2μm固体激光材料与激光器的发展

作者：北京理工大学光电工程系 高雪松

欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 1、前 言 与气体激光器相比，半导体泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、便于维护和操作等优点。现在已用作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等领域。2μm波段恰恰处于水分子的吸收峰，输出波长为 2μm的固体激光器是激光手术的最佳波长。与通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人体对2μm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其对敏感组织，如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀利切割效果更加理想。此外石英光纤还可以传播2μm激光，这使得激光传导更加容易。目前半导体激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成结构紧凑、维护容易、便携式的医用器械。虽然2μm激光器有着如此广泛而重要的应用前景，并且在相应领域已经得到了大范围的应用，但是对于二极管泵浦2μm固体激光器深入的研究并不是伴随着激光器的产生而开始的，其间经历了漫长的过程。 2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 （1）Ho:YAG激光器 1965年Bell实验室Johnson等人首先报道了Ho:YAG在液氮温度下实现振荡，使用的晶体用熔盐法生长，晶体长度25mm，输出三种不同的激光波长。输出波长2.0975μm时，脉冲阈值为44J；输出波长2.0914μm时，脉冲阈值为1760J；输出波长2.1223μm时，脉冲阈值为410J。高阈值限制了Ho:YAG的应用。 （2）Er,Tm,Ho:YAG激光器 Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有几条弱吸收线。为了增加对灯泵能量的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+来敏化Ho3+，由于它们吸收和传递泵浦能量，液氮温度下得到了5％的闪光灯泵浦效率和15W的连续激光输出。1975年，Beck等人报道了直径4mm，长度70mm的晶体在液氮温度下连续输出50W，斜率效率6.5％，使用钨卤素灯作泵浦源。1981年Barnes等人在液氮温度下实现了脉冲激光振荡和放大，TEM00模输出112mJ，斜率效率1.2％，放大输出235mJ。晶体直径4mm，长度56mm，晶体中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分别占0.021、0.037、0.616和0.326。 （3）Tm,Ho:YAG激光器 1987年Fan等人报道了用波长为781.5二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAG获得室温连续输出，阈值4.4mW，斜率效率19％，输出波长2.074μm [5]。1990年Stoneman等人实现了Tm,Ho:YAG在2.09～2.12范围连续可调谐激光输出。晶体用引上法生长，Tm3+和Ho3+的含量分别为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（钇钪石榴石）激光晶体，并获得室温灯泵浦脉冲输出能量7.4J,斜率效率3.1％，输出波长2.088μm，并于1988年实现开关运行。其中晶体直径4mm，长度76mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室温下获得80mJ的电光调输出，此时的泵浦输入为125J，调阈值为60J。在转镜调时，获得280mJ的多峰光脉冲，500的总宽度，脉冲中含5～6个峰，峰-峰间隔2μm，每个峰半宽度为40～50。 （5）Cr,Tm,Ho:YAG激光器 1988年ST Systems公司的Mark E.Storm 采用单椭圆腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶体直径5mm，长度53mm。闪光灯内径4mm，闪光灯弧长50mm，闪光灯脉宽600us，全反镜曲率半径10m，输出镜透过率85％。在温度295K时，激光阈值25J,斜率效率2.3％。 1989年美国海军研究实验室的G.J.Quarles等人采用67mm镀银椭圆腔和69mm漫反射腔，晶体直径5mm，长度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙灯充气压630Torr，闪光灯内径4mm，闪光灯弧长63.5mm，闪光灯脉宽540us，谐振腔长度为300mm，全反镜曲率半径为1m，输出镜透过率小于75％，输出波长为2.097μm。使用漫反腔得到了4.7％斜效率，阈值70J。使用镀银腔得到了5.1％斜效率，阈值38J[8]。同时从理论和实验上证明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基质,Cr3+→Tm3+能量传递效率YAG高于YSAG和YSGG。 1990年T.Becker等人报道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重频30Hz时的输出特性。Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2at%、5at%和0.5at%。晶体直径分别为2.8mm、4mm和5mm，晶体长度为56mm，谐振腔腔长300mm，全反镜半径1m，输出镜透过率15％。闪光灯内径为4mm，弧长76mm，放电脉宽500μm。在20oC时，直径2.8mm晶体的效率比其它两种高，在重频21Hz时，斜效率1.6％，同时获得了6.5W的输出；在重频30Hz时，得到2W输出。 1991年美国海军研究实验室采用单椭圆镀银腔，晶体直径5mm，长度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙灯充气压450Torr，闪光灯内径5mm，闪光灯弧长63mm，闪光灯脉宽290μs，谐振腔长度为290mm，全反镜曲率半径为0.5m，输出镜透过率20％,水温20oC，重频1Hz时，得到最佳斜率效率。同时，研究了调的特性，发现开关的Cr,Tm,Ho:YAG效率几乎比长脉冲Cr,Tm,Ho:YAG低一个数量级，得到了2.121μm增益系数为0.07cm-1,估计调在2.121μm的增益系数为0.02～0.07cm-1。 1994年W.Zendzian等人报道了闪光灯泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J时，得到了17W的输出，斜效率为2％，同时从理论和实验上验证了热焦距对M2参数的影响。 1998年Yoichi等人报道了在温度10oC，泵浦能量密度85.9J/cm3,得到了Cr,Tm:YAG和Cr,Tm,Ho:YAG的最大小信号增益系数分别为0.144cm-1和0.234cm-1。 2000年Cheng Li等人报道了采用闪光灯泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶体，在自由运转模式下，室温获得了4.5J的激光输出，输出波长2.098μm，斜率效率2.7％，阈值能量95J；在声光调方式下，室温下单模输出大于530mJ，脉冲宽度165ns。晶体直径为4mm，长度100mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为1.2at%、6.1at%、0.4at%。 在医用钬激光器的研究开发方面，美国相干公司等单位居领先地位，1990年向用户提供了第一台医用钬激光治疗机，如今已开发出平均功率为20W、60W和100W三种单波长型号，相应重复频率分别为5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相应单脉冲能量分别为0.5-2.5J、0.2-3.5J和0.2-3.5J，相应的平均功率设置分别为2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脉冲持续时间为500μs。此外，还有80/100W 的双波长Holmium&Nd:YAG激光器，重复频率为5-40Hz，单脉冲能量为0.2-3.5J，相应的平均功率设置为2J/40Hz，脉冲持续时间为500μs。这些构成了Versa Pulse PowerSuiteTm系列钬激光器。 美国Trimedyne公司开发的钬激光治疗机，平均功率有30W和80W两种。对于30W的钬激光治疗机，单脉冲能量为0.2-3.5J，重复频率为5-20Hz，脉冲持续时间为350μs。而80W钬激光治疗机采用独特的双脉冲技术，能够传递更多的能量到硬组织，同时尽量减少对周围软组织的损伤。其单脉冲能量为0.2-3.5J,重复频率为5-60Hz，双脉冲模式下，单脉冲有效能量为0.4-7J，重复频率为3-30Hz，脉冲持续时间为350μs。 3、国内2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况 1991年起电子部11所展开了钬激光晶体研究工作。采用感应加热提拉法生长Cr,Tm,Ho:YAG晶体，解决了高效率Cr3+→Tm3+→Ho3+能量转移和高光学质量晶体生长工艺等一系列关键技术。激光棒主要技术指标达到：干涉条纹0.3条/25mm，无散射颗粒，单脉冲输出能量2.3J。 1995年华中理工大学的叶洪波等人研制出了在室温下Ho:YAG激光器输出的能量3J。实验中所用到的泵浦方式为脉冲氙灯泵浦，聚光腔是镀银单椭圆腔，冷却方式为对冷却水进行恒温控制，其温度浮动范围为10±5oC。实验采用国产棒尺寸为φ5×93mm，谐振腔为平凹腔，腔长280mm。全反镜为曲面镜，曲率为1m。输出镜为平面镜,在输出镜透过率为29％，冷却温度为9oC，放电脉冲半宽度为360μs，激光器阈值为98.4J,单脉冲输出在3J以上。 1997年中国计量学院光电子研究所的黄莉蕾等人，使用国产晶体Cr3+（2.3×1020cm-3），Tm3+（8.2×1020cm-3）, Ho3+（5.4×1020cm-3）:YAG。尺寸为φ6×100mm，采用单灯相交圆柱聚光腔，内壁贴Ag箔抛光。谐振腔为平凹腔，输出镜曲率半径为5m，透过率为25％，全反镜对2.1激光反射率大于98％。用气压为2×105Pa的氙灯泵浦，频率1Hz，冷却水温18～22oC，激光阈值为73～84J，获得斜率效率为2～4％，单脉冲能量为0.8～1.4J。 1997年，安徽光机所的陈长水等人进行了开关Cr,Tm,Ho:YAG激光器的实验研究，获得了单脉冲能量60mJ的2.1μm的稳定调激光输出，通过倍频途径测得了其倍频光（1.05μm）的脉冲半宽度35ns。 安徽光机所鲁士平课题组研制的HJZ-1-10型钬激光治疗机于1997年12月在杭州通过了国家医药管理局用光学、激光、冷疗设备质量检测中心的新产品注册检测。 经过高温55篊、低温－40oC、湿度93％以及电绝缘强度等多种环境实验的严格检测，两台医用钬激光器所达到的指标为：脉冲重复频率为4～10Hz分档可调，输出平均功率为14W左右，输出功率的不稳定度为±2.0％，传输光纤的耦合效率大于65％。目前，这两台钬激光治疗机正在医院里进行临床应用研究。 如上所述，目前国内的钬激光治疗机，输出平均功率14W左右，远远低于国外水平，不能满足医学临床治疗要求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/27/2006)