低温CTH∶YAG激光器的实验研究

李 明，王建卫

（1.北京市医疗器械检验所，北京101111；2.爱科凯能科技（北京）股份有限公司，北京1000150）

1 引 言

随着激光技术的发展，从紫外激光到中远红外激光，不同波段的激光越来越多的应用于工业加工、军事、遥感、环境、通讯、科研、医疗等领域。其中Cr，Tm，Ho∶YAG（CTH∶YAG）激光器的输出波长在2μm附近，由于接近水的吸收峰，具有穿透深度浅、损伤范围小的优点［1-2］，广泛应用于医疗领域，如骨科、神经外科、妇科、普外科、消化科等。CTH∶YAG在医疗中广泛通过光纤配合内窥镜进行微创手术，多应用于碎石和人体软组织切割。近些年钬激光输出性能不断提升，2006年，姚育成［1］等人获得1 Hz/4.5 J，5 Hz/15 W的激光输出。2009年，陈慧敏等［3］人采用镀银腔获得12 Hz/9.7 W的钬激光输出。同年刘沛沛等［4］人采用陶瓷腔在19℃时获得1 Hz/5.11 J的钬激光输出。2015年，王立伟、叶兵等［5］人对 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。文章采用双路钬激光测得在单脉冲能量2.0～2.5 J、重频20～25 Hz下对人体肾部结石能够达到预期的粉碎效果。因此，本文采用BaSO4漫反射聚光腔，根据CTH∶YAG的准三能级特点，从冷却温度、输出镜透过率和晶体面型出发，提升钬激光输出特性。

2 CTH∶YAG晶体的工作原理

CTH∶YAG晶体中Ho3+为激光工作离子，Cr3+吸收泵浦光能量，Tm3+传递激光能量。图1为CTH∶YAG晶体简化能级，产生激光的电子跃迁过程比较复杂，简化来说Cr3+吸收泵浦光中的0.43μm和0.6μm光使电子从4A2能级迁到4T1（0.43μm）和4T2（0.6μm），经无辐射跃迁后到2E能级，再通过偶极子间作用使Tm3+的电子从3H6跃迁到3F4和3H4能级上，且从3F4通过交叉弛豫跃迁到荧光寿命较长（约10.9 ms）的3F4能级上，而后通过共振使Ho3+的电子跃迁到5I7能级，5I7能级跃迁到5I8能级产生2.09μm附近波段激光。此过程为准三能级激光跃迁过程，对温度敏感。姚育成等［2］分析了冷却温度对CTH∶YAG激光输出有较大影响，当晶体温度从5℃上升到50℃后，单脉冲能量下降了74.4%，且下降曲线较为平缓，平均每升高1℃单脉冲能量下降1.7%。因此降低冷却温度可以提升CTH∶YAG激光输出能量。

图1 CTH∶YAG晶体简化能级Fig.1 Simplified energy-level scheme of theCTH∶YAG crystal

3 实验装置和实验结果

3.1 实验装置

实验装置如图2所示，CTH∶YAG激光棒尺寸为4×127 mm，端面镀膜 AR≤0.5%@2080 nm，晶体棒面型为双凹R=485 mm，凹面设计可以有效改善泵浦功率增大后带来的晶体热透镜效应，有利于提升激光能量。聚光腔采用BaSO4漫反射腔，漫反射腔可以使脉冲、氙灯发出的泵浦光均匀的分布于聚光腔内，均匀的汇聚于晶体棒，有利于减少由于光强分布不均匀带来的晶体温度分布不均匀，从而提高光束质量。高压脉冲氙灯尺寸为5 mm×115 mm，管壁材料为滤紫外掺铈熔石英，掺铈熔石英可以过滤高压脉冲氙灯发出的紫外光，防止CTH∶YAG激光棒产生色心影响激光性能。谐振腔采用平平腔，腔长l=280 mm，便于激光高阶模起振，增大激光输出能量。HR镜M1镀膜AR≤0.5%@2080 nm，输出镜（OC）M2镀膜 R=85%@2080 nm。冷却系统采用压缩机制冷循环去离子水系统，通过聚光腔对高压脉冲氙灯和CTH∶YAG晶体棒进行冷却，温控范围4～40℃，精度±1℃。电源放电脉宽为600μs，电容库为1900μF，电压设置范围为0～1000 V。采用Ophir公司的PE50BB热释电激光能量计测量激光能量。

图2 CTH∶YAG激光器示意结构Fig.2 Schematic diagram of CTH∶YAG laser structure

3.2 实验结果及分析

3.2.1 不同频率对输出能量的影响

设置冷却水温为25℃，温控精度±1℃，输出镜反射率R=85%@2080 nm，双凹（R=480 mm）面型晶体，选择不同频率，8 Hz，10 Hz，12 Hz，电源注入电压分别设置为560 V，640 V，730 V，820 V，910 V，在氙灯上测量注入能量，分别对应为75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按图 2 在输出镜后约 20 cm处放置激光能量计，分别测试8 Hz，10 Hz，12 Hz时的激光输出能量。测试结果如图3所示，在其他条件一致时，随着频率的增加，激光能量输出趋于饱和并下降。这是由于热透镜因素的影响，在一定频率下，如10 Hz注入能量在75～101 J区间内，由于双凹晶体的影响，热透镜效应并不明显，随着注入功率增大，激光能量呈线性增加，101～131 J区间内，由于注入能量增大，晶体内部温度增加，双凹面型晶体膨胀成双凸面型晶体，形成晶体热透镜，造成激光能量趋于饱和并下降，当注入能量积累使晶体热透镜焦距小于晶体端面至输出镜的间距时，无激光能量输出。

图3中所示，8 Hz下的激光输出能量达到4.5 J，10 Hz下的激光输出能量达到4.1 J，考虑耦合系统损耗，按80%传输效率，仍可达到3.3 J输出，高于现有论文的指标。［1，3-4］

图3 不同频率对输出能量的影响Fig.3 The effect of different frequency on the laser output energy

3.2.2 不同水温对输出能量的影响

设置频率为8 Hz，选择输出镜反射率R=85%@2080 nm，双凹（R=480 mm）面型晶体，选择不同水温25℃，20℃，15℃，10℃，电源注入能量分别对应为 75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按图 2 在输出镜后约20 cm处放置激光能量计，分别测试25℃，20℃，15℃，10℃时的激光输出能量。测试结果如图4所示，在其他条件一致时，随着冷却温度的降低，激光能量输出逐渐增高。这是由于CTH∶YAG钬激光的终态能级的基态能级为能级较高的Stark能级，温度影响有效反转因子，水温越低有效反转因子越小，反转粒子数利用率越高，钬激光效率越高［2，6］。 在 10 ℃时，8 Hz下的激光能量输出达到了5.5 J，较25℃时的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］文献内的结果，平均每升高1℃单脉冲能量下降1.7%。

图4 不同水温对激光输出能量的影响Fig.4 The effect of different cooling temperature on the laser output energy

3.2.3 输出镜不同反射率对输出性能的影响

设置水温为10℃，双凹（R=480 mm）面型晶体，选择不同反射率R=85%，75%，65%@2080 nm的输出镜 M2，电源注入能量分别为75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按图 2 在输出镜后约 20 cm处放置激光能量计，分别测试R=85%，75%，65%@2080 nm时的激光输出能量。测试结果如图5所示，在相同条件下R=85%的输出镜输出效率最高，且随着输出镜反射率下降，输出能量加速下降，这是由于输出镜反射率降低后，在谐振腔内净增益减少，泵浦光和激光转换效率降低，输出能量下降。

图5 输出镜不同反射率对输出性能的影响Fig.5 The effect of different output coupling mirror reflectance on the laser output energy

3.2.4 不同面型晶体对输出性能的影响

设置水温为10℃，选择输出镜反射率R=85%@2080 nm，选择不同晶体棒，平平面型晶体棒和双凹R=480 mm面型晶体棒，设置频率为8 Hz，电源注入能量分别为 75 J，88 J，101 J，118 J，131 J，按图2在输出镜后约20 cm处放置激光能量计，分别测试平平面型晶体棒和双凹R=480 mm面型晶体棒时的激光输出能量。测试结果如图6所示，从测试结果看，平平面型晶体棒在100 J注入以后，输出能量趋于饱和，这是由于晶体热透镜效应造成能量饱和。而采用双凹面型晶体棒，在100 J注入以后，输出能量仍线性增加，斜率效率并未下降，这是由于双凹面型晶体可以产生较大的激光模式体积，具有较长的瑞利长度，对长晶体棒内模式匹配较好，使得钬激光输出性能较高。

图6 不同面型晶体对输出性能的影响Fig.6 The effect of different surface type crystal on the laser output energy

4 结 论

根据CTH∶YAG激光器准三能级的特点，分别对不同频率，不同冷却温度、不同输出镜反射率和不同CTH∶YAG晶体面型对钬激光输出能量的影响进行了实验测试，结果证明，随着频率的增加，热透镜影响激光能量输出趋于饱和并下降。冷却水温越低反转粒子数利用率越高，钬激光效率越高，在25～10℃区间内，平均每降低1℃，能量提高1.5%。R=85%的输出镜输出效率最高，输出镜反射率降低，在谐振腔内净增益减少，泵浦光和激光转换效率降低，输出能量下降。双凹面型晶体可以抑制晶体热透镜效应，产生较大的激光模式体积，使得钬激光输出性能较高。最佳时，在水温为10℃，输出镜反射率R=85%，采用双凹面型晶体时，在注入131 J时，8 Hz下的激光能量输出达到了5.5 J。