李 明，王建衛(wèi)

（1.北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，北京101111；2.愛(ài)科凱能科技（北京）股份有限公司，北京1000150）

1 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，從紫外激光到中遠(yuǎn)紅外激光，不同波段的激光越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)加工、軍事、遙感、環(huán)境、通訊、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域。其中Cr，Tm，Ho∶YAG（CTH∶YAG）激光器的輸出波長(zhǎng)在2μm附近，由于接近水的吸收峰，具有穿透深度淺、損傷范圍小的優(yōu)點(diǎn)［1-2］，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如骨科、神經(jīng)外科、婦科、普外科、消化科等。CTH∶YAG在醫(yī)療中廣泛通過(guò)光纖配合內(nèi)窺鏡進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，多應(yīng)用于碎石和人體軟組織切割。近些年鈥激光輸出性能不斷提升，2006年，姚育成［1］等人獲得1 Hz/4.5 J，5 Hz/15 W的激光輸出。2009年，陳慧敏等［3］人采用鍍銀腔獲得12 Hz/9.7 W的鈥激光輸出。同年劉沛沛等［4］人采用陶瓷腔在19℃時(shí)獲得1 Hz/5.11 J的鈥激光輸出。2015年，王立偉、葉兵等［5］人對(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。文章采用雙路鈥激光測(cè)得在單脈沖能量2.0～2.5 J、重頻20～25 Hz下對(duì)人體腎部結(jié)石能夠達(dá)到預(yù)期的粉碎效果。因此，本文采用BaSO4漫反射聚光腔，根據(jù)CTH∶YAG的準(zhǔn)三能級(jí)特點(diǎn)，從冷卻溫度、輸出鏡透過(guò)率和晶體面型出發(fā)，提升鈥激光輸出特性。

2 CTH∶YAG晶體的工作原理

CTH∶YAG晶體中Ho3+為激光工作離子，Cr3+吸收泵浦光能量，Tm3+傳遞激光能量。圖1為CTH∶YAG晶體簡(jiǎn)化能級(jí)，產(chǎn)生激光的電子躍遷過(guò)程比較復(fù)雜，簡(jiǎn)化來(lái)說(shuō)Cr3+吸收泵浦光中的0.43μm和0.6μm光使電子從4A2能級(jí)遷到4T1（0.43μm）和4T2（0.6μm），經(jīng)無(wú)輻射躍遷后到2E能級(jí)，再通過(guò)偶極子間作用使Tm3+的電子從3H6躍遷到3F4和3H4能級(jí)上，且從3F4通過(guò)交叉弛豫躍遷到熒光壽命較長(zhǎng)（約10.9 ms）的3F4能級(jí)上，而后通過(guò)共振使Ho3+的電子躍遷到5I7能級(jí)，5I7能級(jí)躍遷到5I8能級(jí)產(chǎn)生2.09μm附近波段激光。此過(guò)程為準(zhǔn)三能級(jí)激光躍遷過(guò)程，對(duì)溫度敏感。姚育成等［2］分析了冷卻溫度對(duì)CTH∶YAG激光輸出有較大影響，當(dāng)晶體溫度從5℃上升到50℃后，單脈沖能量下降了74.4%，且下降曲線較為平緩，平均每升高1℃單脈沖能量下降1.7%。因此降低冷卻溫度可以提升CTH∶YAG激光輸出能量。

圖1 CTH∶YAG晶體簡(jiǎn)化能級(jí)Fig.1 Simplified energy-level scheme of theCTH∶YAG crystal

3 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，CTH∶YAG激光棒尺寸為4×127 mm，端面鍍膜 AR≤0.5%@2080 nm，晶體棒面型為雙凹R=485 mm，凹面設(shè)計(jì)可以有效改善泵浦功率增大后帶來(lái)的晶體熱透鏡效應(yīng)，有利于提升激光能量。聚光腔采用BaSO4漫反射腔，漫反射腔可以使脈沖、氙燈發(fā)出的泵浦光均勻的分布于聚光腔內(nèi)，均勻的匯聚于晶體棒，有利于減少由于光強(qiáng)分布不均勻帶來(lái)的晶體溫度分布不均勻，從而提高光束質(zhì)量。高壓脈沖氙燈尺寸為5 mm×115 mm，管壁材料為濾紫外摻鈰熔石英，摻鈰熔石英可以過(guò)濾高壓脈沖氙燈發(fā)出的紫外光，防止CTH∶YAG激光棒產(chǎn)生色心影響激光性能。諧振腔采用平平腔，腔長(zhǎng)l=280 mm，便于激光高階模起振，增大激光輸出能量。HR鏡M1鍍膜AR≤0.5%@2080 nm，輸出鏡（OC）M2鍍膜 R=85%@2080 nm。冷卻系統(tǒng)采用壓縮機(jī)制冷循環(huán)去離子水系統(tǒng)，通過(guò)聚光腔對(duì)高壓脈沖氙燈和CTH∶YAG晶體棒進(jìn)行冷卻，溫控范圍4～40℃，精度±1℃。電源放電脈寬為600μs，電容庫(kù)為1900μF，電壓設(shè)置范圍為0～1000 V。采用Ophir公司的PE50BB熱釋電激光能量計(jì)測(cè)量激光能量。

圖2 CTH∶YAG激光器示意結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of CTH∶YAG laser structure

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 不同頻率對(duì)輸出能量的影響

設(shè)置冷卻水溫為25℃，溫控精度±1℃，輸出鏡反射率R=85%@2080 nm，雙凹（R=480 mm）面型晶體，選擇不同頻率，8 Hz，10 Hz，12 Hz，電源注入電壓分別設(shè)置為560 V，640 V，730 V，820 V，910 V，在氙燈上測(cè)量注入能量，分別對(duì)應(yīng)為75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按圖 2 在輸出鏡后約 20 cm處放置激光能量計(jì)，分別測(cè)試8 Hz，10 Hz，12 Hz時(shí)的激光輸出能量。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在其他條件一致時(shí)，隨著頻率的增加，激光能量輸出趨于飽和并下降。這是由于熱透鏡因素的影響，在一定頻率下，如10 Hz注入能量在75～101 J區(qū)間內(nèi)，由于雙凹晶體的影響，熱透鏡效應(yīng)并不明顯，隨著注入功率增大，激光能量呈線性增加，101～131 J區(qū)間內(nèi)，由于注入能量增大，晶體內(nèi)部溫度增加，雙凹面型晶體膨脹成雙凸面型晶體，形成晶體熱透鏡，造成激光能量趨于飽和并下降，當(dāng)注入能量積累使晶體熱透鏡焦距小于晶體端面至輸出鏡的間距時(shí)，無(wú)激光能量輸出。

圖3中所示，8 Hz下的激光輸出能量達(dá)到4.5 J，10 Hz下的激光輸出能量達(dá)到4.1 J，考慮耦合系統(tǒng)損耗，按80%傳輸效率，仍可達(dá)到3.3 J輸出，高于現(xiàn)有論文的指標(biāo)。［1，3-4］

圖3 不同頻率對(duì)輸出能量的影響Fig.3 The effect of different frequency on the laser output energy

3.2.2 不同水溫對(duì)輸出能量的影響

設(shè)置頻率為8 Hz，選擇輸出鏡反射率R=85%@2080 nm，雙凹（R=480 mm）面型晶體，選擇不同水溫25℃，20℃，15℃，10℃，電源注入能量分別對(duì)應(yīng)為 75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按圖 2 在輸出鏡后約20 cm處放置激光能量計(jì)，分別測(cè)試25℃，20℃，15℃，10℃時(shí)的激光輸出能量。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，在其他條件一致時(shí)，隨著冷卻溫度的降低，激光能量輸出逐漸增高。這是由于CTH∶YAG鈥激光的終態(tài)能級(jí)的基態(tài)能級(jí)為能級(jí)較高的Stark能級(jí)，溫度影響有效反轉(zhuǎn)因子，水溫越低有效反轉(zhuǎn)因子越小，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)利用率越高，鈥激光效率越高［2，6］。 在 10 ℃時(shí)，8 Hz下的激光能量輸出達(dá)到了5.5 J，較25℃時(shí)的4.5 J，能量提升了22.2%，平均每降低1℃，能量提高1.5%，接近姚育成等［2］文獻(xiàn)內(nèi)的結(jié)果，平均每升高1℃單脈沖能量下降1.7%。

圖4 不同水溫對(duì)激光輸出能量的影響Fig.4 The effect of different cooling temperature on the laser output energy

3.2.3 輸出鏡不同反射率對(duì)輸出性能的影響

設(shè)置水溫為10℃，雙凹（R=480 mm）面型晶體，選擇不同反射率R=85%，75%，65%@2080 nm的輸出鏡 M2，電源注入能量分別為75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按圖 2 在輸出鏡后約 20 cm處放置激光能量計(jì)，分別測(cè)試R=85%，75%，65%@2080 nm時(shí)的激光輸出能量。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，在相同條件下R=85%的輸出鏡輸出效率最高，且隨著輸出鏡反射率下降，輸出能量加速下降，這是由于輸出鏡反射率降低后，在諧振腔內(nèi)凈增益減少，泵浦光和激光轉(zhuǎn)換效率降低，輸出能量下降。

圖5 輸出鏡不同反射率對(duì)輸出性能的影響Fig.5 The effect of different output coupling mirror reflectance on the laser output energy

3.2.4 不同面型晶體對(duì)輸出性能的影響

設(shè)置水溫為10℃，選擇輸出鏡反射率R=85%@2080 nm，選擇不同晶體棒，平平面型晶體棒和雙凹R=480 mm面型晶體棒，設(shè)置頻率為8 Hz，電源注入能量分別為 75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按圖2在輸出鏡后約20 cm處放置激光能量計(jì)，分別測(cè)試平平面型晶體棒和雙凹R=480 mm面型晶體棒時(shí)的激光輸出能量。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從測(cè)試結(jié)果看，平平面型晶體棒在100 J注入以后，輸出能量趨于飽和，這是由于晶體熱透鏡效應(yīng)造成能量飽和。而采用雙凹面型晶體棒，在100 J注入以后，輸出能量仍線性增加，斜率效率并未下降，這是由于雙凹面型晶體可以產(chǎn)生較大的激光模式體積，具有較長(zhǎng)的瑞利長(zhǎng)度，對(duì)長(zhǎng)晶體棒內(nèi)模式匹配較好，使得鈥激光輸出性能較高。

圖6 不同面型晶體對(duì)輸出性能的影響Fig.6 The effect of different surface type crystal on the laser output energy

4 結(jié) 論

根據(jù)CTH∶YAG激光器準(zhǔn)三能級(jí)的特點(diǎn)，分別對(duì)不同頻率，不同冷卻溫度、不同輸出鏡反射率和不同CTH∶YAG晶體面型對(duì)鈥激光輸出能量的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果證明，隨著頻率的增加，熱透鏡影響激光能量輸出趨于飽和并下降。冷卻水溫越低反轉(zhuǎn)粒子數(shù)利用率越高，鈥激光效率越高，在25～10℃區(qū)間內(nèi)，平均每降低1℃，能量提高1.5%。R=85%的輸出鏡輸出效率最高，輸出鏡反射率降低，在諧振腔內(nèi)凈增益減少，泵浦光和激光轉(zhuǎn)換效率降低，輸出能量下降。雙凹面型晶體可以抑制晶體熱透鏡效應(yīng)，產(chǎn)生較大的激光模式體積，使得鈥激光輸出性能較高。最佳時(shí)，在水溫為10℃，輸出鏡反射率R=85%，采用雙凹面型晶體時(shí)，在注入131 J時(shí)，8 Hz下的激光能量輸出達(dá)到了5.5 J。