1、前 言
與氣體激光器相比，半導體泵浦固體激光器具有體積小、重量輕、供電簡單、結構緊湊、便于攜帶、便于維護和操作等優點。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波段恰恰處于水分子的吸收峰，輸出波長為 2μm的固體激光器是激光手術的最佳波長。與通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人體對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播2μm激光，這使得激光傳導更加容易。目前半導體激光器泵浦的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，并且在相應領域已經得到了大范圍的應用，但是對于二極管泵浦2μm固體激光器深入的研究并不是伴隨著激光器的產生而開始的，其間經歷了漫長的過程。
2、國外2μm波段固體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]，使用的晶體用熔鹽法生長，晶體長度25mm，輸出三種不同的激光波長。輸出波長2.0975μm時，脈沖閾值為44J；輸出波長2.0914μm時，脈沖閾值為1760J；輸出波長2.1223μm時，脈沖閾值為410J。高閾值限制了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于Ho3+在YAG中只有幾條弱吸收線。為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+，由于它們吸收和傳遞泵浦能量，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沖激光振蕩和放大，TEM00模輸出112mJ，斜率效率1.2％，放大輸出235mJ。晶體直徑4mm，長度56mm，晶體中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范圍連續可調諧激光輸出。晶體用引上法生長，Tm3+和Ho3+的含量分別為8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。
（4）Cr,Tm,Ho:YSGG激光器
1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG（釔鈧石榴石）激光晶體，并獲得室溫燈泵浦脈沖輸出能量7.4J,斜率效率3.1％，輸出波長2.088μm，并于1988年實現開關運行[6]。其中晶體直徑4mm，長度76mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為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125J，調閾值為60J。在轉鏡調時，獲得280mJ的多峰光脈沖，500的總寬度，脈沖中含5～6個峰，峰-峰間隔2μm，每個峰半寬度為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2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶體直徑5mm，長度53mm。閃光燈內徑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，晶體直徑5mm，長度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙燈充氣壓630Torr，閃光燈內徑4mm，閃光燈弧長63.5mm，閃光燈脈寬540us，諧振腔長度為300mm，全反鏡曲率半徑為1m，輸出鏡透過率小于75％，輸出波長為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]。同時從理論和實驗上證明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基質,Cr3+→Tm3+能量傳遞效率YAG高于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2at%、5at%和0.5at%。晶體直徑分別為2.8mm、4mm和5mm，晶體長度為56mm，諧振腔腔長300mm，全反鏡半徑1m，輸出鏡透過率15％。閃光燈內徑為4mm，弧長76mm，放電脈寬500μm。在20oC時，直徑2.8mm晶體的效率比其它兩種高，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年美國海軍研究實驗室采用單橢圓鍍銀腔，晶體直徑5mm，長度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙燈充氣壓450Torr，閃光燈內徑5mm，閃光燈弧長63mm，閃光燈脈寬290μs，諧振腔長度為290mm，全反鏡曲率半徑為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，發現開關的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長脈沖Cr,Tm,Ho:YAG低一個數量級，得到了2.121μm增益系數為0.07cm-1,估計調在2.121μm的增益系數為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2％，同時從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的最大小信號增益系數分別為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，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，室溫下單模輸出大于530mJ，脈沖寬度165ns。晶體直徑為4mm，長度100mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為1.2at%、6.1at%、0.4at%[12]。
在醫用鈥激光器的研究開發方面，美國相干公司等單位居領先地位，1990年向用戶提供了第一臺醫用鈥激光治療機，如今已開發出平均功率為20W、60W和100W三種單波長型號，相應重復頻率分別為5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相應單脈沖能量分別為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2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脈沖持續時間為500μs。此外，還有80/100W 的雙波長Holmium&Nd:YAG激光器，重復頻率為5-40Hz，單脈沖能量為0.2-3.5J，相應的平均功率設置為2J/40Hz，脈沖持續時間為500μs。這些構成了Versa Pulse PowerSuiteTm系列鈥激光器。
美國Trimedyne公司開發的鈥激光治療機，平均功率有30W和80W兩種。對于30W的鈥激光治療機，單脈沖能量為0.2-3.5J，重復頻率為5-20Hz，脈沖持續時間為350μs。而80W鈥激光治療機采用獨特的雙脈沖技術，能夠傳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。其單脈沖能量為0.2-3.5J,重復頻率為5-60Hz，雙脈沖模式下，單脈沖有效能量為0.4-7J，重復頻率為3-30Hz，脈沖持續時間為350μs。
3、國內2μm波段固體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研究工作。采用感應加熱提拉法生長Cr,Tm,Ho:YAG晶體，解決了高效率Cr3+→Tm3+→Ho3+能量轉移和高光學質量晶體生長工藝等一系列關鍵技術。激光棒主要技術指標達到：干涉條紋0.3條/25mm，無散射顆粒，單脈沖輸出能量2.3J。
1995年華中理工大學的葉洪波等人研制出了在室溫下Ho:YAG激光器輸出的能量3J。實驗中所用到的泵浦方式為脈沖氙燈泵浦，聚光腔是鍍銀單橢圓腔，冷卻方式為對冷卻水進行恒溫控制，其溫度浮動范圍為10±5oC。實驗采用國產棒尺寸為φ5×93mm，諧振腔為平凹腔，腔長280mm。全反鏡為曲面鏡，曲率為1m。輸出鏡為平面鏡,在輸出鏡透過率為29％，冷卻溫度為9oC，放電脈沖半寬度為360μs，激光器閾值為98.4J,單脈沖輸出在3J以上。 1997年中國計量學院光電子研究所的黃莉蕾等人，使用國產晶體Cr3+（2.3×1020cm-3），Tm3+（8.2×1020cm-3）, Ho3+（5.4×1020cm-3）:YAG。尺寸為φ6×100mm，采用單燈相交圓柱聚光腔，內壁貼Ag箔拋光。諧振腔為平凹腔，輸出鏡曲率半徑為5m，透過率為25％，全反鏡對2.1激光反射率大于98％。用氣壓為2×105Pa的氙燈泵浦，頻率1Hz，冷卻水溫18～22oC，激光閾值為73～84J，獲得斜率效率為2～4％，單脈沖能量為0.8～1.4J [13]。
1997年，安徽光機所的陳長水等人進行了開關Cr,Tm,Ho:YAG激光器的實驗研究，獲得了單脈沖能量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）的脈沖半寬度35ns[14]。
安徽光機所魯士平課題組研制的HJZ-1-10型鈥激光治療機于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品注冊檢測。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格檢測，兩臺醫用鈥激光器所達到的指標為：脈沖重復頻率為4～10Hz分檔可調，輸出平均功率為14W左右，輸出功率的不穩定度為±2.0％，傳輸光纖的耦合效率大于65％。目前，這兩臺鈥激光治療機正在醫院里進行臨床應用研究[15]。 如上所述，目前國內的鈥激光治療機，輸出平均功率14W左右，遠遠低于國外水平，不能滿足醫學臨床治療要求。
4、醫用Cr,Tm,Ho:YAG激光器的特點
人體組織中水的比例大約占70％，因而組織對光的吸收情況與水相似。水在中紅外波段有兩個強的吸收譜帶，分別為2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，當激光與人體組織相互作用時，水對所用激光吸收系數的大小就決定了激光在組織中的穿透深度、損傷區域以及手術精度等Nd:YAG激光器的波長為1.06μm，可以用石英光纖傳輸，在醫療方面有不少應用。但是，由于水對它的吸收僅為0.1cm-1，在有些外科手術中，它的穿透深度較深，損傷區域較大，手術精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波長為2.94μm,水對它的吸收為3000cm-1，屬水的強吸收波段。對醫療應用來說，鉺激光器是一個十分理想的光源，然而令人遺憾的是：鉺激光不能用石英光纖傳輸，能夠傳輸鉺激光的非石英光纖容易斷裂，防礙其臨床應用。 Ho:YAG激光波長為2.1μm，位于水較強吸收譜線。水對其吸收約為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生淺的穿透深度、高的手術精度和獨特的凝血作用，大大限制了損傷區域。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只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-的石英光纖傳輸，這就使鈥激光能有效地工作在氣體和液體環境中，為醫生切除軟骨和其它硬組織提供精確的途徑，使鈥激光成為現有激光內窺鏡系統中最適宜的光源[37]。鈥激光在軟組織中的外科手術精度與CO2激光相比較，可能略低于CO2激光的手術精度，然而它能為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輸，只能借助于笨重的關節臂來導光，十分不便；而能用光纖傳輸的脈沖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于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應用，我們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并且輪流等時間間隔工作的多路電源，最終實現一臺電源供兩路或四路Cr,Tm,Ho:YAG激光器輪流等時間間隔工作的設想。在水溫0oC，單脈沖注入能量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，合光路后光纖末端輸出功率25W。該設計方案為同類激光器的研究與應用提供了有利參考，具有一定的指導意義。
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