Laser diode systems for photodynamic therapy and medical diagnostics

Abstract: Popular Abstract in Swedish Arbetet i denna avhandling syftar till att utveckla bättre ljuskällor för fluorescensavbildning och fotodynamisk behandling av cancertumörer. Små kompakta diodlasrar är ideala ljuskällor för detta, men en del kliniska användningar kräver att deras prestanda förbättras. Gemensamt för de bägge diagnostik- och behandlingsmetoderna är att man behöver uppnå högre strålkvalitet av laserljus med hög effekt. Detta har till dels förverkligats i detta arbete genom att utveckla en speciell återkoppling av ljus tillbaka in i diodlasern med hjälp av en yttre kavitet. Fotodynamisk tumörterapi (PhotoDynamic Therapy - PDT) är en behandlingsmetod som på senare tid utnyttjas allt mer i behandlingen av vissa tumörsjukdomar, medan metoden fortfarande utvecklas och utvärderas i kliniska studier för andra tumörtyper. Metoden innebär att patienten tar ett läkemedel som gör att tumören blir ljuskänslig. Om man sedan belyser tumören med ljus av en speciell färg, startar en kemisk reaktion som dödar tumörcellerna. Metoden har många fördelar, såsom att den är effektiv mot tumören, medan den ofta kan spara omkringliggande frisk vävnad. Läkningen after behandlingen är även ofta bättre än för de flesta andra behandlingsmetoder. Den stora nackdelen med metoden är att ljuset inte når till alla delar av tumören om tumören är stor, och därmed blir behandlingen inte effektiv i dessa delar av tumören. Vid behandling av större tumörer med PDT, är det därför en fördel att sticka in en eller flera optiska fibrer som kan belysa tumören innifrån, och därmed lysa ut tumören bättre. För att kunna göra detta effektivt, önskar man kunna leda ljuset i relativt tunna optiska fibrer. Problem uppstår då när man ska koppla in laserljuset in i fibrerna. För att detta ska kunna ske effektivt, behöver strålkvaliteten på laserljuset vara god. Arbetet i denna avhandling handlar bland annat om att förbättra strålkvaliteten av behandlingslasern, så att denna koppling blir effektiv och därmed göra det möjligt att utveckla bättre lasrar för denna behandling. Fluorescensavbildning är ett diagnostiskt hjälpmedel som kan användas för att finna tidiga tumörer eller för att markera var tumörgränsen går. Med fluorescens menas ljus som molekyler i olika matrial skickar ut när de de belyses med ultraviolett eller violett ljus. Fluorescens gör t.ex. att vita kläder lyser blått på diskotek där man har lampor med osynligt ultraviolett ljus i taket. När man använder fluorescens för diagnostik av cancer, utnyttjar man att tumörer fluorescerar annorlunda än frisk vävnad, eftersom de delvis innehåller andra molekyler. Denna typ av diagnostiska mätningar kan göras punktmässigt, där man belyser vävnaden genom en optisk fiber som hålles i kontakt med vävnaden som undersöks, eller genom en avbildning där en större vävnadsyta kan studeras. Ofta görs dessa undersökningar med hjälp av endoskop, så att vävnadsytor av inre organ, såsom matstrupe, magsäck, tarmar, urinblåsa, luftvägar, osv, kan undersökas. Detta medför att ljuset måste ledas genom optiska fibrer. Det är därmed viktigt att utveckla en kompakt och robust ljuskälla som klarar att ge tillräckligt mycket violett ljus genom en fibrer. Denna avhandling handlar delvis om utveckling med syfte att ta fram en sådan ljuskälla. Diodlasrar kan vara konstruerade på olika sätt för att optimera olika egenskaper. De viktigaste egenskaperna är ofta uteffekten, strålkvaliteten och hur smalbandig lasern är (dvs hur bred lasertoppen är våglängdsmässigt). För de tillämpningar som nu är aktuella är uteffekten den viktigaste egenskapen, men de andra parametrarna är också mycket viktiga Generellt kan man säga att ju högre uteffekt en laser har, ju sämre blir ofta de andra egenskaperna. Huvuddelen av arbetet för denna avhandling har varit att teoretiskt modellera, bygga upp och testa olika typer av yttre kaviteter till diodlasrar som väsentligt förbättrar en högeffekts-diodlasers strålegenskaper och bandbredd, utan att förlora för mycket ljus. Arbetet har dessutom gått ut på att effektivt konvertera rött ljus från en sådan laser till violett ljus i en olinjär optisk kristall . Detta kan vara den mest effektiva metoden idag att åstadkomma hög effekt med i diodlaser vid dessa våglängder.