DIRECTOR DE PROIECT:         Dr. Nicolaie PAVEL
PROJECT MANAGER:             Dr. Nicolaie PAVEL
Email: nicolaie.pavel@inflpr.ro

DURATA PROIECTULUI:        2008 - 2011
CONDUCATOR PROIECT:      CO: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU FIZICA LASERILOR, PLASMEI SI RADIATIEI INCDFLPR DIN BUCURESTI

PARTENERI:                        P1: UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" BUCURESTI, FACULTATEA DE STIINTE APLICATE
                                           P2: UNIVERSITATEA DE MEDICINA SI FARMACIE DIN CRAIOVA                          

OBIECTIVE
A. Dezvoltarea de Materiale, Procese si Solutii Constructive pentru Sisteme Laser cu Corp Solid cu Emisie Simultana sau Alternativa la Doua Lungimi de Unda.
B. Realizarea unui Sistem de Afisare bazat pe Laseri cu Generare Multipla in Domeniul Vizibil.
C. Detectia si Tratamentul Tesuturilor de Tip Tumoral utilizand Laseri cu Emisie Multipla.
Pentru atingerea obiectivelor propuse se va actiona in urmatoarele directii:
- Stabilirea conditiilor de operare si optimizare a unor laseri cu emisie multipla la diferite lungimi de unda fundamentale, in regim relaxat;
- Generarea de radiatie laser in domeniul vizibil, simultan si/sau alternativ la doua lungimi de unda de la acelasi mediu activ;
- Dezvoltarea de solutii constructive pentru surse laser cu corp-solid cu emisie simultana si/sau alternativa la doua lungimi de unda (fundamentale,in vizibil si in ultraviolet), in regim pulsat
prin comutarea factorului de calitate;
- Realizare de laseri cu corp solid cu generare in domeniul vizibil - albastru, si cu generare de doua lungimi de unda (rosu si verde) in domeniul vizibil;

- Montaj experimental pentru sistem de afisare (”display”) folosind laser cu corp solid cu emisie multipla in domeniul vizibil;
- Realizare de laseri in regim pulsat cu emisie multipla in infrarosu, vizibil si ultraviolet;

OBJECTIVES
A. Developing of Materials, Processes and Constructive Solutions for Solid-State Lasers with Simultaneous or Alternative Emission at Two Wavelengths.
B. Demonstration of a Display based on Lasers with Multiple-Wavelength Generation;.
C. Detection and Treatment of Tumor Tissues using Multiple-Wavelength Emitting Lasers. 
In order to realize the contract objectives, the partners will act toward:
- Determining of the conditions of operation and optimization of solid-state lasers with multiple emission at various fundamental wavelengths; 
- Generation of the laser radiation in the visible spectrum simultaneous or alternate at two wavelengths;
- Developing of constructive solutions for solid-state lasers with simultaneous or/and alternate emission (at the fundamental wavelengths, and in the visible and ultraviolet ranges),
in the Q-switch regime of operation;
- Experimental demonstration of solid-state lasers with generation in the blue spectral range, and with simultaneous or alternate generation in green and red visible ranges;
- Demonstration of a “laser display” device using lasers with multiple generation in the visible spectrum;
- Detection and treatment of some tumor tissues involving lasers with simultaneous emission at two wavelengths;
- Determination of the influence of the laser beam parameters and characteristics on the interaction process with a tumor tissue;
- Realization of various interaction experiments between laser beam with multiple wavelengths (infrared, visible, or up) and a tumor tissue.

REZULTATE
ETAPA 1, Februarie 2009
- Au fost stabilite caracteristicile mediilor laser Nd:YAG, Nd:YVO₄ si Nd:GdVO₄ care pot emite radiatie laser, in regim de operare continua, cu putere maxima de 15 W la 1.06 µm si putere maxima de
10 W la 1.34 µm si 0.9 µm. Achizitionarea acestor cristale laser va permite indeplinirea obiectivelor stabilite in Etapa 2. Au fost efectuate experimente preliminare, care au aratat o foarte
buna concordanta intre rezultatele obtinute si simularile numerice.
- Au fost prezentate modele teoretice privind functionarea in unda continua a laserilor cu patru nivele si cu quasi-trei nivele. Au fost analizate pentru un laser cu patru nivele, conditia de prag si puterea de
iesire pentru laserul cu functionare în unda continua, când rata de pompaj R_p este independenta de timp. S-a realizat o analiza a modelului spatial-dependent în care atât rata de pompaj cât si
distributia modului sunt spatial dependente.
- Au fost identificate directiile de dezvoltare pentru aplicatii ale dispozitivelor de tip laser in tratamentul si investigatiile leziunilor din tractul gastrointestinal. A fost stabilit protocolul de lucru pentru recoltarile
de probe biologice si au fost discutate in contextul proprietatilor optice ale mucoasei stomacale cateva dintre lungimile de unda. Aceste directii creeaza premizele abordarii obiectivelor Etapei 2.

ETAPA 2A, Decembrie 2009
- Au fost efectuate experimente privind influenta lungimii de unda de pompaj asupra caracteristicilor pulsurilor laser obtainute in regim de comutare a factorului de calitate. S-a aratat ca in cazul laserilor 
Nd, comutati pasiv cu cristal cu absorbtie saturabila, schimbarea lungimii de unda a radiatiei de pompaj de la 0.81 mm la 0.88 mm nu va modifica energia pulsurilor laser. Aceasta modificare va creste
rata de repetitie a pulsurilor laser, la aceeasi putere de pompaj absorbita, fapt ce va creste puterea media laser. Pe de alta parte, in cazul laserilor comutati activ, schimbarea lungimii de unda a radiatiei 
de pompaj va creste energia pulsului laser, rata de repetitie fiind dictata de elementul care realizeaza comutarea.

ETAPA 2B, Decembrie 2010
- Au fost realizate montaje experimentale de laseri Nd:YAG si Nd:YVO₄, pompati cu dioda laser, cu emisie in regim continuu la lungimile de unda fundamentale de 0.9, 1.06 si 1.32 sau 1.34 µm. 
Puterea laser a fost de 1.4 W pentru emisia laser la 946 nm (eficienta optica de 11% si panta a emisie de 20%), in domeniul 5.9 la 7.9 W pentru emisia laser la 1.06 mm (eficienta optica de 66% si panta 
a emisie laser de 71%) si in domeniul 3.7 la 5.1 W pentru emisia laser la 1.3 mm (eficienta optica de 39% si panta a emisie laser de 46%).

- A fost analizata posibilitatea emisiei laser simultan la doua lungimi de unda cu un singur mediu activ, precum si emisia laser in domeniul vizibil, simultan sau alternativ la doua lungimi de unda.
Cristalul de Nd:YVO₄ a fost identificat ca fiind unul dintre mediile active laser promitatoare datorita absorbiei sale ridicate intr-o banda larga a lungimii de unda de pompaj  si a valorii ridicate a  sectiunii
eficace de emisie stimulata. S-au analizat conditiile necesare emisiei simultane in unda continua, la 1342 nm si 1064 nm ca si pentru 1342 nm si 1386 nm, pentru laserul Nd:YVO₄ pompat cu diode laser.
Au fost analizate diferite configuratii posibile ale cavitati laser. S-a analizat posibilitatea generarii simultane a trei radiatii laser in vizibil (rosu, galben si verde). Cu ajutorul unui laser Nd:YAG se obtine emisie
laser simultan la 1064 nm si 1319 nm folosind un singur cristal de Nd:YAG. In plus, adaugand un cristal de KTP, un reflector armonic secundar si un cristal pentru comutarea acusto-optica se obtine
emisia alternativ sau simultan la 532 nm si 660 nm. Pulsuri laser de nanosecunde la lungimile de unda de 0.9, 1.0 sau 1.3 mm se pot obtine folosind un Q-switch pasiv intr-un laser Nd:YAG.
Ca absorbanti saturabili se pot folosi cristale de Cr⁴⁺:YAG, Co²⁺:LGO, V³⁺:YAG. Comparat cu Cr⁴⁺:YAG, cristalul de V³⁺:YAG prezinta o banda larga de absorbtie in domeniul 350 nm la 1600 nm,
conductibilitate termica buna, proprietati fizice stabile si o sectiune eficace de absorbtie mare. Aceste calitati sunt favorabile utilizarii lui ca absorbant saturabil pentru emisia de pulsuri laser simultan la
1.06 si 1.34 µm. A fost analizat un model de ecuatii de rata, considerand o distributie spatiala Gaussiana a densitatii de fotoni din  cavitate si a densitatii inversiei de populatie, pentru a caracteriza
oscilatia la doua lungimi de unda in regim de comutare pasiva.

- Au fost recoltate si investigate cu ajutorul tomografiei optice coerente tesuturi tumorale de la pacienţi cu cancer gastric sau cancer de colon, tesuturi supuse iradierii laser la 532 nm si 1064 nm.
Au fost puse in evidenta atat distributia termica in interiorul tesutului datorata iradierii cat si indepartarea de material (ablatia). A fost verificat viabilitatea studierii in vivo intr-un model de tip CAM a
probelor recoltate, pentru o mai buna interpretare a masuratorilor urmatoare.

ETAPA 3, Noiembrie 2011
- Au fost realizate montaje experimentale de laseri Nd:GdVO₄ si Nd:YVO₄, pompati cu dioda laser, cu emisie in regim continuu, simultan la lungimile de unda fundamentale de 1.06 µm si 1.34 µm.
A fost obtinuta generarea laser in verde la 0.53 µm, simultan cu emisia laser la 1.06 µm si 1.34 µm. Au fost realizati laseri Nd-vanadati cu generare de radiatie laser in domeniul vizibil,
in verde la 0.53 mm si in rosu la 0.67 mm. - Au fost recoltate si analizate excizii de la pacienti cu cancer de colon pentru a fi investigata dependenta semnalului de autofluorescenta cu si fara iradiere laser. 
Pacienţii au fost investigaţi iniţial (înainte de recoltare) prin metoda autofluorescenţei endoscopice în combinaţie cu endoscopie clasică. Spectrul de autofluorescenţă a fost ulterior măsurat pe exciziile
prelevate, masuratori ce au fost efectuate atât înainte cât şi dupa iradiere laser (pentru diverse configuraţii ale parametrilor laser).Efectul iradierii a fost controlat cu ajutorul tomografiei optice coerente.

                                         

Rezultatele au fost diseminate astfel:

• Lucrari publicate in reviste ISI

1. N. Pavel, T. Dascalu, G. Salamu, O. Sandu, A. Leca, and V. Lupei, “Q-switched Nd lasers pumped directly into the ⁴F_3/2 emitting level,” Opt. Commun. 282 (24), 4749-4754 (2009).
2. N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “Enhancing performances of a passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG microlaser with a volume Bragg grating output coupler,”
Optics Letters 35 (10), 1617-1619 (2010).
3. E. Osiac, A. Saftoiu, D.I. Gheonea, I. Mandrila, and R. Agelescu, "Optical Coherence Tomography and Doppler Optical Coherence Tomography in the GI Tract,"
World Journal of Gastroenterology, 15 (1), 15-20 (2011). 
4. G. Salamu, E. Osiac, T. Dascalu, N. Pavel, and T. Dascalu, “Simultaneous dual-wavelength operation at 1.06 and 1.34 µm in Nd-vanadate laser crystals,” Laser Physics 22 (5), 866-871 (2012).

• Un capitol de carte

• Lucrari publicate in Proceedings
1. N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “High Peak-Power Passively Q-switched All-Ceramics Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG Lasers,” Proceedings SPIE 7469, Micro- to Nano-Photonics II - ROMOPTO 2009

Conference, August 31 - Sept. 03, 2009, Sibiu, Romania; paper 746903 (2010).

1. N. Pavel, T. Dascalu, N. Vasile, and V. Lupei, “Efficient Laser Emission of Nd-vanadates on the 1.34-µm ⁴F_3/2 to ⁴I_13/2 Transition under Pumping with Diode Lasers Directly into the Emitting Level,” 
CLEO/IQEC 2009 Conference, Baltimore, Maryland, USA, May 31-June 5, 2009, presentation JThE5.
2. N. Pavel, T. Dascalu, V. Lupei, and N. Vasile, “Cr⁴⁺:YAG Passive Q-switching of Directly Pumped Nd Lasers,” CLEO-Europe 2009 Conference, June 14-19, 2009, Munich, Germany, presentation CA.P.38.
3. N. Pavel, G. Salamu, O. Sandu, and T. Dascalu, “Passively Q-switched Cr⁴⁺:YAG/Nd-Lasers Pumped Directly into the Emitting Level,” 10th International Balkan Workshop on Applied Physics (IBWAP),
July 6-8, 2009, Constanta, Romania, presentation S5-P60; Book of Abstracts, ISBN 978-973-614-507-0, pp. 199-200.
4. N. Pavel, “High-Power Intracavity Frequency-Doubled Nd:GdVO₄ Lasers Pumped Directly into the Emitting Level,” Nonlinear Optics (NLO) Conference, July 12-17, 2009, Honolulu, Hawaii, USA,
presentation JTuB24.
5. N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “Passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG Laser with a Volume Bragg Gratings Output Coupler,” Advanced Solid-State Photonics (ASSP) Conference,
January 31 - February 3, 2010, San Diego, USA, presentation AWB18.
6. N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “Diode-Pumped Passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG Laser Controlled by Volume Bragg Gratings,” CLEO/QELS 2010: Laser Science to Photonic
Applications Conference, May 16-21, 2010, San Jose, California, USA, presentation JTuD117.
7. N. Pavel, M. Tsunekane, K. Kanehara, and T. Taira, “Composite All-Ceramics, Passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG Monolithic Micro-Laser with Two-Beam Output for Multi-Point Ignition,”
CLEO 2011, Laser Science to Photonics Applications Conference, Baltimore, Maryland, USA, 1-6 May 2011, presentation CMP1.