3、國內(nèi)2μm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展?fàn)顩r

    1991年起電子部11所展開了鈥激光晶體研究工作。采用感應(yīng)加熱提拉法生長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，冷卻方式為對冷卻水進(jìn)行恒溫控制，其溫度浮動范圍為10±5oC。實(shí)驗(yàn)采用國產(chǎn)棒尺寸為φ5×93mm，諧振腔為平凹腔，腔長280mm。全反鏡為曲面鏡，曲率為1m。輸出鏡為平面鏡,在輸出鏡透過率為29％，冷卻溫度為9oC，放電脈沖半寬度為360μs，激光器閾值為98.4J,單脈沖輸出在3J以上。 1997年中國計(jì)量學(xué)院光電子研究所的黃莉蕾等人，使用國產(chǎn)晶體Cr3+（2.3×1020cm-3），Tm3+（8.2×1020cm-3）, Ho3+（5.4×1020cm-3）:YAG。尺寸為φ6×100mm，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，透過率為25％，全反鏡對2.1激光反射率大于98％。用氣壓為2×105Pa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2.1μm的穩(wěn)定調(diào)激光輸出，通過倍頻途徑測得了其倍頻光（1.05μm）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型鈥激光治療機(jī)于1997年12月在杭州通過了國家醫(yī)藥管理局用光學(xué)、激光、冷療設(shè)備質(zhì)量檢測中心的新產(chǎn)品注冊檢測。經(jīng)過高溫55篊、低溫－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，兩臺醫(yī)用鈥激光器所達(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，這兩臺鈥激光治療機(jī)正在醫(yī)院里進(jìn)行臨床應(yīng)用研究[15]。 如上所述，目前國內(nèi)的鈥激光治療機(jī)，輸出平均功率14W左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外水平，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％，因而組織對光的吸收情況與水相似。水在中紅外波段有兩個強(qiáng)的吸收譜帶，分別為2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，當(dāng)激光與人體組織相互作用時，水對所用激光吸收系數(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Nd:YAG激光器的波長為1.06μm，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激光波長為2.94μm,水對它的吸收為3000cm-1，屬水的強(qiáng)吸收波段。對醫(yī)療應(yīng)用來說，鉺激光器是一個十分理想的光源，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激光波長為2.1μm，位于水較強(qiáng)吸收譜線。水對其吸收約為25cm-1，是水對Nd:YAG激光吸收的250倍。顯然，水對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。在未來幾年中，它將逐步取代Nd:YAG激光器。雖然水對鈥激光的吸收只是水對鉺激光吸收的一百二十分之一，然而鈥激光能用低OH-的石英光纖傳輸，這就使鈥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，使鈥激光成為現(xiàn)有激光內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中最適宜的光源[37]。鈥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)臂來導(dǎo)光，十分不便；而能用光纖傳輸?shù)拿}沖鈥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。因此有人稱鈥激光對于CO2激光來說具有挑戰(zhàn)性，在某些手術(shù)中鈥激光具有取代CO2激光的潛力。

5、大功率鈥激光器技術(shù)方案的提出

    根據(jù)上述鈥激光器在醫(yī)療中的具體應(yīng)用，我們提出了一種實(shí)現(xiàn)大功率輸出的燈泵鈥激光器實(shí)用化方案：對單路電源的放電信號進(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間間隔工作的多路電源，最終實(shí)現(xiàn)一臺電源供兩路或四路Cr,Tm,Ho:YAG激光器輪流等時間間隔工作的設(shè)想。在水溫0oC，單脈沖注入能量100J,重頻20Hz時，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)

[1]L.F.Johnson，J.E.Geuis，L.G.Van Uitert，et.al.Coherent oscillations from Tm3+,Ho3+,Yb3+ andEr3+ ions in yttrium aluminum garnet. Applied Physics Letters.1965，7(5)：127～129

[2]L.F.Johnson，J.E.Geusic，L.G.VanUitert et al. Efficient high-power coherent emission from Ho3+ ions in yttrium aluminum garnet assisted by energy transfer.Applied Physics Letters，1966，8(8)：200～202

[3]R.Beck,K.Gurs. Ho laser with 50W output and 6.5％slope efficiency.Journal of applied physics，1975，46(12)：5224～5225

[4]Norman P.Barnes，D.J.Gettemy.Pulsed Ho:YAG oscillator and amplifier. IEEE Journal of Quantum Electron，1981，17：1303～1304

[5]T.Y.Fan,R.L.Byer et al. Continuous wave operation at 2.1μm of a diode-laser-pumped, Ho:YAG laser at 300.Optics letters.，1987，12：678～680