激光是60 年代初出現(xiàn)的一種新型光源,激光以其高亮度、高單色性、高方向性和高相干性,引起普遍重視,并很快在工農業(yè)生產、科學技術、醫(yī)療、國防等各個領域得到廣泛應用。激光醫(yī)學是激光技術與醫(yī)療科學有機結合的產物,激光在70 年代開始廣泛用于臨床;90 年代,隨著新型激光器的研制成功,激光與醫(yī)療、生物組織科學緊密結合,研究范圍日益擴大。
Nd:YAG 激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應小、機械性能良好、適合各種工作模式(連續(xù)、脈沖) 等特點,在當今各種固體激光器中應用物質相互作用的效果是不同的, 不同波長的Nd:YAG激光器采用連續(xù)、脈沖等方式工作使激光與不同部位的生物組織相互作用,可以獲得良好的療效。醫(yī)用Nd:YAG 激光器在外科手術、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮膚科、美容等方面應用廣泛,特別是治療皮膚色素性疾病,有創(chuàng)傷小、愈合好、無疤痕等獨特優(yōu)點,本文主要介紹Nd:YAG 激光器的特性以及在治療皮膚疾病方面的應用,使讀者了解各種激光器的性能及不同種類激光治療儀的治療效果。
一、Nd:YAG 激光器的特性
能產生激光的系統(tǒng),稱為激光器。一臺簡單的激光器通常由工作物質、泵浦源和諧振腔三部分組成。自1960 年第一臺激光器誕生以來,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)產生激光的工作物質,有氣體、液體、固體和半導體激光器等。固體激光器是以固態(tài)基質中摻入少量激活元素為工作物質的激光器,工作物質的物理化學性能主要取決于基質材料,而其光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級結構決定。但發(fā)光粒子受基質材料的影響,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。例如世界上第一臺激光器所用工作物質為紅寶石,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。摻釹激光器是當前應用最廣泛的固體器件之一,在激光加工、醫(yī)療、軍事等領域應用廣泛。
圖 Nd:YAG 的能級圖
Nd:YAG 激光器為四能級系統(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,簡化能級如圖1 所示。如果在諧振腔中插入標準具或色散棱鏡,或以特殊設計的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質膜的反射鏡,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,經過倍頻( KTP) 晶體后可產生波長為532 納米的激光。輸出光有連續(xù)、準連續(xù)等形式。
Nd:YAG 中摻入Nd3 + 濃度應合理,摻雜濃度高,則吸收率高、反轉粒子數(shù)高、激光器的效率高,但是摻雜濃度太高時,轉換效率不僅不會增高,反而會下降,甚至出現(xiàn)濃度淬滅現(xiàn)象。Nd 原子濃度一般在015%～115% 以內,濃度較高會縮短熒光壽命,使展寬線變寬,在晶體中引起應變,最終導致光學質量變差、效率降低。應用中,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,對于Q 開關3 運轉, 選擇高濃度的摻劑(112%) ,以產生高儲能;對于連續(xù)運轉,通常選擇低濃度的摻劑(015%～018%) ,以獲得優(yōu)良的光束質量。增益介質的尺寸通常根據(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,反而會因為吸收損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 激光器的結構形式有端面泵浦和側面泵浦兩種。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。側面泵浦可采用多個LD 陣列,散熱效果好,可提供較強的泵浦光,適合大功率運轉。
LD 泵浦的全固態(tài)調Q 激光器是把能量以激活離子的形式存儲在增益介質的激光高能級上,集中在一個很短的時間內釋放出來,可產生高重復頻率、高峰值功率、脈寬可調節(jié)等特性,在光學檢測、原子
分子物理、光譜學、非線性光學、激光醫(yī)療、激光雷達和光電對抗等領域具有重大應用價值。
Q 開關激光器脈沖短、峰值功率高,熱效應小, Q 開關激光聚集在靶點組織時會產生沖擊波,靶點組織受到機械性的微爆破作用。國內外已有很多關于Q 開關Nd∶YAG激光在醫(yī)學領域中各個方面的應用報道,如外科手術、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮膚科等。
調Q 激光器的工作方式多種多樣,分為主動式調Q 、被動式調Q 、轉鏡調Q 等。主動式調Q 激光器主要有聲光調Q 、電光調Q ,可飽和吸收調Q 激光器是被動式調Q 激光器。聲光Q 激光器具有插入損耗小、調制電壓低、易與連續(xù)激光器配合獲得高重復率巨脈沖、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但對高能量激光器的開關能力較差,只能用于低增益的連續(xù)激光器。電光Q 開關激光器具有開關時間短(10 - 9秒) 、輸出脈寬較窄(10～20 納米) 、效率高、調Q 時刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上) 等優(yōu)點,缺點是半波電壓較高,需要幾千伏的高壓脈沖。被動式可飽和吸收調Q 激光器適于高重復頻率、高功率的激光器,產生窄脈寬巨脈沖的同時,譜線變窄,達到選擇相同能量和動量光子的作用,但它是一種被動式Q 開關,不能人為控制調Q 脈沖的產生時刻。轉鏡調Q 激光器屬于慢開關型,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、脈寬為納秒級的巨脈沖,主要缺點是高轉速下的機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。
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