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Jeff Wojtkiewicz，Coherent | Nufern ，MatthiasSchulze，Coherent Inc.

 

簡介

生命科學(xué)領(lǐng)域看好摻銩 (Tm3+)光纖激光器出于兩大原因。首先，這種激光器輸出的近紅外激光的波長為 1940 nm，正處于其他直接輸出激光光源的波長“空擋”。第二點(diǎn)，也是更為重要的一點(diǎn)，這個波長位于很寬的 1900 nm 液態(tài)水吸收區(qū)間內(nèi)。因此，在進(jìn)行必要的功率調(diào)節(jié)后，Tm3+ 脈沖激光可以燒蝕含水材料，這讓它在醫(yī)療和工業(yè)材料處理領(lǐng)域具備了廣泛應(yīng)用的潛質(zhì)。

 

在本文中，我們研究了基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的新型調(diào) Q Tm3+ 激光器，該激光器已優(yōu)化為 120 ns 的脈寬，在精準(zhǔn)外科手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力尤為突出。我們將特別討論在激光器設(shè)計和制造中存在的一些主要技術(shù)挑戰(zhàn)。然后，我們還將分析使用該激光器燒蝕模型生物組織樣本（生物組織仿體）的實(shí)驗(yàn)室研究中得出的相關(guān)數(shù)據(jù)。

 

精準(zhǔn)外科手術(shù)中的生物組織燒蝕

Thomas Milner 教授和他在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校生物醫(yī)學(xué)工程系同事們的合作是推動該激光器研發(fā)的主要力量之一。Milner 的團(tuán)隊(duì)正在按計劃研發(fā)“影像導(dǎo)航智能激光刀”，并且找到 Nufern 公司（現(xiàn) Coherent | Nufern），希望  Nufern 公司能為他們設(shè)想的外科手術(shù)系統(tǒng)制造最佳的 Tm3+ 激光器。

 

Milner 之所以這樣做，是因?yàn)橄Ｍ陨窠?jīng)腫瘤為特例，提供一種能讓精準(zhǔn)（顯微）外科手術(shù)取得更好成果的系統(tǒng)。Milner 表示：“難點(diǎn)在于，需要研發(fā)專用的成像增強(qiáng)工具，不僅要精準(zhǔn)切除腫瘤細(xì)胞和組織，而且不能對鄰近的正常神經(jīng)結(jié)構(gòu)造成任何損傷。另外，神經(jīng)腫瘤所在位置周圍有保護(hù)性骨結(jié)構(gòu)，因此手術(shù)空間非常狹小。損傷血管并導(dǎo)致出血會遮擋醫(yī)生視線，所以必須避免這種情況。” 

 

存在于內(nèi)耳中的聽神經(jīng)腫瘤（見圖 1）就是這樣一種典型的神經(jīng)腫瘤。隨著聽神經(jīng)腫瘤的生長，它會擠壓顏面神經(jīng)和耳蝸神經(jīng)，導(dǎo)致劇痛和面部畸形。Milner 解釋說：“由于成像能力有限，外加切割和非特定燒灼工具精準(zhǔn)度不高，傳統(tǒng)的聽神經(jīng)腫瘤手術(shù)方法會損傷其他神經(jīng)并造成面部變形。”

 

 

圖 1.隨著典型聽神經(jīng)腫瘤的生長，它會擠壓顏面神經(jīng)和耳蝸神經(jīng)。通過手術(shù)切除神經(jīng)腫瘤，同時不損傷這些神經(jīng)，這往往是一項(xiàng)重大難題。

 

為解決這個問題，德克薩斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)希望能夠使用斷層成像技術(shù)來區(qū)分癌性神經(jīng)組織和正常神經(jīng)組織，同時結(jié)合擁有卓越空間分辨率和精準(zhǔn)度的燒灼激光。他們找到了 Tm3+ 脈沖激光，綜合多種原因?qū)⑺_定為理想的備選方案。首先，1940nm 這種輸出波長的激光極易被水吸收，而水是所有軟組織的主要成分。因此，輸出的激光能量可以有效地被吸收，將燒蝕限制在非常小的局部范圍。在確保極高組織切除速率的同時，保證對周圍組織的損傷最小。第二，這種近紅外波長可以通過光纖輸送，讓遠(yuǎn)程輸送到難以接近的身體部分成為可能，這樣也能支持許多腹腔手術(shù)應(yīng)用。另外，調(diào)Q激光器能提供具有高峰值功率的短脈沖（約 120 ns），在最大程度提高組織燒蝕速率的同時，將熱負(fù)荷降到最低。Milner 團(tuán)隊(duì)與相干公司工程師合作敲定了目標(biāo)激光器的規(guī)格（平均功率 > 15W，峰值功率 > 4 kW），并認(rèn)定這是顯微外科手術(shù)的理想搭配。另外，這絕非空中樓閣，而是實(shí)實(shí)在在建立在摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的基礎(chǔ)上。

 

優(yōu)化 Tm3+  光纖二極管泵浦

從理論上講，摻銩 (Tm3+) 光纖可以有許多泵浦波長。這里介紹的激光器使用公認(rèn)的波長為 793 nm 的最佳泵浦方法，適合這個波長的高功率 InGaAs  泵浦二極管產(chǎn)品非常成熟。Tm3+ 光纖激光器主要組件的示意圖如圖 2 所示。主振蕩器 (MO) 采用光纖布拉格光柵 (FGB)，并且將聲光調(diào)制器 (AOM) 用作重復(fù)頻率最高為100 kHz 的調(diào) Q 脈沖。這個振蕩器由一個單管光纖耦合激光二極管（Coherent | DILAS，793  nm 模塊）泵浦，通過光纖合束器將多個相同的激光二極管來泵浦光纖放大器。

圖 2.新型 調(diào)Q摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的光路布局。MO：主振蕩器；FA：末級放大級；AOM：聲光調(diào)制器；FBG：光纖布拉格光柵。

 

793 nm 泵浦的一大難題在于量子數(shù)虧損嚴(yán)重，泵浦光子能量與激光基波相差 59%。這意味著效率可能非常低；輸入泵浦能量有 59% 可能會以熱量的形式散失。不過，激光物理中有一種名為“交叉弛豫”的效應(yīng)，一個 Tm3+ 離子的過量激發(fā)能量會傳遞給另一個即將激發(fā)的離子。在這樣的模式下，總量子效率在理論上可以低至 9%。 

 

交叉弛豫的概率取決于摻雜密度；為保證離子距離足夠近，Tm3+ 的濃度必須很高。不過，如果摻雜度過高，纖芯玻璃會變得非常軟。另外，摻雜密度越高，纖芯折射率也會越高。為了解決這些問題，除了使用精心優(yōu)化的專有摻雜度以外，我們還采用了基座光纖設(shè)計，通過在纖芯上覆蓋一個內(nèi)套來確保纖芯近乎于單模。

 

消除調(diào)制不穩(wěn)定性

調(diào)制不穩(wěn)定性 (MI) 是我們在設(shè)計中需要權(quán)衡的另一個重要因素。導(dǎo)致該問題的原因在于一個基本事實(shí)，那就是光纖在超過 1.3 µm 的波長處顯示異常色散。由此帶來的最終后果是，主振蕩器中的微小噪聲源（例如，真空噪聲和放大自發(fā)輻射噪聲 [ASE]）被放大，產(chǎn)生從主模式獲取增益的寄生不穩(wěn)定邊帶（見圖 3）。如果不加抑制，這種不穩(wěn)定性接下來還會在光纖放大器放大。另外，隨著每單位體積增益的提高，MI 將呈指數(shù)級增長。如前文所述，由于采用窄（單模）纖芯而且纖芯摻雜密度較高，在我們的設(shè)計中，每單位體積增益顯然很高。 

 

另外，MI 與腔增益光纖的長度之間也是指數(shù)關(guān)系，因此為了防止 MI，可以縮短振蕩器中的光纖長度。不過，MO 中的光纖長度也有兩個限制因素：(a) 目標(biāo)應(yīng)用要求最終輸出脈寬為 120 ns左右；(b) 同時，為了減少達(dá)到目標(biāo)輸出功率所需的放大級數(shù)，需要盡量提高 MO 的平均輸出功率。

 

尋找能滿足上述所有要求的最佳光纖長度是一個需要反復(fù)嘗試的過程，最終結(jié)果證明，我們?nèi)〉昧藞A滿成功（見圖 3）。通過對光纖長度的優(yōu)化，盡可能降低了對 MO 的平均功率、脈寬和峰值功率的影響，同時中心模式與邊帶的比率由最初設(shè)計中的 45dB（左圖）增加到了55 dB 以上。 

 

 

 

其他設(shè)計因素

還有其他兩個設(shè)計方面的因素值得我們簡單探討一下：激光器中的新型光纖熔接點(diǎn)，以及光纖放大器 (FA) 級的性能。

 

為了在 MO 和 FA 中使用的無源組件和摻銩(Tm3+) 有源光纖間提供高質(zhì)量熔接點(diǎn)，專門開發(fā)了一些特殊程序。熔接質(zhì)量通過結(jié)合使用光學(xué)顯微鏡、折射率輪廓測定法和激光性能/光束質(zhì)量測試來進(jìn)行分析。測試結(jié)果表明，傳統(tǒng)熔接方法會導(dǎo)致有源光纖纖芯輕微膨脹，并且相對于基座內(nèi)套，纖芯的折射率會降低。在一些情況下，這可能先后導(dǎo)致激光在有源光纖中的基座模式以及無源光纖中的包層模式出現(xiàn)放大現(xiàn)象；我們觀察到，這會導(dǎo)致 MO 中產(chǎn)生多模激光。同樣，進(jìn)行反復(fù)測試是避免這種討厭問題的關(guān)鍵。事實(shí)上，在激光器研發(fā)過程中，確定最佳熔接參數(shù)和檢查多模激光輸出是非常關(guān)鍵的步驟。相關(guān)細(xì)節(jié)屬于專有信息，但一般而言，我們發(fā)現(xiàn)摻銩 (Tm3+) 有源光纖的最佳熔接點(diǎn)是在低電弧功率和短發(fā)弧時間環(huán)境中出現(xiàn)。

 

在放大器中，盡量降低由 ASE 和再吸收造成的功率損耗是需要關(guān)注的主要問題。通過優(yōu)化泵浦功率和 FA 有源光纖的長度可以將這些損耗降到最低。在最終設(shè)計中，我們得到了 40% 的輸出效率；我們使用 40W 的泵浦功率獲得了最高 16W的激光放大輸出。此外，在脈沖重復(fù)頻率（由 AOM 設(shè)定）由 30 kHz 一直逐步增加到 80 kHz 的過程中，平均功率幾乎始終保持恒定。

 

 

 

 

我們還注意到一個有趣的放大效應(yīng)，那就是放大率越高，脈寬就越大。通過仔細(xì)測量時間曲線，我們確認(rèn)這是由于振蕩器脈沖前沿的放大率增加造成的（見圖 4）。

 

生物組織仿體的初步研究

激光器設(shè)計在經(jīng)過上文所述的改進(jìn)并最終敲定后，Milner 團(tuán)隊(duì)利用這種新型納秒脈沖摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的原型機(jī)，針對它在精準(zhǔn)燒蝕外科手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，燒蝕對象是由水 (70%) 和明膠 (30%) 混合而成的生物組織仿體。具體來說，研究用的生物組織仿體在凝膠中嵌入了直徑 500 µm 的圓柱形聚合物導(dǎo)管，用以模擬組織中的血管。研究目標(biāo)是燒蝕凝膠而不損傷這些導(dǎo)管，也就是說在真正手術(shù)的過程中，不會因損傷血管并導(dǎo)致出血而影響組織可見度。

 

在這項(xiàng)研究中，光纖輸出使用全反射型準(zhǔn)直器保證準(zhǔn)直。然后，光束在通過雙重電流計后，從非球面 ZnSe 鏡頭（安置在能提供遠(yuǎn)心聚焦的位置）反射出來。這樣的設(shè)置能提供精準(zhǔn) xy 掃描、平坦的掃描場和直徑 30 µm的聚焦光斑，這樣就能提供每脈沖 60 J/cm2 的能量密度。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，這樣的能量密度在燒蝕生物組織時能做到熱約束，也就是不會向周邊傳遞過多熱量。

 

 

圖 5.激光燒蝕前（左圖）后（右圖），生物組織仿體中嵌入的導(dǎo)管的圖像。

 

他們還探索了外科手術(shù)中另外一種常見的情況，即切除病灶但不損傷敏感組織結(jié)構(gòu)（例如，神經(jīng)）。在此研究中，他們將導(dǎo)管嵌入到了生物組織仿體中更深的位置。激光器又一次做到了貼近導(dǎo)管整齊地精準(zhǔn)切除，并把熱損傷降到最低。

 

總結(jié)

研發(fā)新型激光器需要克服許多困難。對于這款高功率脈沖摻銩（Tm3+) 光纖激光器而言，意味著需要優(yōu)化許多設(shè)計參數(shù)，包括基礎(chǔ)材料特性（例如，光纖摻雜密度）、基座光纖結(jié)構(gòu)、放大器中的光纖長度，以及精心優(yōu)化需熔接在一起的組件。不過，如果不能更好地滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要的話，這樣的研究將只能停留在學(xué)術(shù)活動層面。我們不必?fù)?dān)心這個問題，因?yàn)槲覀冄芯康募夹g(shù)有望在顯微外科手術(shù)工具中應(yīng)用，并改善神經(jīng)腫瘤治療的效果。