Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量輸出與碎石實(shí)驗(yàn)研究

王立偉，葉　兵，尹　婉，饒東升，趙炎鑫

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院, 合肥 230009)

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器能量輸出與碎石實(shí)驗(yàn)研究

王立偉，葉兵*，尹婉，饒東升，趙炎鑫

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)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(yùn)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(guān)系。結(jié)果表明，激光器閾值隨著溫度及頻率的升高呈增長(zhǎng)狀態(tài)，冷卻溫度及重頻的增加都將導(dǎo)致激光器輸出效率的降低；在重頻為20Hz時(shí)，激光的輸出功率達(dá)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(duì)人體腎部結(jié)石能夠達(dá)到預(yù)期的粉碎效果。

關(guān)鍵詞：激光器；Cr,Tm,Ho∶YAG晶體；冷卻水溫；輸出功率；應(yīng)用

*通訊聯(lián)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(xué)、光通信、遙感和雷達(dá)等方面有著廣泛的應(yīng)用，尤其在激光醫(yī)療領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)。水分子對(duì)2.1μm的波段波長(zhǎng)有著很強(qiáng)的吸收，在外科手術(shù)中，對(duì)人體組織的穿透深度淺、損傷范圍小，有著很高的外科手術(shù)精度，所以在醫(yī)療上是一種廣泛應(yīng)用的外科手術(shù)光源。本文中主要對(duì)Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的能量輸出以及如何選取適當(dāng)?shù)墓β瘦敵鲞_(dá)到最佳的碎石效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jiàn)光范圍內(nèi)，Cr3+有著兩個(gè)很寬的吸收譜帶，分別對(duì)應(yīng)著400μm~460μm和560μm~630μm。激光抽運(yùn)的能量主要來(lái)自Cr3+對(duì)氙燈能量的吸收，通過(guò)中介離子Tm3+的作用，進(jìn)行離子間能量的轉(zhuǎn)移和能級(jí)間躍遷[1-3]，躍遷能級(jí)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(jīng)過(guò)無(wú)輻射躍遷后，從4T2躍回到能級(jí)2E，再通過(guò)偶極子-偶極子相互作用將其能量轉(zhuǎn)移給Tm3+的3F3和3H4能級(jí)上，從3F3能級(jí)上發(fā)生的無(wú)輻射躍遷使所有的受激發(fā)的Tm3+處于3H4態(tài)。然后，每一個(gè)激發(fā)的Tm3+通過(guò)交叉弛豫過(guò)程與一個(gè)處于基態(tài)的Tm3+相互作用，從而產(chǎn)生2個(gè)處于3F4態(tài)的Tm3+。最后這兩個(gè)Tm3+又分別把它們得到的能量轉(zhuǎn)移給2個(gè)Ho3+，使其分布居在較高的能級(jí)5I7上，當(dāng)Ho3+從5I7能級(jí)躍遷回到5I8能級(jí)上時(shí)就產(chǎn)生了波長(zhǎng)為2.1μm的激光輸出。從中可以看出：激發(fā)一個(gè)Cr3+，可以使2個(gè)處于基態(tài)的Ho3+上升到較高能級(jí)上產(chǎn)生激光作用，大大提高抽運(yùn)效率。

2臨床用鈥激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前所接觸的臨床類鈥激光系統(tǒng)主要由鈥激光器、激光電源、冷卻系統(tǒng)、控制與操作系統(tǒng)以及光纖耦合輸出幾個(gè)主要部分組成。在整個(gè)工作系統(tǒng)中鈥激光器是治療機(jī)的心臟，通過(guò)諧振腔的振蕩放大作用產(chǎn)生激光[4]，并將激光耦合到光纖中進(jìn)行輸出。國(guó)外在醫(yī)用鈥激光器上已率先由美國(guó)Coherent公司提出了4路鈥激光器的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)也對(duì)多路激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jīng)過(guò)合光路并耦合進(jìn)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(tǒng)單棒設(shè)計(jì)在手術(shù)過(guò)程中易出故障、效率不高的問(wèn)題。這里主要對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用雙路鈥激光器的結(jié)構(gòu)中光路耦合做出分析，雙路鈥激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2　Optical schematics of dual holmium laser

其中激光器1產(chǎn)生的激光束直接通過(guò)伺服電機(jī)所帶動(dòng)的轉(zhuǎn)盤的空缺部分;激光器2產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)45°的平面全反鏡反射到電機(jī)轉(zhuǎn)盤的一側(cè)裝有45°平面反射鏡再次反射(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率已設(shè)置符合光路需求)，使得兩路光束路徑上一致，然后依次進(jìn)入耦合透鏡,最后經(jīng)過(guò)光纖輸出。整個(gè)過(guò)程通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)移動(dòng)以及電源的外觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)雙路激光器提高了整個(gè)系統(tǒng)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(dǎo)率低)導(dǎo)致的能量輸出達(dá)不到一定的醫(yī)用要求的問(wèn)題。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中選用尺寸為?4mm×127mm、標(biāo)準(zhǔn)熔體原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為0.0085Cr，0.059Tm,0.0036Ho的YAG晶體，采取平凹結(jié)構(gòu)諧振腔，抽運(yùn)腔為高漫反射型聚四氟乙烯腔,其特性使得抽運(yùn)光源的能量均勻地分布于抽運(yùn)腔體內(nèi)，也使得激光物質(zhì)能夠均衡地吸收能量，從而大大地改善了激光器的光束質(zhì)量，提高了光束的穩(wěn)定性，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。抽運(yùn)方式為脈沖氙燈抽運(yùn),采用儲(chǔ)能電容值C=200μF、額定輸出功率1200W的電容放電式電源測(cè)試。為了保證激光器能在室溫情況下正常運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)中采用壓縮機(jī)制冷的去離子水來(lái)冷卻氙燈和鈥激光棒,保證水溫在18℃~25℃。

3.2　結(jié)果分析

圖3所示頻率為10Hz鈥激光器激光抽運(yùn)閾值與溫度變化關(guān)系?？梢钥闯觯瑴囟鹊淖兓瘜?duì)抽運(yùn)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(yùn)閾值也呈著線性趨勢(shì)上升，從18℃~24℃閾值提高18.9%。圖4為激光在頻率10Hz下的抽運(yùn)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(shí)斜效率略有降低，輸出能量隨著抽運(yùn)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(yùn)頻率不變；制冷溫度從20℃升高到24℃時(shí)，抽運(yùn)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(guò)800V的輸出，放電電容8200μF。激光系統(tǒng)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(diào)(脈沖步進(jìn)為0.1、頻率及脈寬步進(jìn)為1)。為了能獲得最大輸出能量，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jìn)行試驗(yàn)并記錄治療機(jī)相應(yīng)工作狀態(tài)下的輸出波形，圖5a為設(shè)定脈寬600μs，不同輸出功率下對(duì)應(yīng)的波形示意圖。圖5b設(shè)定激光輸出頻率為5Hz。首先，第1路激光器產(chǎn)生2.5Hz的激光脈沖序列，經(jīng)過(guò)200ms的延遲，第2路激光器產(chǎn)生2.5Hz的激光脈沖序列；雙路激光經(jīng)過(guò)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(jī)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(zhǎng)關(guān)系。圖6b所示為整機(jī)系統(tǒng)設(shè)置冷卻溫度18℃、單脈沖輸出能量為0.5J時(shí)雙路激光器的功率輸出與重頻的關(guān)系。隨著重頻的提升，兩路激光器輸出功率也隨之增長(zhǎng)，耦合光路的輸出功率也成正對(duì)應(yīng)關(guān)系，在重頻為20Hz時(shí)激光的輸出功率達(dá)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(guān)系。可以看出，18℃時(shí)不同重頻下激光器的總體耦合效率保持在70%，當(dāng)溫度增加至24℃時(shí)，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(guò)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(guó)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(gè)方面。作者認(rèn)為，在耦合透鏡及光纖一致的情況下，主要是因?yàn)楣馐挠绊憣?dǎo)致耦合率的降低，激光晶體工作時(shí)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)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(yùn)功率下，因此對(duì)于有較大能量輸出范圍的激光器來(lái)講，效果并不確定。

Table 1　Coupled output energy vs. temperature at different frequencies

通過(guò)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(huì)提高激光的抽運(yùn)閾值，導(dǎo)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(jiàn),溫度對(duì)整個(gè)激光系統(tǒng)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(jī)去離子冷卻水控制系統(tǒng)來(lái)保證激光器能夠在適當(dāng)溫差內(nèi)正常工作，重復(fù)頻率也在可調(diào)控、最佳的范圍內(nèi)來(lái)提高輸出效率。

3.3　碎石實(shí)驗(yàn)效果研究

在臨床應(yīng)用手術(shù)過(guò)程中一般考慮到不同部位結(jié)石的成分差異，對(duì)于膀胱、輸尿管結(jié)石脈沖能量及重復(fù)頻率分別設(shè)置在1.0J~1.5J，6Hz~10Hz，腎結(jié)石脈沖能量及重復(fù)頻率分別設(shè)置在2.0J~2.5J，16Hz~25Hz[11]。實(shí)驗(yàn)中研究對(duì)象為人體腎結(jié)石，結(jié)石盛放在裝有純凈水的玻璃器皿中，操作過(guò)程始終保持光纖端口與結(jié)石表面近距離的接觸，否則由于水對(duì)2.1μm波長(zhǎng)的鈥激光吸收強(qiáng)烈，會(huì)使得大部分激光能量被光纖與結(jié)石之間的介質(zhì)吸收，從而影響碎石效果。因?qū)嶒?yàn)條件限制，只能通過(guò)生物顯微鏡對(duì)結(jié)石痕跡觀察分析，未能獲取清晰的內(nèi)部微距圖片顯示。圖7中分別為單脈沖能量及頻率設(shè)置為2.0J/16Hz,2.0J/18Hz,2.0J/20Hz情況下的結(jié)石痕跡圖。

Fig.7　Gravel effects of different energy outputs

在輸出設(shè)置為2.0J/16Hz時(shí)，能看到結(jié)石表面被激光打出的坑，邊緣未發(fā)現(xiàn)有裂紋；在增大輸出至2.0J/18Hz時(shí)，在顯微鏡的觀察下可以發(fā)現(xiàn)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(xì)裂紋存在；當(dāng)增加至2.0J/20Hz時(shí)，能觀察到裂紋更加細(xì)致,同時(shí)凹陷的區(qū)域也在擴(kuò)大，部分區(qū)域出現(xiàn)了輕微的斷裂粉碎狀，說(shuō)明增加能量已經(jīng)對(duì)結(jié)石組織的熱作用明顯增強(qiáng)，結(jié)石內(nèi)部水分吸收的熱量已經(jīng)存在一定的擴(kuò)散，持續(xù)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)石被擊穿碎裂至小于2mm甚至粉末狀現(xiàn)象。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床醫(yī)學(xué)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(nèi)，都能夠達(dá)到很好的碎石效果，但實(shí)際操作過(guò)程中不建議選取過(guò)大輸出能量，以免對(duì)人體組織造成不必要的傷害。

4小結(jié)

實(shí)驗(yàn)研究得到了不同溫度及重復(fù)頻率下，Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的抽運(yùn)閾值和輸出的功率的變化，可以看出冷卻溫度對(duì)Cr,Tm,Ho∶YAG激光器效率的影響是明顯的，在高重頻下所產(chǎn)生的熱量會(huì)使得Cr,Tm,Ho∶YAG晶體的下能級(jí)粒子數(shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致上能級(jí)需要更多的粒子數(shù)才能反轉(zhuǎn)，將會(huì)促使抽運(yùn)閾值的增加，斜率效率也會(huì)略有下降，最終導(dǎo)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(shí)測(cè)得在單脈沖能量2.0J~2.5J、重頻20Hz~25Hz下對(duì)人體腎部結(jié)石能夠達(dá)到預(yù)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(jiǎn)介：王立偉(1989-)，男，碩士研究生，主要從事激光器及其應(yīng)用等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TN248.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.05.030

文章編號(hào)：1001-3806(2015)05-0727-04