3、國內(nei) 2μm波段固體(ti) 激光材料及激光器的發展狀況

    1991年起電子部11所展開了鈥激光晶體(ti) 研究工作。采用感應加熱提拉法生長Cr,Tm,Ho:YAG晶體(ti) ，解決(jue) 了高效率Cr3+→Tm3+→Ho3+能量轉移和高光學質量晶體(ti) 生長工藝等一係列關(guan) 鍵技術。激光棒主要技術指標達到：幹涉條紋0.3條/25mm，無散射顆粒，單脈衝(chong) 輸出能量2.3J。

    1995年華中理工大學的葉洪波等人研製出了在室溫下Ho:YAG激光器輸出的能量3J。實驗中所用到的泵浦方式為(wei) 脈衝(chong) 氙燈泵浦，聚光腔是鍍銀單橢圓腔，冷卻方式為(wei) 對冷卻水進行恒溫控製，其溫度浮動範圍為(wei) 10±5oC。實驗采用國產(chan) 棒尺寸為(wei) φ5×93mm，諧振腔為(wei) 平凹腔，腔長280mm。全反鏡為(wei) 曲麵鏡，曲率為(wei) 1m。輸出鏡為(wei) 平麵鏡,在輸出鏡透過率為(wei) 29％，冷卻溫度為(wei) 9oC，放電脈衝(chong) 半寬度為(wei) 360μs，激光器閾值為(wei) 98.4J,單脈衝(chong) 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(chan) 晶體(ti) Cr3+（2.3×1020cm-3），Tm3+（8.2×1020cm-3）, Ho3+（5.4×1020cm-3）:YAG。尺寸為(wei) φ6×100mm，采用單燈相交圓柱聚光腔，內(nei) 壁貼Ag箔拋光。諧振腔為(wei) 平凹腔，輸出鏡曲率半徑為(wei) 5m，透過率為(wei) 25％，全反鏡對2.1激光反射率大於(yu) 98％。用氣壓為(wei) 2×105Pa的氙燈泵浦，頻率1Hz，冷卻水溫18～22oC，激光閾值為(wei) 73～84J，獲得斜率效率為(wei) 2～4％，單脈衝(chong) 能量為(wei) 0.8～1.4J [13]。

    1997年，安徽光機所的陳長水等人進行了開關(guan) Cr,Tm,Ho:YAG激光器的實驗研究，獲得了單脈衝(chong) 能量60mJ的2.1μm的穩定調激光輸出，通過倍頻途徑測得了其倍頻光（1.05μm）的脈衝(chong) 半寬度35ns[14]。

    安徽光機所魯士平課題組研製的HJZ-1-10型鈥激光治療機於(yu) 1997年12月在杭州通過了國家醫藥管理局用光學、激光、冷療設備質量檢測中心的新產(chan) 品注冊(ce) 檢測。經過高溫55篊、低溫－40oC、濕度93％以及電絕緣強度等多種環境實驗的嚴(yan) 格檢測，兩(liang) 台醫用鈥激光器所達到的指標為(wei) ：脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 4～10Hz分檔可調，輸出平均功率為(wei) 14W左右，輸出功率的不穩定度為(wei) ±2.0％，傳(chuan) 輸光纖的耦合效率大於(yu) 65％。目前，這兩(liang) 台鈥激光治療機正在醫院裏進行臨(lin) 床應用研究[15]。 如上所述，目前國內(nei) 的鈥激光治療機，輸出平均功率14W左右，遠遠低於(yu) 國外水平，不能滿足醫學臨(lin) 床治療要求。

4、醫用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的特點

    人體(ti) 組織中水的比例大約占70％，因而組織對光的吸收情況與(yu) 水相似。水在中紅外波段有兩(liang) 個(ge) 強的吸收譜帶，分別為(wei) 2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，當激光與(yu) 人體(ti) 組織相互作用時，水對所用激光吸收係數的大小就決(jue) 定了激光在組織中的穿透深度、損傷(shang) 區域以及手術精度等Nd:YAG激光器的波長為(wei) 1.06μm，可以用石英光纖傳(chuan) 輸，在醫療方麵有不少應用。但是，由於(yu) 水對它的吸收僅(jin) 為(wei) 0.1cm-1，在有些外科手術中，它的穿透深度較深，損傷(shang) 區域較大，手術精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波長為(wei) 2.94μm,水對它的吸收為(wei) 3000cm-1，屬水的強吸收波段。對醫療應用來說，鉺激光器是一個(ge) 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(chuan) 輸，能夠傳(chuan) 輸鉺激光的非石英光纖容易斷裂，防礙其臨(lin) 床應用。 Ho:YAG激光波長為(wei) 2.1μm，位於(yu) 水較強吸收譜線。水對其吸收約為(wei) 25cm-1，是水對Nd:YAG激光吸收的250倍。顯然，水對Ho:YAG激光的強吸收使其可以在大部分軟組織和硬組織中產(chan) 生淺的穿透深度、高的手術精度和獨特的凝血作用，大大限製了損傷(shang) 區域。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隻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(chuan) 輸，這就使鈥激光能有效地工作在氣體(ti) 和液體(ti) 環境中，為(wei) 醫生切除軟骨和其它硬組織提供精確的途徑，使鈥激光成為(wei) 現有激光內(nei) 窺鏡係統中最適宜的光源[37]。鈥激光在軟組織中的外科手術精度與(yu) CO2激光相比較，可能略低於(yu) CO2激光的手術精度，然而它能為(wei) 大部分組織提供更好的凝血功能。除此之外，二者之間的最大區別是CO2激光不能用石英光纖傳(chuan) 輸，隻能借助於(yu) 笨重的關(guan) 節臂來導光，十分不便；而能用光纖傳(chuan) 輸的脈衝(chong) 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於(yu) CO2激光來說具有挑戰性，在某些手術中鈥激光具有取代CO2激光的潛力。

5、大功率鈥激光器技術方案的提出

    根據上述鈥激光器在醫療中的具體(ti) 應用，我們(men) 提出了一種實現大功率輸出的燈泵鈥激光器實用化方案：對單路電源的放電信號進行分頻處理，在軟硬件上實現單路電源改造成具有多條放電回路並且輪流等時間間隔工作的多路電源，最終實現一台電源供兩(liang) 路或四路Cr,Tm,Ho:YAG激光器輪流等時間間隔工作的設想。在水溫0oC，單脈衝(chong) 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，合光路後光纖末端輸出功率25W。該設計方案為(wei) 同類激光器的研究與(yu) 應用提供了有利參考，具有一定的指導意義(yi) 。

參考文獻

[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