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Tm:YAG frente a Yb:YAG para el desarrollo de láseres médicos y quirúrgicos
Dos longitudes de onda, puntos de partida diferentes
Una fuente destinada a calentar tejidos con alto contenido en agua y otra destinada a producir pulsos ultracortos muy focalizados se enfrentan a problemas de diseño distintos. El Tm:YAG y el Yb:YAG entran en este debate por motivos distintos: el tulio proporciona una emisión cercana a los 2 µm, donde la absorción del agua es apreciable, mientras que el iterbio suele funcionar cerca de los 1030 nm y es compatible con fuentes eficientes bombeadas por diodos, incluidos osciladores y amplificadores ultrarrápidos.
Ambos utilizan un cristal de granate de itrio y aluminio como material de base. Más allá de ese material común, la bomba, el resonador, el sistema de refrigeración y la trayectoria de emisión pueden presentar diferencias considerables. Para un equipo que desarrolle su propio cabezal láser, la comparación útil comienza por la potencia de salida necesaria en el punto de tratamiento y se remonta hasta el cristal.
Qué cambia con la longitud de onda
La luz cercana a la longitud de onda de salida de un cristal de Tm:YAG es absorbida por el agua con mucha mayor intensidad que la luz cercana a los 1030 nm. Esto hace que el calentamiento mediado por el agua sea relevante para los sistemas de corte de tejidos y de tratamiento de cálculos. La región calentada puede vaporizarse o sufrir otros cambios a medida que se acumula energía, dependiendo del objetivo y de la exposición.
Una absorción óptica superficial no implica necesariamente una zona superficial de daño térmico. El calor continúa desplazándose tras la absorción, y la irradiación repetida puede calentar el material circundante. Por lo tanto, un haz estacionario, una punta de fibra en movimiento y una secuencia de pulsos pueden producir resultados diferentes a la misma longitud de onda. La duración del pulso, la potencia media, la irrigación y el movimiento deben figurar en el registro experimental.
Cerca de los 1030 nm, el agua presenta una absorción relativamente débil. Con pulsos suficientemente cortos y un enfoque preciso, la absorción no lineal puede, en cambio, concentrar la energía alrededor del foco e iniciar la ruptura óptica. Se trata de una vía diferente para la alteración del material, distinta del calentamiento sostenido mediado por el agua. Para producirla es necesario controlar la duración del pulso, el foco y la energía suministrada; un cristal de Yb:YAG por sí solo no basta para establecer la interacción.
Esto también limita lo que se puede deducir de la literatura médica. Un artículo clínico que describa un instrumento de femtosegundos puede ayudar a explicar un procedimiento sin identificar su cristal láser. Las pruebas relativas a una plataforma quirúrgica completa no deben utilizarse para atribuir el mismo rendimiento a todas las fuentes que operan cerca de un micrómetro.
La bomba y el cristal deben elegirse conjuntamente
El Tm:YAG suele bombearse con diodos cerca de los 785 nm. En condiciones adecuadas, la relajación cruzada permite que un ion de tulio excitado transfiera energía a un ion vecino, dejando dos iones en el nivel superior del láser. Este proceso «dos por uno» mejora la utilización de la bomba, pero su eficacia depende de la concentración del dopante y de las condiciones de funcionamiento.
Esto da lugar a una compensación práctica en cuanto a la concentración. Al modificar el contenido de tulio, cambian tanto la transferencia de energía como la absorción de la luz de bombeo a lo largo del cristal. Una barra más corta y con mayor dopaje no se comportará necesariamente como una barra más larga con menor dopaje, incluso cuando ambas absorban una fracción similar de la luz de bombeo incidente. Sus distribuciones de temperatura y el comportamiento del resonador pueden diferir.
Un cristal de Yb:YAG suele bombearse cerca de los 940 o 969 nm para obtener una salida en torno a los 1030 nm. La diferencia de energía relativamente pequeña entre los fotones de bombeo y los del láser ayuda a limitar la generación de calor asociada a dicha diferencia. Otras pérdidas siguen produciendo calor, por lo que un defecto cuántico bajo no debe interpretarse como una justificación para simplificar el sistema de refrigeración.
El Yb:YAG también presenta reabsorción en la longitud de onda del láser. La temperatura, el dopaje y la distancia recorrida a través del medio de ganancia influyen en el equilibrio entre la absorción y la ganancia. Por lo tanto, la longitud de onda de bombeo y la anchura espectral del diodo deben tenerse en cuenta en el análisis del cristal, en lugar de seleccionarse una vez que se ha encargado la barra o el disco.
| Cuestión de diseño | Tm:YAG | Yb:YAG |
|---|---|---|
| Región de salida habitual | Cerca de 2 µm | Cerca de 1030 nm |
| Longitudes de onda habituales de bombeo por diodo | Alrededor de 785 nm | Alrededor de 940 o 969 nm |
| Comportamiento del material que influye en el diseño | Relajación cruzada, absorción de bombeo y reabsorción | Bajo defecto cuántico, reabsorción y ganancia dependiente de la temperatura |
| Formatos de fuente | Láseres de cristal macizo de onda continua y pulsados | Sistemas de onda continua, con conmutación Q, con bloqueo de modo y amplificadores |
| Problemas de transmisión que hay que resolver | Transmisión por fibra, acoplamiento y calentamiento de la punta distal | En el caso de los pulsos ultracortos, la dispersión y los efectos no lineales, así como la transmisión |
La formación de pulsos añade otra serie de opciones
El Tm:YAG no debe considerarse exclusivamente un material para la litotricia pulsada. Los sistemas de onda continua y los pulsados tienen fines distintos, y sus resultados no pueden agruparse simplemente porque compartan una misma longitud de onda. Un estudio in vitro de PEARLS, por ejemplo, examinó la producción de polvo de cálculos utilizando un dispositivo Tm:YAG pulsado concreto. Sus conclusiones describen esa fuente, la configuración de emisión y el protocolo de ensayo.
La misma distinción se aplica entre el Tm:YAG y los láseres de fibra de tulio. Una fibra confina la luz a lo largo de un núcleo dopado y distribuye el calor a lo largo de una extensa región de ganancia. Un cristal macizo utiliza una geometría de bombeo y un resonador diferentes. La evidencia obtenida con uno puede sugerir cuestiones que merezca la pena investigar en el otro, pero no puede proporcionar las mediciones de pulso o térmicas que faltan.
El Yb:YAG ha demostrado un funcionamiento en femtosegundos en osciladores de disco delgado; sin embargo, una fuente ultrarrápida necesita algo más que un medio de ganancia adecuado. El bloqueo de modos, la compensación de dispersión y cualquier etapa de amplificación o compresión determinan el pulso que sale del instrumento. Un pulso corto medido en el oscilador puede ensancharse en otros puntos de la trayectoria óptica.
Por ese motivo, la duración del pulso debe medirse allí donde sea relevante para el diseño. La energía por sí sola puede ocultar un cambio en la intensidad máxima causado por el ensanchamiento del pulso, del mismo modo que la potencia media puede ocultar cambios en los pulsos individuales.
La disipación y el suministro de calor establecen límites prácticos
El aumento de la potencia de salida hace que el soporte del cristal pase a ser un factor a tener en cuenta. Una varilla refrigerada en su perímetro presenta una distribución de temperatura diferente a la de un disco delgado refrigerado a través de su superficie posterior. Los diseños de disco delgado pueden acortar el recorrido de disipación del calor, mientras que los pases repetidos de la bomba compensan la absorción limitada en un solo paso. También requieren sus propias disposiciones de montaje, recubrimiento y óptica de bombeo.
La cuestión relevante es cómo se comporta el cabezal montado a medida que se calienta. Los cambios en el tamaño del haz, la orientación o la estabilidad de la potencia de salida pueden revelar efectos térmicos que una breve prueba de arranque en frío pasa por alto. Realizar pruebas en el ciclo de trabajo previsto resulta especialmente útil cuando el sistema alterna entre el modo de espera y secuencias repetidas de tratamiento.
La transmisión añade entonces pérdidas y posibles puntos de daño. La transmisión por fibra de sílice resulta práctica en torno a los 2 µm, pero la composición de la fibra, su longitud, las condiciones de curvatura y la preparación de los extremos afectan al rendimiento. Una punta contaminada o un lanzamiento deficiente pueden crear un problema de calentamiento local, incluso cuando la salida de la fuente se mantiene estable.
A 1030 nm, la transmisión por sílice suele ser favorable, aunque los pulsos ultracortos introducen dispersión y restricciones no lineales. La transmisión en espacio libre evita algunos problemas relacionados con la fibra, pero añade exigencias de alineación y encapsulado. Ninguna de las dos opciones puede seleccionarse basándose únicamente en la longitud de onda.
Del diseño de la fuente a la consulta sobre el cristal
En el momento en que un equipo de desarrollo solicita un presupuesto, la configuración de la bomba y la potencia de salida prevista deben estar lo suficientemente claras como para discutir una pieza específica. Para el abastecimiento a través de Stanford Advanced Materials (SAM), la información inicial útil incluye la concentración de dopante requerida, la forma y las dimensiones del cristal, la longitud de onda de la bomba, la longitud de onda de funcionamiento y el sistema de refrigeración.
El plano óptico aporta la geometría de la cara, las tolerancias dimensionales, la calidad de la superficie y los recubrimientos. Cuando se requiera una orientación cristalográfica, debe indicarse explícitamente. El YAG es cúbico, por lo que un «eje óptico» no especificado no es un sustituto adecuado de una dirección cristalográfica.
La documentación sobre los recubrimientos debe ajustarse al uso previsto. Una cifra de umbral de daño sin indicar la longitud de onda, la duración del pulso, el tamaño del punto y el método de ensayo deja demasiadas incógnitas. La solicitud también debe distinguir entre un cristal sin recubrimiento y una pieza recubierta, unida o montada, ya que estas compras implican controles de aceptación diferentes.
A continuación, se puede evaluar una primera muestra en el cabezal previsto, y los resultados deben registrarse junto con el registro del lote. La potencia de salida tras el calentamiento, la calidad del haz, el comportamiento del pulso y las pérdidas a través del conjunto de transmisión proporcionan una base para evaluar los envíos posteriores. Si una pieza de recambio se comporta de forma diferente, esos registros facilitan la investigación del cristal, el recubrimiento, el soporte o la bomba, en lugar de tener que modificar varias variables a la vez.
Referencias
- Constantes ópticas del agua en el rango de longitudes de onda de 200 nm a 200 µm.
- Láseres Tm:YAG y Tm:LuAG eficientes bombeados por diodos cónicos de 681 nm.
- Supresión de la relajación fonónica no lineal en un disco delgado de Yb:YAG mediante bombeo de línea con cero fonones.
- Potencia media de 60 W en pulsos de 810 fs de un láser Yb:YAG de disco delgado.
- Láser pulsado de tulio:YAG: ¿cuál es la eficiencia de ablación por litotricia del polvo de cálculos urinarios humanos? Resultados de un estudio PEARLS in vitro.
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