2μm固體激光材料與激光器的發(fā)展及在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

2pm固體激光材料與激光器的發(fā)展及在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要：近年來(lái)2pm波段室溫運(yùn)行的固體激光器由于在醫(yī)學(xué)、光通訊、激光雷達(dá)等方面的重要的應(yīng)用前景而引起學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文詳細(xì)介紹了2pm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展?fàn)顩r，闡述了醫(yī)用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的技術(shù)特點(diǎn)，最后提出了應(yīng)用2pm波段固體激光材料研制大功率激光器的新思路，為同類激光器的研究與應(yīng)用提供了有利參考，具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：Cr,Tm,Ho:YAG2pm波段欽激光治療機(jī)激光醫(yī)療1、前言與氣體激光器相比，半導(dǎo)體泵浦固體激光器具有體積小、重量輕、供電簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、便于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在已用作手術(shù)治療、肌肉組織焊接、牙科治療、光鎮(zhèn)痛和光針灸等領(lǐng)域。2pm波段恰恰處于水分子的吸收峰，輸出波長(zhǎng)為2pm的固體激光器是激光手術(shù)的最佳波長(zhǎng)。與通常的Nd:YAG激光(1.064pm)相比，人體對(duì)2pm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其對(duì)敏感組織，如肝、胃、結(jié)腸等軟組織的燒蝕利切割效果更加理想。此外石英光纖還可以傳播2pm激光，這使得激光傳導(dǎo)更加容易。目前半導(dǎo)體激光器泵浦的Ho:YLF2.12pm激光器已做成結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)容易、便攜式的醫(yī)用器械。雖然2pm激光器有著如此廣泛而重要的應(yīng)用前景，并且在相應(yīng)領(lǐng)域已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用，但是對(duì)于二極管泵浦2pm固體激光器深入的研究并不是伴隨著激光器的產(chǎn)生而開始的，其間經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。2、國(guó)外2pm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展?fàn)顩rHo:YAG激光器1965年Bell實(shí)驗(yàn)室Johnson等人首先報(bào)道了Ho:YAG在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)振蕩［1］，使用的晶體用熔鹽法生長(zhǎng)，晶體長(zhǎng)度25mm，輸出三種不同的激光波長(zhǎng)。輸出波長(zhǎng)2.0975pm時(shí)，脈沖閾值為44J；輸出波長(zhǎng)2.0914pm時(shí)，脈沖閾值為1760J；輸出波長(zhǎng)2.1223pm時(shí)，脈沖閾值為410J。高閾值限制了Ho:YAG的應(yīng)用。Er,Tm,Ho:YAG激光器Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有幾條弱吸收線。為了增加對(duì)燈泵能量的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+來(lái)敏化Ho3+，由于它們吸收和傳遞泵浦能量，液氮溫度下得到了5%的閃光燈泵浦效率和15W的連續(xù)激光輸出［2］。1975年，Beck等人報(bào)道了直徑4mm，長(zhǎng)度70mm的晶體在液氮溫度下連續(xù)輸出50W，斜率效率6.5%，使用鎢鹵素?zé)糇鞅闷衷矗?］。1981年Barnes等人在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)了脈沖激光振蕩和放大，TEM00模輸出112mJ，斜率效率1.2%，放大輸出235mJ。晶體直徑4mm，長(zhǎng)度56mm，晶體中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分別占0.021、0.037、0.616和0.326［4］。Tm,Ho:YAG激光器1987年Fan等人報(bào)道了用波長(zhǎng)為781.5二極管激光器泵浦Tm,Ho:YAG獲得室溫連續(xù)輸出，閾值4.4mW，斜率效率19%，輸出波長(zhǎng)2.074pm［5］。1990年Stoneman等人實(shí)現(xiàn)了Tm,Ho:YAG在2.09?2.12范圍連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。晶體用引上法生長(zhǎng)，Tm3+和Ho3+的含量分別為8.3x1020cm-3和6.9x1019cm-3oCr,Tm,Ho:YSGG激光器1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG(釔鈧石榴石)激光晶體，并獲得室溫?zé)舯闷置}沖輸出能量7.4J,斜率效率3.1%，輸出波長(zhǎng)2.088pm，并于1988年實(shí)現(xiàn)開關(guān)運(yùn)行［6］。其中晶體直徑4mm，長(zhǎng)度76mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為2.5x1020cm-3、8x1020cm-3、5x1019cm-3o在室溫下獲得80mJ的電光調(diào)輸出，此時(shí)的泵浦輸入為125J,調(diào)閾值為60J。在轉(zhuǎn)鏡調(diào)時(shí)，獲得280mJ的多峰光脈沖，500的總寬度，脈沖中含5?6個(gè)峰，峰-峰間隔2pm，每個(gè)峰半寬度為40?50。(5)Cr,Tm,Ho:YAG激光器1988年STSystems公司的MarkE.Storm采用單橢圓腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶體直徑5mm，長(zhǎng)度53mm。閃光燈內(nèi)徑4mm，閃光燈弧長(zhǎng)50mm，閃光燈脈寬600us，全反鏡曲率半徑10m，輸出鏡透過(guò)率85%。在溫度295K時(shí)，激光閾值25J,斜率效率2.3%[7]o1989年美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的G.J.Quarles等人采用67mm鍍銀橢圓腔和69mm漫反射腔，晶體直徑5mm，長(zhǎng)度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為7.7x1019cm-3、8.0x1020cm-3、5.0x1019cm-3,氙燈充氣壓630Torr，閃光燈內(nèi)徑4mm，閃光燈弧長(zhǎng)63.5mm，閃光燈脈寬540us，諧振腔長(zhǎng)度為300mm，全反鏡曲率半徑為1m，輸出鏡透過(guò)率小于75%，輸出波長(zhǎng)為2.097pm。使用漫反腔得到了4.7%斜效率，閾值70J。使用鍍銀腔得到了5.1%斜效率，閾值38J[8]o同時(shí)從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基質(zhì),Cr3+-Tm3+能量傳遞效率YAG高于YSAG和YSGG。1990年T.Becker等人報(bào)道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重頻30Hz時(shí)的輸出特性°Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為2at%、5at%和0.5at%。晶體直徑分別為2.8mm、4mm和5mm，晶體長(zhǎng)度為56mm，諧振腔腔長(zhǎng)300mm，全反鏡半徑1m，輸出鏡透過(guò)率15%。閃光燈內(nèi)徑為4mm，弧長(zhǎng)76mm，放電脈寬500pm。在20oC時(shí)，直徑2.8mm晶體的效率比其它兩種高，在重頻21Hz時(shí)，斜效率1.6%，同時(shí)獲得了6.5W的輸出；在重頻30Hz時(shí)，得到2W輸出。1991年美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室采用單橢圓鍍銀腔，晶體直徑5mm，長(zhǎng)度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙燈充氣壓450Torr，閃光燈內(nèi)徑5mm，閃光燈弧長(zhǎng)63mm，閃光燈脈寬290ps，諧振腔長(zhǎng)度為290mm，全反鏡曲率半徑為0.5m，輸出鏡透過(guò)率20%,水溫20oC，重頻1Hz時(shí)，得到最佳斜率效率。同時(shí)，研究了調(diào)的特性，發(fā)現(xiàn)開關(guān)的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長(zhǎng)脈沖Cr,Tm,Ho:YAG低一個(gè)數(shù)量級(jí)，得到了2.121pm增益系數(shù)為0.07cm-1,估計(jì)調(diào)在2.121pm的增益系數(shù)為0.02?0.07cm-1[9]。1994年W.Zendzian等人報(bào)道了閃光燈泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J時(shí)，得到了17W的輸出，斜效率為2%，同時(shí)從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了熱焦距對(duì)M2參數(shù)的影響[10]。1998年Yoichi等人報(bào)道了在溫度10oC，泵浦能量密度85.9J/cm3,得到了Cr,Tm:YAG和Cr,Tm,Ho:YAG的最大小信號(hào)增益系數(shù)分別為0.144cm-1和0.234cm-1[11]。2000年ChengLi等人報(bào)道了采用閃光燈泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶體，在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，室溫獲得了4.5J的激光輸出，輸出波長(zhǎng)2.098pm，斜率效率2.7%，閾值能量95J；在聲光調(diào)方式下，室溫下單模輸出大于530mJ，脈沖寬度165nso晶體直徑為4mm，長(zhǎng)度100mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為1.2at%、6.1at%、0.4at%[12]。在醫(yī)用欽激光器的研究開發(fā)方面，美國(guó)相干公司等單位居領(lǐng)先地位，1990年向用戶提供了第一臺(tái)醫(yī)用欽激光治療機(jī)，如今已開發(fā)出平均功率為20W、60W和100W三種單波長(zhǎng)型號(hào)，相應(yīng)重復(fù)頻率分別為5—20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相應(yīng)單脈沖能量分別為0.5-2.5J、0.2-3.5J和0.2-3.5J，相應(yīng)的平均功率設(shè)置分別為2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為500pso此外，還有80/100W的雙波長(zhǎng)Holmium&Nd:YAG激光器，重復(fù)頻率為5-40Hz，單脈沖能量為0.2-3.5J，相應(yīng)的平均功率設(shè)置為2J/40Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為500ps。這些構(gòu)成了VersaPulsePowerSuiteTm系列欽激光器。美國(guó)Trimedyne公司開發(fā)的欽激光治療機(jī)，平均功率有30W和80W兩種。對(duì)于30W的欽激光治療機(jī)，單脈沖能量為0.2-3.5J，重復(fù)頻率為5-20Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為350ps。而80W欽激光治療機(jī)采用獨(dú)特的雙脈沖技術(shù)，能夠傳遞更多的能量到硬組織，同時(shí)盡量減少對(duì)周圍軟組織的損傷。其單脈沖能量為0.2-3.5J,重復(fù)頻率為5-60Hz，雙脈沖模式下，單脈沖有效能量為0.4-7J，重復(fù)頻率為3-30Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為350pso3、國(guó)內(nèi)2Mm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展?fàn)顩r1991年起電子部11所展開了欽激光晶體研究工作。采用感應(yīng)加熱提拉法生長(zhǎng)Cr,Tm,Ho:YAG晶體，解決了高效率Cr3+-Tm3+-Ho3+能量轉(zhuǎn)移和高光學(xué)質(zhì)量晶體生長(zhǎng)工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)。激光棒主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到：干涉條紋0.3條/25mm，無(wú)散射顆粒，單脈沖輸出能量2.3J。1995年華中理工大學(xué)的葉洪波等人研制出了在室溫下Ho:YAG激光器輸出的能量3J。實(shí)驗(yàn)中所用到的泵浦方式為脈沖氙燈泵浦，聚光腔是鍍銀單橢圓腔，冷卻方式為對(duì)冷卻水進(jìn)行恒溫控制，其溫度浮動(dòng)范圍為10±5oC。實(shí)驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)棒尺寸為^5x93mm，諧振腔為平凹腔，腔長(zhǎng)280mm。全反鏡為曲面鏡，曲率為1m。輸出鏡為平面鏡，在輸出鏡透過(guò)率為29%，冷卻溫度為9oC，放電脈沖半寬度為360煦，激光器閾值為98.4J，單脈沖輸出在3J以上。1997年中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電子研究所的黃莉蕾等人，使用國(guó)產(chǎn)晶體Cr3+(2.3x1020cm-3)，Tm3+(8.2x1020cm-3),Ho3+(5.4x1020cm-3):YAG。尺寸為^6^100mm，采用單燈相交圓柱聚光腔，內(nèi)壁貼Ag箔拋光。諧振腔為平凹腔，輸出鏡曲率半徑為5m，透過(guò)率為25%，全反鏡對(duì)2.1激光反射率大于98%。用氣壓為2x105Pa的氙燈泵浦，頻率1Hz，冷卻水溫18?22oC，激光閾值為73?84J，獲得斜率效率為2?4%，單脈沖能量為0.8?1.4J［13］。1997年，安徽光機(jī)所的陳長(zhǎng)水等人進(jìn)行了開關(guān)Cr,Tm,Ho:YAG激光器的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了單脈沖能量60mJ的2.1pm的穩(wěn)定調(diào)激光輸出，通過(guò)倍頻途徑測(cè)得了其倍頻光(1.05pm)的脈沖半寬度35ns［14］。安徽光機(jī)所魯士平課題組研制的HJZ-1-10型欽激光治療機(jī)于1997年12月在杭州通過(guò)了國(guó)家醫(yī)藥管理局用光學(xué)、激光、冷療設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)中心的新產(chǎn)品注冊(cè)檢測(cè)。經(jīng)過(guò)高溫55濱、低溫一40oC、濕度93%以及電絕緣強(qiáng)度等多種環(huán)境實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格檢測(cè)，兩臺(tái)醫(yī)用欽激光器所達(dá)到的指標(biāo)為：脈沖重復(fù)頻率為4?10Hz分檔可調(diào)，輸出平均功率為14W左右，輸出功率的不穩(wěn)定度為±2.0%，傳輸光纖的耦合效率大于65%。目前，這兩臺(tái)欽激光治療機(jī)正在醫(yī)院里進(jìn)行臨床應(yīng)用研究［15］。如上所述，目前國(guó)內(nèi)的欽激光治療機(jī)，輸出平均功率14W左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外水平，不能滿足醫(yī)學(xué)臨床治療要求。4、醫(yī)用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的特點(diǎn)人體組織中水的比例大約占70%，因而組織對(duì)光的吸收情況與水相似。水在中紅外波段有兩個(gè)強(qiáng)的吸收譜帶，分別為2.5?4.0pm和5.6?10pm。因此，當(dāng)激光與人體組織相互作用時(shí)，水對(duì)所用激光吸收系數(shù)的大小就決定了激光在組織中的穿透深度、損傷區(qū)域以及手術(shù)精度等。水對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)示意圖如圖1所示。圖1水對(duì)于不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)示意圖Nd:YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06pm，可以用石英光纖傳輸，在醫(yī)療方面有不少應(yīng)用。但是，由于水對(duì)它的吸收僅為0.1cm-1，在有些外科手術(shù)中，它的穿透深度較深，損傷區(qū)域較大，手術(shù)精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波長(zhǎng)為2.94pm,水對(duì)它的吸收為3000cm-1，屬水的強(qiáng)吸收波段。對(duì)醫(yī)療應(yīng)用來(lái)說(shuō)，鉺激光器是一個(gè)十分理想的光源，然而令人遺憾的是：鉺激光不能用石英光纖傳輸，能夠傳輸鉺激光的非石英光纖容易斷裂，防礙其臨床應(yīng)用。Ho:YAG激光波長(zhǎng)為2.卻m，位于水較強(qiáng)吸收譜線。水對(duì)其吸收約為25cm-1,是水對(duì)Nd:YAG激光吸收的250倍。顯然，水對(duì)Ho:YAG激光的強(qiáng)吸收使其可以在大部分軟組織和硬組織中產(chǎn)生淺的穿透深度、高的手術(shù)精度和獨(dú)特的凝血作用，大大限制了損傷區(qū)域。在未來(lái)幾年中，它將逐步取代Nd:YAG激光器。雖然水對(duì)欽激光的吸收只是水對(duì)鉺激光吸收的一百二十分之一，然而欽激光能用低OH-的石英光纖傳輸，這就使欽激光能有效地工作在氣體和液體環(huán)境中，為醫(yī)生切除軟骨和其它硬組織提供精確的途徑，使欽激光成為現(xiàn)有激光內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中最適宜的光源[37]。欽激光在軟組織中的外科手術(shù)精度與CO2激光相比較，可能略低于CO2激光的手術(shù)精度，然而它能為大部分組織提供更好的凝血功能。除此之外，二者之間的最大區(qū)別是CO2激光不能用石英光纖傳輸，只能借助于笨重的關(guān)節(jié)臂來(lái)導(dǎo)光，十分不便;而能用光纖傳輸?shù)拿}沖欽激光則是切除和燒蝕軟骨以及其它硬的鈣化的組織的有效工具。因此有人稱欽激光對(duì)于CO2激光來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性，在某些手術(shù)中欽激光具有取代CO2激光的潛力。表1所示為實(shí)驗(yàn)得出的人體組織對(duì)于不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)。由于人體其它部分組織也都含有大量的水分，由此可以推出，人體組織對(duì)2.1pm的欽激光均有強(qiáng)烈的吸收作用，這一特點(diǎn)使得欽激光器在醫(yī)學(xué)上有著廣闊的應(yīng)用前景。表1皮膚組織對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)5、大功率欽激光器技術(shù)方案的提出根據(jù)上述欽激光器在醫(yī)療中的具體應(yīng)用，我們提出了一種實(shí)現(xiàn)大功率輸出的燈泵欽激光器實(shí)用化方案：對(duì)單路電源的放電信號(hào)進(jìn)行分頻處理，在軟硬件上實(shí)現(xiàn)單路電源改造成具有多條放電回路并且輪流等時(shí)間間隔工作的多路電源，最終實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電源供兩路或四路Cr,Tm,Ho:YAG激光器輪流等時(shí)間間隔工作的設(shè)想。在水溫0oC，單脈沖注入能量100J,重頻20Hz時(shí)，雙路Cr,Tm,Ho:YAG激光器直接輸出功率有望突破35W，合光路后光纖末端輸出功率25W。該設(shè)計(jì)方案為同類激光器的研究與應(yīng)用提供了有利參考，具有一定的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)L.F.Johnson，J.E.Geuis，L.G.VanUitert，et.al.CoherentoscillationsfromTm3+,Ho3+,Yb3+andEr3+ionsinyttriumaluminumgarnet.AppliedPhysicsLetters.1965，7(5)：127?129L.F.Johnson,J.E.Geusic，L.G.VanUitertetal.Efficienthigh-powercoherentemissionfromHo3+ionsinyttriumaluminumgarnetassistedbyenergytransfer.AppliedPhysicsLetters，1966，8(8)：200?202R.Beck,K.Gurs.Holaserwith50Woutputand6.5%slopeefficiency.Journalofappliedphysics，1975，46(12)：5224?5225NormanP.Barnes，D.J.Gettemy.PulsedHo:YAGoscillatorandamplifier.IEEEJournalofQuantumElectron，1981，17：1303?1304T.YFan，G.Huber，R.L.Byeretal.Continuouswaveoperationat2.1pmofadiode-laser-pumped,Tm-sensitizedHo:YAGlaserat300.Opticsletters.1987，12：678?680A.N.Alpatev.LasercharacteristicsofaswitchedCr,Tm,Ho:YSGG.Sovietofjournalquantumelectronics，1988，18(2)：167?169MarkE.Storm.LasercharacteristicsofaQ-switchedHo:Tm:Cr:YAG.Appliedoptics，1988,27(20)：4170?4172GregoryJ.Quarles,AnnetteRosenbaum,CharlesL.Mar