近年來，激光憑借著優(you) 良的單色性、準直性以及較高的能量密度，在生物醫療領域尤其是微創手術方麵取得了較大的發展。激光作用於(yu) 生物組織主要是利用激光生物熱效應，而不同波長和能量的激光作用於(yu) 生物組織上產(chan) 生的熱效應也不一樣[1]。

水分子是生物組織中的主要組成部分，其對不同波長激光的吸收係數是激光生物熱效應的重要因素。水分子的吸收係數隨著波長增加而增加，在可見光波段最低吸收係數隻有10-4 cm-1，但在2 μm波段的吸收係數可以高達600cm-1[2]，能夠實現較淺的生物組織穿透深度和良好的熱凝止血效果。同時,已有研究表明2 μm激光對人眼的損傷(shang) 閾值對比0.69 μm激光和1.069 μm激光提高了8個(ge) 數量級，對比1.5 μm激光提高了3個(ge) 數量級，具有較好的人眼安全性[3]。因此在臨(lin) 床應用中，經過低損光纖傳(chuan) 輸的2 μm激光結合內(nei) 窺鏡，可以實現較高的手術精度和良好的安全性。

常見的2 μm醫療激光器包括摻鈥激光器和摻銩激光器，根據采用的增益介質不同，又可以分為(wei) 固體(ti) 激光器和光纖激光器。相比起傳(chuan) 統的固體(ti) 激光器，光纖激光器有著光電轉化效率高、穩定性高、光束質量好和輕便易集成等優(you) 勢，是今後醫療激光器發展的重要方向之一。摻銩激光器相較於(yu) 摻鈥激光器更接近2 μm的水分子吸收峰[4][5]，可以更好地汽化和切割組織，具有更高的切割精度，因此無論在組織切割和碎石手術方麵的表現均好於(yu) 摻鈥激光器，更受到研究人員和醫務工作者的青睞。

生物醫療摻銩激光器發展現狀

摻銩激光器主要包括摻銩固體(ti) 激光器和摻銩光纖激光器。摻銩固體(ti) 激光器增益介質主要包括摻銩釔鋁石榴石（Tm:YAG）、摻銩鋁酸釔（Tm:YAP）、摻銩氟化釔鋰（Tm:YLF）。傳(chuan) 統固體(ti) 激光器需要將增益物質受激輻射產(chan) 生的激光，通過透鏡耦合進入傳(chuan) 輸光纖中，但在耦合過程中損耗較大。而全光纖結構的摻銩光纖激光器是特殊的/第三代固體(ti) 激光器，增益物質為(wei) 摻銩光纖，泵浦光通過光纖傳(chuan) 輸無需空間結構耦合，激光始終束縛在光纖纖芯內(nei) ，斜率效率和傳(chuan) 輸損耗較低。因此光纖激光器具有較好的光束質量和準直性、較高的能量密度，同時結構緊湊、易於(yu) 集成，是理想的醫療激光器選擇。

從(cong) 上個(ge) 世紀80年代開始，伴隨著摻銩光纖激光器日益增長的應用需求，國內(nei) 外對於(yu) 摻銩光纖激光器的研究也在不斷發展，近十年來無論是連續激光器還是脈衝(chong) 激光器均取得了重大突破。

在生物醫療領域，摻銩激光器已經實現了較為(wei) 廣泛的應用，摻銩激光可以作為(wei) 常規組織縫合的替代手段還被應用在結石碎石、靜脈曲張閉合、喉部微創手術以及口腔鱗狀細胞癌切除等方麵。

摻銩激光器生物醫療應用

摻銩激光組織消融

水是生物組織中的主要組成部分，由於(yu) 水分子對於(yu) 摻銩激光的高吸收效率，摻銩激光在人體(ti) 組織消融中的應用極為(wei) 廣泛。當摻銩激光作用於(yu) 含水量較高的生物組織時，水分子吸收激光能量迅速升溫。Markolf H. Niemz等[6]研究表明，人體(ti) 正常體(ti) 溫在37 ℃，當組織溫度在45-50 ℃時，會(hui) 導致組織壞死形成熱損傷(shang) 區域，當超過60 ℃時，組織中的蛋白質受熱性質改變導致組織凝結。當組織溫度到達100 ℃甚至更高時，水分子氣化，進而產(chan) 生組織碳化、消融。激光與(yu) 組織作用造成的各種熱影響區如圖1所示[7]。

圖1 激光與(yu) 組織作用造成的各種熱影響區[7]

摻銩激光器在組織消融中的應用研究早在上世紀90年代就有報道。通過設置不同的激光參數，研究2μm激光在不同功率、激光作用時間、光斑半徑、切割速度等條件下與(yu) 生物組織互作用，觀察激光熱效應對生物組織的影響。實驗結果表明，在一定範圍內(nei) ，提高激光功率、照射時間等方式提高生物組織吸收到的激光能量，可以實現更快的消融速率。

摻銩激光碎石

結石是現代人常見的泌尿係統疾病，形成機理和組成成分多種多樣，臨(lin) 床上多見為(wei) 一水草酸鈣結石（Calcium Oxalate Monohydrate，COM）和尿酸結石（Uric Acid，UA）[8]。摻銩激光碎石手術除了利用之前提到的組織熱消融機製之外，還包括“微爆”機製。“微爆”機製是指，激光作用於(yu) 結石時，結石內(nei) 部空隙內(nei) 的水分子吸收能量汽化，形成局部高壓[9]，並且水分子和結石的熱傳(chuan) 遞係數不同也會(hui) 導致結石內(nei) 的壓力變化[10]，促使結石內(nei) 部脆弱部位破裂，進而達到碎石效果。摻銩光纖激光器憑借其造價(jia) 低、易於(yu) 集成、高能量密度、可調參數多、可以通過小芯徑傳(chuan) 輸等優(you) 勢逐漸成為(wei) 臨(lin) 床碎石應用中的主力。

長進25/400摻銩光纖

與(yu) 國外相比，國內(nei) 高功率摻銩光纖激光器的發展相對較慢，且其核心器件摻銩光纖長期依賴於(yu) 進口。因此對關(guan) 鍵參數進行深入研究，是實現能夠代替進口產(chan) 品的高性能摻銩石英光纖，從(cong) 而進一步實現穩定運行的高功率摻銩光纖激光器的重要途徑。長進激光通過多年的技術積累和創新研發，成功研製出高性能摻銩光纖，光纖的性能及一致性均達到進口光纖水準，客戶滿意度高。

下圖所示是長進研製25/400雙包層摻銩石英光纖的技術參數，可以看出長進研製的摻銩光纖具有良好的激光性能，具備應用於(yu) 高功率光纖激光器係統的潛力。基於(yu) 該大模場摻銩光纖，實現了530 W全光纖結構摻銩光纖激光器。

圖2 長進25/400雙包層摻銩石英光纖參數

530 W雙向泵浦全光纖結構摻銩放大器

2020年，與(yu) 華中科技大學合作，利用長進激光提供大模場摻銩光纖，成功搭建一級MOPA放大結構的摻銩光纖連續激光器，種子源經過放大後在中心波長1980.89 nm處實現最高輸出功率530 W[11]，對應的斜率效率為(wei) 50%。530 W全光纖結構MOPA係統的具體(ti) 實驗裝置如圖3所示，包括種子源和放大級兩(liang) 部分。種子源同樣采用全光纖結構振蕩器，放大級采用雙向抽運方案，為(wei) 保證泵浦光被充分吸收，提供足夠增益，放大級中同樣采用8 m上述25/400雙包層摻銩光纖作為(wei) 增益介質，兩(liang) 個(ge) 合束器的合束端尾纖的尺寸及NA皆與(yu) 有源光纖匹配。

圖 3 530W雙端泵浦摻銩全光纖MOPA係統結構圖

如下所示，圖4（a）所示是摻銩光纖放大器輸出功率及端口1處測得的回光功率隨泵浦功率的變化關(guan) 係圖，輸出激光功率呈線性增加，整個(ge) 過程沒有觀察到功率下降現象，泵浦功率為(wei) 979 W時，摻銩光纖放大器輸出功率達到530 W，對應的斜率效率為(wei) 50%，。在輸出功率為(wei) 500 W時測得的光譜圖4（b）所示，輸出激光信噪比為(wei) 27 dB。掃描了1950～2000 nm範圍內(nei) 的激光光譜，沒有觀察到明顯的自發輻射和非線性效應，如4（b）內(nei) 嵌圖所示，說明輸出激光功率僅(jin) 受限於(yu) 泵浦功率。該結果為(wei) 目前國內(nei) 2 µm波段光纖激光器實現的最高輸出功率，同時也驗證了國產(chan) 摻銩石英光纖在高功率係統中的可靠性。

圖 4（a）放大級輸出功率及後向回光隨泵浦功率的變化；（b）輸出功率為(wei) 500 W時對應的光譜

隨著生物醫療摻銩光纖激光器使用的普及，高性能摻銩光纖的需求會(hui) 越來越大，長進激光[12]也必定會(hui) 順應市場，對摻銩光纖研發和生產(chan) 進行持續投入，為(wei) 國內(nei) 生物醫療摻銩光纖激光器行業(ye) 的發展提供有利的技術支撐。

參考文獻

[1] Wilson B C, Patterson M S. The physics of photodynamic therapy[J]. Physics in Medicine and Biology, 1986, 31(4): 327–360.

[2] Yang Kun, Ren Qiushi, Wei Shigang, et al. Application of 2μm thulium (Tm) laser in biomedicine[J]. Progress in Laser and Optoelectronics, 2005, 42(9): 52–56.

楊昆，任秋實，魏石剛，等. 2μm銩(Tm)激光器在生物醫學中的應用[J]. 激光與(yu) 光電子學進展, 2005, 42(9): 52–56.

[3] Li Qiang, He Bingyang. Analysis of laser damage to human eyes[C]// Collection of papers and abstracts of the 14th National Infrared Heating and Infrared Medicine Development Symposium, 2013.

李強，何炳陽. 激光對人眼的損傷(shang) 分析[C]//全國第十四屆紅外加熱暨紅外醫學發展研討會(hui) 論文及論文摘要集，2013.

[4] Hu Yunxiao. Development of mid-infrared medical fiber laser and its interaction with biological tissues[D]. University of Electronic Science and Technology of China, 2017.

胡韻簫. 中紅外醫用光纖激光的研製及其與(yu) 生物組織作用的研究[D].電子科技大學，2017.

[5] Zhang Anjun1, Duan Jialin2*, Xing Yingbin1, Li Jinyan1**. Application of Thulium-Doped Laser in the Biomedicine Field.1 Wuhan National Research Center for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China

張安軍(jun) 1，段嘉霖 2*，邢潁濱 1，李進延 1**.摻銩激光在生物醫療領域的應用.華中科技大學武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074；華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院，湖北 武漢 430074.

[6] Markolf H Niemz. Laser-Tissue Interactions[M]. Switzerland，Springer Nature，2019.

[7] Alagha H Z, Gülsoy M. Photothermal ablation of liver tissue with 1940-nm thulium fiber laser: an ex-vivo study on lamb liver[J]. Journal of Biomedical Optics, 2016, 21(1): 015007.

[8] Wilson D M. Clinical and laboratory approaches for evaluation of nephrolithiasis[J]. Journal of Urology, 1989, 141(3 II): 770–774.

[9] Chan K F, Joshua Pfefer T, Teichman J M H，et al. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes[J]. Journal of Endourology, 2001, 15(3): 257–273.

[10] Schofield P F, Knight K S, Van der Houwen J A M，et al.. The role of hydrogen bonding in the thermal expansion and dehydration of brushite, di-calcium phosphate dihydrate[J]. Physics and Chemistry of Minerals, 2004, 31(9): 606–624.

[11]劉茵紫，邢潁濱，廖雷，王一礴，彭景剛，李海清，戴能利，李進延．530 W全光纖結構連續摻銩光纖激光器．物理學報. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20200619.1321.020.html

[12]Wuhan Changjin Laser Technology Co., Ltd. 武漢長進激光 https://www.cjphotonics.com