Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量输出与碎石实验研究

王立伟，叶　兵，尹　婉，饶东升，赵炎鑫

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230009)

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量输出与碎石实验研究

王立伟，叶兵*，尹婉，饶东升，赵炎鑫

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230009)

摘要：为了研究Cr,Tm,Ho∶YAG激光器输出功率的影响因素，采用改变可控因素冷却水温的方法，获取激光器的抽运阈值和输出功率的变化，并分析了冷却温度、频率及功率的关系。结果表明，激光器阈值随着温度及频率的升高呈增长状态，冷却温度及重频的增加都将导致激光器输出效率的降低；在重频为20Hz时，激光的输出功率达到10.1W,光纤末端的输出功率为7.3W，总的耦合率为72%；在单脉冲能量2.0J~2.5J、重频20Hz~25Hz下，对人体肾部结石能够达到预期的粉碎效果。

关键词：激光器；Cr,Tm,Ho∶YAG晶体；冷却水温；输出功率；应用

*通讯联系人。E-mail：yb0430@hfut.edu.cn

引言

2.1μm波段的激光属于近红外激光，在医学、光通信、遥感和雷达等方面有着广泛的应用，尤其在激光医疗领域有着很大的优势。水分子对2.1μm的波段波长有着很强的吸收，在外科手术中，对人体组织的穿透深度浅、损伤范围小，有着很高的外科手术精度，所以在医疗上是一种广泛应用的外科手术光源。本文中主要对Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的能量输出以及如何选取适当的功率输出达到最佳的碎石效果进行了实验研究。

1Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的工作原理

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器掺入Cr3+和Tm3+作为敏化剂。在可见光范围内，Cr3+有着两个很宽的吸收谱带，分别对应着400μm~460μm和560μm~630μm。激光抽运的能量主要来自Cr3+对氙灯能量的吸收，通过中介离子Tm3+的作用，进行离子间能量的转移和能级间跃迁[1-3]，跃迁能级如图1所示。

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

Cr3+吸收氙灯所发出的光经过无辐射跃迁后，从4T2跃回到能级2E，再通过偶极子-偶极子相互作用将其能量转移给Tm3+的3F3和3H4能级上，从3F3能级上发生的无辐射跃迁使所有的受激发的Tm3+处于3H4态。然后，每一个激发的Tm3+通过交叉弛豫过程与一个处于基态的Tm3+相互作用，从而产生2个处于3F4态的Tm3+。最后这两个Tm3+又分别把它们得到的能量转移给2个Ho3+，使其分布居在较高的能级5I7上，当Ho3+从5I7能级跃迁回到5I8能级上时就产生了波长为2.1μm的激光输出。从中可以看出：激发一个Cr3+，可以使2个处于基态的Ho3+上升到较高能级上产生激光作用，大大提高抽运效率。

2临床用钬激光器的结构设计

目前所接触的临床类钬激光系统主要由钬激光器、激光电源、冷却系统、控制与操作系统以及光纤耦合输出几个主要部分组成。在整个工作系统中钬激光器是治疗机的心脏，通过谐振腔的振荡放大作用产生激光[4]，并将激光耦合到光纤中进行输出。国外在医用钬激光器上已率先由美国Coherent公司提出了4路钬激光器的设计，国内也对多路激光器结构进行了研究，有了一定的成果[5-6]。多路激光器是采用多路激光轮流出光经过合光路并耦合进1根光纤，从而大大地提高了激光输出功率[7-8]，不再受单棒输出的制约，有效地避免了传统单棒设计在手术过程中易出故障、效率不高的问题。这里主要对实验中所用双路钬激光器的结构中光路耦合做出分析，双路钬激光器结构如图2所示。

Fig.2　Optical schematics of dual holmium laser

其中激光器1产生的激光束直接通过伺服电机所带动的转盘的空缺部分;激光器2产生的激光经过45°的平面全反镜反射到电机转盘的一侧装有45°平面反射镜再次反射(电机转动频率已设置符合光路需求)，使得两路光束路径上一致，然后依次进入耦合透镜,最后经过光纤输出。整个过程通过单片机来控制电机的转移动以及电源的外触发信号，通过双路激光器提高了整个系统的工作效率，解决了单棒激光器容易出故障、不能在高重频下工作(Ho晶体的热导率低)导致的能量输出达不到一定的医用要求的问题。

3实验结果与分析

3.1　实验装置

实验中选用尺寸为∅4mm×127mm、标准熔体原子数分数分别为0.0085Cr，0.059Tm,0.0036Ho的YAG晶体，采取平凹结构谐振腔，抽运腔为高漫反射型聚四氟乙烯腔,其特性使得抽运光源的能量均匀地分布于抽运腔体内，也使得激光物质能够均衡地吸收能量，从而大大地改善了激光器的光束质量，提高了光束的稳定性，具有较高的能量转换效率。抽运方式为脉冲氙灯抽运,采用储能电容值C=200μF、额定输出功率1200W的电容放电式电源测试。为了保证激光器能在室温情况下正常运行，实验中采用压缩机制冷的去离子水来冷却氙灯和钬激光棒,保证水温在18℃~25℃。

3.2　结果分析

图3所示频率为10Hz钬激光器激光抽运阈值与温度变化关系。可以看出，温度的变化对抽运阈值有着显著的影响，在室温情况下随着温度的线性升高，抽运阈值也呈着线性趋势上升，从18℃~24℃阈值提高18.9%。图4为激光在频率10Hz下的抽运输出。由图可以看出，在20℃下激光输出斜效率大约为3.1%，温度升高时斜效率略有降低，输出能量随着抽运能量的增加呈线性的增加。在20℃的情况下最大输出脉冲能量为1083mJ，保持抽运频率不变；制冷温度从20℃升高到24℃时，抽运阈值有所增加，最大输出脉冲能量为976mJ，脉冲能量下降了9.8%。

Fig.3　Temperature vs. threshold energy

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

电源最大提供不超过800V的输出，放电电容8200μF。激光系统输出单脉冲能量为0.5J～3.5J，频率为5Hz～30Hz，放电脉宽范围在300μs~600μs，三者均为可调(脉冲步进为0.1、频率及脉宽步进为1)。为了能获得最大输出能量，实验过程中脉宽取值在600μs[9]。图5所示为600μs激光波形及脉冲控制原理图。利用光电探头和示波器进行试验并记录治疗机相应工作状态下的输出波形，图5a为设定脉宽600μs，不同输出功率下对应的波形示意图。图5b设定激光输出频率为5Hz。首先，第1路激光器产生2.5Hz的激光脉冲序列，经过200ms的延迟，第2路激光器产生2.5Hz的激光脉冲序列；双路激光经过耦合器耦合后，形成脉冲间隔相同输出频率为5Hz的激光脉冲序列，即整机的激光输出频率。

Fig.5　Schematics of laser output waveforms and pulse control

图6a所示为激光器在单脉冲能量逐渐增加、重频为10Hz条件下平均输出能量的变化，可以看出，平均输出能量随着单脉冲能量的增加呈线性增长关系。图6b所示为整机系统设置冷却温度18℃、单脉冲输出能量为0.5J时双路激光器的功率输出与重频的关系。随着重频的提升，两路激光器输出功率也随之增长，耦合光路的输出功率也成正对应关系，在重频为20Hz时激光的输出功率达到10.1W,光纤末端的输出功率为7.3W，总的耦合率为72%。

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

表1中所示为单脉冲能量0.5J、不同重频下光纤末端的耦合能量与温度的关系。可以看出，18℃时不同重频下激光器的总体耦合效率保持在70%，当温度增加至24℃时，激光的输出功率有所降低，且光纤末端的耦合功率也降低至67%。通过以上的分析可以知道，温度升高，激光器的输出能量下降是一定的，从表1可以看出，光纤的耦合效率也随着温度的升高有着下降。国外的研究表明，影响耦合效率主要因素有光束、耦合透镜及光纤3个方面。作者认为，在耦合透镜及光纤一致的情况下，主要是因为光束的影响导致耦合率的降低，激光晶体工作时产生的热透镜效应导致光束发散角和束腰的位置改变，只有稳定谐振腔才能避免发散角和束腰位置的变化，但是由于热稳定腔要求工作在一定的抽运功率下，因此对于有较大能量输出范围的激光器来讲，效果并不确定。

Table 1　Coupled output energy vs. temperature at different frequencies

通过上述分析可以看出，在激光器在较低的冷却温度下更容易出光，温度增加将会提高激光的抽运阈值，导致最大单脉冲能量及斜效率的降低[10],从而使得双谐振腔以及末端耦合的输出能量有着不同程度的下降。由此可见,温度对整个激光系统输出效率的影响是显著的，所以在临床医用情况下采取了压缩机去离子冷却水控制系统来保证激光器能够在适当温差内正常工作，重复频率也在可调控、最佳的范围内来提高输出效率。

3.3　碎石实验效果研究

在临床应用手术过程中一般考虑到不同部位结石的成分差异，对于膀胱、输尿管结石脉冲能量及重复频率分别设置在1.0J~1.5J，6Hz~10Hz，肾结石脉冲能量及重复频率分别设置在2.0J~2.5J，16Hz~25Hz[11]。实验中研究对象为人体肾结石，结石盛放在装有纯净水的玻璃器皿中，操作过程始终保持光纤端口与结石表面近距离的接触，否则由于水对2.1μm波长的钬激光吸收强烈，会使得大部分激光能量被光纤与结石之间的介质吸收，从而影响碎石效果。因实验条件限制，只能通过生物显微镜对结石痕迹观察分析，未能获取清晰的内部微距图片显示。图7中分别为单脉冲能量及频率设置为2.0J/16Hz,2.0J/18Hz,2.0J/20Hz情况下的结石痕迹图。

Fig.7　Gravel effects of different energy outputs

在输出设置为2.0J/16Hz时，能看到结石表面被激光打出的坑，边缘未发现有裂纹；在增大输出至2.0J/18Hz时，在显微镜的观察下可以发现凹陷的深度加大，凹陷的边缘呈絮状分布，有着比较明显的微细裂纹存在；当增加至2.0J/20Hz时，能观察到裂纹更加细致,同时凹陷的区域也在扩大，部分区域出现了轻微的断裂粉碎状，说明增加能量已经对结石组织的热作用明显增强，结石内部水分吸收的热量已经存在一定的扩散，持续可以发现，结石被击穿碎裂至小于2mm甚至粉末状现象。上述实验结果与临床医学上的区间范围相吻合，在单脉冲能量2.0J~2.5J、频率20Hz~25Hz的范围内，都能够达到很好的碎石效果，但实际操作过程中不建议选取过大输出能量，以免对人体组织造成不必要的伤害。

4小结

实验研究得到了不同温度及重复频率下，Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的抽运阈值和输出的功率的变化，可以看出冷却温度对Cr,Tm,Ho∶YAG激光器效率的影响是明显的，在高重频下所产生的热量会使得Cr,Tm,Ho∶YAG晶体的下能级粒子数增加，进而导致上能级需要更多的粒子数才能反转，将会促使抽运阈值的增加，斜率效率也会略有下降，最终导致激光器输出功率降低，所以低温在激光器中是有必要的。同时测得在单脉冲能量2.0J~2.5J、重频20Hz~25Hz下对人体肾部结石能够达到预期的粉碎效果。

参考文献

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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

作者简介：王立伟(1989-)，男，硕士研究生，主要从事激光器及其应用等方面的研究。

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.030

文章编号：1001-3806(2015)05-0727-04