1、前 言 與氣體激光器相比，半導體泵浦固體激光器具有體積? ⒅亓殼帷⒐┑緙虻?、结构紧村帰遍斨B?、遍斨Xず筒僮韉扔諾?。现哉浹用佐|質(zhì)踔瘟啤⒓∪庾櫓附?、褦埰治疗、光障u春凸庹刖牡攘煊頡?μm波段恰恰處于水分子的吸收峰，輸出波長為 2μm的固體激光器是激光手術的最佳波長。與通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人體對2μm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其對敏感組織，如肝、胃、結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2μm激光，這使得激光傳導更加容易。目前半導體激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成結構緊湊、維護容易、便攜式的醫(yī)用器械。雖然2μm激光器有著如此廣泛而重要的應用前景，并且在相應領域已經(jīng)得到了大范圍的應用，但是對于二極管泵浦2μm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)歷了漫長的過程。 2、國外2μm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展狀況 （1）Ho:YAG激光器 1965年Bell實驗室Johnson等人首先報道了Ho:YAG在液氮溫度下實現(xiàn)振蕩，使用的晶體用熔鹽法生長，晶體長度25mm，輸出三種不同的激光波長。輸出波長2.0975μm時，脈沖閾值為44J；輸出波長2.0914μm時，脈沖閾值為1760J；輸出波長2.1223μm時，脈沖閾值為410J。高閾值限制了Ho:YAG的應用。 （2）Er,Tm,Ho:YAG激光器 Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有幾條弱吸收線。為了增加對燈泵能量的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+來敏化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。1975年，Beck等人報道了直徑4mm，長度70mm的晶體在液氮溫度下連續(xù)輸出50W，斜率效率6.5％，使用鎢鹵素燈作泵浦源。1981年Barnes等人在液氮溫度下實現(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，長度56mm，晶體中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分別占0.021、0.037、0.616和0.326。 （3）Tm,Ho:YAG激光器 1987年Fan等人報道了用波長為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2.074μm [5]。1990年Stoneman等人實現(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，Tm3+和Ho3+的含量分別為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（釔鈧石榴石）激光晶體，并獲得室溫燈泵浦脈沖輸出能量7.4J,斜率效率3.1％，輸出波長2.088μm，并于1988年實現(xiàn)開關運行。其中晶體直徑4mm，長度76mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室溫下獲得80mJ的電光調(diào)輸出，此時的泵浦輸入為125J，調(diào)閾值為60J。在轉鏡調(diào)時，獲得280mJ的多峰光脈沖，500的總寬度，脈沖中含5～6個峰，峰-峰間隔2μm，每個峰半寬度為40～50。 （5）Cr,Tm,Ho:YAG激光器 1988年ST Systems公司的Mark E.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，長度53mm。閃光燈內(nèi)徑4mm，閃光燈弧長50mm，閃光燈脈寬600us，全反鏡曲率半徑10m，輸出鏡透過率85％。在溫度295K時，激光閾值25J,斜率效率2.3％。 1989年美國海軍研究實驗室的G.J.Quarles等人采用67mm鍍銀橢圓腔和69mm漫反射腔，晶體直徑5mm，長度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙燈充氣壓630Torr，閃光燈內(nèi)徑4mm，閃光燈弧長63.5mm，閃光燈脈寬540us，諧振腔長度為300mm，全反鏡曲率半徑為1m，輸出鏡透過率小于75％，輸出波長為2.097μm。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]。同時從理論和實驗上證明了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等人報道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重頻30Hz時的輸出特性。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，晶體長度為56mm，諧振腔腔長300mm，全反鏡半徑1m，輸出鏡透過率15％。閃光燈內(nèi)徑為4mm，弧長76mm，放電脈寬500μm。在20oC時，直徑2.8mm晶體的效率比其它兩種高，在重頻21Hz時，斜效率1.6％，同時獲得了6.5W的輸出；在重頻30Hz時，得到2W輸出。 1991年美國海軍研究實驗室采用單橢圓鍍銀腔，晶體直徑5mm，長度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63mm，閃光燈脈寬290μs，諧振腔長度為290mm，全反鏡曲率半徑為0.5m，輸出鏡透過率20％,水溫20oC，重頻1Hz時，得到最佳斜率效率。同時，研究了調(diào)的特性，發(fā)現(xiàn)開關的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長脈沖Cr,Tm,Ho:YAG低一個數(shù)量級，得到了2.121μm增益系數(shù)為0.07cm-1,估計調(diào)在2.121μm的增益系數(shù)為0.02～0.07cm-1。 1994年W.Zendzian等人報道了閃光燈泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J時，得到了17W的輸出，斜效率為2％，同時從理論和實驗上驗證了熱焦距對M2參數(shù)的影響。 1998年Yoichi等人報道了在溫度10oC，泵浦能量密度85.9J/cm3,得到了Cr,Tm:YAG和Cr,Tm,Ho:YAG的最大小信號增益系數(shù)分別為0.144cm-1和0.234cm-1。 2000年Cheng Li等人報道了采用閃光燈泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶體，在自由運轉模式下，室溫獲得了4.5J的激光輸出，輸出波長2.098μm，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165ns。晶體直徑為4mm，長度100mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為1.2at%、6.1at%、0.4at%。 在醫(yī)用鈥激光器的研究開發(fā)方面，美國相干公司等單位居領先地位，1990年向用戶提供了第一臺醫(yī)用鈥激光治療機，如今已開發(fā)出平均功率為20W、60W和100W三種單波長型號，相應重復頻率分別為5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相應單脈沖能量分別為0.5-2.5J、0.2-3.5J和0.2-3.5J，相應的平均功率設置分別為2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脈沖持續(xù)時間為500μs。此外，還有80/100W 的雙波長Holmium&Nd:YAG激光器，重復頻率為5-40Hz，單脈沖能量為0.2-3.5J，相應的平均功率設置為2J/40Hz，脈沖持續(xù)時間為500μs。這些構成了Versa Pulse PowerSuiteTm系列鈥激光器。 美國Trimedyne公司開發(fā)的鈥激光治療機，平均功率有30W和80W兩種。對于30W的鈥激光治療機，單脈沖能量為0.2-3.5J，重復頻率為5-20Hz，脈沖持續(xù)時間為350μs。而80W鈥激光治療機采用獨特的雙脈沖技術，能夠傳遞更多的能量到硬組織，同時盡量減少對周圍軟組織的損傷。其單脈沖能量為0.2-3.5J,重復頻率為5-60Hz，雙脈沖模式下，單脈沖有效能量為0.4-7J，重復頻率為3-30Hz，脈沖持續(xù)時間為350μs。 3、國內(nèi)2μm波段固體激光材料及激光器的發(fā)展狀況 1991年起電子部11所展開了鈥激光晶體研究工作。采用感應加熱提拉法生長Cr,Tm,Ho:YAG晶體，解決了高效率Cr3+→Tm3+→Ho3+能量轉移和高光學質(zhì)量晶體生長工藝等一系列關鍵技術。激光棒主要技術指標達到：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。實驗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行恒溫控制，其溫度浮動范圍為10±5oC。實驗采用國產(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年中國計量學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。 1997年，安徽光機所的陳長水等人進行了開關Cr,Tm,Ho:YAG激光器的實驗研究，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。 安徽光機所魯士平課題組研制的HJZ-1-10型鈥激光治療機于1997年12月在杭州通過了國家醫(yī)藥管理局用光學、激光、冷療設備質(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％以及電絕緣強度等多種環(huán)境實驗的嚴格檢測，兩臺醫(yī)用鈥激光器所達到的指標為：脈沖重復頻率為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正在醫(yī)院里進行臨床應用研究。 如上所述，目前國內(nèi)的鈥激光治療機，輸出平均功率14W左右，遠遠低于國外水平，不能滿足醫(yī)學臨床治療要求。