生物医疗2μm光纤激光器--长进激光推出高性能掺铥光纤

近年来，激光凭借着优良的单色性、准直性以及较高的能量密度，在生物医疗领域尤其是微创手术方面取得了较大的发展。激光作用于生物组织主要是利用激光生物热效应，而不同波长和能量的激光作用于生物组织上产生的热效应也不一样[1]。

水分子是生物组织中的主要组成部分，其对不同波长激光的吸收系数是激光生物热效应的重要因素。水分子的吸收系数随着波长增加而增加，在可见光波段最低吸收系数只有10-4  cm-1，但在2 μm波段的吸收系数可以高达600 cm-1[2]，能够实现较浅的生物组织穿透深度和良好的热凝止血效果。同时,已有研究表明2 μm激光对人眼的损伤阈值对比0.69 μm激光和1.069 μm激光提高了8个数量级，对比1.5 μm激光提高了3个数量级，具有较好的人眼安全性[3]。因此在临床应用中，经过低损光纤传输的2 μm激光结合内窥镜，可以实现较高的手术精度和良好的安全性。

常见的2 μm医疗激光器包括掺钬激光器和掺铥激光器，根据采用的增益介质不同，又可以分为固体激光器和光纤激光器。相比起传统的固体激光器，光纤激光器有着光电转化效率高、稳定性高、光束质量好和轻便易集成等优势，是今后医疗激光器发展的重要方向之一。掺铥激光器相较于掺钬激光器更接近2 μm的水分子吸收峰[4][5]，可以更好地汽化和切割组织，具有更高的切割精度，因此无论在组织切割和碎石手术方面的表现均好于掺钬激光器，更受到研究人员和医务工作者的青睐。

生物医疗掺铥激光器发展现状

掺铥激光器主要包括掺铥固体激光器和掺铥光纤激光器。掺铥固体激光器增益介质主要包括掺铥钇铝石榴石（Tm:YAG）、掺铥铝酸钇（Tm:YAP）、掺铥氟化钇锂（Tm:YLF）。传统固体激光器需要将增益物质受激辐射产生的激光，通过透镜耦合进入传输光纤中，但在耦合过程中损耗较大。而全光纤结构的掺铥光纤激光器是特殊的/第三代固体激光器，增益物质为掺铥光纤，泵浦光通过光纤传输无需空间结构耦合，激光始终束缚在光纤纤芯内，斜率效率和传输损耗较低。因此光纤激光器具有较好的光束质量和准直性、较高的能量密度，同时结构紧凑、易于集成，是理想的医疗激光器选择。

从上个世纪80年代开始，伴随着掺铥光纤激光器日益增长的应用需求，国内外对于掺铥光纤激光器的研究也在不断发展，近十年来无论是连续激光器还是脉冲激光器均取得了重大突破。

在生物医疗领域，掺铥激光器已经实现了较为广泛的应用，掺铥激光可以作为常规组织缝合的替代手段还被应用在结石碎石、静脉曲张闭合、喉部微创手术以及口腔鳞状细胞癌切除等方面。

掺铥激光器生物医疗应用

掺铥激光组织消融

水是生物组织中的主要组成部分，由于水分子对于掺铥激光的高吸收效率，掺铥激光在人体组织消融中的应用极为广泛。当掺铥激光作用于含水量较高的生物组织时，水分子吸收激光能量迅速升温。Markolf H. Niemz等[6]研究表明，人体正常体温在37 ℃，当组织温度在45-50 ℃时，会导致组织坏死形成热损伤区域，当超过60 ℃时，组织中的蛋白质受热性质改变导致组织凝结。当组织温度到达100 ℃甚至更高时，水分子气化，进而产生组织碳化、消融。激光与组织作用造成的各种热影响区如图1所示[7]。

图1 激光与组织作用造成的各种热影响区[7]

掺铥激光器在组织消融中的应用研究早在上世纪90年代就有报道。通过设置不同的激光参数，研究2μm激光在不同功率、激光作用时间、光斑半径、切割速度等条件下与生物组织互作用，观察激光热效应对生物组织的影响。实验结果表明，在一定范围内，提高激光功率、照射时间等方式提高生物组织吸收到的激光能量，可以实现更快的消融速率。

掺铥激光碎石

结石是现代人常见的泌尿系统疾病，形成机理和组成成分多种多样，临床上多见为一水草酸钙结石（Calcium Oxalate Monohydrate，COM）和尿酸结石（Uric Acid，UA）[8]。掺铥激光碎石手术除了利用之前提到的组织热消融机制之外，还包括“微爆”机制。“微爆”机制是指，激光作用于结石时，结石内部空隙内的水分子吸收能量汽化，形成局部高压[9]，并且水分子和结石的热传递系数不同也会导致结石内的压力变化[10]，促使结石内部脆弱部位破裂，进而达到碎石效果。掺铥光纤激光器凭借其造价低、易于集成、高能量密度、可调参数多、可以通过小芯径传输等优势逐渐成为临床碎石应用中的主力。

长进25/400掺铥光纤

与国外相比，国内高功率掺铥光纤激光器的发展相对较慢，且其核心器件掺铥光纤长期依赖于进口。因此对关键参数进行深入研究，是实现能够代替进口产品的高性能掺铥石英光纤，从而进一步实现稳定运行的高功率掺铥光纤激光器的重要途径。长进激光通过多年的技术积累和创新研发，成功研制出高性能掺铥光纤，光纤的性能及一致性均达到进口光纤水准，客户满意度高。

下图所示是长进研制25/400双包层掺铥石英光纤的技术参数，可以看出长进研制的掺铥光纤具有良好的激光性能，具备应用于高功率光纤激光器系统的潜力。基于该大模场掺铥光纤，实现了530 W全光纤结构掺铥光纤激光器。

图2 长进25/400双包层掺铥石英光纤参数

530 W双向泵浦全光纤结构掺铥放大器

2020年，与华中科技大学合作，利用长进激光提供大模场掺铥光纤，成功搭建一级MOPA放大结构的掺铥光纤连续激光器，种子源经过放大后在中心波长1980.89 nm处实现最高输出功率530 W[11]，对应的斜率效率为50%。530 W全光纤结构MOPA系统的具体实验装置如图3所示，包括种子源和放大级两部分。种子源同样采用全光纤结构振荡器，放大级采用双向抽运方案，为保证泵浦光被充分吸收，提供足够增益，放大级中同样采用8 m上述25/400双包层掺铥光纤作为增益介质，两个合束器的合束端尾纤的尺寸及NA皆与有源光纤匹配。

图 3  530W双端泵浦掺铥全光纤MOPA系统结构图； 

图4（a）所示是掺铥光纤放大器输出功率及端口1处测得的回光功率随泵浦功率的变化关系图，输出激光功率呈线性增加，整个过程没有观察到功率下降现象，泵浦功率为979 W时，掺铥光纤放大器输出功率达到530 W，对应的斜率效率为50%，。在输出功率为500 W时测得的光谱图4（b）所示，输出激光信噪比为27 dB。扫描了1950～2000 nm范围内的激光光谱，没有观察到明显的自发辐射和非线性效应，如4（b）内嵌图所示，说明输出激光功率仅受限于泵浦功率。该结果为目前国内2 µm波段光纤激光器实现的最高输出功率，同时也验证了国产掺铥石英光纤在高功率系统中的可靠性。

图 4（a）放大级输出功率及后向回光随泵浦功率的变化；（b）输出功率为500 W时对应的光谱

随着生物医疗掺铥光纤激光器使用的普及，高性能掺铥光纤的需求会越来越大，长进激光也必定会顺应市场，对掺铥光纤研发和生产进行持续投入，为国内生物医疗掺铥光纤激光器行业的发展提供有利的技术支撑。

参考文献

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张安军 1，段嘉霖 2*，邢颍滨 1，李进延 1**.掺铥激光在生物医疗领域的应用.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074；华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北 武汉 430074.

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