چگونه لیزرهای دیودی سبز سیستم ­های تشخیص پزشکی را تغییر دادند؟
لیزرهای دیودی سبز مستقیم[1] با طول­ موج خروجی 488 نانومتر، بتدریج جایگزین لیزرهای به مراتب پیچیده ‌تر حالت جامد با دمش دیودی[2] (DPSS)‌ در سیستم های فلوسایتومتری شده اند.
چگونه لیزرهاي دیودي سبز سیستم ­های تشخیص پزشکی را تغيير دادند؟

لیزرهای ديودي سبز مستقیم[1] با طول­ موج خروجی 488 نانومتر، بتدريج جایگزین لیزرهای به مراتب پیچیده ‌تر حالت جامد با دمش دیودی[2] (DPSS)‌ در سیستم های فلوسایتومتری شده اند. این امر سبب می شود در آینده سایتومترها و محصولات تشخیصی ارزان‌ تر و قابل حمل ‌تری در دسترس قرار بگیرند.
ابزارهای تحلیل دی ان ای[3] و سلول برای یافتن درمان ‌های دارویی جدید و پژوهش ‌های علوم زیستی به بخشی غیر­قابل چشم ­پوشی تبدیل شده اند. اكنون شاهد تکامل ‌سیستم ­های تشخیصی از دستگاه ‌هایی بسیار بزرگ، پیچیده و پرهزینه به سیستم ‌هایی قابل حمل، ساده و ارزان هستیم. با توجه به پیشرفت ‌های غیر­منتظره ‌ای که در صنعت لیزرهاي دیودي و دیگر تکنولوژی‌ های مرتبط رخ داده، انقلاب بزرگی در صنعت زیست پزشکی در حال شکل ­گیری است.

 
شکل 1- ليزر ديود (Osram PLT5) با طول­ موج 488 نانومتر كه از مدل گسيل مستقيم استفاده كرده تا طرح ­هاي ساده ­­تر و به صرفه ­تري را براي كاربردهاي زيست ­پزشكي فراهم آورد.
 
بعد از اینکه شرکت نیمه هادی OsramOpto اولین ليزر ديودي مستقیم سبز خود را در سال 2012 معرفی کرد، تعداد قابل توجهي از سیستم‌ های تشخیصی ارزان توسعه داده شدند. به عنوان مثال امروزه لیزر Osram’s PLT5 با طول موج 488 نانومتر در کاربردهای زیست پزشکی در حال جایگزین شدن با لیزرهای حالت جامد با دمش دیودی است (شکل 1). از آنجایی که الگوي میدان دور این لیزر با طول موج 488 نانومتر خوب و پهنای طیف خروجی آن باریک و نوسانات طول ­موجی آن در حد 2± نانومتر است، طرح‌ ها و مدل هاي ساده ‌تر و مقرون به صرفه ‌تری را در دسترس قرار می ‌دهد.

تاریخچه لیزر در تشخیص ‌های زیست پزشکی
خروجی یک نمونه لیزر گاز آرگون در طول ­موج‌ های 458، 476، 488، 497، 502، 515، و 529 نانومتر برای تحریک كاوشگرهاي فلورسنتی[4] مورد استفاده قرار می ‌گیرند. از آنجا که کاوشگرهای فلورسنتی می ‌توانند به صورت انتخابی به رشته ‌های DNA و سلول های خاص بچسبند و به کاربر این امکان را می ‌دهند تا آزمایش ‌هایی در سطح سلولی و مولکولی انجام دهد، در تحقیقات زیست پزشکی مفید هستند. تحریک كاوشگر ‌فلورسنتی بوسیله‌ نور در طول­ موجی خاص اتفاق می ‌افتد و پاسخ جایگزیده آن ‌ها توسط آشکار­ساز دیده می ‌شود. این طول­ موج‌ ها همچنان جزء پرکاربردترین طول ­موج ‌ها به حساب می ‌آیند و طول­ موج 488 نانومتر نیز از پرطرفدارترین طول ­موج ‌ها است.
لیزرهای DPSS مدت طولانیست که به عنوان منبع لیزری منتخب جایگزین لیزر گاز آرگون شده ‌اند. اين لیزرهای DPSS از ليزرهاي ديودي فروسرخ براي دمش يك محيط فعال حالت جامد كه مي ­تواند باريكه ليزري با كيفيت بسيار بهتر و سطوح تواني بالاتر گسيل كند، استفاده مي كنند. این لیزرها را مي توان كوك كرد تا طول­ موج‌ های خروجی متفاوتی در بازه ای وسیع گسیل کنند. با اين وجود حساسیت دمایی لیزر، محدودیت پایداری در زمان‌ های استفاده طولانی و ایجاد نویزهای نوری نگرانی‌ هایی را در مورد لیزرهای DPSS ایجاد می ‌کند. همچنین این لیزرها طبق طراحی شامل چیدمان پیچیده‌ ای از المان ­هاي اپتیکی (شامل بلورهاي غيرخطي) هستند که باید تنظیم شوند (شکل 2). المان ­هاي فعال هزینه بر هستند و بنابراين ساخت لیزرهای DPSS دشوار و هزینه ­بر است.

 
شکل 2- طرحواره ­اي از یک لیزر DPSS غیر پیوسته Osram، همانطور که مشاهده می ‌شود چیدمان شامل بیش از 20 المان متفاوت است که کار یکپارچه سازی و تنظيم آن پیچیده است.
 
در عوض لیزرهاي دیودي بسیار کوچکند و بوسیله راه ­انداز کنترلي جريان[5] به راحتی مدوله می ‌شوند (حدود 100 مگاهرتز). لیزرهاي دیودي، خروجی تک مد با کیفیتی را بدون پیچیدگی ‌های لیزرهای DPSS نتیجه می ‌دهند و گزینه بسیار کم ­هزینه ‌تری به لحاظ ساخت به نظر می ‌رسند.
یکی از مهم ‌ترین موانع استفاده از لیزرهاي دیودی به جای لیزرهای DPSS، محدویت دسترسي به طول ­موج‌ های مطلوب در لیزر دیودها است. حتی بعد از ساخت لیزرهای دیود با طول ­موج کوتاه (نزدیک آبی) برای ساختن درایورهاي نوری blue-Ray و ساخت ليزر دیودی Orsam با خروجی 450 نانومتر، بسیاری از طول موج‌ های موجود در خروجی لیزر گاز آرگون در این لیزرها غیرقابل دسترس هستند (گاف سبز).

اولین ليزر ديودي سبز مستقیم
اولین ليزر ديودي سبز مستقیم Osram با طول ­موج خروجی 520 نانومتر پیشرفت بسیار بزرگی به حساب می‌ آمد زیرا پای لیزرهای دیودي را به حوزه طول ­موجي لیزر گاز آرگون باز کرد. اخیراً این شرکت، لیزر دیودی با طول­ موج مركزي 488 نانومتر معرفی کرده است. طول ­موج مركزي 488 بیشترین کاربرد را در علوم زیستی دارد زیرا برای تحریک صدها فلئورفور[6] در این طول­ موج یا نزدیک به این طول­ موج مناسب است.
در کاربردهای زیست پزشکی، نور لیزر و نور فلورسنت كاوشگر باید مسیر نوری متفاوتی را دنبال کنند. دو منبع نوری مختلف با اپتیک دو رنگ و بوسیله فیلترهای ميان ­گذر[7] كوچك از یکدیگر جدا می ‌شوند، لذا خروجی لیزر باید بسیار تیز باشد و کمترین تغییرات را داشته باشد. شرکت Osram تغییراتی در حدود 2± نانومتر در طول­ موج مرکزی این لیزر گزارش کرده است. به همین دلیل می ‌توان از تحریک همسان و تفکیک موفقیت ­آمیز نور مطمئن شد. طول ­موج در موارد کاربردی نوعي در توان 25 یا 60 میلی وات محاسبه می ‌شود.
لیزر دیودها با چالش ‌هایی همراه هستند که هنگام بحث درباره این نوع لیزرها باید به آن‌ها اشاره شود. در صورتي كه به ليزري با طول­ موج مشخص كه بصورت تجاری در دسترس باشد نياز داشته باشيم، انتخاب لیزر دیودهای تک مد طولی برای سیستم ‌هایی که به توان کمتر از 100 میلی وات نیاز دارند، منطقی به نظر می ‌رسد. خروجی تک مد لیزر دیودها بسیار واگرا و نامتقارن است اما اندازه ناحيه گسيل از این لیزر­ها کوچکتر از يك میکرومتر است. از این رو موازی کردن پرتو خروجی این لیزرها به کمک المان­ هاي بسیار کوچک اپتيكي و تزویج پرتو خروجی به یک فیبر نوری نسبتاً ساده به نظر می ‌رسد.
با اين وجود يكي از مشکلاتی که می ‌تواند در بعضی از لیزر دیودها اتفاق بیفتد، ظاهرشدن گوشه­ هاي[8] نامطلوب کناری است. گوشه­ هاي كناري نوعاً در حالت کلی 1 تا 2 درصد نور خروجی را تشکیل می‌ دهند. با اینکه گوشه ­ها بسیار ضعیف هستند ولی با برهمكنش با اجزای اپتیکی می ‌توانند باعث تغییراتی در اندازه­ گیری شوند. وجود چنین پدیده‌ ای طراحی اپتیکی سیستم را بسیار پیچیده ‌تر می ‌کند. گوشه ­هاي کناری فقط در بعضی لیزرها پدیدار می ‌شوند و اندازه و شدت آنها در هر لیزر با لیزر دیگر متفاوت است.
شرکت Osram بر روي علل ايجاد اين گوشه‌ های کناری ناخواسته تحقيق کرده و چندین پروتکول ساخت برای حل این موضوع تبیین کرده است. راه حل شرکت Osram، تکنولوژی باریکه درخشان، از بین بردن مؤثر گوشه ‌های کناری در نقطه‌ آغاز است تا کاربر را نسبت به میدان دور با کیفیت و قابل اطمینان که همانند یک تک مد گوسی کامل است مطمئن ‌سازد (شکل 3). به کمک این تکنولوژی مشخصات کاری لیزر دیودها حتی در تولید انبوه نیز قابل اطمینان ‌تر خواهد بود و در نهایت به بازدهي بيشتر در محصولات کمک می ‌کند.

 
شکل 3- در تکنولوژی باريكه درخشان شرکت Osram گوشه ­هاي کناری مد اصلی لیزر در نقطه آغاز حذف می ‌شوند. به همین دلیل پرتو خروجی در میدان دور کیفیت قابل اطمینانی دارد. پرتو خروجی مشابه یک پرتو گوسی کامل است.
 
به طور کلی راندمان لیزرهاي دیودي نسبت به لیزرهای DPSS بالاتر است. از اين رو لیزرهاي دیودي برای دستگاه‌ های قابل حملی که از باتری برای راه اندازی سیستم استفاده می ­كنند بسیار مناسب هستند. ضریب بهره wall plug تأثير مستقيمي بر طول­ عمر لیزرهاي دیودي دارد چرا كه افت نور خروجی لیزرهاي دیودي به مقدار قابل توجهي از تولید حرارت در تراشه این لیزرها متأثر می ‌شود.
بالا بودن بازده لیزر به معنی تولید نور بیشتر و حرارت کمتر و در نتيجه طول عمر بالاتر است. طول­ عمر لیزرهای دیودي تک مد آبی، یشمی و سبز بسیار بالا گزارش شده است (کمتر از 2 درصد افت توان به ازای 1000 ساعت کارکرد). زمانيكه که اين ليزرها روی یک انباره گرمايي[9] قرار بگیرند يا با توان خروجی 60 میلی وات یا کمتر کار كنند، اين مقادير مي توانند بهبود یابند.
در حين ليزدهي، توان خروجی و طول ­موج خروجی به تغییرات دما (~0.3 میلی وات بر کلوین، ~0.04 نانومتر بر کلوین) وابسته هستند. می ‌توان با استفاده از یک المان خنک کننده (پلتیر[10]) دما را با دقت بالایی تنظیم کرد. تغییرات مذكور یک مشخصه ذاتی مواد نیمه هادی است و تغییر نکردن این مشخصه در لیزرهای مختلف نيمه هادي یکی از ویژگی‌ های قابل اطمینان این مشخصه است. البته باید متذکّر شویم که این اثر ده برابر کوچکتر از مشابه همین پدیده در لیزرهای دیودي فروسرخ و قرمز است (استفاده از نیمه هادی AlGaAs به جای نیمه هادی InGaAs در لیزرهای 488 نانومتر)، و بنابراين مشکل بسیار بزرگی به حساب نمی‌ آید.

کاربردهای لیزر در زیست پزشکی
شرکت‌ هایی که سیستم­‌ های جامع لیزری را تكميل و اجرا می ‌کنند، خود نسبت به عدم سادگی ليزرهاي ديودي با چالش ‌هایی اساسی مواجه هستند. آنها به مواردي مانند يك راه ­انداز، انجام اندازه ­گیری‌ های ایمن به لحاظ حفاظت از چشم و محاسبه و نصب المان‌ های اپتیکی مناسب برای دایروی کردن و موازی سازی خروجی لیزر نیاز دارند. همچنین تماس کافی حرارتی سطح بار با سطح خنک کننده مخصوصاً در مورد لیزرهایی که می ‌خواهیم پایداری بالا و سطح نويز پایینی داشته باشند، می‌ تواند در فرآیند مونتاژ چالش برانگیز باشد.
برای درک هرچه بهتر نیروی بالقوه لیزردیودهای 488 نانومتری در بازار، پروژه شرکتWorld Star Tech (Markham, ON, Canada) را در نظر می ‌گیریم. این شرکت لیزرهای Osram را پخش می ‌کند و از طرف دیگر در زمینه‌ حل مشکلات تخصصی کاربردی این لیزرها کار می‌ کند. شرکت World Star در حال همکاری با شرکت Orflo Technologies است تا لیزر DPSS با طول ­موج 532 نانومتر مورد استفاده در یاخته ­سنج مدل OrfloMoxi GO II را با ليزر ديودي 488 نانومتر عوض کند. با این کار بازار جدیدی برای یاخته ­سنج‌ های جریانی قابل­ حمل که قیمت مناسبی نیز دارند ایجاد می‌ شود (شکل 4).

 
شکل 4- یاخته ­سنج مدل OrfloMoxi GO II که طراحی جدیدی برای آن انجام شده تا لیزر DPSS با طول­ موج 532 نانومتر آن با ليزر ديود 488 نانومتر شرکت Osram جایگزین شود. اين كار بازار جدیدی برای یاخته­ سنج ‌های جریانی قابل حمل که قیمت مناسبی نیز دارند، ایجاد كرده است.
 
دستگاه Moxi GO II ترکیبی از سیستم اندازه گیرنده سلول کالتر و سیستم تشخیص فلوئورسنتی است. تمام تحلیلگرهای ذرات Orflo از یک میکروسیال سنج ارزان قیمت و ساده استفاده می ‌کنند. این ریز سیال سنج از دو میکروکانال تشکیل شده است. یک جریان الکتریکی ثابت درون سیال این میکرو کانال‌ها برقرار است. با حرکت ذرات (سلول‌ها) از یک میکرو کانال به طرف دیگر، یک تغییر ناگهانی متناسب با اندازه و حجم ذره در جریان ایجاد می‌شود. در واقع این اصل کالتر است که در چنین سیستمی اطلاعات زیادی راجع به ذرات، تعداد و اندازه‌ آن‌ها به کاربر ارائه می‌دهد.
ذرات هنگام عبور از میکرو محفظه میانی، تحت تابش لیزر دیود 488 نانومتر قرار می‌گیرند. استفاده از لیزر دیود کمک می‌کند که این دستگاه قابل حمل و پرقدرت باشد. ذراتی که علامت گذاری شده‌ اند، در برابر تابش لیزر قرار می‌ گیرند و نورهای پراکنده شده و فلوئورسنت حاصل از برخورد نور لیزر با ذرات آشکارسازی می‌شوند و کاربر اطلاعات زیادی راجع به ساختار ذرات (سلول‌ها) به دست می آورد.
این دستگاه با قیمتی مناسب و در دسترس، مصرف انرژی کم و با ساختاری یکپارچه توسط شرکت Orflo در اختیار هزاران آزمایشگاه زیست پزشکی قرار گرفته تا با پیشرفت در اکتشافات به دنیای علم کمک کرده باشد. این دستگاه یکی از اولین استفاده کنندگان لیزر دیود 488 نانومتر در بین تمام دستگاه‌ های تشخیصی، کلینیکی و خانگی است.
نمونه‌ دیگر لیزر حالت جامد 488 نانومتر WhisperIT از گروه Pavilion (San Jose, CA) است که از لیزر ديودي 488 نانومتر GaN استفاده می ‌کند تا طرح‌ های لیزری با اندازه كوچكتر و کارآمدي بالاتر براي کاربردهای تجهیزات زیست­ پزشکی و دیگر بازارها فراهم آورد. لیزر دیود 488 نانومتر شامل تعدادی مدهای جانبی است که متناسب با توان کاری تغییر می ‌کنند و طول موج مرکزی را متأثر می‌ سازند. جست و خيز مدي تغييرات قابل ­توجهي را در طول­ موج بيشينه ايجاد كرده و اين ليزرها را براي بسياري از كاربردها ناپايدار مي سازد، ولي فناوري WhisperIT بر اين نواقص غلبه كرده و نور لیزر دیودی 488 نانومتر را به نور لیزری قابل استفاده و مفید تبدیل کرده است. همچنین علاوه بر پایدارسازي عملکرد حالت پیوسته، پیشرفت‌ های قابل توجهی در مدوله کردن نور لیزر دیود مشاهده می شود. ترکیب لیزر دیودی 488 نانومتر Osram و فناوري WisperIT PIC دستگاهی سریع، با تنوع توانی بالا، مدولاسیون بدون شاتر، فیلتر کاهنده شدت و مدولاتور آکستواپتیکی را نتیجه داده است.
 
 
Source: https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-54/issue-03/features/visible-laser-diodes-how-are-green-laser-diodes-changing-biomedical-diagnostics.html
 
 
 

[1] Direct Green Laser Diodes
[2] Diode Pump Solid State
[3] DNA
[4] Fluorescent Probes
[5] Controlled-Current Drivers
[6] Fluorophore
[7] BandPass
[8] Lobes
[9] Heat sink
[10] Peltier
 
منبع :  www.laserfocusworld.com    |   

   |    1397/12/16