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Tm:YAG x Yb:YAG para o desenvolvimento de lasers médicos e cirúrgicos
Dois comprimentos de onda, pontos de partida diferentes
Uma fonte destinada a aquecer tecidos ricos em água e outra destinada a produzir pulsos ultracurtos altamente focados enfrentam problemas de projeto distintos. O Tm:YAG e o Yb:YAG entram nessas discussões por motivos diferentes: o túlio proporciona emissão próxima a 2 µm, onde a absorção pela água é considerável, enquanto o itérbio opera comumente próximo a 1030 nm e permite fontes eficientes bombeadas por diodo, incluindo osciladores e amplificadores ultrarrápidos.
Ambos utilizam um cristal hospedeiro de granada de ítrio-alumínio. Além desse material em comum, a bomba, o ressonador, o sistema de resfriamento e o caminho de transmissão podem apresentar características bastante diferentes. Para uma equipe que desenvolve seu próprio cabeçote de laser, a comparação útil começa com a potência necessária no local do tratamento e segue de forma retroativa até o cristal.
O que o comprimento de onda altera
A luz próxima ao comprimento de onda de saída de um cristal Tm:YAG é absorvida pela água de forma muito mais intensa do que a luz próxima a 1.030 nm. Isso torna o aquecimento mediado pela água relevante para sistemas de corte de tecidos e tratamento de cálculos. A região aquecida pode se vaporizar ou sofrer outras alterações à medida que a energia se acumula, dependendo do alvo e da exposição.
A absorção óptica superficial não significa necessariamente uma zona superficial de dano térmico. O calor continua a se propagar após a absorção, e a irradiação repetida pode aquecer o material circundante. Um feixe estacionário, uma ponta de fibra em movimento e uma sequência de pulsos podem, portanto, produzir resultados diferentes no mesmo comprimento de onda. A duração do pulso, a potência média, a irrigação e o movimento devem todos constar no registro experimental.
Perto de 1030 nm, a água apresenta absorção relativamente fraca. Com pulsos suficientemente curtos e foco bem restrito, a absorção não linear pode, em vez disso, concentrar a energia ao redor do foco e iniciar a ruptura óptica. Essa é uma via diferente para a ruptura do material em comparação com o aquecimento sustentado mediado pela água. Para produzi-la, é necessário controlar a duração do pulso, o foco e a energia fornecida; um cristal de Yb:YAG por si só não estabelece a interação.
Isso também limita o que pode ser inferido da literatura médica. Um artigo clínico que descreva um instrumento de femtossegundo pode ajudar a explicar um procedimento sem identificar seu cristal de laser. Evidências de uma plataforma cirúrgica completa não devem ser usadas para atribuir o mesmo desempenho a todas as fontes que operam perto de um micrômetro.
A bomba e o cristal devem ser escolhidos em conjunto
O Tm:YAG é comumente bombeado por diodo próximo a 785 nm. Em condições adequadas, o relaxamento cruzado permite que um íon de túlio excitado transfira energia para um íon vizinho, deixando dois íons no nível superior do laser. Esse processo “dois por um” melhora a utilização da bomba, mas sua eficácia depende da concentração do dopante e das condições operacionais.
Isso cria um compromisso prático em relação à concentração. Alterar o teor de túlio modifica tanto a transferência de energia quanto a absorção da bomba ao longo do cristal. Uma haste mais curta e mais fortemente dopada não se comportará necessariamente como uma haste mais longa com menor dopagem, mesmo quando ambas absorvem uma fração semelhante da luz de bombeamento incidente. Suas distribuições de temperatura e o comportamento do ressonador podem diferir.
Um cristal de Yb:YAG é frequentemente bombeado próximo a 940 ou 969 nm para obter uma saída em torno de 1030 nm. A diferença relativamente pequena de energia entre os fótons de bombeamento e os do laser ajuda a limitar a geração de calor associada a essa diferença. Outras perdas ainda produzem calor; portanto, um baixo defeito quântico não deve ser interpretado como permissão para simplificar o sistema de resfriamento.
O Yb:YAG também apresenta reabsorção no comprimento de onda do laser. A temperatura, o dopamento e a distância percorrida pelo meio de ganho afetam o equilíbrio entre absorção e ganho. O comprimento de onda de bombeamento e a largura espectral do diodo, portanto, devem ser considerados na discussão sobre o cristal, em vez de serem selecionados após o pedido da haste ou do disco.
| Questão de projeto | Tm:YAG | Yb:YAG |
|---|---|---|
| Região de saída usual | Perto de 2 µm | Perto de 1030 nm |
| Comprimentos de onda comuns de bombeamento por diodo | Por volta de 785 nm | Por volta de 940 ou 969 nm |
| Comportamento do material que afeta o projeto | Relaxamento cruzado, absorção de bombeamento e reabsorção | Baixo defeito quântico, reabsorção e ganho dependente da temperatura |
| Formatos de fonte | Lasers de cristal maciço de onda contínua e pulsados | Sistemas de onda contínua, com comutação Q, com bloqueio de modo e amplificadores |
| Problema de transmissão a ser resolvido | Transmissão por fibra, acoplamento e aquecimento da ponta distal | Para pulsos ultracurtos, efeitos de dispersão e não-linares, bem como transmissão |
A formação de pulsos acrescenta mais um conjunto de opções
O Tm:YAG não deve ser tratado exclusivamente como um material para litotripsia pulsada. Sistemas de onda contínua e pulsados atendem a finalidades diferentes, e seus resultados não podem ser agrupados simplesmente porque compartilham um comprimento de onda. Um estudo PEARLS in vitro, por exemplo, examinou a produção de pó de cálculo utilizando um dispositivo Tm:YAG pulsado específico. Suas conclusões descrevem essa fonte, o arranjo de transmissão e o protocolo de teste.
A mesma distinção se aplica entre o Tm:YAG e os lasers de fibra de túlio. Uma fibra confina a luz ao longo de um núcleo dopado e distribui o calor por uma longa região de ganho. Um cristal maciço utiliza uma geometria de bombeamento e um ressonador diferentes. Evidências para um podem sugerir questões que valem a pena testar no outro, mas não podem fornecer as medições de pulso ou térmicas que faltam.
O Yb:YAG demonstrou operação em femtossegundos em osciladores de disco fino; no entanto, uma fonte ultrarrápida requer mais do que um meio de ganho apropriado. O bloqueio de modo, a compensação de dispersão e quaisquer estágios de amplificação ou compressão determinam o pulso que sai do instrumento. Um pulso curto medido no oscilador pode se alargar em outro ponto do caminho óptico.
Por essa razão, a duração do pulso deve ser medida onde ela é relevante para o projeto. A energia por si só pode ocultar uma mudança na intensidade de pico causada pelo alargamento do pulso, assim como a potência média pode ocultar mudanças em pulsos individuais.
A remoção e o fornecimento de calor estabelecem limites práticos
O aumento da potência de saída traz à tona a questão do suporte do cristal. Uma haste resfriada ao redor de seu perímetro desenvolve uma distribuição de temperatura diferente daquela de um disco fino resfriado por sua superfície posterior. Projetos com discos finos podem encurtar o caminho de remoção de calor, enquanto passagens repetidas da bomba compensam a absorção limitada em uma única passagem. Eles também exigem seus próprios arranjos de montagem, revestimento e óptica da bomba.
A questão relevante é como o cabeçote montado se comporta à medida que se aquece. Alterações no tamanho do feixe, no direcionamento ou na estabilidade da potência de saída podem revelar efeitos térmicos que um breve teste de partida a frio não detecta. Testar no ciclo de operação pretendido é especialmente útil quando o sistema alterna entre o modo de espera e sequências repetidas de tratamento.
A transmissão, por sua vez, acrescenta perdas e possíveis pontos de dano. A transmissão por fibra de sílica é prática em torno de 2 µm, mas a composição da fibra, o comprimento, as condições de curvatura e o preparo das extremidades afetam o desempenho. Uma ponta contaminada ou um lançamento inadequado podem criar um problema de aquecimento local, mesmo quando a saída da fonte permanece estável.
A 1030 nm, a transmissão pela fibra de sílica é geralmente favorável, embora pulsos ultracurtos introduzam dispersão e restrições não lineares. A transmissão em espaço livre evita alguns problemas relacionados à fibra, mas acrescenta exigências de alinhamento e encapsulamento. Nenhuma das duas opções pode ser selecionada com base apenas no comprimento de onda.
Do projeto da fonte à consulta sobre o cristal
No momento em que uma equipe de desenvolvimento solicita uma cotação, o arranjo da bomba e a potência pretendida devem estar suficientemente claros para discutir uma peça específica. Para aquisição por meio de Stanford Advanced Materials (SAM), informações iniciais úteis incluem a concentração de dopante necessária, a forma e as dimensões do cristal, o comprimento de onda da bomba, o comprimento de onda de operação e o arranjo de resfriamento.
O desenho óptico inclui a geometria da face, as tolerâncias dimensionais, a qualidade da superfície e os revestimentos. Quando for necessária a orientação cristalográfica, ela deve ser indicada explicitamente. O YAG é cúbico; portanto, um “eixo óptico” não especificado não é um substituto adequado para uma direção cristalográfica.
As especificações do revestimento precisam corresponder ao uso proposto. Um valor de limiar de dano sem indicação de comprimento de onda, duração do pulso, tamanho do ponto e método de teste deixa muitas questões sem resposta. A consulta também deve distinguir um cristal sem revestimento de uma peça revestida, colada ou montada, uma vez que essas aquisições envolvem verificações de aceitação diferentes.
Uma primeira amostra pode então ser avaliada no cabeçote pretendido, com os resultados registrados no histórico do lote. A saída após o aquecimento, a qualidade do feixe, o comportamento do pulso e as perdas no conjunto de distribuição fornecem uma base para avaliar entregas posteriores. Se uma peça de reposição apresentar comportamento diferente, esses registros facilitam a investigação do cristal, do revestimento, da montagem ou da bomba, em vez de alterar várias variáveis de uma só vez.
Referências
- Constantes ópticas da água na região de comprimentos de onda de 200 nm a 200 µm.
- Lasers Tm:YAG e Tm:LuAG eficientes bombeados por diodos cônicos de 681 nm.
- Supressão do relaxamento fonônico não linear em disco fino de Yb:YAG por meio de bombeamento de linha com zero fonões.
- Potência média de 60 W em pulsos de 810 fs de um laser Yb:YAG de disco fino.
- Laser pulsado de túlio:YAG — Qual é a eficiência de ablação por litotripsia para pó de cálculos urinários humanos? Resultados de um estudo PEARLS in vitro.
