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2μm固体激光材料与激光器的发展

 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。现在已用作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、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。

2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 

    (1)Ho:YAG激光器 

    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,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。 

    (2)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。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。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。 

    (3)Tm,Ho:YAG激光器 

    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。 

    (4)Cr,Tm,Ho:YSGG激光器 

    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。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、8×1020cm-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。 
(5)Cr,Tm,Ho:YAG激光器 

    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%。 

    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。 

    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。 

    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。 

    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。 

    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。  

    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%。 
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治疗机,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。 

    美国Trimedyne公司开发的钬激光治疗机,平均功率有30W和80W两种。对于30W的钬激光治疗机,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钬激光治疗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。

3、国内2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 

    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。 

    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。 

    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。 

    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。 

    安徽光机所鲁士平课题组研制的HJZ-1-10型钬激光治疗机于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,这两台钬激光治疗机正在医院里进行临床应用研究。 
如上所述,目前国内的钬激光治疗机,输出平均功率14W左右,远远低于国外水平,不能满足医学临床治疗要求

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