1、前 言

    與(yu) 氣體(ti) 激光器相比，半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、重量輕、供電簡單、結構緊湊、便於(yu) 攜帶、便於(yu) 維護和操作等優(you) 點。現在已用作手術治療、肌肉組織焊接、牙科治療、光鎮痛和光針灸等領域。2μm波段恰恰處於(yu) 水分子的吸收峰，輸出波長為(wei) 2μm的固體(ti) 激光器是激光手術的最佳波長。與(yu) 通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人體(ti) 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(chuan) 播2μm激光，這使得激光傳(chuan) 導更加容易。目前半導體(ti) 激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成結構緊湊、維護容易、便攜式的醫用器械。雖然2μm激光器有著如此廣泛而重要的應用前景，並且在相應領域已經得到了大範圍的應用，但是對於(yu) 二極管泵浦2μm固體(ti) 激光器深入的研究並不是伴隨著激光器的產(chan) 生而開始的，其間經曆了漫長的過程。

2、國外2μm波段固體(ti) 激光材料及激光器的發展狀況

（1）Ho:YAG激光器

    1965年Bell實驗室Johnson等人首先報道了Ho:YAG在液氮溫度下實現振蕩[1]，使用的晶體(ti) 用熔鹽法生長，晶體(ti) 長度25mm，輸出三種不同的激光波長。輸出波長2.0975μm時，脈衝(chong) 閾值為(wei) 44J；輸出波長2.0914μm時，脈衝(chong) 閾值為(wei) 1760J；輸出波長2.1223μm時，脈衝(chong) 閾值為(wei) 410J。高閾值限製了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於(yu) Ho3+在YAG中隻有幾條弱吸收線。為(wei) 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+，由於(yu) 它們(men) 吸收和傳(chuan) 遞泵浦能量，液氮溫度下得到了5％的閃光燈泵浦效率和15W的連續激光輸出[2]。1975年， Beck等人報道了直徑4mm，長度70mm的晶體(ti) 在液氮溫度下連續輸出50W，斜率效率6.5％，使用鎢鹵素燈作泵浦源[3]。1981年Barnes等人在液氮溫度下實現了脈衝(chong) 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(ti) 直徑4mm，長度56mm，晶體(ti) 中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分別占0.021、0.037、0.616和0.326[4]。

（3）Tm,Ho:YAG激光器

    1987年Fan等人報道了用波長為(wei) 781.5二極管激光器泵浦Tm,Ho:YAG獲得室溫連續輸出，閾值4.4mW，斜率效率19％，輸出波長2.074μm [5]。1990年Stoneman等人實現了Tm,Ho:YAG在2.09～2.12範圍連續可調諧激光輸出。晶體(ti) 用引上法生長，Tm3+和Ho3+的含量分別為(wei) 8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。

（4）Cr,Tm,Ho:YSGG激光器

    1986年Alpatev研製出Cr,Tm,Ho:YSGG（釔鈧石榴石）激光晶體(ti) ，並獲得室溫燈泵浦脈衝(chong) 輸出能量7.4J,斜率效率3.1％，輸出波長2.088μm，並於(yu) 1988年實現開關(guan) 運行[6]。其中晶體(ti) 直徑4mm，長度76mm，晶體(ti) 中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為(wei) 2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室溫下獲得80mJ的電光調輸出，此時的泵浦輸入為(wei) 125J，調閾值為(wei) 60J。在轉鏡調時，獲得280mJ的多峰光脈衝(chong) ，500的總寬度，脈衝(chong) 中含5～6個(ge) 峰，峰-峰間隔2μm，每個(ge) 峰半寬度為(wei) 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(wei) 2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶體(ti) 直徑5mm，長度53mm。閃光燈內(nei) 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％[7]。

    1989年美國海軍(jun) 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(ti) 直徑5mm，長度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為(wei) 7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙燈充氣壓630Torr，閃光燈內(nei) 徑4mm，閃光燈弧長63.5mm，閃光燈脈寬540us，諧振腔長度為(wei) 300mm，全反鏡曲率半徑為(wei) 1m，輸出鏡透過率小於(yu) 75％，輸出波長為(wei) 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(cong) 理論和實驗上證明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基質,Cr3+→Tm3+能量傳(chuan) 遞效率YAG高於(yu) 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(wei) 2at%、5at%和0.5at%。晶體(ti) 直徑分別為(wei) 2.8mm、4mm和5mm，晶體(ti) 長度為(wei) 56mm，諧振腔腔長300mm，全反鏡半徑1m，輸出鏡透過率15％。閃光燈內(nei) 徑為(wei) 4mm，弧長76mm，放電脈寬500μm。在20oC時，直徑2.8mm晶體(ti) 的效率比其它兩(liang) 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(jun) 研究實驗室采用單橢圓鍍銀腔，晶體(ti) 直徑5mm，長度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為(wei) 0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙燈充氣壓450Torr，閃光燈內(nei) 徑5mm，閃光燈弧長63mm，閃光燈脈寬290μs，諧振腔長度為(wei) 290mm，全反鏡曲率半徑為(wei) 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，研究了調的特性，發現開關(guan) 的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長脈衝(chong) Cr,Tm,Ho:YAG低一個(ge) 數量級，得到了2.121μm增益係數為(wei) 0.07cm-1,估計調在2.121μm的增益係數為(wei) 0.02～0.07cm-1[9]。

    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(wei) 2％，同時從(cong) 理論和實驗上驗證了熱焦距對M2參數的影響[10]。

    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的最大小信號增益係數分別為(wei) 0.144cm-1和0.234cm-1[11]。

    2000年Cheng Li等人報道了采用閃光燈泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶體(ti) ，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；在聲光調方式下，室溫下單模輸出大於(yu) 530mJ，脈衝(chong) 寬度165ns。晶體(ti) 直徑為(wei) 4mm，長度100mm，晶體(ti) 中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為(wei) 1.2at%、6.1at%、0.4at%[12]。

    在醫用鈥激光器的研究開發方麵，美國相幹公司等單位居領先地位，1990年向用戶提供了第一台醫用鈥激光治療機，如今已開發出平均功率為(wei) 20W、60W和100W三種單波長型號，相應重複頻率分別為(wei) 5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相應單脈衝(chong) 能量分別為(wei) 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(wei) 2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 500μs。此外，還有80/100W 的雙波長Holmium&Nd:YAG激光器，重複頻率為(wei) 5-40Hz，單脈衝(chong) 能量為(wei) 0.2-3.5J，相應的平均功率設置為(wei) 2J/40Hz，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 500μs。這些構成了Versa Pulse PowerSuiteTm係列鈥激光器。

    美國Trimedyne公司開發的鈥激光治療機，平均功率有30W和80W兩(liang) 種。對於(yu) 30W的鈥激光治療機，單脈衝(chong) 能量為(wei) 0.2-3.5J，重複頻率為(wei) 5-20Hz，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 350μs。而80W鈥激光治療機采用獨特的雙脈衝(chong) 技術，能夠傳(chuan) 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(shang) 。其單脈衝(chong) 能量為(wei) 0.2-3.5J,重複頻率為(wei) 5-60Hz，雙脈衝(chong) 模式下，單脈衝(chong) 有效能量為(wei) 0.4-7J，重複頻率為(wei) 3-30Hz，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 350μs。