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Alejandrita frente a zafiro de titanio para dermatología e imagen biomédica
Una misma longitud de onda puede ocultar un láser diferente
Una fuente que funcione cerca de los 755 nm podría emitir pulsos de milisegundos a una pieza de mano dermatológica o pulsos mucho más cortos a un instrumento de imagen. La longitud de onda puede ser similar, pero la bomba, el resonador y la óptica de emisión tienen funciones diferentes. La comparación entre el alejandrita y el Ti:zafiro resulta útil una vez que se tienen en cuenta esas diferencias.
El alejandrita tiene un papel consolidado en los sistemas dermatológicos que funcionan cerca de los 755 nm. El Ti:zafiro está más estrechamente asociado a fuentes de laboratorio ampliamente sintonizables y a la microscopía de femtosegundos. Ninguna de estas descripciones abarca todo lo que el material es capaz de hacer: el alejandrita puede sintonizarse y bloquearse en modo, mientras que el Ti:zafiro puede funcionar sin producir pulsos de femtosegundo. El cristal hace posibles determinados diseños; el láser que lo rodea determina qué salida se obtiene.
Diferentes iones y diferentes huéspedes
La alejandrita es un crisoberilo dopado con cromo, Cr³⁺:BeAl₂O₄. El Ti:zafiro es un zafiro dopado con titanio, Ti³⁺:Al₂O₃. A pesar de su uso en láseres de estado sólido sintonizables, son materiales huéspedes diferentes con iones activos distintos.
En el caso de un cristal de zafiro dopado con titanio, el titanio activo para el láser es el Ti³⁺. El Ti⁴⁺ puede estar presente en el material, pero no debe identificarse como el ion responsable de la ganancia del láser. El zafiro sin dopar es un caso totalmente distinto: puede servir como ventana o sustrato, incluso en un instrumento médico, sin actuar como medio de ganancia.
El amplio ancho de banda de ganancia del Ti:zafiro resulta especialmente útil cuando se requieren pulsos cortos. Un pulso de femtosegundos necesita un rango de frecuencias ópticas, y el resonador debe admitirlas con relaciones de fase adecuadas. Una emisión amplia ofrece esta posibilidad, pero el ancho de banda de los espejos, la dispersión y las pérdidas pueden reducir lo que la fuente completa realmente proporciona.
Por qué la dermatología suele recurrir al alejandrita
Cerca de los 755 nm, la absorción por parte de la melanina hace que el alejandrita sea adecuado para aplicaciones de depilación y de tratamiento de lesiones pigmentadas. Para la depilación, los sistemas de pulso largo suministran energía en un intervalo de tiempo destinado a calentar la zona objetivo, al tiempo que controlan la respuesta de la piel circundante. Los estudios clínicos publicados describen la duración del pulso, el tamaño del punto, la fluencia y el sistema de refrigeración, ya que esos detalles forman parte del tratamiento, no solo de la longitud de onda del láser.
Una fuente de alejandrita con conmutación Q genera una exposición diferente. La compresión de la energía en un pulso mucho más corto aumenta la potencia máxima y altera el equilibrio entre los efectos térmicos y mecánicos. Por lo tanto, un sistema de depilación de pulso largo y un sistema de tratamiento de pigmentación con conmutación Q no pueden representarse mediante una única especificación genérica de rendimiento de «755 nm».
Para el diseñador del cabezal láser, esto dirige la atención hacia la estabilidad de la energía, la forma de onda del pulso y el funcionamiento repetido con el sistema de refrigeración previsto. Un ancho de banda espectral extremo ofrece pocas ventajas si el instrumento solo necesita una salida estable en torno a una longitud de onda seleccionada. La pieza de mano y el conjunto de refrigeración de la piel pueden imponer restricciones prácticas más estrictas que el rango de sintonización del medio de ganancia.
Por qué la microscopía suele decantarse por el Ti:zafiro
La microscopía de fluorescencia multifotónica plantea una cuestión diferente: ¿cuánta excitación se puede generar dentro de un pequeño volumen focal manteniendo la exposición media en unos niveles manejables? Los pulsos cortos proporcionan una alta intensidad instantánea, lo que hace posible la excitación no lineal a potencias medias que producirían mucha menos excitación con un haz continuo.
El ancho de banda y la sintonizabilidad del Ti:zafiro lo han convertido en una herramienta útil para este trabajo. Un microscopio puede necesitar diferentes longitudes de onda de excitación para distintos fluoróforos, mientras que el oscilador debe mantener un bloqueo de modo estable en todo el rango realmente utilizado. También se ha demostrado el uso de un oscilador de Ti:zafiro bombeado directamente por diodos en la obtención de imágenes multifotónicas, lo que demuestra que la arquitectura del bombeo puede cambiar sin renunciar al medio de ganancia.
El microscopio añade su propia trayectoria óptica después del láser. El cristal de las lentes y otros componentes introduce dispersión, lo que puede ensanchar un pulso antes de que llegue a la muestra. Una fuente especificada para 100 fs no proporciona necesariamente 100 fs en el foco. La compensación de la dispersión y las mediciones a lo largo de la trayectoria óptica prevista pueden explicar por qué dos fuentes nominalmente similares producen señales de fluorescencia diferentes.
La investigación oftálmica puede utilizar técnicas ultrarrápidas relacionadas, pero un resultado de imagen obtenido en laboratorio no garantiza su idoneidad para un instrumento quirúrgico. La fuente real, la disposición de enfoque, la exposición y el objetivo experimental deben poder identificarse cuando se cite dicha investigación.
| Punto de diseño | Alejandrita | Ti:zafiro |
|---|---|---|
| Medio de ganancia | Cr³⁺ en crisoberilo | Ti³⁺ en zafiro |
| Longitud de onda utilizada | Normalmente cerca de 755 nm en dermatología; sintonizable en resonadores adecuados | Amplio rango de sintonización desde el rojo hasta el infrarrojo cercano, limitado por la óptica montada |
| Funciones de diseño establecidas | Fuentes de tratamiento de pulso largo y con conmutación Q; fuentes de imagen por pulsos | Osciladores sintonizables, fuentes para microscopía de femtosegundos y amplificadores |
| Bombeo | El bombeo con lámpara de destello está consolidado; también se ha demostrado el bombeo con láser y con diodos | Normalmente se utiliza bombeo por láser verde; también se ha demostrado el bombeo directo por diodos |
| Comprobaciones derivadas de la tarea | Energía del pulso suministrada, forma de onda, comportamiento térmico y transmisión de la pieza de mano | Estabilidad del bloqueo de modo, rango de sintonización, dispersión y duración del pulso en la muestra |
La imagen fotoacústica requiere su propia comparación
La imagen fotoacústica convierte la energía óptica absorbida en una señal acústica. Los pulsos cortos permiten que la energía se deposite antes de que se produzca una difusión térmica significativa, mientras que la duración del pulso en relación con la escala de tiempo acústica del absorbedor también afecta a la generación de presión. La longitud de onda y el formato de pulso necesarios dependen del contraste que se mida y de la escala espacial de interés.
En este caso, la capacidad de femtosegundos no supone automáticamente una ventaja. Muchos instrumentos utilizan excitación de nanosegundos y necesitan suficiente energía de pulso para iluminar un área en lugar de un punto microscópico muy enfocado. El cambio de longitud de onda, la normalización de pulso a pulso y la sincronización con la adquisición de ultrasonidos pueden convertirse en aspectos fundamentales del diseño.
El estudio de imagenología mamaria citado a continuación ofrece un ejemplo concreto. Su sistema combinaba la salida de alejandrita cerca de los 757 nm con la salida de Nd:YAG a 1064 nm para obtener información de absorción complementaria. Demuestra una forma de construir un instrumento de doble longitud de onda, en lugar de establecer una clasificación general entre la alejandrita y el Ti:zafiro.
La calidad del cristal se convierte en una cuestión relacionada con el resonador
Una vez que quedan claros los requisitos de salida, la absorción de bombeo ayuda a determinar la longitud y la concentración del cristal. Una absorción más intensa puede acortar la región bombeada, pero también modifica el lugar donde se deposita el calor. Adaptar el volumen bombeado al modo del resonador forma parte de hacer que esa absorción resulte útil.
En el caso del Ti:zafiro, el índice de mérito se expresa habitualmente como la relación entre la absorción a una longitud de onda de bombeo determinada y la absorción residual cercana a la longitud de onda del láser. Las longitudes de onda, la polarización y las condiciones de medición deben acompañar al valor. Es posible que dos certificados que utilicen definiciones diferentes no permitan una comparación directa.
El corte del cristal, la longitud del recorrido óptico, el acabado de la superficie y las pérdidas por recubrimiento influyen a su vez en el diseño de la cavidad. En un oscilador ultrarrápido, una mayor longitud del cristal también aumenta la dispersión. Una pieza que proporcione una absorción de bombeo adecuada puede requerir modificaciones en otras partes del resonador para mantener el pulso deseado.
La refrigeración y el montaje completan este panorama. El soporte debe disipar el calor sin ejercer tensiones perjudiciales, y su comportamiento debe comprobarse durante el funcionamiento continuado. Los cambios en el haz a medida que se calienta el cabezal pueden poner de manifiesto un problema que pasaría desapercibido en una inspección dimensional o en una breve prueba de salida.
Cómo preparar una solicitud de información útil sobre cristales
Para los equipos que adquieren materiales de cristal láser a través de Stanford Advanced Materials (SAM), un esquema óptico preliminar ofrece un punto de partida práctico para el debate. En él deben identificarse el material, las dimensiones, la orientación, los requisitos de absorción de la bomba, la calidad de la superficie y si la pieza se recubrirá o se utilizará en el ángulo de Brewster.
Las bandas de bombeo y de salida previstas resultan especialmente útiles a la hora de abordar los recubrimientos. Para el funcionamiento con pulsos cortos, es necesario especificar las condiciones de ensayo para determinar el umbral de daño; para el funcionamiento ultrarrápido de banda ancha, la dispersión del recubrimiento puede ser importante, junto con la reflectancia o la transmisión. Ninguno de estos requisitos queda reflejado en una solicitud general de un «recubrimiento láser de alta calidad».
Una prueba con una muestra puede resolver entonces las cuestiones de integración pendientes. Las mediciones relevantes pueden ser la estabilidad de la energía del pulso en una pieza de mano dermatológica, la potencia dependiente de la longitud de onda en un instrumento fotoacústico o la duración del pulso a través de un microscopio. Conservar esos resultados junto con los registros del cristal y del recubrimiento proporciona una base más clara para un pedido de recambio que la mera coincidencia del nombre del material.
Referencias
- Características espectroscópicas y láser del Ti:Al₂O₃.
- Comparación entre láseres de diodo de pulso largo y láseres de alejandrita de pulso largo para la depilación: un estudio clínico e histológico a largo plazo.
- Imagen multifotónica con un láser de Ti:zafiro de femtosegundos bombeado directamente por diodo.
- Imagen clínica optoacústica combinada con ecografía para la cartografía funcional y anatómica co-registrada de tumores mamarios.
- Avances en el crecimiento de cristales de Ti:zafiro a gran escala mediante el método del intercambiador de calor (HEM) para láseres de clase petavatio.
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