近年來，激光憑借著優良的單色性、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面取得了較大的發展。激光作用于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于生物組織上產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系數是激光生物熱效應的重要因素。水分子的吸收系數隨著波長增加而增加，在可見光波段最低吸收系數只有10-4 cm-1，但在2 μm波段的吸收系數可以高達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激光對人眼的損傷閾值對比0.69 μm激光和1.069 μm激光提高了8個數量級，對比1.5 μm激光提高了3個數量級，具有較好的人眼安全性[3]。因此在臨床應用中，經過低損光纖傳輸的2 μm激光結合內窺鏡，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，又可以分為固體激光器和光纖激光器。相比起傳統的固體激光器，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勢，是今后醫療激光器發展的重要方向之一。摻銩激光器相較于摻鈥激光器更接近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面的表現均好于摻鈥激光器，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激光器和摻銩光纖激光器。摻銩固體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）。傳統固體激光器需要將增益物質受激輻射產生的激光，通過透鏡耦合進入傳輸光纖中，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/第三代固體激光器，增益物質為摻銩光纖，泵浦光通過光纖傳輸無需空間結構耦合，激光始終束縛在光纖纖芯內，斜率效率和傳輸損耗較低。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、易于集成，是理想的醫療激光器選擇。
從上個世紀80年代開始，伴隨著摻銩光纖激光器日益增長的應用需求，國內外對于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沖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廣泛的應用，摻銩激光可以作為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面。
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，由于水分子對于摻銩激光的高吸收效率，摻銩激光在人體組織消融中的應用極為廣泛。當摻銩激光作用于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，人體正常體溫在37 ℃，當組織溫度在45-50 ℃時，會導致組織壞死形成熱損傷區域，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，進而產生組織碳化、消融。激光與組織作用造成的各種熱影響區如圖1所示[7]。
圖1 激光與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，在一定范圍內，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系統疾病，形成機理和組成成分多種多樣，臨床上多見為一水草酸鈣結石（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制之外，還包括“微爆”機制。“微爆”機制是指，激光作用于結石時，結石內部空隙內的水分子吸收能量汽化，形成局部高壓[9]，并且水分子和結石的熱傳遞系數不同也會導致結石內的壓力變化[10]，促使結石內部脆弱部位破裂，進而達到碎石效果。摻銩光纖激光器憑借其造價低、易于集成、高能量密度、可調參數多、可以通過小芯徑傳輸等優勢逐漸成為臨床碎石應用中的主力。
長進25/400摻銩光纖
與國外相比，國內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于進口。因此對關鍵參數進行深入研究，是實現能夠代替進口產品的高性能摻銩石英光纖，從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，成功研制出高性能摻銩光纖，光纖的性能及一致性均達到進口光纖水準，客戶滿意度高。
下圖所示是長進研制25/400雙包層摻銩石英光纖的技術參數，可以看出長進研制的摻銩光纖具有良好的激光性能，具備應用于高功率光纖激光器系統的潛力。基于該大模場摻銩光纖，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，種子源經過放大后在中心波長1980.89 nm處實現最高輸出功率530 W[11]，對應的斜率效率為50%。530 W全光纖結構MOPA系統的具體實驗裝置如圖3所示，包括種子源和放大級兩部分。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增益介質，兩個合束器的合束端尾纖的尺寸及NA皆與有源光纖匹配。
圖 3 530W雙端泵浦摻銩全光纖MOPA系統結構圖
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系圖，輸出激光功率呈線性增加，整個過程沒有觀察到功率下降現象，泵浦功率為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50%，。在輸出功率為500 W時測得的光譜圖4（b）所示，輸出激光信噪比為27 dB。掃描了1950～2000 nm范圍內的激光光譜，沒有觀察到明顯的自發輻射和非線性效應，如4（b）內嵌圖所示，說明輸出激光功率僅受限于泵浦功率。該結果為目前國內2 μm波段光纖激光器實現的最高輸出功率，同時也驗證了國產摻銩石英光纖在高功率系統中的可靠性。
圖 4（a）放大級輸出功率及后向回光隨泵浦功率的變化；（b）輸出功率為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越來越大，長進激光[12]也必定會順應市場，對摻銩光纖研發和生產進行持續投入，為國內生物醫療摻銩光纖激光器行業的發展提供有利的技術支撐。
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[12]Wuhan Changjin Laser Technology Co., Ltd. 武漢長進激光 https://www.cjphotonics.com
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