Laser für Dermatologie, Picolaser

Z.z.(2024) werden bei Ebay relativ günstige Laser für dermatologische Zwecke angeboten. Die Geräte kommen natürlich aus China und werden zu einem Preis zwischen 300€ und 600€ gehandelt. Sogenannte Picolaser werben mit einer sehr kurzen Pulszeit, relativ hoher Energie und hoher Pulsrate (10Hz) und 2 oder 3 Wellenlängenbereiche. Da mit einem Kurzzeitlaser interssante Versuche möglich wären wurde so ein Teil bestellt.

Die Lieferung des Laser erfolgte in einer stabilen Alubox. Leider ohne Betriebsanleitung. Aus der Beschriftung konnte man ersehen das erst Wasser eingefüllt werden muss. Das wurde getan, aber auf dem kleinen Bildschirm erschien nach dem Einschalten nur eine freundliche "Welcome" Anzeige, weiter tut sich nichts.
Interessant sind die drei Behandlungsköpfe die offenbar für die drei möglichen Wellenlängen, 1320nm, 1064nm und 532nm gedacht sind.
Leider gab's auch wegen dem fehlendem Handbuch keine weiteren Daten aber von ähnlichen Geräten sind sie im Netz zu finden.

Pulsdauer 5..20ns, Pulsenergie 50..2000µJ, Wiederholrate 1..10Hz.
Rechnerisch würde das eine Pulsleistung von 2,5..400kW bedeuten!!

Der Verfasser vermutete einen DPSS Laser, um so erstaunter war er als sich nach dem Öffnen des Behandlungsgriffes ein Blitzlampen gepumpter, wassergekühlter Laserkopf zeigte.

Bei genauerer Betrachtung erkennt man unschwer die Komponenten. Der Laserkopf hat offenbar keinen Auskoppelspiegel. Die Auskoppelspiegel und der für 532nm notwendige Verdopplerkristall sind offenbar in Behandlungsköpfen eingebaut die auf den Laser aufgeschraubt werden. Erstaunlich dass mit dieser einfachen Befestigung für den Resonator notwendige Genauigkeit und Stabilität erreicht wird.

Eine weitere Überaschung beim Öffnen des Bediengeräts das bis auf den Kühlwassertank ca. 1 Liter, fast leer ist. Erstaunlicherweise gibt es im Kühlwasserkreislauf mit Pumpe und Thermosensor keinen Wärmetauscher, offenbar nicht für Dauerbetrieb ausgelegt. Ansonsten sind im Gerät nur zwei Netzteile verbaut. Der Steuercontroller steckt hinter dem Display. Das kleinere Netzteil liefert 12V für den Betrieb des Controllers, Lüfter, Wasserpumpe u.s.w. Interessanter ist das größere das die Blitzlampe versorgt.

Die Schaltung ist gut nach zu vollziehen. Ein Halbbrückenwandler erzeugt eine Spannung von bis zu etwa 800V., geschätzt anhand der Daten der Kondensatoren und des Thyristors. Die Spannung lädt den Pulskondensator mit 68µF und den Triggerkondensator. Mit einer Regelschleife kann die Ladespannung eingestellt werden. Wird der Thyristor getriggert wird mit dem Übertrager ein Hochspannungspuls erzeugt der in Reihe zur Spannung des Pulskondensators liegt und die Blitzlampe zündet , somit eine Serienzündung der Blitzlampe.
Zum Wandler führen nur 5 Leitungen, 5 > Gnd, 8 > 12V, 1 > Thyristortrigger, 2 > Enable und 4 > Setpoint. Als Triggersignal ist aktiv low, ebenso wie das Enable-Signal. Die Setpointspannung ist positiv (0..5V).
Der Laser wird mit einem ArduinoNano gesteuert. Der Arduino steuert die Ladung des Kondensators und erzeugt den Triggerpuls nach vollenderter Ladung. Es können Einzelschüsse und repetierender Betrieb eingestellt werden. Die Wiederholrate kann zwischen 0,1 und 10Hz verändert werden. Die maximale Ladespannung beträgt etwa 700V.

Der Probeaufbau des Lasers. Eigentlich wäre beim geplantem Betrieb mit hauptsächlich Einzelschüssen keine Wasserkühlung erforderlich. Aber möglicherweise ändern sich ohne Wasserfüllung die optischen Bedingungen in der Pumpkammer. Deshalb wurde ein kleines Wasserreservoir und die Pumpe aus dem Orignalgerät mit eingebaut.

Die Laserschwelle (532nm) liegt bei 580V entsprechend einer Energie von 23Ws.
Bei einer Ladespannung von 600V erzeugt der Laser Impulse mit ca. 138 mJ Energie bei einer Wellenlänge von 532nm.. Das ist erstaunlich hoch und stimmt nicht mit den Erwartungen überein ( 50..2000µJ). Gemessen wurde die Energie mit einem Messkopf ED-200 von Gentec. Der Kopf hat eine Empfindlichkeit von 10,78V/Ws
Die Pulsdauer des Pulses wurde mit einer Vakuumfotodiode 922 gemessen und beträgt ca. 10 ns. Damit beträgt die rechnerische Pulsleistung 13,8 Megawatt. Das erscheint aber dann doch etwas hoch. Als Fehlerquelle kommt eigentlich nur die Energiemessung in Frage.

Um die Messung zu überprüfen wurde ein 56 Ohm Widerstand auf die Sensorfläche gepresst und der Widerstand mit Impulsen geheizt. Die Impulsspannung bgetrug 300V, die Zeitdauer 500µs.
Die Pulsleistung ( P = U² / R) betrug damit 300² / 56 = 1,6 kW.
Die Energie ( W = P * t) ist 1,6 kW * 500 µs = 0.8 Ws.
Die Messwerte streuten sehr stark zwischen 12,mV und 76 mV entsprechend einer Energie von 1 mWs und 7 mWs. Offenbar wird nur ein sehr kleiner Teil der im Widerstand verheizten Energie auf die Sensorfläche übertragen. Die Messungen haben daher leider keine Aussagekraft.
Tatsächlich scheint der Laser kein sogenannter "Picosekunden" sondern ein "Nanosekunden"- Laser zu sein.

Leider sind somit die geplanten interesanten Ultrakurzzeitexperimente nicht mögtlich. Aber auch mit 10 ns Pulsdauer und der hohen Leistung läßt sich einiges anfangen.

Im folgendem : Air-Breakdown, zwei Photonen Fluoreszens, optische Frequenz-Vervielfachung, Raman-Laser, Superkontinum

Air BreakDown:
Der kleine Laser hat tatsächlich eine recht hohe Impuls-Leistung.
Beim Test mit dem 532nm Kopf, und auch auf 1064nm ist es kein Problem mit einer Sammelinse , Brennweite 30mm, einen "Airbreakdown" zu erzeugen.
Rechts ein Breakdown bei einer Wellenlänge von 1064nm.
Laut einer Veröffentlichung
< Investigating the Threshold Conditions of Air Breakdown........>
liegt die Schwelle für eine Breakdown (1064nm) bei E > 10mWs
und P > 1,4 MW.
An einer Oberfläche wird schon mit deutlich kleinerer Leistung ein Breakdown erreicht. So ist es möglich die Entladung einer Funkenstrecke zeitgenau und mit kleinem Jitter zu triggern. Ein Vorteil ist dabei auch dass die Funkenstrecke auf hohem Potential liegen kann. Mit einer elektrischen Triggerung wäre dazu ein hochspannungsfester Triggertrafo notwendig.

Zwei-Photonen-Fluoreszens:
Das Bild rechts zeigt einen Schuss bei 1064nm durch eine Küvette auf eine Metallplatte. Auf der Metallplatte entsteht ein kleiner Breakdown der den sonst nicht sichtbaren Laserstrahl anzeigt.
In der Küvette wird der Strahl durch die Fluoreszens der Rhodamin 6G Lösung deutlich sichtbar.
Aber das sollte eigentlich nicht sein. Die Energie der 1064 nm Photonen ist viel zu klein zur Anregung des Rhodamin 6G Molekül. Wenn aber in einem sehr eng begrenzten Zeitraum (~ 0,1 fs) zwei Photonen eintreffen kann sich deren Energie addieren und reicht zur Anregung aus. Die Wahrscheinlichkeit hierfür ist aber sehr gering und deshalb tritt der Effekt erst bei sehr hohen Photonenflüssen auf.
Die zwei Photonen Floureszens spielt eine große Rolle in der modernen Mikroskopie . Mit dieser Methode wird es möglich nur einen kleinen Punkt in einer dickeren Probenschicht anzuregen und so die Auflösung wesentlich zu erhöhen.

Optische Frequenz-Vervielfachung:
Durchläuft der Laserpuls ein Medium können durch die hohe Leistungsdichte Nichtlinearitäten auftreten. Ähnlich wie bei Hochfrequenzen die ein nichtlineares Bauteil, z.B. eine Diode, durchlaufen entstehen auch im optischem Bereich Oberwellen. D.h. die Frequenz des Lichtes wird verdoppelt, die Wellenlänge halbiert. Aus der unsichtbaren 1064nm Strahlung entsteht grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532nm. Der Effekt ist in verschiedenen Materialien unterschiedlich stark. Besonders stark ist er in KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) das Standardmaterial für die Verdopplung von Nd-Yag Lasern.
Im Aufbau rechts der Pumplaser (1064nm), gefolgt von einem tiefroten Kantenfilter um die Streustrahlung der Blitzlampe zu unterdrücken. Der ADP-Kristall im im erforderlichem Winkel (ca. 37°) zur optischen Achse gekippt. Links auf dem Schirm der in der Frequenz verdoppelte Strahl mit einer Wellenlänge von 532 nm.

Raman-Laser:
bei diesem Laser wird der Ramaneffekt benützt um neue Wellenlängen zu erzeugen. Bei der Ramanstreuung wird das einfallende LIcht in der Frequenz verschoben (Stoke-Shift) und wieder abgestrahlt. An sich ist der Effekt sehr klein, nur ein verschwindend kleiner Teil des einfallenden Lichts wird mit anderer Wellenlänge wieder abgestrahlt. Das ändert sich aber bei hohen Leistungen. Ab einem Schwellwert kommt es zur stimmulierten Ramanstreuung. Der Umwandlunggrad steigt auf hohe Werte und das abgestrahlte Licht ist ebenso kohärent und gebündelt wie der Pumpstrahl. Nach dem Vorschlag von >Les' Lab< eignet sich DMSO (Dimethylsulfoxid) gut als Substanz für Raman Experimente.
Die Ramanzelle besteht aus einem 14cm langem, mit DMSO gefülltem, Kupferrohr mit beidseitigen planen Fenstern. Rechts im Bild der grüne (532nm) Pumplaser, dann die Ramanzelle. Links von der Zelle ein rotes Kantenfilter welches die grelle Pumpstrahlung sperrt und rechts ein Schirm auf dem der orange Ramanstrahl zu sehen ist. Der Ramanlaser arbeitet hier als Superstrahler ohne Resonator.

Superkontinum Quelle:
Für eine Superkontinumquelle werden normalerweise sehr kurze Laserpulse im Femtosekunden Bereich verwendet. Aber es klappt auch mit deutlich längeren Pulsen. Auch die Erzeugung eines Kontinums aus einer schmalbandigen Laserstrahlung beruht auf nichtlinearen Effekte und wird erst bei hohen Leistungen effektiv möglich. Das Laserlicht wird hier in eine Multimode-Glasfaser (125µ) mit 150m Länge eingekoppelt. Nichtlineare Vorgänge im Glas ,vor allem die von der Leistung abhängige Änderung des Brechungsindex des Mediums verbreitern das Spektrum des Pumplasers.
Problematisch ist die Einkopplung des Lasers. Wird mit zuviel Leistung gearbeitet zerstört man leicht das empfindliche Ende der Faser.
Von rechts nach links, Laserkopf, Graufilter zur Leistungsreduzierung, Einkopplung in die Glasfaser, Auskopplung, Fokusierlinse, Beugungsgitter und Kamera.

Unten eine Auswertung des Spektrums am Ausgang der Glasfaser. Der 532 nm Laserpuls ist verbreitert und die Energie über einen weiten spektralen Bereich verteilt., Das Spektrum reicht von der ursprünglichen Wellenlänge im Grünen Bereich bis ins tiefe Rot. Man sieht das die Linienverbreiterung stark von der Leistung abhängt. Zwar ist die Verbreiterung schon bei einer geringeren Leistung zu sehen aber wirklich ausgeprägt ist der Effekt erst bei höherer Leistung. Leider ist der CCD-Chip der Kamera (Nikon D90) nicht in der Lage den Dynamikbereich des Signals vollständig zu erfassen.