医用固体激光器

激光生物医学,第二章、医用固体激光器,医用固体激光器,固体激光器的基本组成 红宝石激光器 Nd:YAG激光器 Er:YAG激光器 Cr,Tm,Ho:YAG激光器 Nd:YLF激光器 半导体激光器的医学应用,医用固体激光器,1960年问世的第一台激光器是固体红宝石激光器。 目前，能产生激光的工作物质达数百种。固体激光器的主要特点： 运行方式多样 固体工作物质种类多，波长分布范围广。 固体激光器导光系统简单，制作容易 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格适宜,固体激光器的基本组成,固体激光器的基本结构及能量转换环节,固体激光器输出特性,固体激光器工作物质热透镜效应随输入功率而变，引起输出光束参量随输入功率而变化。由于基模高斯光束的光斑尺寸一般远小于工作物质的横向尺寸，因此固体激光器往往是多纵模输出，各横模之间不相干。固体工作物质增益高，荧光谱线宽，因此输出的纵模数目多。有空间烧孔效应。输出光的偏振特性取决与工作物质的种类、质量及运行情况。各向异性晶体产生的激光有明显的偏振性，各向同性晶体由于内部的缺陷和工作过程的热效应导致的应力双折射，输出光有部分偏振性。,固体激光器的基本组成工作物质,激活离子基质掺杂浓度双掺和敏化工作物质的劣化工作物质的破坏,激活离子,过渡族金属离子如铬Cr3、镍Ni2、钴Co3等.三价稀土金属离子如钕Nd3、钬Ho3、铒Er3、鐠Pr3、钐Sm3、銪Eu3、镝Dy3、等等。二价稀土金属离子如铒Er2、铥Tm2、钐Sm2、镝Dy2等等。锕系离子。这类离子大部分都是人工放射性元素，不易制备，其中只有铀U3曾有所应用。,基质,基质材料分为玻璃和晶体两大类 常用的基质玻璃有硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃 常用的晶体有宝石 Al2O3 、氧化钇Y2O3 、钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）、钇镓石榴石Y3Ca5O12、铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐晶体如铝酸钇YalO3（YAP）、氟磷酸钙Ca（PO4）3F等等,掺杂浓度,掺杂浓度有一最佳值，基质不同，最佳掺杂浓度也不同 浓度猝灭 激活离子之间的作用 辐射的自吸收,双掺和敏化,为了增加激活离子的掺入量，又不至于影响晶体的光学质量，人们采用了双掺的办法 敏化是为了提高工作物质对泵浦光的利用率而采用的方法,工作物质的劣化,随着工作次数的增加，工作物质输出激光的效率会有所下降，此现象称为工作物质的劣化。 色心,工作物质的破坏,热应力 晶体中杂质在激光作用下温度急剧升高，在杂质周围造成很大的局部应力,工作物质的热效应,激光棒中的热应力双折射,热透镜效应,单次脉冲泵浦下激光棒的热效应,重复脉冲泵浦下激光棒的热效应,固体激光器的基本组成泵浦系统,泵浦光源泵浦电源 聚光腔 冷却、滤光系统,泵浦光源,固体激光器一般都是用光泵浦。最常用的泵浦光源主要是惰性气体放电灯(灯内充入氙、氪等惰性气体)脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高，是红宝石、钦玻璃和Nd：YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯。氪灯在低电流密度下工作时，其辐射光谱与Nd：YAG泵浦吸收带相匹配，故在连续和小能量脉冲Nd：YAG器件中得到比较多的采用。,脉冲氙灯在两种电流密度下的光谱输出,氙灯(1.7个大气压)在低电流密度下工作的发射光谱,氪弧灯(4个大气压，输入功率1.3KW)的发射光谱,高电流大直径的脉冲氙灯中，从等离子体中心发出的辐射，很大一部分在未到达灯的表面时，就被吸收掉了，因此，大部分的辐射来自接近灯表面的一层薄层内发出的。灯的效率相应降低。对于连续氪灯，这种情况不会出现，因为电流密度低。,惰性气体灯的寿命,惰性气体放电灯经过一段时间使用后，管壁会出现发黑，发白，龟裂等现象，其光输出将大为降低。工作也变得不稳定，从而丧失使用价值。有时甚至可能发生爆炸。造成灯损坏的原因是多方面的，内部原因主要是高温和冲击波的作用。一般说对于连续弧光灯，前者是主要的，对于脉冲灯，后者是主要的。,泵浦电源-放电回路,惰性气体放电灯的触发及预燃,聚光器的类型,模拟灯发光为从焦点发出理想线光源，不同直径激光棒照射情况,模拟灯发光为从焦点发出非理想线光源，激光棒照射情况,聚光器的类型,紧包腔模拟,聚光器的材料选择,腔体的材料反射表面的材料,聚光器反射表面的选择,镜面反射 漫反射 金属反光层 多层介质反光膜 氧化镁(Mg0)粉或硫酸钡(BaSO4)粉漫反射层,冷却、滤光系统,工作物质整个温度升高引起的热效应 工作物质中温度分布不均匀引起的热效应,冷却、滤光系统,冷却、滤光系统,滤光液法 滤光玻璃法 在聚光器上采取措施 在灯管上采取措施,红宝石激光器,红宝石的化学表示式为Cr3:Al2O3，其激活离子是三价铬Cr3离子，基质是刚玉晶体，是负单轴晶体，无色透明。红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr2O3，使Cr3部分地取代Al3而成，是一种淡红色晶体。红宝石晶体的基质刚玉的物理和化学性能很理想，它能够耐高温，坚硬，有很好的热导率和化学稳定性，而且可以生长出质量很高的晶体。红宝石晶体的生长方向大致有三种：生长轴与光轴C一致的叫0度红宝石，生长轴与光轴相垂直的位90度红宝石，此外还有60度红宝石。,红宝石的激光性能,红宝石的光谱特性主要取决于Cr3。红宝石中的Cr3的工作能级属三能级系统。红宝石有两条强荧光谱线（R1和R2线），室温下对应的中心波长分别为694.3nm和692.9nm。 红宝石晶体通常只产生694.3nm的受激辐射。 红宝石的吸收光谱的峰值波长在410nm（紫带或U带）和550nm （绿带或Y带）附近。 温度升高后，输出激光的中心波长向长波方向移动。温度升高时，红宝石的荧光谱线变宽。 温度升高时，荧光量子效率下降，导致红宝石的阈值升高，效率下降，严重时还会引起“温度猝灭”现象，在室温下不适于作连续和高重复频率器件，在低温下可以连续输出 。,红宝石激光器的医学应用,早期曾用红宝石激光器进行眼睛视网膜脱落的焊接手术、人眼的虹膜打孔、切除术和人体胎记的治疗。现在，国外认为红宝石激光用来去除文身是比较有效的。另外，大多数稀土四能级激光器的激光输出在红外，而红宝石的激光输出在可见光范围，光电探测器和照相乳胶在红宝石波段比在红外波段灵敏的多。,YAG类激光器,在目前众多激光器中，在医学领域最能发挥作用的激光器首推YAG类型激光器。 多种掺杂型的YAG激光器具有不同的激光波长，能够针对不同的激光治疗选择不同的激光波长。 YAG型激光能使用光导纤维传输激光束，是激光能有效的接近病灶。YAG类型的激光器是目前医学领域应用最广泛的医用激光器。,YAG类激光器,YAG类型激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的，其分子式为Y3Al5O12。 YAG具有极其优良的理化特性，适合于各种激活粒子的掺杂，是较理想的基质晶体。 根据掺杂的离子和结构的不同，YAG激光器可分为Nd:YAG激光器、KTP/Nd:YAG激光器，Er:YAG激光器，CTH:YAG激光器等等。,Nd:YAG激光器,Nd:YAG激光器是目前应用最广泛，而且也是技术上最成熟的一种医用激光器。 1064nmYAG激光的组织穿透深，组织若灼伤小，凝固止血效果好。 在光束传输方面，YAG激光可以光纤导光，操作灵活、简单，能有效的接近病灶，临床使用方便。 Nd:YAG激光工作方式有连续、脉冲两种方式，激光器体积小，可靠性高，价格低廉，综合医学性能优越，已广泛用于外科、眼科、内窥镜、肿瘤等领域的临床治疗。,Nd:YAG晶体的理化性能,Nd:YAG激光器的分子式为Nd3+:Y3Al5O12，其激活离子为三价钕离子Nd3，其基质为钇铝石榴石晶体(YAG)。钕离子部分取代YAG中的Y3离子，便成为Nd:YAG。一般含Nd的量为1摩尔浓度,颜色呈淡紫色。NdYAG是各向同性晶体。,Nd:YAG晶体的激光性能,Nd3+:YAG晶体在300K时的吸收光谱,Nd:YAG晶体的激光性能,室温下Nd:YAG在近红外区有三条明显得荧光谱线，其中心波长和分别是914nm，1064nm，1320nm ，其中以1064nm的荧光谱线最强。 NdYAG的光谱特性随温度变化较小。914nm属三能级系统，阈值高，只有在低温下才能起振，1064nm和1320nm 为四能级系统，阈值低，容易实现激光振荡。而1064nm比1320nm的荧光约强4倍，1064nm的谱线先起振，进而抑制1320nm谱线起振，所以Nd:YAG激光器通常只产生1064nm激光。,Nd:YAG晶体的激光性能,对于1064nm激光，粒子在下能级的寿命为230s左右，在下能级的寿命为30ns左右，因此对于连续激光和长脉冲激光，受激跃迁到下能级的粒子数积存不住，会很快无辐射跃迁到基态。而调Q激光器，因为其激光脉宽窄十几ns左右，在这样短的时间内，受激跃迁到下能级上的粒子数来不及全部跃迁到基态，因此不能认为下能级上的粒子数为零。,1320nm激光输出,采用选频措施 在谐振腔光路中放置特定设计的色散棱镜。利用一个特殊设计的谐振反射器作输出镜，增加腔内1064nm光的损耗，使其不能起振。采用腔镜镀高选择性介质膜 。,KTP/Nd:YAG激光器,Nd:YAG激光器的医学应用,眼科 肛肠外科 骨科 治疗前列腺增生 皮肤科 倍频激光的心肌血运重建术 内窥镜手术激光碎石术 血管成形术 牙科 肿瘤治疗,Er:YAG激光器,Er:YAG晶体有两个工作波长，一个是1646nm，一个是2940nm。都处于水的吸收峰，其中，2940nm是水的最大吸收峰。目前，Er:YAG晶体的1646nm的激光实现了连续输出，而2940nm激光在灯泵条件下，只能脉冲输出。据国外资料介绍，可以用LiNbO3晶体作为Q开关实现调Q输出，也有报道用水和乙醇作为Q开关的。,Er:YAG晶体结构,Er:YAG晶体属于立方晶系，各向同性。它是用三价Er离子等摩尔取代YAG晶体中的Y离子。Er:YAG晶体的掺杂浓度很高，从0.几到百分之几一直到100都有。,Er:YAG的激光性能,Er:YAG晶体的能级结构丰富,能够发射2种不同波长的激光，Er3+离子浓度有关，在低浓度范围(0.05%2%) 发射1646 nm激光，高浓度范围内发射2940nm激光跃迁。 1646nm激光是典型的3能级系统,Er:YAG的能级结构,Er:YAG的激光性能,2940nm激光跃迁上能级的寿命和下能级的寿命与掺杂的铒离子浓度有关，上能级寿命约在50100s之间，下能级寿命约在46ms之间，出现了上能级寿命比下能级寿命短的情况，称为自终态现象。激光器工作的基本条件是激光上能级的泵浦速率要比占满下能级速率更快。 Er:YAG的激光机制是比较复杂的，但由于多种能量转移，在一定条件下，还是可以实现2940nm的激光输出。 宏观特点是单程增益较小，阀值较高，不易实现连续输出；但由于掺杂浓度高，不易产生饱和，可以获得较大能量的激光脉冲。,Er:YAG晶体的吸收光谱,Er3离子从紫外到650nm有紧密的吸收带，此外，781nm、965nm和1500nm 处各有一个吸收峰,Er:YAG晶体能级结构特殊之处,Er:YAG晶体的2940nm是一种特殊的四能级，他的上能级寿命约在50100s之间，下能级寿命约在46ms之间，出现了上能级寿命比下能级寿命短的现象，这种现象叫自终态现象。激光只发生在泵浦脉冲的前沿，激光器工作的基本条件是激光上能级的激励速度要比沾满下能级的速度更快，否则，粒子将积累在下能级上，使得粒子数反转条件不复存在，因此，2940nm激光难于连续运转。 因为粒子从上能级跃迁到下能级，都在下能级积累起来了，不回到基态，而基态向吸收能级泵浦粒子，很快下能级粒子数就要超过上能级粒子数，这样，粒子数反转条件就被破坏，使得激光输出中断，因此，在室温条件下，采用灯泵只能脉冲输出。,Er:YAG激光晶体的能量转移过程,交叉驰豫过程 当4I15/24I13/2时，同时发生4S3/24I9/24I11/2 当4S3/24I13/2时，同时发生4I15/24I9/24I11/2 上转换过程 当4I11/24I15/2时，4I11/24F7/24S3/2 当4I13/24I15/2时，4I13/24I9/24I11/2,腔长对Er:YAG激光器的影响,Er:YAG激光器对腔长时是非常敏感的。当腔长从400mm变到300mm时，输出能量从356.4mJ变到613.8mJ，改变了257.4mJ，与此相比，TiAl2O3激光器的腔长从585mm变到395mm，改变了190mm，能量从530mJ变到560mJ，仅改变了30mJ。这说明ErYAG激光器对腔长时是非常敏感的。再例如为了获得好的激光模式输出，Nd:YAG激光器的腔长可以拉到2m长，而Er:YAG激光器的腔长超过400mm就没有激光输出了。这主要是因为空气中水汽对2940nm激光的输出。,Er:YAG激光的传输,Er:YAG的辐射不能用石英光纤传输。 目前用光导臂和红外光纤传输。 氟化锆2505000nm，比较脆，易潮解。 宝石3503500nm，损耗比较高 锗类455000nm 硫化物20011000nm，有毒，易老化，不透红光，没有瞄准光束。其中氟化锆最成熟，但脉冲能量800mJ是，容易损坏，一般能量打倒几个焦耳时，用导光臂。,Er:YAG激光器的应用,生物组织有70的水分，在没有色素、雀斑时，其吸收曲线和水的吸收曲线相近。ErYAG的吸收系数=13000cm1NdYAG的吸收系数=1cm1HoYAG的吸收系数=50cm1CO2的吸收系数=790cm1,这种强吸收表明ErYAG激光器以很浅的深度被吸收，吸收深度d=1/,而且周围组织的热扩散与吸收系数成反比。例如，要去掉A，用NdYAG周围有很大的损伤，用ErYAG损伤小。,Er:YAG激光器的应用,牙科 皮肤科 眼科,Cr,Tm,Ho:YAG激光器,1965年，Bell实验室Johnson等人首先研制出HoYAG激光器，其工作波长为2100nm。 80年代，随着敏化技术的使用，为室温运转HoYAG激光器的产生提供了有力的条件。 国内将CTHYAG作为研究重点。 2微米波段的激光是很有用的，他在医学、光通讯、遥感和雷达方面都显示出独特的优良性能。,CTH:YAG激光晶体的结构,CTH:YAG激光晶体是在YAG晶体中同时掺入Cr3、Tm3、Ho3离子，其中Ho3为激活离子，Cr3和Tm3起敏化作用。对于CTH:YAG来说，Cr3：Tm3：Ho32：20：1，浓度为1020cm3数量级，可以看出Tm3浓度很高，这也正体现出它在泵浦过程中的作用，即大量的Tm3有利于Cr3吸收的能量传递给Ho3。,CTH:YAG晶体的光谱,CTHYAG主要是Cr3吸收能量，经过Tm3传递给Ho3，因此其吸收光谱主要由Cr3离子决定，跟红宝石晶体相差不大。也是两个吸收带，峰值波长在430nm和600 nm左右。 由于Cr3吸收近紫外光，因此在激光器设计上，要有所不同，如闪光灯玻璃和冷却水套玻璃管都不能用滤紫外的，闪光灯也应有所不同，他的光谱应向近紫外靠近，所以，充气压也应该大些。与其它YAG激光器不同。,其它需要注意的问题,由CTH：YAG阈值对温度非常敏感，所以冷却在这里成了重要的问题。它要求冷却系统保持恒温，这样才能是激光器的输出稳定。关于腔长对激光输出的关系，CTHYAG和ErYAG激光器近似。都是由于空气中水汽的原因。由于石英光纤在2002300nm光谱段是透明的，因此HoYAG激光器可以用石英光纤传输。,CTH:YAG激光器的应用,HoYAG处于水的吸收峰n对周围组织热损伤小。 激光作用于组织时，随着表层的汽化有一定的热坏死区域，即存在一个热凝固区，热凝固使血管周围组织收缩，便取得止血效果。实际中，一方面要求有最小的热损伤，另一方面要达到止血又需要血管周围组织收缩以便取得止血效果。这两者矛盾，而CTHYAG使两者取得平衡。Ho:YAG能用柔软的光导纤维进行传输，并配合各种内窥镜进行手术，因此，它更适用于在难以到达的部位进行手术，特别是耳鼻喉科和骨科。HoYAG处于安全波段，水吸收大，可以降低对人体特别是眼睛造成意外伤害的可能性。,Nd:YLF激光器,Nd:YLF与Nd:YAG激光器一样，都是非常通用的医用激光系统，它能应用于几乎任何的激光与组织相互作用类型 Nd:YLF是一个与Nd:YAG密切相关的固体光学放大介质。与Nd:YAG不同它仅受到热致双折射微弱的影响。因此可以设计出较简单的腔体结构和较高的TEM00与多模平均功率比。Nd:YLF与