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具备精准外科应用潜质的新型 2 μm光纤激光器

来源:生物谷 2017-06-01 09:34

掺铥 (Tm3+) 光纤技术的进步催生了全新的 16W全光纤 调Q激光器。这种1940 nm波长的激光极易被水吸收,非常有希望用于生物组织的精准外科手术(例如,神经外科手术)和其他材料烧蚀应用领域。

Jeff Wojtkiewicz,jwojtkiewicz@nufern.com,Coherent | Nufern 和 Matthias Schulze,matthias.schulze@coherent.com,Coherent Inc.,www.coherent.com

简介

生命科学领域看好掺铥 (Tm3+) 光纤激光器出于两大原因。首先,这种激光器输出的近红外激光的波长为 1940 nm,正处于其他直接输出激光光源的波长“空挡”。第二点,也是更为重要的一点,这个波长位于很宽的 1900 nm液态水吸收区间内。因此,在进行必要的功率调节后,Tm3+ 脉冲激光可以烧蚀含水材料,这让它在医疗和工业材料处理领域具备了广泛应用的潜质。 

在本文中,我们研究了基于 MOPA 结构的新型调Q Tm3+ 激光器,该激光器已优化为 120 ns的脉宽,在精准外科手术领域的应用潜力尤为突出。我们将特别讨论在激光器设计和制造中存在的一些主要技术挑战。然后,我们还将分析使用该激光器烧蚀模型生物组织样本(生物组织仿体)的实验室研究中得出的相关数据。

精准外科手术中的生物组织烧蚀

Thomas Milner 教授和他在德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系同事们的合作是推动该激光器研发的主要力量之一。Milner 的团队正在按计划研发“影像导航智能激光刀”,并且找到 Nufern公司(现 Coherent | Nufern),希望 Nufern公司能为他们设想的外科手术系统制造最佳的 Tm3+ 激光器。

Milner 之所以这样做,是因为希望以神经肿瘤为特例,提供一种能让精准(显微)外科手术取得更好成果的系统。Milner 表示:“难点在于,需要研发专用的成像增强工具,不仅要精准切除肿瘤细胞和组织,而且不能对邻近的正常神经结构造成任何损伤。另外,神经肿瘤所在位置周围有保护性骨结构,因此手术空间非常狭小。损伤血管并导致出血会遮挡医生视线,所以必须避免这种情况。” 

存在于内耳中的听神经肿瘤(见图 1)就是这样一种典型的神经肿瘤。随着听神经肿瘤的生长,它会挤压颜面神经和耳蜗神经,导致剧痛和面部畸形。Milner 解释说:“由于成像能力有限,外加切割和非特定烧灼工具精准度不高,传统的听神经肿瘤手术方法会损伤其他神经并造成面部变形。”

图 1.随着典型听神经肿瘤的生长,它会挤压颜面神经和耳蜗神经。通过手术切除神经肿瘤,同时不损伤这些神经,这往往是一项重大难题。

为解决这个问题,德克萨斯大学团队希望能够使用断层成像技术来区分癌性神经组织和正常神经组织,同时结合拥有卓越空间分辨率和精准度的烧灼激光。他们找到了 Tm3+ 脉冲激光,综合多种原因将它确定为理想的备选方案。首先,1940 nm这种输出波长的激光极易被水吸收,而水是所有软组织的主要成分。因此,输出的激光能量可以有效地被吸收,将烧蚀限制在非常小的局部范围。在确保极高组织切除速率的同时,保证对周围组织的损伤最小。第二,这种近红外波长可以通过光纤输送,让远程输送到难以接近的身体部分成为可能,这样也能支持许多腹腔手术应用。另外,调Q激光器能提供具有高峰值功率的短脉冲(约 120 ns),在最大程度提高组织烧蚀速率的同时,将热负荷降到最低。Milner 团队与相干公司工程师合作敲定了目标激光器的规格(平均功率 > 15W,峰值功率 > 4 kW),并认定这是显微外科手术的理想搭配。另外,这绝非空中楼阁,而是实实在在建立在掺铥 (Tm3+) 光纤激光器的基础上。

优化 Tm3+ 光纤二极管泵浦

从理论上讲,掺铥 (Tm3+) 光纤可以有许多泵浦波长。这里介绍的激光器使用公认的波长为 793 nm的最佳泵浦方法,适合这个波长的高功率 InGaAs 泵浦二极管产品非常成熟。Tm3+ 光纤激光器主要组件的示意图如图 2 所示。主振荡器 (MO) 采用光纤布拉格光栅 (FGB),并且将声光调制器 (AOM) 用作重复频率最高为100 kHz的调Q脉冲。这个振荡器由一个单管光纤耦合激光二极管(Coherent | DILAS,793 nm模块)泵浦,通过光纤合束器将多个相同的激光二极管来泵浦光纤放大器。

图 2.新型 调Q掺铥 (Tm3+) 光纤激光器的光路布局。MO:主振荡器;FA:末级放大级;AOM:声光调制器;FBG:光纤布拉格光栅。

793 nm泵浦的一大难题在于量子数亏损严重,泵浦光子能量与激光基波相差 59%。这意味着效率可能非常低;输入泵浦能量有 59% 可能会以热量的形式散失。不过,激光物理中有一种名为“交叉弛豫”的效应,一个 Tm3+ 离子的过量激发能量会传递给另一个即将激发的离子。在这样的模式下,总量子效率在理论上可以低至 9%。 

交叉弛豫的概率取决于掺杂密度;为保证离子距离足够近,Tm3+ 的浓度必须很高。不过,如果掺杂度过高,纤芯玻璃会变得非常软。另外,掺杂密度越高,纤芯折射率也会越高。为了解决这些问题,除了使用精心优化的专有掺杂度以外,我们还采用了基座光纤设计,通过在纤芯上覆盖一个内套来确保纤芯近乎于单模。

消除调制不稳定性

调制不稳定性 (MI) 是我们在设计中需要权衡的另一个重要因素。导致该问题的原因在于一个基本事实,那就是光纤在超过 1.3 μm的波长处显示异常色散。由此带来的最终后果是,主振荡器中的微小噪声源(例如,真空噪声和放大自发辐射噪声 [ASE])被放大,产生从主模式获取增益的寄生不稳定边带(见图 3)。如果不加抑制,这种不稳定性接下来还会在光纤放大器放大。另外,随着每单位体积增益的提高,MI 将呈指数级增长。如前文所述,由于采用窄(单模)纤芯而且纤芯掺杂密度较高,在我们的设计中,每单位体积增益显然很高。 

另外,MI 与腔增益光纤的长度之间也是指数关系,因此为了防止 MI,可以缩短振荡器中的光纤长度。不过,MO 中的光纤长度也有两个限制因素:(a) 目标应用要求最终输出脉宽为 120 ns左右;(b) 同时,为了减少达到目标输出功率所需的放大级数,需要尽量提高 MO 的平均输出功率。 
 
寻找能满足上述所有要求的最佳光纤长度是一个需要反复尝试的过程,最终结果证明,我们取得了圆满成功(见图 3)。通过对光纤长度的优化,尽可能降低了对MO的平均功率、脉宽和峰值功率的影响,同时中心模式与边带的比率由最初设计中的 45dB(左图)增加到了55 dB 以上。

图 3.消除调制不稳定性。主振荡器 (MO) 输出光谱在光纤长度优化前(左图)后(右图)的对比。在左图中,中心频率周围显示两条由 MI 造成的边带。

其他设计因素

还有其他两个设计方面的因素值得我们简单探讨一下:激光器中的新型光纤熔接点,以及光纤放大器 (FA) 级的性能。

为了在 MO 和 FA 中使用的无源组件和掺铥 (Tm3+) 有源光纤间提供高质量熔接点,专门开发了一些特殊程序。熔接质量通过结合使用光学显微镜、折射率轮廓测定法和激光性能/光束质量测试来进行分析。测试结果表明,传统熔接方法会导致有源光纤纤芯轻微膨胀,并且相对于基座内套,纤芯的折射率会降低。在一些情况下,这可能先后导致激光在有源光纤中的基座模式以及无源光纤中的包层模式出现放大现象;我们观察到,这会导致 MO 中产生多模激光。同样,进行反复测试是避免这种讨厌问题的关键。事实上,在激光器研发过程中,确定最佳熔接参数和检查多模激光输出是非常关键的步骤。相关细节属于专有信息,但一般而言,我们发现掺铥 (Tm3+) 有源光纤的最佳熔接点是在低电弧功率和短发弧时间环境中出现。

在放大器中,尽量降低由 ASE 和再吸收造成的功率损耗是需要关注的主要问题。通过优化泵浦功率和 FA 有源光纤的长度可以将这些损耗降到最低。在最终设计中,我们得到了 40% 的输出效率;我们使用 40W的泵浦功率获得了最高 16W的激光放大输出。此外,在脉冲重复频率(由 AOM 设定)由 30 kHz一直逐步增加到 80 kHz的过程中,平均功率几乎始终保持恒定。

图 4.在四种输出功率电平下测试的 FA 脉冲定时结果显示由高增益带来的脉冲展宽。

我们还注意到一个有趣的放大效应,那就是放大率越高,脉宽就越大。通过仔细测量时间曲线,我们确认这是由于振荡器脉冲前沿的放大率增加造成的(见图 4)。

生物组织仿体的初步研究

激光器设计在经过上文所述的改进并最终敲定后,Milner 团队利用这种新型纳秒脉冲掺铥 (Tm3+) 光纤激光器的原型机,针对它在精准烧蚀外科手术中的应用进行了探索,烧蚀对象是由水 (70%) 和明胶 (30%) 混合而成的生物组织仿体。具体来说,研究用的生物组织仿体在凝胶中嵌入了直径 500 μm的圆柱形聚合物导管,用以模拟组织中的血管。研究目标是烧蚀凝胶而不损伤这些导管,也就是说在真正手术的过程中,不会因损伤血管并导致出血而影响组织可见度。

在这项研究中,光纤输出使用全反射型准直器保证准直。然后,光束在通过双重电流计后,从非球面 ZnSe 镜头(安置在能提供远心聚焦的位置)反射出来。这样的设置能提供精准 xy 扫描、平坦的扫描场和直径 30 μm的聚焦光斑,这样就能提供每脉冲60 J/cm2的能量密度。现有文献表明,这样的能量密度在烧蚀生物组织时能做到热约束,也就是不会向周边传递过多热量。

图 5.激光烧蚀前(左图)后(右图),生物组织仿体中嵌入的导管的图像。

他们还探索了外科手术中另外一种常见的情况,即切除病灶但不损伤敏感组织结构(例如,神经)。在此研究中,他们将导管嵌入到了生物组织仿体中更深的位置。激光器又一次做到了贴近导管整齐地精准切除,并把热损伤降到最低。

总结

研发新型激光器需要克服许多困难。对于这款高功率脉冲掺铥 (Tm3+) 光纤激光器而言,意味着需要优化许多设计参数,包括基础材料特性(例如,光纤掺杂密度)、基座光纤结构、放大器中的光纤长度,以及精心优化需熔接在一起的组件。不过,如果不能更好地满足现实应用需要的话,这样的研究将只能停留在学术活动层面。我们不必担心这个问题,因为我们研究的技术有望在显微外科手术工具中应用,并改善神经肿瘤治疗的效果。(生物谷Bioon.com)

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