中紅外醫(yī)用光纖激光的研制及其與生物組織作用的研究.pdf

1、近年來，2.0μm激光手術(shù)治療系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)開放式外科手術(shù)和經(jīng)尿道電切術(shù)，在治療前列腺等泌尿系統(tǒng)疾病方面，具有出血量少、作用創(chuàng)口小以及手術(shù)安全性高等優(yōu)勢。這是由于水分子在1.94μm波長處有一個吸收峰，組織受激光照射，內(nèi)部的水分會迅速吸收激光能量，瞬間達到氣化所需的溫度條件并受熱分解。在此過程中，組織的氣化分解能快速帶走大量的熱能量，減小其在鄰近組織中的熱傳導(dǎo)作用，降低對目標(biāo)組織周圍的熱損傷。然而目前市場上商用化的銩激光手術(shù)刀的光源大多

2、采用連續(xù)二極管端面抽運的Tm:YAG激光系統(tǒng)和Tm:YLF激光系統(tǒng)。摻Tm3+光纖激光器相較于傳統(tǒng)銩固體激光器具有較好的光束質(zhì)量、良好的集成性和較高的緊湊性，完全具有替代傳統(tǒng)固體激光手術(shù)刀的潛在應(yīng)用價值。因此，研究摻銩光纖激光系統(tǒng)與新鮮生物組織的相互作用，開展定量分析和定性討論是非常有必要的。本文基于2.0μm波段摻銩光纖激光器的各種優(yōu)點，開發(fā)和研制了一款連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)全光纖銩激光治療系統(tǒng)和搭建了基于全光纖主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)的

3、高功率銩激光手術(shù)實驗系統(tǒng)，并且重點研究了2.0μm波段摻銩光纖激光與生物軟組織的相互作用。主要研究成果有以下幾點：
　?。?）基于Tm3+對793 nm泵浦的吸收能級建立了摻銩光纖激光器的速率方程，并結(jié)合邊界條件對激光器的輸出功率特性進行了數(shù)值模擬，并計算了達到預(yù)期輸出功率所需的光纖長度和輸出激光的斜率效率。數(shù)值仿真結(jié)果表明摻銩增益光纖長度為6 m時，在12 W泵浦功率下可以實現(xiàn)3.4 W的激光輸出。我們通過調(diào)節(jié)邊界條件參數(shù)，同時

4、對摻銩光纖激光器的MOPA放大輸出特性進行了數(shù)值分析。當(dāng)種子源功率為3 W時，采用10 m的摻銩增益光纖并設(shè)置泵浦功率為160 W時可以實現(xiàn)81.75 W激光輸出，此時放大器的斜率效率為48.9％。
　?。?）基于摻銩光纖激光輸出功率的數(shù)值模擬結(jié)果、泵浦參數(shù)以及增益光纖參數(shù)，對低功率銩光纖激光治療儀的連續(xù)激光源系統(tǒng)進行搭建，并封裝實現(xiàn)了2μm全光纖激光治療儀的整機系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以輸出中心波長為1981.53 nm，光譜寬度為0.0

5、7 nm的窄帶連續(xù)激光。在連續(xù)工作模式下可以實現(xiàn)最高2.0 W，在占空比為50%的準(zhǔn)連續(xù)工作模式下可以實現(xiàn)平均功率為1.0 W的輸出。其次我們應(yīng)用低功率全光纖銩激光治療儀對新鮮小豬皮膚進行單點消融實驗研究，定量分析在激光作用下，組織熱穿透深度始終控制在2.5 mm以下。當(dāng)1 Hz的激光作用下，組織消融深度相對于連續(xù)激光將會大幅提高，皮膚組織也能達到相同消融時間和激光平均功率下的最大消融深度和最小凝固深度。在與3μm鉺激光對皮膚組織的作用

6、深度對比中，3μm激光具有更淺的穿透深度，但我們依然可以調(diào)節(jié)銩激光的參數(shù)來適應(yīng)于鉺激光的組織作用情況。
　?。?）開展了2μm全光纖MOPA結(jié)構(gòu)的銩激光實驗系統(tǒng)搭建和研究。系統(tǒng)的主振蕩級可以輸出中心波長為1980.4 nm，光譜寬度（FWHM）為0.05 nm的窄帶連續(xù)激光。實驗中，我們測試了大模場摻銩光纖激光放大器的輸出功率最高可以達到78.1 W，此時的泵浦功率為138.8 W，放大斜率效率為57%。于此同時，我們也開展了30