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(yōu)點?,F(xiàn)在已用作手術治療、肌肉組織焊接、牙科治療、光鎮(zhèn)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(yī)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(fā)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(xiàn)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(xù)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(xù)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(xiàn)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(xù)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(xiàn)了Tm,Ho:YAG在2.09~2.12范圍連續(xù)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)開關的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長脈沖Cr,Tm,Ho:YAG低一個數(shù)量級,得到了2.121μm增益系數(shù)為0.07cm-1,估計調在2.121μm的增益系數(shù)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(shù)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(shù)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(yī)用鈥激光器的研究開發(fā)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(yī)用鈥激光治療機,如今已開發(fā)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(xù)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(xù)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(fā)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(xù)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(xù)時間為350μs。
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