Kristalle ermöglichen medizinische Laser

Optische Kristalle – das Herzstück medizinischer Laser – wandeln Licht in präzise Werkzeuge für hochentwickelte Behandlungen und Diagnosemöglichkeiten um, die die Lebensqualität von Patienten verbessern.

Kristalle sind das Rückgrat der modernen medizinischen Lasertechnologie. Diese präzise gefertigten Materialien sind unabdingbar für die Erzeugung und Kontrolle des Laserlichts, das in verschiedenen medizinischen Anwendungen eingesetzt wird, von nicht-invasiven kosmetischen Verfahren bis hin zu lebensrettenden Operationen.

Kristalle wandeln elektrische Energie in hoch fokussierte – und intensive – Laserstrahlen um, die präzise angepasst werden können, um eine Wirkung auf bestimmte Gewebearten, Strukturen oder sogar einzelne Zellen im Körper zu entfalten.

Erst durch die Präzision und Kontrolle der Kristalle erhalten medizinische Laser die nötige Leistung, Stabilität und Vielseitigkeit für die komplizierten Verfahren, die die moderne Gesundheitsversorgung transformieren.

In medizinischen Lasern werden jedoch eine Reihe verschiedener optischer Kristalle eingesetzt, um Laserstrahlen zu erzeugen und die Wellenlänge des Lasers zu justieren – und dieser Artikel konzentriert sich auf die Details und Vorteile der verschiedenen Kristallarten.

Verstärkungskristalle und nichtlineare Kristalle

Verstärkungskristalle – die am häufigsten verwendet werden – dienen als Herzstück des Lasers und wandeln Energie aus Lichtquellen (wie Lampen oder Diodenlaser) in fokussierte Laserstrahlen um. Diese Kristalle intensivieren oder verstärken den Laserstrahl, um ihn leistungsfähig genug für eine Vielzahl biomedizinischer zu machen.

Die Kristallintegration am Beispiel eines Extra-Cavity UV-DPSS-Lasers

Nichtlineare Kristalle – eine zweite Art von Kristallen – werden für spezialisiertere Behandlungen und Techniken eingesetzt, bei denen eine bestimmte Wellenlänge erforderlich ist, beispielsweise Präzisionsverfahren in der Dermatologie, bei denen spezifische Strukturen innerhalb der Haut bestrahlt werden sollen. Diese Kristalle haben zusätzlichen Einfluss auf die Laserstrahlen und verdoppeln oder verdreifachen ihre Frequenz mithilfe einer harmonischen Erzeugung. Harmonische Umwandlungskristalle modifizieren die Wellenlänge eines Lasers entweder in eine halbe zweite Oberwellengeneration (Second Harmonic Generation, SHG) oder eine dritte Oberwellengeneration (Third Harmonic Generation, THG) seiner ursprünglichen („fundamentalen“) Wellenlänge.

Harmonische Verstärkungskristalle und nichtlineare Kristalle sind die wichtigsten Bestandteile moderner Technologien für medizinische Laseranwendungen.

Nd:YAG Verstärkungskristalle

Innovatoren der Life Sciences Branche betreten dank der leistungsfähigen Laserkristalle Nd:YAG und Nd:YVO4 neue Forschungsgebiete in der Haut-, Augen, und Zahnheilkunde und entwickeln mit 1.064 nm Laserlicht im Nahinfrarotbereich neuartige medizinische Behandlungen.

Neodym-dotierte Kristalle und Fasern werden in vielen Lasern verwendet, wo sie eine fundamentale Wellenlänge im Nahinfrarotbereich rund um 1.064 nm erzeugen. Die beiden üblichsten Kristalle sind Nd:YAG, bei dem der Wirtskristall aus einem Yttrium-Aluminium-Granaten besteht, und Nd:YVO₄ mit einem Wirtskristall aus Yttrium-Vanadat.  Lasertechnologien für medizinische Anwendungen basieren auf den zentralen Bestandteilen YAG und YVO4. Mittels der inhärenten Eigenschaften von YAG lassen sich hochenergetische Pulse erzeugen, während YVO4 höhere Wiederholraten und eine hohe durchschnittliche Ausgangsleistung unterstützt.

Aber wofür genau werden diese Laser in der Medizin eingesetzt? In dermatologischen und kosmetischen Behandlungen kommen Nd:YAG-Laser bei der Tattooentfernung, Haarentfernung, bei der Behandlung pigmentierter Läsionen und für die Hautverjüngung zum Einsatz. In der Augenheilkunde ermöglichen Nd:YAG-Laser bestimmte Augenoperationen für die Behandlung verschiedener Augenkrankheiten wie der hinteren Kapseltrübung nach einer Katarakt-OP oder Glaukomen. Und die Zahnheilkunde setzt diese Laser für Verfahren wie Kariesentfernung, Zahnfleischkorrekturen und Dentaloperationen ein.

SHG-Kristalle – KTP, LBO, BBO

Die fundamentale Wellenlänge bei 1.064 nm von Nd:YAG-Lasern wird manchmal mithilfe von SHG-Kristallen in das zweite harmonische Grün (532 nm) umgewandelt. Die SHG von Nd:YAG-Lasern kann mittels verschiedener nichtlinearer optischer Kristalle erreicht werden. Diese werden üblicherweise mit dreistelligen Abkürzungen aus Buchstaben bezeichnet, statt ihre recht komplizierten vollständigen Namen zu verwenden.  Die drei üblichsten SHG-Kristalle für Nd:YAG – Kalium-Titanyl-Phosphat (KTP), Lithium-Triborat (LBO) und Beta-Barium-Borat (BBO) – werden auf Basis ihrer nichtlinearen optischen Merkmale, die die effiziente Frequenzverdoppelung von Nd:YAG-Lasern ermöglichen, in Kategorien eingeteilt.

Präzise zugeschliffene KTP-, LBO, und BBO-Kristalle ermöglichen eine effiziente zweite Oberwellengeneration und wandeln das Infrarotlicht der Nd:YAG-Laser in ein leistungsstarkes grünes Licht mit 532 nm um, das für Anwendungen im sichtbaren Lichtspektrum geeignet ist. KTP-, LBO und BBO-Kristalle verstärken durch ihre doppelbrechenden Eigenschaften die zweite Oberwellengeneration, indem sie die fundamentalen und verdoppelten Frequenzen genau aneinander anpassen, um eine optimale Umwandlung innerhalb kompakter, präzise gefertigter Einheiten zu ermöglichen.

Diese nichtlinearen Kristalle weisen eine Eigenschaft namens Doppelbrechung auf, mit der die Phasenanpassung der fundamentalen und der zweiten harmonischen Wellen effizient durchgeführt werden kann. So breiten sich die fundamentalen und die zweiten harmonischen Wellen phasengleich aus und die Effizienz der Umwandlung wird maximiert.

Welcher der nichtlinearen Kristalle am besten geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren wie der gewünschten Wellenlänge, der Umwandlungseffizienz, den optischen Eigenschaften sowie der Zerstörschwelle und anderen spezifischen Merkmalen des Lasersystems ab.

Anwendungen für Nd:YAG-Laser mit grünem Licht (532 nm)

Die Anpassungsfähigkeit von Nd:YAG-Lasern mit grünem Licht (532 nm) hat zu ihrem verbreiteten Einsatz in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen geführt. In der Dermatologie unterstützen sie Verfahren wie die Behandlung vaskulärer Läsionen, bei denen die Wellenlänge des grünen Lichts vom Hämoglobin in den Blutgefäßen absorbiert wird, sodass vaskuläre Läsionen, Feuermale und bestimmte Muttermaltypen gezielt bestrahlt und behandelt werden können.

Nd:YAG-Laser mit grünem Licht bei 532 nm werden – aufgrund der Absorption des kohärenten grünen Lichts durch Hautpigmente – in Lösungen für die Behandlung vaskulärer Läsionen, bei der Tattooentfernung und bei der fortgeschrittenen Bildgebung eingesetzt.

Auch in der Augenheilkunde sind sie nützlich: Dort finden sie beispielsweise für die Behandlung bestimmter Retinakrankheiten und in der Augenchirurgie Verwendung. In der medizinischen Kosmetik wird das grüne Licht gelegentlich für die lasergestützte Haarentfernung bei Menschen mit helleren Hauttönen und dunkleren Haaren eingesetzt, da es vom Melanin in den Haarfollikeln absorbiert wird. Zudem eignet sich diese Wellenlänge gut, um mit einem Laser die Tintenpartikel in Tattoos zu zerstören, insbesondere grüne, blaue und schwarze Pigmente. Und es soll nicht unerwähnt bleiben, dass Nd:YAG-Laser mit grünem Licht manchmal auch bei Techniken zur photoakustischen Bildgebung Verwendung finden, bei denen optische und Ultraschallbildgebung kombiniert werden, um Gewebe für diagnostische Zwecke zu visualisieren.

Er:YAG-Laserkristalle

Laser auf Basis von Erbium-dotierten Verstärkungskristallen werden in medizinischen Anwendungen ebenfalls häufig eingesetzt, insbesondere Er:YAG (Erbium-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat). Diese Laser strahlen Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 2.940 nm aus, das von Wasser und Hydroxylapatit (einem Bestandteil von Zähnen und Knochen) gut absorbiert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie für ihre Präzision und die minimale Beschädigung des umliegenden Gewebes bekannt.

 Er:YAG-Laserkristalle mit der Wellenlänge 2.940 nm ermöglichen präzise und minimalinvasive Verfahren in der Zahn-, Haut- und Augenheilkunde ebenso wie in der Chirurgie.

Erbium-Laser werden für verschiedene medizinische Anwendungen in der Zahnheilkunde eingesetzt. Bei der dentalen Kariesentfernung führt die selektive Absorption durch Hydroxylapatit dazu, dass nur minimale Mengen gesunder Zahnstruktur abgetragen werden, wodurch sich das Verfahren für die Kavitätenpräparation eignet. Anwendungen im Bereich des Weichgewebes finden sich hier bei Zahnfleischkorrekturen, Parodontalbehandlungen und der Zahnfleischkonturierung. Erbium-Laser werden zudem bei Wurzelkanalbehandlungen eingesetzt, um die Wurzelkanäle zu reinigen und zu desinfizieren.

In der Dermatologie stellen Er:YAG-Laser eine effektive Methode zur Behandlung von Falten, Narben und Hautunregelmäßigkeiten dar, indem mit ihnen die obersten Schichten der Haut abgetragen werden, um die Neubildung und Verjüngung durch Kollagen zu fördern. Manchmal werden mit ihrer Hilfe auch pigmentierte Läsionen wie Altersflecken und Sommersprossen entfernt.

Holmium-basierte Laser

Laser auf Grundlage Holmium-dotierter Kristalle – insbesondere Chrom-, Thulium- und Holmium-dotierte YAG-Laser (CTH:YAG) – sind ein weiterer wichtiger Typ medizinischer Laser, der Licht im Bereich rund um 2.100 nm ausstrahlt. Diese Laser werden vornehmlich in der Urologie eingesetzt, vor allem für die Behandlung von Harnsteinen (Nieren-, Harnleiter- und Blasensteine) durch einen Aufspaltungsprozess namens Lithotripsie. Dabei werden die Steine in kleine Teile aufgebrochen, die auf natürlichem Wege ausgeschieden oder durch einen medizinischen Eingriff entfernt werden können.

Holmium-dotierte YAG-Kristalle sind die Grundlage medizinischer Laser, mit denen Harnsteine aufgespalten, Prostatagewebe präzise entfernt und gastrointestinale Erkrankungen endoskopisch behandelt werden. So werden auch die Komplikationen bei urologischen und gastroenterologischen Eingriffen minimiert.

Mit Lasern auf Basis von Holmium-Kristallen wird zudem häufig die benigne bzw. gutartige Prostatahyperplasie (BPH) behandelt. Ein häufiges Verfahren dabei ist die Holmiumlaser-Enukleation der Prostata (HoLEP), mit der eine präzise Entfernung von Gewebeteilen bei gleichzeitiger Minimierung von Blutungen möglich ist.

Und zu guter Letzt werden Holmiumlaser manchmal bei endoskopischen Verfahren im Gastrointestinaltrakt eingesetzt, insbesondere für die Behandlung von Strikturen, Tumoren und anderen Auffälligkeiten.

Nd-, Er- und Ho-dotierte Fasern

Materialkompatibilität spielt eine wichtige Rolle beim Übergang der Branche zu faserbasierten Laserarchitekturen. Hersteller konzentrieren sich jetzt auf die Produktion von Verstärkungsfasern aus denselben seltenen Erden – Nd, Er, Ho und andere – die traditionell in Laserkristallen enthalten sind. Zwischen kompatiblen Materialien können die optischen Eigenschaften der Kristalle und Fasern optimal angeglichen werden, um die Effizienz, Ausgangsstabilität und Leistung des gesamten Lasersystems zu maximieren.

Der Vorteil von Coherent

Kristalle sind zweifellos einer der wichtigsten Bestandteile von medizinischen Diagnose- und Behandlungslasern, da sie Laserlicht erzeugen und bei Bedarf die Wellenlänge verändern können. Und in vielen Bereichen wie der hochpräzisen Tumorchirurgie können diese Laser tatsächlich den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten. Deshalb ist es so wichtig, sich für die richtigen Kristalle und den richtigen Kristallhersteller zu entscheiden.

 Coherent ist Marktführer bei der Lieferung aller Klassen von Laserkristallen in kundenspezifischen Formen und Größen – wie zylindrische Stäbe und rhomboide Platten –, die in medizinischen Lasern verwendet werden, sowie bei vielen anderen Arten von optischen Kristallen. Mit unserer jahrzehntelangen Erfahrung und mehr als 400 Kristallwachstumsstationen an unseren Standorten weltweit bieten wir eine wichtige Kombination verschiedener Vorteile, die den Erfolg unserer Kunden unterstützen.

Vertikale Integration. Coherent ist das vertikal am stärksten integrierte Photonikunternehmen der Welt – wir fertigen alles selbst, von Grundmaterialien wie diesen Laserkristallen über vollständige Laser bis hin zu laserbasierten Maschinen für Spezialanwendungen. Dies gibt uns eine einzigartige Perspektive, sowohl als Hersteller als auch als Anwender optischer Komponenten – von dem Fokus auf Qualität und Prozesskontrolle bis hin zu pünktlichen Lieferterminen.

Zudem ist die technische Breite in unserem Unternehmen sehr hoch. Speziell im Bereich der Laserkristalle bedeutet das, dass wir eine unübertroffene Auswahl an Laserkristallen anbieten. Wir kennen die relativen Vorteile all dieser Materialien, und wenn Sie medizinische Laser entwickeln, können wir Sie zur besten Lösung für Ihre Anwendung begleiten, ohne durch technische Einschränkungen limitiert zu werden.

QS/Messtechnik. Unsere jahrzehntelange Erfahrung in der Züchtung von Kristallen für alle denkbaren Arten kommerzieller Prozesse hat uns gelehrt, wie wichtig Qualitätssicherung (QS) und der Einsatz von Messtechniken sind. Die Herstellung von Kristallen ist nicht besonders schwierig. Die von Kristallen, deren Qualität hoch genug für die Verwendung in Lasern ist und die zudem noch langlebig sind, hingegen durchaus.  Dank unserer internen Kenntnisse, unserem Fokus auf Qualität und unserer umfassenden Anwendung von Messtechniken sind die Kristalle von Coherent für Instrumente im Life Sciences Bereich leistungsstärker und langlebiger.

In dieser Ära der Unsicherheit im Hinblick auf globale Lieferketten bieten wir zudem den praktischen Vorteil, dass all diese Kristalle an mehreren Standorten in den USA produziert werden.

Erfahren Sie mehr über Kristalle von Coherent und die Lösungen von Coherent für medizinische Anwendungen.

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