Laser diode systems for photodynamic therapy and medical diagnostics

Abstract

This work concerns techniques for improvement of the coherence properties of diode lasers so that they may be used in two specific medical applications: (Interstitial) photodynamic therapy (PDT) and laser-induced fluorescence diagnostics. In the first application, spatial coherence is crucial, since the treatment light should be delivered through relatively thin optical fibers to optimize treatment and to facilitate minimally invasive treatment. In the second application, a pulsed, blue source at 405nm is desired. This has been approached by frequency doubling the output from an external-cavity laser diode at 810nm. Thus, both spatial and temporal coherence are important to ensure that the second harmonic generation is efficient.



Two red (635nm) laser diode systems for PDT, a first and a second generation, have been developed and tested in preliminary clinical trials. The first generation system is based on asymmetrical optical feedback from a barium titanate crystal. This system is coupled into a thin (50µm core diameter) optical fiber and tested in preliminary experimental trials involving interstitial PDT of solid tumors in rat. The second generation system couples two similar systems by means of polarization coupling, whereby the output power is doubled. The individual systems are based on asymmetrical feedback from ordinary mirrors. This system has been tested in PDT treatment of skin cancer in human and has been compared with a conventional treatment.



For laser-induced fluorescence diagnostics, an 810nm external-cavity laser diode system with improved spatial and temporal coherence has been constructed. The system is based on a new configuration that employs double feedback from the first diffracted and the zeroth reflected order of a diffraction grating. The output from this system is frequency doubled to 405nm using a single pass configuration with a periodically poled KTP crystal. It has been shown that the double grating feedback improves the second harmonic conversion efficiency by several orders of magnitude as compared with the freely running laser.

Abstract (Swedish)

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.

• author: Samsöe Andersen, Eva
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Krakowski, Michel, THALES Research and Technology France, Orsay, France
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: quasi-phasematching, photodynamic therapy, laser-induced fluorescence, medical laser systems., Histology, cytochemistry, histochemistry, tissue culture, Histologi, Laserteknik, Laser technology, cytokemi, histokemi, vävnadskultur, Diagnostik, Diagnostics, second harmonic generation, pulsed lasers, spatial filtering, Diode lasers, optical feedback, Fysicumarkivet A:2004:Samsöe Andersen
• pages: 158 pages
• defense location: Dept of Physics, Sölvegatan 14, room B, Lund Institute of Technology.
• defense date: 2004-11-12 13:15:00
• ISBN: 91-628-6144-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Paper I:E. Samsøe, P. M. Petersen, P. E. Andersen, S. Andersson-Engels, and K. Svanberg, "A novel diode laser system for photodynamic therapy", In: Laser-tissue interactions, therapeutic applications, andphotodynamic therapy, eds. R. Birngruber, H. van den Bergh, Proc. SPIE 4433, 134-139 (2001).; Paper II:E. Samsøe, P. Malm, P. E. Andersen, P. M. Petersen, and S.Andersson-Engels, "Improvement of brightness and output power of high-power laser diodes in the visible spectral region", Opt. Commun. 219, pp. 369-375 (2003).; Paper III:E. Samsøe, P. E. Andersen, S. Andersson-Engels, and P. M. Petersen, "Improvement of spatial and temporal coherence of a broad area laser diode using an external-cavity design with double grating feedback", Opt. Express 12, pp. 609-616 (2004).; Paper IV:E. Samsøe, P. M. Petersen, S. Andersson-Engels, and P. E. Andersen, "Second harmonic generation of 405 nm using periodically poled KTiOPO4 pumped by external-cavity laser diode with double grating feedback", Submitted to Appl. Phys. B.; Paper V:E. Samsøe, N. Kjærgaard, H. Lausen, P. E. Andersen, and P. M. Petersen, "An external-cavity laser diode at 635 nm for laser display applications", Submitted to Opt. Commun.; Paper VI:P. M. Petersen, E. Samsøe, S. Blaabjerg, and P. E. Andersen, "Guiding of laser modes based on four-wave mixing in a semiconductor amplifier", Manuscript in preparation for Phys. Rev. Lett.
• id: 2a3a71e9-934c-41ed-82ba-c37c8668deaa (old id 467494)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:22:52
• date last changed: 2018-11-21 20:40:58