一、Nd：YAG 激光器的特性
能產(chǎn)生激光的系統(tǒng)，稱為激光器。一臺(tái)簡單的激光器通常由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔三部分組成。自1960 年第一臺(tái)激光器誕生以來，已有上百種激光器問世。形形色色的激光器彼此之間差異極大，根據(jù)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，有氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器等。固體激光器是以固態(tài)基質(zhì)中摻入少量激活元素為工作物質(zhì)的激光器，工作物質(zhì)的物理化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料，而其光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。但發(fā)光粒子受基質(zhì)材料的影響，其光譜特性將有所變化，有的甚至變化很大。用作基質(zhì)的主要有剛玉、石榴石晶體及各種玻璃等。發(fā)光粒子稱為激活離子，最常用的激活離子為釹、鉻等稀土元素離子。例如世界上第一臺(tái)激光器所用工作物質(zhì)為紅寶石，就是摻入極少量鉻離子的剛玉。以摻有一定量釹離子(Nd3 + ) 的釔鋁石榴石( YAG) 晶體為工作物質(zhì)的激光器，稱為摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG) 激光器。摻釹激光器是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的固體器件之一，在激光加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
Nd：YAG 激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，室溫下有多條熒光譜線，正常工作條件下(室溫) 1064 納米波長激光振蕩最強(qiáng)。如果在諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具或色散棱鏡，或以特殊設(shè)計(jì)的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質(zhì)膜的反射鏡，抑制不需要的波長的激光振蕩，可獲得所需波長的激光躍遷，如1319 納米、1338 納米、946 納米等。輸出波長為1064 納米的Nd：YAG 激光器，經(jīng)過倍頻( KTP) 晶體后可產(chǎn)生波長為532 納米的激光。輸出光有連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)等形式。
Nd：YAG 中摻入Nd3 + 濃度應(yīng)合理，摻雜濃度高，則吸收率高、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)高、激光器的效率高，但是摻雜濃度太高時(shí)，轉(zhuǎn)換效率不僅不會(huì)增高，反而會(huì)下降，甚至出現(xiàn)濃度淬滅現(xiàn)象。Nd 原子濃度一般在015%～115% 以內(nèi)，濃度較高會(huì)縮短熒光壽命，使展寬線變寬，在晶體中引起應(yīng)變，最終導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量變差、效率降低。應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇合適的摻雜濃度，從而提高激光器的性能，對(duì)于Q 開關(guān)3 運(yùn)轉(zhuǎn)， 選擇高濃度的摻劑(112%) ，以產(chǎn)生高儲(chǔ)能；對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通常選擇低濃度的摻劑(015%～018%) ，以獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量。增益介質(zhì)的尺寸通常根據(jù)激光器的增益選擇，高增益的激光器選擇大尺寸的YAG 棒，長度可達(dá)150 毫米，低增益的激光器通常選擇短的激光棒，有幾毫米或十幾毫米，太長的激光棒不僅不能提高增益，反而會(huì)因?yàn)槲論p耗等因素而降低效率。
Nd：YAG 激光器采用激光二極管(LD) 作為泵浦源，體積小、重量輕、效率高、壽命長，不需要冷卻系統(tǒng)，為激光系統(tǒng)小型化提供了有利條件。LD 泵浦Nd：YAG 激光器的結(jié)構(gòu)形式有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種。端面泵浦方式靈活方便，通過光纖耦合的泵浦光發(fā)散角小，可與固體激光器的基模相匹配。側(cè)面泵浦可采用多個(gè)LD 陣列，散熱效果好，可提供較強(qiáng)的泵浦光，適合大功率運(yùn)轉(zhuǎn)。
LD 泵浦的全固態(tài)調(diào)Q 激光器是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在增益介質(zhì)的激光高能級(jí)上，集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，可產(chǎn)生高重復(fù)頻率、高峰值功率、脈寬可調(diào)節(jié)等特性，在光學(xué)檢測(cè)、原子#p#分頁標(biāo)題#e#
分子物理、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)和光電對(duì)抗等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。Q 開關(guān)激光器脈沖短、峰值功率高，熱效應(yīng)小， Q 開關(guān)激光聚集在靶點(diǎn)組織時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波，靶點(diǎn)組織受到機(jī)械性的微爆破作用。國內(nèi)外已有很多關(guān)于Q 開關(guān)Nd∶YAG激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各個(gè)方面的應(yīng)用報(bào)道，如外科手術(shù)、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮膚科等。調(diào)Q 激光器的工作方式多種多樣，分為主動(dòng)式調(diào)Q 、被動(dòng)式調(diào)Q 、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 等。主動(dòng)式調(diào)Q 激光器主要有聲光調(diào)Q 、電光調(diào)Q ，可飽和吸收調(diào)Q 激光器是被動(dòng)式調(diào)Q 激光器。
聲光Q 激光器具有插入損耗小、調(diào)制電壓低、易與連續(xù)激光器配合獲得高重復(fù)率巨脈沖、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差，只能用于低增益的連續(xù)激光器。電光Q 開關(guān)激光器具有開關(guān)時(shí)間短(10 - 9秒) 、輸出脈寬較窄(10～20 納米) 、效率高、調(diào)Q 時(shí)刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上) 等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖。被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q 激光器適于高重復(fù)頻率、高功率的激光器，產(chǎn)生窄脈寬巨脈沖的同時(shí)，譜線變窄，達(dá)到選擇相同能量和動(dòng)量光子的作用，但它是一種被動(dòng)式Q 開關(guān)，不能人為控制調(diào)Q 脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 激光器屬于慢開關(guān)型，無插入損耗、無光損傷，用于能量較大的脈沖激光器，可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上、脈寬為納秒級(jí)的巨脈沖，主要缺點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨損影響其使用壽命，且裝配工藝要求高，目前已基本不用。
二、Nd∶YAG激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用
激光治療皮膚色素疾病以及激光美容的理論依據(jù)是1983 年美國的安德森(Anderson RR. ) 和帕里什(Parrish JA. ) 醫(yī)生提出的“選擇性光熱解”理論。選擇性光熱解作用就是激光能量有選擇地被某些特定組織成分吸收，熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量破壞這些特定的組織成分。人體自身的免疫和代謝系統(tǒng)可將這些被破壞的組織碎屑吸收并排出體外，從而達(dá)到治療色素疾病的目的。該理論指出了皮膚組織對(duì)不同波長激光吸收的差異，以及不同脈寬的激光脈沖對(duì)各種皮膚疾病的影響。該理論是激光治療皮膚類疾病的基礎(chǔ)，為激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展指引了方向，推動(dòng)了醫(yī)用激光器的迅速發(fā)展。在隨后十幾年里，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)了大量不同波長的激光器。這些激光器在治療色素類疾病(如太田痣、胎記、雀斑、黃褐斑、老年斑) 以及血管類疾病(如鮮紅斑痣、血管瘤、毛細(xì)血管擴(kuò)張)等方面都取得了較好效果。激光利用選擇性光熱解作用原理治療皮膚疾病，可對(duì)目標(biāo)組織產(chǎn)生局部的高度破壞，而對(duì)周圍組織的傷害很小。為了達(dá)到選擇性光熱解作用，必須選用恰當(dāng)?shù)牟ㄩL、脈沖寬度以及能量密度，不同組織吸收不同波長的激光，我們通常希望激光器光子能量的絕大部分能夠被目標(biāo)組織吸收，而被周圍組織吸收的較少。
Nd：YAG 主要的三條熒光譜線中，中心波長1064 納米的激光最容易形成振蕩，譜線熒光最強(qiáng)，約占整個(gè)譜線能量的60 %，它可以較深地穿透皮膚，被深色素細(xì)胞高度吸收，能更有效地清除較暗色或發(fā)炎的組織。根據(jù)選擇性光熱解作用原理，可用于治療皮膚深層的色素疾病，當(dāng)今醫(yī)用Nd：YAG 激光器的輸出波長多是1064 納米。面部色素性病變傳統(tǒng)的治療方法有冷凍術(shù)、皮膚磨削術(shù)、化學(xué)剝脫術(shù)及二氧化碳激光治療術(shù)等，現(xiàn)在已逐漸被全固態(tài)激光治療所取代。用1064 納米 Nd：YAG 調(diào)Q 激光治療面部色素性病變時(shí)，應(yīng)根據(jù)病變的性質(zhì)、病灶的部位、患者的年齡及性別等因素合理判別治療參數(shù)，并在治療過程中進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，找出具體的最佳治療參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，病變組織選擇性吸收激光的能量后即被粉碎，并逐漸被自身吞噬細(xì)胞清除，最終達(dá)到祛除病灶且不留斑痕的目的。
1064 納米波長的激光穿透力深，可被皮膚深層的黑色素細(xì)胞選擇吸收，治療太田痣時(shí)對(duì)其周圍組織熱損傷小。而Q 開關(guān)則利用其沖擊波的脈沖波將色素細(xì)胞擊碎，再通過吞噬細(xì)胞將色素顆粒吞噬，使色素減退且不留疤痕，具有高選擇性、高效性、安全可靠、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)。由紋眉所致異物反應(yīng)屢見不鮮，紋眉液色素物質(zhì)殘留于局部，出現(xiàn)紅腫、浸潤、鱗屑、瘙癢。以往通過外用或局部注射皮質(zhì)類固醇僅能緩解癥狀、不能清除病變，局部炎癥還會(huì)復(fù)發(fā)。采用1064 納米激光治療時(shí)，紋眉液中色素顆粒選擇性吸收激光能量后被擊碎，網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)會(huì)將其吞噬、排泄，從而祛除病因。另外，由于該儀器采用Q 開關(guān)技術(shù)，光能量在5～10 秒內(nèi)釋放出來，作用時(shí)間短，對(duì)周圍組織熱損傷小，可避免疤痕、萎縮或皮紋改變等現(xiàn)象，且無色素減退或沉著。1064 納米經(jīng)倍頻晶體產(chǎn)生532 納米激光輸出，對(duì)褐色、紅色的皮損和色素有效，皮膚中的色素顆粒吸收激光后破裂，而細(xì)胞框架則被完整保留，皮膚能很快康復(fù)。這一波長的激光用于治療雀斑，副作用小、操作方便、無疤痕，且術(shù)后護(hù)理要求低。
1064 納米Nd∶YAG激光切除人工晶體前膜安全有效，患者沒有不適感，不需要全身麻醉，減小了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，已替代傳統(tǒng)的手術(shù)切除虹膜，成為青光眼的首選治療方法。
激光手術(shù)溫度高，有很好的殺菌作用，術(shù)后很少感染；激光治療安全，基本上沒有并發(fā)癥，手術(shù)時(shí)間短、止血效果好、傷口愈合快；激光束能量高，能到達(dá)普通手術(shù)刀無法進(jìn)入的部位，并且位置精確，可以做顯微手術(shù)，減少了對(duì)病變以外組織的傷害。1064 納米Nd∶YAG調(diào)Q 激光還可用于治療喉和喉咽部血管瘤、后發(fā)性白內(nèi)障、牙周病等疾病。性能獨(dú)特的 Nd∶YAG激光器必將越來越廣泛地用于醫(yī)療領(lǐng)域。
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