در سطح با سطح بستر 27 است. در لیزرهای دیود ساطع کننده سطح ، همچنین به عنوان لیزرهای ساطع کننده سطح عمقی حفره (VCSEL) شناخته می شوند ، جهت انتشار طبیعی است به سطح بستر حفره های نوری آنها کوتاه و بازتابنده های وجهی بالا هستند ، در نتیجه جریان های آستانه کم 27. توان خروجی معمولاً در محدوده میلی وات است اما با پمپاژ نوری در لیزرهای به اصطلاح عمودی سطح حفره خارجی (VECSEL) 28 می توان به میزان قابل توجهی افزایش داد در مقایسه با لیزرهای دیود ساطع کننده لبه که در این مقاله توضیح داده شده است ، عامل چالش برانگیز در برابر انتشار پرقدرت ، نزدیک به پراش محدود از VCSEL ها ، حذف حرارت مناسب از منطقه فعال 29 است.

علاوه بر انتشار موج پیوسته (CW) ، لیزرهای دیود ممکن است در حالت پالس نیز کار کنند. انتشار پالسی با قفل کردن حالت 34 ، سوئیچینگ Q 31 یا به روش مستقیم تر با تغییر سوئیچ 32 بدست می آید. این تکنیک ها تولید پالس های پیکو به فمتوسکند را با سرعت تکرار در محدوده گیگاهرتز امکان پذیر می کنند. در مقایسه با سایر لیزرهای حالت قفل شده یا Q-switched ، طول عمر بالای نانوثانیه در حالت فوقانی پایین باعث کاهش انرژی پالس به دست آمده از لیزرهای دیود 34 می شود. با این حال ، پالس های تولید شده با حداکثر توان 50 وات 35 برای کاربردهایی مانند به عنوان اندازه گیری فلورسانس ، که در بررسی حاضر بحث خواهد شد.

ویژگی های ذکر شده در بالا ، به عنوان مثال ، قدرت خروجی ، ویژگی های پرتو ، پوشش طیفی موج و قابلیت تنظیم ، فشردگی و هزینه کم ، فناوری لیزر دیود را به طور خاص همه کاره و به طور فزاینده ای در زمینه پزشکی پزشکی قابل استفاده می کند. در این بررسی ، ما مروری داریم بر لیزرهای دیود ساطع کننده پیشرفته ترین لبه ها و استفاده از آنها در برنامه های کلیدی زیست پزشکی. در پایان ، ما چشم انداز آینده لیزرهای دیود را برای برنامه های در حال ظهور در زمینه زیست پزشکی ارائه می دهیم.