2μm固体激光材料与激光器的发展及在医疗领域中的应用 Y1_$R"Oq_n 3@xB_ =N4v 摘 要：近年来2μm波段室温运行的固体激光器由于在医学、光通讯、激光雷达等方面的重要的应用前景而引起学术界和商业界的广泛关注。本文详细介绍了2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况，阐述了医用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的技术特点，最后提出了应用2μm波段固体激光材料研制大功率激光器的新思路，为同类激光器的研究与应用提供了有利参考，具有一定的指导意义。 %_4I& E0S( 关键词：Cr,Tm,Ho:YAG 2μm波段 钬激光机 激光医疗 /j;)t2_PJ4 ___[P!_Bk~ 1、前 言 l+J__U<_ a 与气体激光器相比，半导体泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、便于维护和操作等优点。现在已用作手术、肌肉组织焊接、牙科、光镇痛和光针灸等领域。2μm波段恰恰处于水分子的吸收峰，输出波长为 2μm的固体激光器是激光手术的最佳波长。与通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人体对2μm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其对敏感组织，如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀利切割效果更加 理想。此外石英光纤还可以传播2μm激光，这使得激光传导更加容易。目前半导体激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成结构紧凑、维护容易、便携式的医用器械。虽然2μm激光器有着如此广泛而重要的应用前景，并且在相应领域已经得到了大范围的应用，但是对于二极管泵浦2μm固体激光器深入的研究并不是伴随着激光器的产生而开始的，其间经历了漫长的过程。 B_ I5_]/WK 0RrA>U7__ 2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 jEfnSrw_B8 （1）Ho:YAG激光器 B_X{_:[: 1965年Bell实验室Johnson等人首先报道了Ho:YAG在液氮温度下实现振荡[1]，使用的晶体用熔盐法生长，晶体长度25mm，输出三种不同的激光波长。输出波长2.0975μm时，脉冲阈值为44J；输出波长2.0914μm时，脉冲阈值为1760J；输出波长2.1223μm时，脉冲阈值为410J。高阈值限制了Ho:YAG的应用。 |_b<b*_%E （2）Er,Tm,Ho:YAG激光器 B+<]CJmpEZ Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有几条弱吸收线。为了增加对灯泵能量 的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+来敏化Ho3+，由于它们吸收和传递泵浦能量，液氮温度下得到了5％的闪光灯泵浦效率和15W的连续激光输出[2]。1975年， Beck等人报道了直径4mm，长度70mm的晶体在液氮温度下连续输出50W，斜率效率6.5％，使用钨卤素灯作泵浦源[3]。1981年Barnes等人在液氮温度下实现了脉冲激光振荡和放大，TEM00模输出112mJ，斜率效率1.2％，放大输出235mJ。晶体直径4mm，长度56mm，晶体中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分别占0.021、0.037、0.616和0.326[4]。 4___Ug~ bX
（3）Tm,Ho:YAG激光器 )_`j lRx&]
1987年Fan等人报道了用波长为781.5二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAG获得室温连续输出，阈值4.4mW，斜率效率19％，输出波长2.074μm [5]。1990年Stoneman等人实现了Tm,Ho:YAG在2.09～2.12范围连续可调谐激光输出。晶体用引上法生长，Tm3+和Ho3+的含量分别为8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。 cY`z, z_Tx
（4）Cr,Tm,Ho:YSGG激光器 _ L @8_j`_
1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG（钇钪石榴石）激光晶体，并获得室温灯泵浦脉冲输出能量7.4J,斜率效率3.1％，输出波长2.088μm，并于1988年实现开关运行[6]。其中晶体直径4mm，长度76mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为2.5×1020cm-3、8×1
020cm-3、5×1019cm-3。在室温下获得80mJ的电光调输出，此时的泵浦输入为125J，调阈值为60J。在转镜调时，获得280mJ的多峰光脉冲，500的总宽度，脉冲中含5～6个峰，峰-峰间隔2μm，每个峰半宽度为40～50。 z__dUFVNaE
（5）Cr,Tm,Ho:YAG激光器 _K-1
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1988年ST Systems公司的Mark E.Storm 采用单椭圆腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶体直径5mm，长度53mm。闪光灯内径4mm，闪光灯弧长50mm，闪光灯脉宽600us，全反镜曲率半径10m，输出镜透过率85％。在温度295K时，激光阈值25J,斜率效率2.3％[7]。 _#-5Z_U___
1989年美国海军研究实验室的G.J.Quarles等人采用67mm镀银椭圆腔和69mm漫反射腔，晶体直径5mm，长度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙灯充气压630Torr，闪光灯内径4mm，闪光灯弧长63.5mm，闪光灯脉宽540us，谐振腔长度为300mm，全反镜曲率半径为1m，输出镜透过率小于75％，输出波长为2.097μm。使用漫反腔得到了4.7％斜效率，阈值70J。使用镀银腔得到了5.1％斜效率，阈值38J[8]。同时从理论和实验上证明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最
好基质,Cr3+→Tm3+能量传递效率YAG高于YSAG和YSGG。 Z9Hk_S {L=
1990年T.Becker等人报道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重频30Hz时的输出特性。Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2at%、5at%和0.5at%。晶体直径分别为2.8mm、4mm和5mm，晶体长度为56mm，谐振腔腔长300mm，全反镜半径1m，输出镜透过率15％。闪光灯内径为4mm，弧长76mm，放电脉宽500μm。在20oC时，直径2.8mm晶体的效率比其它两种高，在重频21Hz时，斜效率1.6％，同时获得了6.5W的输出；在重频30Hz时，得到2W输出。 #y_1E_g)7
1991年美国海军研究实验室采用单椭圆镀银腔，晶体直径5mm，长度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙灯充气压450Torr，闪光灯内径5mm，闪光灯弧长63mm，闪光灯脉宽290μs，谐振腔长度为290mm，全反镜曲率半径为0.5m，输出镜透过率20％,水温20oC，重频1Hz时，得到最佳斜率效率。同时，研究了调的特性，发现开关的Cr,Tm,Ho:YAG效率几乎比长脉冲Cr,Tm,Ho:YAG低一个数量级，得到了2.121μm增益系数为0.07cm-1,估计调在2.121μm的增益系数为0.02～0.07cm-1[9]。 _II__?zwi
1994年W.Zendzian等人报道了闪光灯泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J时，得到了17W的输出，斜效率为2％，同时从理论和实验上验证了热焦距对M2参数的影响[10]。
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1998年Yoichi等人报道了在温度10oC，泵浦能量密度85.9J/cm3,得到了Cr,Tm:YAG和Cr,Tm,Ho:YAG的最大小信号增益系数分别为0.144cm-1和0.234cm-1[11]。 5z _Xqol@_
2000年Cheng Li等人报道了采用闪光灯泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶体，在自由运转模式下，室温获得了4.5J的激光输出，输出波长2.098μm，斜率效率2.7％，阈值能量95J；在声光调方式下，室温下单模输出大于530mJ，脉冲宽度165ns。晶体直径为4mm，长度100mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为1.2at%、6.1at%、0.4at%[12]。 Mi\v$}8`,
在医用钬激光器的研究开发方面，美国相干公司等单位居领先地位，1990年向用户提供了第一台医用钬激光机，如今已开发出平均功率为20W、60W和100W三种单波长型号，相应重复频率分别为5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相应单脉冲能量分别为0.5-2.5J、0.2-3.5J和0.2-3.5J，相应的平均功率设置分别为2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脉冲持续时间为500μs。此外，还有80/100W 的双波长Holmium&Nd:YAG激光器，重复频率为5-40Hz，单脉冲能量为0.2-3.5J，相应的平均功率设置为2J/40Hz，脉冲持续时间为500μs。这些构成了Versa Pulse PowerSuiteTm系列钬激光器。 &.;BH75__a
美国Trimedyne公司开发的钬激光机，平均功率有30W和80W两种。对于30W的钬激
光机，单脉冲能量为0.2-3.5J，重复频率为5-20Hz，脉冲持续时间为350μs。而80W钬激光机采用独特的双脉冲技术，能够传递更多的能量到硬组织，同时尽量减少对周围软组织的损伤。其单脉冲能量为0.2-3.5J,重复频率为5-60Hz，双脉冲模式下，单脉冲有效能量为0.4-7J，重复频率为3-30Hz，脉冲持续时间为350μs。 Q_ o_^_,y
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3、国内2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 )gwHbl_1J
1991年起电子部11所展开了钬激光晶体研究工作。采用感应加热提拉法生长Cr,Tm,Ho:YAG晶体，解决了高效率Cr3+→Tm3+→Ho3+能量转移和高光学质量晶体生长工艺等一系列关键技术。激光棒主要技术指标达到：干涉条纹0.3条/25mm，无散射颗粒，单脉冲输出能量2.3J。 O_ n5_4__[
1995年华中理工大学的叶洪波等人研制出了在室温下Ho:YAG激光器输出的能量3J。实验中所用到的泵浦方式为脉冲氙灯泵浦，聚光腔是镀银单椭圆腔，冷却方式为对冷却水进行恒温控制，其温度浮动范围为10±5oC。实验采用国产棒尺寸为φ5×93mm，谐振腔为平凹腔，腔长280mm。全反镜为曲面镜，曲率为1m。输出镜为平面镜,在输出镜透过率为29％，冷却温度为9oC，放电脉冲半宽度为360μs，激光器阈值为98.4J,单脉冲输出在3J以
上。 uAlJPH_g^
1997年中国计量学院光电子研究所的黄莉蕾等人，使用国产晶体Cr3+（2.3×1020cm-3），Tm3+（8.2×1020cm-3）, Ho3+（5.4×1020cm-3）:YAG。尺寸为φ6×100mm，采用单灯相交圆柱聚光腔，内壁贴Ag箔抛光。谐振腔为平凹腔，输出镜曲率半径为5m，透过率为25％，全反镜对2.1激光反射率大于98％。用气压为2×105Pa的氙灯泵浦，频率1Hz，冷却水温18～22oC，激光阈值为73～84J，获得斜率效率为2～4％，单脉冲能量为0.8～1.4J [13]。 _b>"?_Ck7G
1997年，安徽光机所的陈长水等人进行了开关Cr,Tm,Ho:YAG激光器的实验研究，获得了单脉冲能量60mJ的2.1μm的稳定调激光输出，通过倍频途径测得了其倍频光（1.05μm）的脉冲半宽度35ns[14]。 ZSB$a<(S00
安徽光机所鲁士平课题组研制的HJZ-1-10型钬激光机于1997年12月在杭州通过了国家医药管理局用光学、激光、冷疗设备质量检测中心的新产品注册检测。经过高温55篊、低温－40oC、湿度93％以及电绝缘强度等多种环境实验的严格检测，两台医用钬激光器所达到的指标为：脉冲重复频率为4～10Hz分档可调，输出平均功率为14W左右，输出功率的不稳定度为±2.0％，传输光纤的耦合效率大于65％。目前，这两台钬激光机正在医院
里进行临床应用研究[15]。 %E8Y3 T!1_
如上所述，目前国内的钬激光机，输出平均功率14W左右，远远低于国外水平，不能满足医学临床要求。 ~^oL_o_0+_
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4、医用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的特点 (_ 2_jQs7G
人体组织中水的比例大约占70％，因而组织对光的吸收情况与水相似。水在中红外波段有两个强的吸收谱带，分别为2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，当激光与人体组织相互作用时，水对所用激光吸收系数的大小就决定了激光在组织中的穿透深度、损伤区域以及手术精度等。水对于不同波长激光的吸收系数示意图如图1所示。 __\S^._(zV
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图1 水对于不同波长光的吸收系数示意图 XNt +RH55i
Nd:YAG激光器的波长为1.06μm，可以用石英光纤传输，在医疗方面有不少应用。但是，由于水对它的吸收仅为0.1cm-1，在有些外科手术中，它的穿透深度较深，损伤区域较大，手术精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波长为2.94μm,水对它的吸收为3000cm-1，属水的强吸收波段。对医疗应用来说，铒激光器是一个十分理想的光源，然而令人遗憾
的是：铒激光不能用石英光纤传输，能够传输铒激光的非石英光纤容易断裂，防碍其临床应用。 _JP' cf_}
Ho:YAG激光波长为2.1μm，位于水较强吸收谱线。水对其吸收约为25cm-1，是水对Nd:YAG激光吸收的250倍。显然，水对Ho:YAG激光的强吸收使其可以在大部分软组织和硬组织中产生浅的穿透深度、高的手术精度和独特的凝血作用，大大限制了损伤区域。在未来几年中，它将逐步取代Nd:YAG激光器。虽然水对钬激光的吸收只是水对铒激光吸收的一百二十分之一，然而钬激光能用低OH-的石英光纤传输，这就使钬激光能有效地工作在气体和液体环境中，为医生切除软骨和其它硬组织提供精确的途径，使钬激光成为现有激光内窥镜系统中最适宜的光源[37]。钬激光在软组织中的外科手术精度与CO2激光相比较，可能略低于CO2激光的手术精度，然而它能为大部分组织提供更好的凝血功能。除此之外，二者之间的最大区别是CO2激光不能用石英光纤传输，只能借助于笨重的关节臂来导光，十分不便；而能用光纤传输的脉冲钬激光则是切除和烧蚀软骨以及其它硬的钙化的组织的有效工具。因此有人称钬激光对于CO2激光来说具有挑战性，在某些手术中钬激光具有取代CO2激光的潜力。 P_V_[)q6*Z
表1所示为实验得出的人体组织对于不同波长光的吸收系数。由于人体其它部分组织也都含
有大量的水分，由此可以推出，人体组织对2.1μm的钬激光均有强烈的吸收作用，这一特点使得钬激光器在医学上有着广阔的应用前景。 `p 70FT"L~
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表1皮肤组织对不同波长光的吸收系数 _/(&JP & _
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5、大功率钬激光器技术方案的提出 z_=_1_e9n9
根据上述钬激光器在医疗中的具体应用，我们提出了一种实现大功率输出的灯泵钬激光器实用化方案：对单路电源的放电信号进行分频处理，在软硬件上实现单路电源改造成具有多条放电回路并且轮流等时间间隔工作的多路电源，最终实现一台电源供两路或四路Cr,Tm,Ho:YAG激光器轮流等时间间隔工作的设想。在水温0oC，单脉冲注入能量100J,重频20Hz时，双路Cr,Tm,Ho:YAG激光器直接输出功率有望突破35W，合光路后光纤末端输出功率25W。该设计方案为同类激光器的研究与应用提供了有利参考，具有一定的指导意义。 #_v_cttO+_
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