激光配件——2μm固体激光材料与激光器的发展
与气体激光器相比,半导体泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、便于维护和操作等优点。现在已用作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等领域。2μm波段恰恰处于水分子的吸收峰,输出波长为 2μm的固体激光器是激光手术的最佳波长。与通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比,人体对2μm激光的吸收效果更好,激光切割能力大大提高,尤其对敏感组织,如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀利切割效果更加理想。此外石英光纤还可以传播2μm激光,这使得激光传导更加容易。目前半导体激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成结构紧凑、维护容易、便携式的医用器械。虽然2μm激光器有着如此广泛而重要的应用前景,并且在相应领域已经得到了大范围的应用,但是对于二极管泵浦2μm固体激光器深入的研究并不是伴随着激光器的产生而开始的,其间经历了漫长的过程。
2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况
(1)Ho:YAG激光器
1965年Bell实验室Johnson等人首先报道了Ho:YAG在液氮温度下实现振荡,使用的晶体用熔盐法生长,晶体长度25mm,输出三种不同的激光波长。输出波长2.0975μm时,脉冲阈值为44J;输出波长2.0914μm时,脉冲阈值为1760J;输出波长2.1223μm时,脉冲阈值为410J。高阈值限制了Ho:YAG的应用。
(2)Er,Tm,Ho:YAG激光器
Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有几条弱吸收线。为了增加对灯泵能量的吸收,1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+来敏化Ho3+,由于它们吸收和传递泵浦能量,液氮温度下得到了5%的闪光灯泵浦效率和15W的连续激光输出。1975年,Beck等人报道了直径4mm,长度70mm的晶体在液氮温度下连续输出50W,斜率效率6.5%,使用钨卤素灯作泵浦源。1981年Barnes等人在液氮温度下实现了脉冲激光振荡和放大,TEM00模输出112mJ,斜率效率1.2%,放大输出235mJ。晶体直径4mm,长度56mm,晶体中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分别占0.021、0.037、0.616和0.326。
(3)Tm,Ho:YAG激光器
1987年Fan等人报道了用波长为781.5二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAG获得室温连续输出,阈值4.4mW,斜率效率19%,输出波长2.074μm [5]。1990年Stoneman等人实现了Tm,Ho:YAG在2.09~2.12范围连续可调谐激光输出。晶体用引上法生长,Tm3+和Ho3+的含量分别为8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。
(4)Cr,Tm,Ho:YSGG激光器
1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG(钇钪石榴石)激光晶体,并获得室温灯泵浦脉冲输出能量7.4J,斜率效率3.1%,输出波长2.088μm,并于1988年实现开关运行。其中晶体直径4mm,长度76mm,晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室温下获得80mJ的电光调输出,此时的泵浦输入为125J,调阈值为60J。在转镜调时,获得280mJ的多峰光脉冲,500的总宽度,脉冲中含5~6个峰,峰-峰间隔2μm,每个峰半宽度为40~50。