Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量輸出與碎石實驗研究

王立偉，葉　兵，尹　婉，饒東升，趙炎鑫

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院, 合肥 230009)

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量輸出與碎石實驗研究

王立偉，葉兵*，尹婉，饒東升，趙炎鑫

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院, 合肥 230009)

摘要：為了研究Cr,Tm,Ho∶YAG激光器輸出功率的影響因素，采用改變可控因素冷卻水溫的方法，獲取激光器的抽運閾值和輸出功率的變化，并分析了冷卻溫度、頻率及功率的關系。結果表明，激光器閾值隨著溫度及頻率的升高呈增長狀態(tài)，冷卻溫度及重頻的增加都將導致激光器輸出效率的降低；在重頻為20Hz時，激光的輸出功率達到10.1W,光纖末端的輸出功率為7.3W，總的耦合率為72%；在單脈沖能量2.0J~2.5J、重頻20Hz~25Hz下，對人體腎部結石能夠達到預期的粉碎效果。

關鍵詞：激光器；Cr,Tm,Ho∶YAG晶體；冷卻水溫；輸出功率；應用

*通訊聯系人。E-mail：yb0430@hfut.edu.cn

引言

2.1μm波段的激光屬于近紅外激光，在醫(yī)學、光通信、遙感和雷達等方面有著廣泛的應用，尤其在激光醫(yī)療領域有著很大的優(yōu)勢。水分子對2.1μm的波段波長有著很強的吸收，在外科手術中，對人體組織的穿透深度淺、損傷范圍小，有著很高的外科手術精度，所以在醫(yī)療上是一種廣泛應用的外科手術光源。本文中主要對Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的能量輸出以及如何選取適當的功率輸出達到最佳的碎石效果進行了實驗研究。

1Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的工作原理

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器摻入Cr3+和Tm3+作為敏化劑。在可見光范圍內，Cr3+有著兩個很寬的吸收譜帶，分別對應著400μm~460μm和560μm~630μm。激光抽運的能量主要來自Cr3+對氙燈能量的吸收，通過中介離子Tm3+的作用，進行離子間能量的轉移和能級間躍遷[1-3]，躍遷能級如圖1所示。

Fig.1　Cr,Tm,Ho∶YAG energy level diagram

Cr3+吸收氙燈所發(fā)出的光經過無輻射躍遷后，從4T2躍回到能級2E，再通過偶極子-偶極子相互作用將其能量轉移給Tm3+的3F3和3H4能級上，從3F3能級上發(fā)生的無輻射躍遷使所有的受激發(fā)的Tm3+處于3H4態(tài)。然后，每一個激發(fā)的Tm3+通過交叉弛豫過程與一個處于基態(tài)的Tm3+相互作用，從而產生2個處于3F4態(tài)的Tm3+。最后這兩個Tm3+又分別把它們得到的能量轉移給2個Ho3+，使其分布居在較高的能級5I7上，當Ho3+從5I7能級躍遷回到5I8能級上時就產生了波長為2.1μm的激光輸出。從中可以看出：激發(fā)一個Cr3+，可以使2個處于基態(tài)的Ho3+上升到較高能級上產生激光作用，大大提高抽運效率。

2臨床用鈥激光器的結構設計

目前所接觸的臨床類鈥激光系統主要由鈥激光器、激光電源、冷卻系統、控制與操作系統以及光纖耦合輸出幾個主要部分組成。在整個工作系統中鈥激光器是治療機的心臟，通過諧振腔的振蕩放大作用產生激光[4]，并將激光耦合到光纖中進行輸出。國外在醫(yī)用鈥激光器上已率先由美國Coherent公司提出了4路鈥激光器的設計，國內也對多路激光器結構進行了研究，有了一定的成果[5-6]。多路激光器是采用多路激光輪流出光經過合光路并耦合進1根光纖，從而大大地提高了激光輸出功率[7-8]，不再受單棒輸出的制約，有效地避免了傳統單棒設計在手術過程中易出故障、效率不高的問題。這里主要對實驗中所用雙路鈥激光器的結構中光路耦合做出分析，雙路鈥激光器結構如圖2所示。

Fig.2　Optical schematics of dual holmium laser

其中激光器1產生的激光束直接通過伺服電機所帶動的轉盤的空缺部分;激光器2產生的激光經過45°的平面全反鏡反射到電機轉盤的一側裝有45°平面反射鏡再次反射(電機轉動頻率已設置符合光路需求)，使得兩路光束路徑上一致，然后依次進入耦合透鏡,最后經過光纖輸出。整個過程通過單片機來控制電機的轉移動以及電源的外觸發(fā)信號，通過雙路激光器提高了整個系統的工作效率，解決了單棒激光器容易出故障、不能在高重頻下工作(Ho晶體的熱導率低)導致的能量輸出達不到一定的醫(yī)用要求的問題。

3實驗結果與分析

3.1　實驗裝置

實驗中選用尺寸為?4mm×127mm、標準熔體原子數分數分別為0.0085Cr，0.059Tm,0.0036Ho的YAG晶體，采取平凹結構諧振腔，抽運腔為高漫反射型聚四氟乙烯腔,其特性使得抽運光源的能量均勻地分布于抽運腔體內，也使得激光物質能夠均衡地吸收能量，從而大大地改善了激光器的光束質量，提高了光束的穩(wěn)定性，具有較高的能量轉換效率。抽運方式為脈沖氙燈抽運,采用儲能電容值C=200μF、額定輸出功率1200W的電容放電式電源測試。為了保證激光器能在室溫情況下正常運行，實驗中采用壓縮機制冷的去離子水來冷卻氙燈和鈥激光棒,保證水溫在18℃~25℃。

3.2　結果分析

圖3所示頻率為10Hz鈥激光器激光抽運閾值與溫度變化關系。可以看出，溫度的變化對抽運閾值有著顯著的影響，在室溫情況下隨著溫度的線性升高，抽運閾值也呈著線性趨勢上升，從18℃~24℃閾值提高18.9%。圖4為激光在頻率10Hz下的抽運輸出。由圖可以看出，在20℃下激光輸出斜效率大約為3.1%，溫度升高時斜效率略有降低，輸出能量隨著抽運能量的增加呈線性的增加。在20℃的情況下最大輸出脈沖能量為1083mJ，保持抽運頻率不變；制冷溫度從20℃升高到24℃時，抽運閾值有所增加，最大輸出脈沖能量為976mJ，脈沖能量下降了9.8%。

Fig.3　Temperature vs. threshold energy

Fig.4　Output energy vs. pump energy at different temperatures

電源最大提供不超過800V的輸出，放電電容8200μF。激光系統輸出單脈沖能量為0.5J～3.5J，頻率為5Hz～30Hz，放電脈寬范圍在300μs~600μs，三者均為可調(脈沖步進為0.1、頻率及脈寬步進為1)。為了能獲得最大輸出能量，實驗過程中脈寬取值在600μs[9]。圖5所示為600μs激光波形及脈沖控制原理圖。利用光電探頭和示波器進行試驗并記錄治療機相應工作狀態(tài)下的輸出波形，圖5a為設定脈寬600μs，不同輸出功率下對應的波形示意圖。圖5b設定激光輸出頻率為5Hz。首先，第1路激光器產生2.5Hz的激光脈沖序列，經過200ms的延遲，第2路激光器產生2.5Hz的激光脈沖序列；雙路激光經過耦合器耦合后，形成脈沖間隔相同輸出頻率為5Hz的激光脈沖序列，即整機的激光輸出頻率。

Fig.5　Schematics of laser output waveforms and pulse control

圖6a所示為激光器在單脈沖能量逐漸增加、重頻為10Hz條件下平均輸出能量的變化，可以看出，平均輸出能量隨著單脈沖能量的增加呈線性增長關系。圖6b所示為整機系統設置冷卻溫度18℃、單脈沖輸出能量為0.5J時雙路激光器的功率輸出與重頻的關系。隨著重頻的提升，兩路激光器輸出功率也隨之增長，耦合光路的輸出功率也成正對應關系，在重頻為20Hz時激光的輸出功率達到10.1W,光纖末端的輸出功率為7.3W，總的耦合率為72%。

Fig.6　Output energy vs. single pulse energy and input frequency

表1中所示為單脈沖能量0.5J、不同重頻下光纖末端的耦合能量與溫度的關系。可以看出，18℃時不同重頻下激光器的總體耦合效率保持在70%，當溫度增加至24℃時，激光的輸出功率有所降低，且光纖末端的耦合功率也降低至67%。通過以上的分析可以知道，溫度升高，激光器的輸出能量下降是一定的，從表1可以看出，光纖的耦合效率也隨著溫度的升高有著下降。國外的研究表明，影響耦合效率主要因素有光束、耦合透鏡及光纖3個方面。作者認為，在耦合透鏡及光纖一致的情況下，主要是因為光束的影響導致耦合率的降低，激光晶體工作時產生的熱透鏡效應導致光束發(fā)散角和束腰的位置改變，只有穩(wěn)定諧振腔才能避免發(fā)散角和束腰位置的變化，但是由于熱穩(wěn)定腔要求工作在一定的抽運功率下，因此對于有較大能量輸出范圍的激光器來講，效果并不確定。

Table 1　Coupled output energy vs. temperature at different frequencies

通過上述分析可以看出，在激光器在較低的冷卻溫度下更容易出光，溫度增加將會提高激光的抽運閾值，導致最大單脈沖能量及斜效率的降低[10],從而使得雙諧振腔以及末端耦合的輸出能量有著不同程度的下降。由此可見,溫度對整個激光系統輸出效率的影響是顯著的，所以在臨床醫(yī)用情況下采取了壓縮機去離子冷卻水控制系統來保證激光器能夠在適當溫差內正常工作，重復頻率也在可調控、最佳的范圍內來提高輸出效率。

3.3　碎石實驗效果研究

在臨床應用手術過程中一般考慮到不同部位結石的成分差異，對于膀胱、輸尿管結石脈沖能量及重復頻率分別設置在1.0J~1.5J，6Hz~10Hz，腎結石脈沖能量及重復頻率分別設置在2.0J~2.5J，16Hz~25Hz[11]。實驗中研究對象為人體腎結石，結石盛放在裝有純凈水的玻璃器皿中，操作過程始終保持光纖端口與結石表面近距離的接觸，否則由于水對2.1μm波長的鈥激光吸收強烈，會使得大部分激光能量被光纖與結石之間的介質吸收，從而影響碎石效果。因實驗條件限制，只能通過生物顯微鏡對結石痕跡觀察分析，未能獲取清晰的內部微距圖片顯示。圖7中分別為單脈沖能量及頻率設置為2.0J/16Hz,2.0J/18Hz,2.0J/20Hz情況下的結石痕跡圖。

Fig.7　Gravel effects of different energy outputs

在輸出設置為2.0J/16Hz時，能看到結石表面被激光打出的坑，邊緣未發(fā)現有裂紋；在增大輸出至2.0J/18Hz時，在顯微鏡的觀察下可以發(fā)現凹陷的深度加大，凹陷的邊緣呈絮狀分布，有著比較明顯的微細裂紋存在；當增加至2.0J/20Hz時，能觀察到裂紋更加細致,同時凹陷的區(qū)域也在擴大，部分區(qū)域出現了輕微的斷裂粉碎狀，說明增加能量已經對結石組織的熱作用明顯增強，結石內部水分吸收的熱量已經存在一定的擴散，持續(xù)可以發(fā)現，結石被擊穿碎裂至小于2mm甚至粉末狀現象。上述實驗結果與臨床醫(yī)學上的區(qū)間范圍相吻合，在單脈沖能量2.0J~2.5J、頻率20Hz~25Hz的范圍內，都能夠達到很好的碎石效果，但實際操作過程中不建議選取過大輸出能量，以免對人體組織造成不必要的傷害。

4小結

實驗研究得到了不同溫度及重復頻率下，Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的抽運閾值和輸出的功率的變化，可以看出冷卻溫度對Cr,Tm,Ho∶YAG激光器效率的影響是明顯的，在高重頻下所產生的熱量會使得Cr,Tm,Ho∶YAG晶體的下能級粒子數增加，進而導致上能級需要更多的粒子數才能反轉，將會促使抽運閾值的增加，斜率效率也會略有下降，最終導致激光器輸出功率降低，所以低溫在激光器中是有必要的。同時測得在單脈沖能量2.0J~2.5J、重頻20Hz~25Hz下對人體腎部結石能夠達到預期的粉碎效果。

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Research of energy output and gravel experiment of Cr,Tm,Ho∶YAG laser

WANGLiwei,YEBing,YINWan,RAODongsheng,ZHAOYanxin

(School of Electronic Science and Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

Abstract：In order to study the influence factors of output power of Cr,Tm,Ho∶YAG lasers, the variation of laser pumped threshold and output power were obtained using the cooling of water temperature to change the controllable factor. The relationship among the cooling temperature, frequency and power was analyzed. The results show that laser threshold increases with the rise of temperature and frequency. The increase of cooling temperature and repetition frequency will result in the decrease of laser output efficiency. When repetition frequency is 20Hz, output power of laser reaches 10.1W, output power of fiber end is 7.3W and total coupling rate is 72%. With single pulse energy of 2.0J~2.5J and repeat frequency of 20Hz~25Hz, Cr,Tm,Ho∶YAG laser can achieve the desired result of crushing human kidney stones.

Key words:lasers; Cr,Tm,Ho∶YAG crystal; cooling water; output power; application

收稿日期：2014-07-17；收到修改稿日期：2014-07-23

作者簡介：王立偉(1989-)，男，碩士研究生，主要從事激光器及其應用等方面的研究。

中圖分類號：TN248.1

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.030

文章編號：1001-3806(2015)05-0727-04