eng
Выпуск #1/2012
Л.Воробьев, А.Софронов, Д.Фирсов, Д.Демидов, Р.Леус, М.Свердлов и др.
Лазерные диоды для фотодинамической терапии
Лазерные диоды для фотодинамической терапии
Просмотры: 2864
Разработаны новые высокоэффективные полупроводниковые лазеры с выходной оптической мощностью более 1 Вт для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии. Источники работают на длине волны 665 нм, соответствующей пику поглощения фотосенсибилизатора.
Мощные полупроводниковые лазерные диоды широко используются в разных областях науки, техники, медицины. В последние годы лазерные диоды находят новые применения в современных медицинских технологиях. ЗАО "Полупроводниковые приборы" разработало новые высокоэффективные полупроводниковые лазеры с выходной оптической мощностью более 1 Вт для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии (рис.1). При использовании этого метода опухолевая ткань подвергается одновременному воздействию фотосенсибилизатора и излучения мощного полупроводникового лазера с длиной волны генерации, совпадающей с пиком спектра поглощения фотосенсибилизатора. Один из наиболее эффективных фотосенсибилизаторов – это фотосенсибилизатор на основе водорастворимой формы хлорина E6 с пиком поглощения в области длины волны 665 нм. Облучение опухолевых тканей, в которых избирательно накапливается фотосенсибилизатор, лазерным излучением в этой спектральной области приводит с вероятностью 89% к регрессу злокачественных образований.
Настоящая работа посвящена результатам разработки полупроводникового лазера для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии. Прибор обладает следующими характеристиками: длина волны излучения в максимуме спектра 665±5 нм, ширина линии менее 3 нм, мощность излучения более 1 Вт, непрерывный режим работы при комнатной температуре, узкая диаграмма направленности для эффективного ввода излучения в световод или фокусировки излучения, срок службы более 5000 часов, высокий КПД и слабая зависимость параметров от температуры. Лазерные диоды изготавливаются на основе фосфорсодержащих двойных наногетероструктур с раздельным электронным и оптическим ограничением и со встроенной в центре структуры квантовой ямой GaInP шириной 70–100 Å (рис.2).
Предлагаемая схема позволяет варьировать длину волны излучения как благодаря изменению состава x твердого раствора In1-xGaxP, так и благодаря изменению ширины квантовой ямы LQW. Известно, что это приводит к изменению энергетических уровней размерного квантования электронов Ee1 и дырок Ehh1. Напомним, что энергия кванта излучения hν( x, LQW ) = Eg(x) + Ee1 ( LQW) +
+ Ehh1 ( LQW ).
Структура выращивалась методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs. Более детальное описание аналогичных по дизайну структур и условий их выращивания дано в работе [1]. Такая конструкция обладает рядом преимуществ по сравнению с конструкцией, имеющей широкий полосковый контакт. В лазерных диодах с широким полосковым контактом могут образовываться так называемые "филаменты" [2], связанные с различного типа неоднородностями. В результате в процессе стимулированного излучения может случиться резкое изменение условий генерации и переключение областей генерации, что приведет к низкочастотным осцилляциям интенсивности излучения, профиля излучения в ближнем и дальнем поле. Описанное явление ухудшает пространственно-временную стабильность излучения. Предлагаемая конструкция лазерного диода (рис.3) улучшает характеристики лазера. Вместо обычного широкого полоскового контакта предложена конструкция типа "мелкая меза с дополнительной изоляцией" с более узким полосковым контактом. Контактную область со стороны p-слоя можно рассматривать как систему связанных полосковых излучателей с коэффициентом связи, который может регулироваться изменением глубины травления мезы. Травление структуры до нужной глубины осуществлялось с помощью ионного травления пучком ионов аргона с энергией до 1000 эВ через маску фоторезиста. Многослойное покрытие задней грани обеспечивало коэффициент отражения более 95%, передняя грань лазерного диода просветлялась так, что коэффициент отражения был равен 10%. В предложенной конструкции формируются стабильные во времени каналы протекания тока, что позволяет получить пространственно-временную стабильность характеристик излучения лазерного диода.
Распределение интенсивности в дальнем поле в плоскости, перпендикулярной плоскости p–n-перехода, представляет собой гладкую кривую с угловой полушириной примерно 32˚, в то время как в плоскости p–n-перехода полуширина диаграммы направленности составляет примерно 6˚ (рис.4). Типичный спектр стимулированного излучения лазерного диода показан на рис.5. Как видно, полуширина линии излучения не превышает значения 1 нм. Пороговый ток для лазерного диода составляет 1,3 A и 2 A при 20˚С и 50˚С соответственно, а плотность порогового тока 244 и 375 А/см2 для двух указанных температур. Характеристическая температура, определяющая рост порогового тока с ростом температуры, равна T0 = 70˚C. Мощность излучения в 1 Вт достигается при токе 2,5 А (рис.6).
Изучение шумовых характеристик лазерных диодов с системой полосковых излучателей позволило найти, что в диапазоне частот 30 Гц – 30 Мгц оптические шумы, связанные с указанными выше осцилляциями, не превышают 0,5%. В то же время шумы для лазеров с широким полосковым контактом значительно больше и достигают значений 5–10%.
Благодаря фиксации каналов протекания тока и отсутствию флуктуаций распределение оптической мощности по зеркалу является более однородным, чем в случае лазера с широким полосковым контактом, что увеличивает срок службы лазерных диодов. Было изучено изменение оптической мощности лазерного диода от времени в интервале до 1000 часов при плотности оптической мощности 10 мВт на 1 мкм ширины излучающей площадки при рабочей температуре 20˚С (рис.7). Анализ данных показал, что ожидаемый срок службы лазерных диодов составляет более 10000 часов.
На основе лазерных диодов с системой связанных полосковых излучателей были также разработаны лазерные системы, включающие лазерный диод с микролинзой, фотодиод обратной связи, радиатор воздушного охлаждения, набор фокусирующей оптики, программируемый драйвер на основе микропроцессора.
Таким образом, лазерные диоды с системой полосковых излучателей, разработанные авторами, по своим характеристикам выгодно отличаются от лазерных диодов с широким полосковым контактом. Они имеют высокую температурную и пространственно-временную стабильность излучения в ближнем и дальнем полях, большой срок службы, меньший уровень шумов. Эти лазерные диоды удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам излучения для фотодинамической терапии с использованием фотосенсибилизатора второго поколения.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (договор №13.G25.31.0055 с Министерством образования и науки Российской Федерации) [3].
ЛИТЕРАТУРА
Карпов, С.Ю. Линейки мощных полупроводниковых лазеров, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии/ Карпов С.Ю., де ла Круз Г., Мячин В.Е. и др. – Письма в ЖТФ, 1991, т.17, № 7, с. 31.
Chow W.W. Filamentation in conventional double heterostructure and quantum well semiconductor lasers / W.W. Chow, D. Depatie. – IEEE J. Quantum Electron., 1988,v.24, iss.7, p.1297 .
Воробьев Л., Софронов А., Фирсов Д. и др. Лазерные диоды для фотодинамической терапии. – Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 2011, №2, с.80.
Настоящая работа посвящена результатам разработки полупроводникового лазера для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии. Прибор обладает следующими характеристиками: длина волны излучения в максимуме спектра 665±5 нм, ширина линии менее 3 нм, мощность излучения более 1 Вт, непрерывный режим работы при комнатной температуре, узкая диаграмма направленности для эффективного ввода излучения в световод или фокусировки излучения, срок службы более 5000 часов, высокий КПД и слабая зависимость параметров от температуры. Лазерные диоды изготавливаются на основе фосфорсодержащих двойных наногетероструктур с раздельным электронным и оптическим ограничением и со встроенной в центре структуры квантовой ямой GaInP шириной 70–100 Å (рис.2).
Предлагаемая схема позволяет варьировать длину волны излучения как благодаря изменению состава x твердого раствора In1-xGaxP, так и благодаря изменению ширины квантовой ямы LQW. Известно, что это приводит к изменению энергетических уровней размерного квантования электронов Ee1 и дырок Ehh1. Напомним, что энергия кванта излучения hν( x, LQW ) = Eg(x) + Ee1 ( LQW) +
+ Ehh1 ( LQW ).
Структура выращивалась методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs. Более детальное описание аналогичных по дизайну структур и условий их выращивания дано в работе [1]. Такая конструкция обладает рядом преимуществ по сравнению с конструкцией, имеющей широкий полосковый контакт. В лазерных диодах с широким полосковым контактом могут образовываться так называемые "филаменты" [2], связанные с различного типа неоднородностями. В результате в процессе стимулированного излучения может случиться резкое изменение условий генерации и переключение областей генерации, что приведет к низкочастотным осцилляциям интенсивности излучения, профиля излучения в ближнем и дальнем поле. Описанное явление ухудшает пространственно-временную стабильность излучения. Предлагаемая конструкция лазерного диода (рис.3) улучшает характеристики лазера. Вместо обычного широкого полоскового контакта предложена конструкция типа "мелкая меза с дополнительной изоляцией" с более узким полосковым контактом. Контактную область со стороны p-слоя можно рассматривать как систему связанных полосковых излучателей с коэффициентом связи, который может регулироваться изменением глубины травления мезы. Травление структуры до нужной глубины осуществлялось с помощью ионного травления пучком ионов аргона с энергией до 1000 эВ через маску фоторезиста. Многослойное покрытие задней грани обеспечивало коэффициент отражения более 95%, передняя грань лазерного диода просветлялась так, что коэффициент отражения был равен 10%. В предложенной конструкции формируются стабильные во времени каналы протекания тока, что позволяет получить пространственно-временную стабильность характеристик излучения лазерного диода.
Распределение интенсивности в дальнем поле в плоскости, перпендикулярной плоскости p–n-перехода, представляет собой гладкую кривую с угловой полушириной примерно 32˚, в то время как в плоскости p–n-перехода полуширина диаграммы направленности составляет примерно 6˚ (рис.4). Типичный спектр стимулированного излучения лазерного диода показан на рис.5. Как видно, полуширина линии излучения не превышает значения 1 нм. Пороговый ток для лазерного диода составляет 1,3 A и 2 A при 20˚С и 50˚С соответственно, а плотность порогового тока 244 и 375 А/см2 для двух указанных температур. Характеристическая температура, определяющая рост порогового тока с ростом температуры, равна T0 = 70˚C. Мощность излучения в 1 Вт достигается при токе 2,5 А (рис.6).
Изучение шумовых характеристик лазерных диодов с системой полосковых излучателей позволило найти, что в диапазоне частот 30 Гц – 30 Мгц оптические шумы, связанные с указанными выше осцилляциями, не превышают 0,5%. В то же время шумы для лазеров с широким полосковым контактом значительно больше и достигают значений 5–10%.
Благодаря фиксации каналов протекания тока и отсутствию флуктуаций распределение оптической мощности по зеркалу является более однородным, чем в случае лазера с широким полосковым контактом, что увеличивает срок службы лазерных диодов. Было изучено изменение оптической мощности лазерного диода от времени в интервале до 1000 часов при плотности оптической мощности 10 мВт на 1 мкм ширины излучающей площадки при рабочей температуре 20˚С (рис.7). Анализ данных показал, что ожидаемый срок службы лазерных диодов составляет более 10000 часов.
На основе лазерных диодов с системой связанных полосковых излучателей были также разработаны лазерные системы, включающие лазерный диод с микролинзой, фотодиод обратной связи, радиатор воздушного охлаждения, набор фокусирующей оптики, программируемый драйвер на основе микропроцессора.
Таким образом, лазерные диоды с системой полосковых излучателей, разработанные авторами, по своим характеристикам выгодно отличаются от лазерных диодов с широким полосковым контактом. Они имеют высокую температурную и пространственно-временную стабильность излучения в ближнем и дальнем полях, большой срок службы, меньший уровень шумов. Эти лазерные диоды удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам излучения для фотодинамической терапии с использованием фотосенсибилизатора второго поколения.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (договор №13.G25.31.0055 с Министерством образования и науки Российской Федерации) [3].
ЛИТЕРАТУРА
Карпов, С.Ю. Линейки мощных полупроводниковых лазеров, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии/ Карпов С.Ю., де ла Круз Г., Мячин В.Е. и др. – Письма в ЖТФ, 1991, т.17, № 7, с. 31.
Chow W.W. Filamentation in conventional double heterostructure and quantum well semiconductor lasers / W.W. Chow, D. Depatie. – IEEE J. Quantum Electron., 1988,v.24, iss.7, p.1297 .
Воробьев Л., Софронов А., Фирсов Д. и др. Лазерные диоды для фотодинамической терапии. – Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 2011, №2, с.80.
Отзывы читателей
