Technologie

Mini-Laser für die Augenheilkunde

02.11.2022 - Günstige Halbleiter-Laser lassen sich flexibel auf die jeweils optimale Wellenlänge einstellen.

Forschende am Berliner Ferdinand-Braun-Institut (FBH) haben Prototypen minia­turisierter und robuster Lasermodule für die Augen­heilkunde entwickelt. Sie können als preisgünstige Pumpquellen in Systemen zur Behandlung von Netzhaut­ablösungen eingesetzt werden. Zudem lassen sie sich exakt auf die optimale Wellenlänge für die jeweilige Anwendung einstellen.

Ein etabliertes Verfahren zur Behandlung der Netzhaut­ablösung ist die Laser­koagulation. Mit präzisen Laserpunkten lassen sich damit Löcher oder Risse der Netzhaut therapieren. Das Verfahren wird eingesetzt, um Erkrankungen wie etwa diabetische Retino­pathie oder alters­bedingte Makula­degeneration zu behandeln. Die aktuell genutzten Systeme sind jedoch vergleichsweise teuer und zudem auf einige wenige Laserwellen­längen beschränkt. Halbleiter-basierte, besonders effiziente und zuver­lässige Laserquellen aus dem Ferdinand-Braun-Institut könnten dies ändern. Sie lassen sich flexibel auf die jeweils optimale Wellenlänge einstellen und kostengünstig realisieren.

Erst kürzlich haben Wissenschaftler am FBH minia­turisierte und robuste Laserquellen im nahinfra­roten (NIR) Wellenlängen­bereich mit hoher spektraler Strahldichte und industrie­tauglicher Performance entwickelt. Sie bestehen jeweils aus einem Pumplaser, dessen Lichtfrequenz aus dem NIR-Bereich anschließend mithilfe eines Kristalls verdoppelt werden kann. Dadurch emittiert der Laser dann im sichtbaren Spektralbereich. Aktuell verwendete Lasersysteme für die Laser­koagulation nutzen insbesondere die Wellenlängen 532 Nanometer und 577 Nanometer. Daher zielen die FBH-Pumpmodule auf diese etablierten Wellenlängen im gelb-grünen Spektral­bereich. Laser mit Emission bei 577 Nanometer sind für die Augenheilkunde besonders interessant, weil bei dieser Wellenlänge der sauerstoff­reiche Blutfarbstoff, das Oxyhämoglobin, am stärksten absorbiert. 

Die einzigartige Kombination der miniaturi­sierten Lichtmodule als Pumpquelle mit einer nachfolgenden hocheffizienten SHG-Stufe ermöglicht es, das gesamte Spektrum von 400 bis 600 Nanometer abzudecken. Die Wellenlängen bisheriger Festkörper­laser-Systeme hingegen sind auf die Laserlinien 532, 561, 577 und 586 Nanometer beschränkt. Laserdioden und Verstärker können zudem in großer Stückzahl auf Wafern hergestellt werden – dies reduziert die Kosten. So passen beispiels­weise 400 dieser aktiven Komponenten auf einen 3-Zoll-Wafer mit 7,6 Zentimeter Durchmesser.

Die spektral schmalbandigen Pumpquellen bei 1154 und 1064 Nanometer liefern sehr hohe optische Ausgangsleistungen und eine exzellente Strahlqualität. Die anschließende Frequenz­verdoppelung in den gelb-grünen Spektral­bereich vereinfacht sich dadurch. Dies reduziert die Kosten und das Gewicht verglichen mit den bisherigen komplexeren Laserquellen für die Laser­koagulation. Auch ein portabler, entsprechend flexibler Einsatz der Systeme im ambulanten Umfeld wäre möglich.

Um die Einsatz­tauglichkeit der Lichtmodule als Pumpquellen zu demonstrieren, haben die Wissenschaftler Modulprototypen mit getrennter Laserstrahl­erzeugung (Master Oscillator – MO) und Leistungs­verstärkung entwickelt. Zwischen beiden Komponenten wurde ein kommerzieller miniaturi­sierter Isolator integriert, der den Laser (MO) komplett vor externer Rückkopplung schützt. Diese kann bei SHG-Kristallen mit Wellenleitern sehr groß sein und den MO signifikant stören. Trotz der geringen Baugröße erreichen die Module optische Ausgangs­leistungen von mehr als acht Watt im Dauerstrichbetrieb (CW) bei 1064 sowie 1156 Nanometer. Zugleich erzielen sie eine sehr gute Strahl­qualität von M2 < 2 und eine spektrale Linien­breite von weniger als fünf Megahertz. Diese Performance lässt sich auch auf andere Wellenlängen übertragen.

FBH / JOL

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