密尔学术·论文分享2023第3期 掺铥光纤激光器及其碎石应用：进展与展望（上篇）
激光碎石技术研究始于20世纪60年代，80年代后获得迅速发展，重要原因之一是激光光源的飞速发展，使其能够非常方便地达到很好的治疗效果。相比其余的治疗手段，如利用内镜取石、超声波碎石、气压弹道碎石等技术，激光碎石可以治疗的结石种类更多、所需的镜径更小、造成的组织损伤也更低。激光碎石技术的发展受益于激光器的发展，变革性的激光碎石技术本质是发展了更适合的光源。起初的激光碎石采用的激光各有缺点，非脉冲式二氧化碳激光器热损伤大、脉冲染料激光器治疗的结石种类有限、钕激光器精确性较差。直至20 世纪末，钬激光（增益介质为Ho∶YAG，称为Ho∶YAG 激光器）受到了人们的关注，它利用光热效应实现碎石，并且可以脉冲模式工作，这些优点使得钬激光可以用于治疗所有类型的结石，激光碎石技术因此得到迅速发展。之后，得益于工作波长与系统结构，掺铥光纤激光器（Thulium Fiber Laser，简称TFL）具有高结石烧蚀速率、高灌注率、小碎石、小反推以及可风冷的优势，被认为是将取代Ho∶YAG激光器的下一代激光碎石器。目前钬激光器依然是激光碎石的金标准，但掺铥碎石光纤激光器已逐步成为临床研究中的新兴光源。
激光碎石技术，与其采用的激光光源的输出中心波长、功率、线宽、结构等特性密切相关。与医疗用Ho∶YAG 激光器有连续模式和脉冲（百微秒级）模式类似，目前可以用于碎石的掺铥光纤激光器主要分为连续激光器和准连续激光器两类。连续激光器指输出连续光的激光器，激光器工作在连续稳定状态，这种情况下，如果不调节激光器输出功率，激光器输出的功率在每个时刻都不变。相应地，准连续激光器是一种脉冲激光器，输出的脉宽比一般的脉冲激光器大，是在连续激光器的基础上利用调制电路控制输出状态，实现ms 级脉冲，峰值功率可以达到平均功率的数倍，通过模拟控制或内部脉冲发生器进行调制，可以调整脉冲形状，也可以在脉冲激光器和连续激光器之间切换。连续激光器和准连续激光器不仅可以用在碎石，也可以用在软组织消融。
本文主要回顾连续掺铥激光器和准连续掺铥激光器的发展历史，介绍至今已发表的部分重要报道和研究结果。其中：连续掺铥激光器分为高功率激光器、可调谐激光器和窄线宽激光器三节，此外，由于放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，简称ASE）超连续谱光源的特性在医疗领域亦具有发展前景，因此纳入为第四节；准连续掺铥激光器单独一节；同时，对短脉冲掺铥光纤激光器的发展历史也进行了回顾，展望其用于碎石的应用前景。此外，在激光器的发展基础上，结合碎石技术需求，分析了掺铥光纤激光器相对Ho∶YAG 激光器的特点和优势，并展望了未来研究的方向和挑战。
2.1 高功率掺铥连续光纤激光器发展总览
掺铥连续光纤激光器的输出功率一直是研究者关注的一个重点，近些年得到了飞速的提升，实际上高功率始终是各种激光器所追求的指标之一。1988年，英国南安普敦大学Hanna等［1］首次报道了掺铥单模光纤激光器，阈值为21mW，斜率效率为13%，并且可以在1880~1960nm范围内输出激光。随着光纤制作工艺的不断改善和光纤激光技术的不断发展，掺铥连续光纤激光器如今已实现几百瓦［2］甚至上千瓦［3］输出。
决定掺铥激光器输出功率的因素很多，比如泵浦功率，从最初的几十瓦，发展到如今的一千多瓦。此外，不同的激光器结构获得的转换效率不同，转换效率越高，一定泵浦功率下的输出功率也会越大。一些重要的高功率研究结果列在表1中。1998年，曼彻斯特大学激光光子学课题组的Jackson等［4］报道了一种二极管包层泵浦掺铥光纤激光器，在波长2000nm处产生了功率为 5.4W的连续波输出，斜率效率为31%，调整光纤长度，可以实现1880~2033nm之间波长调谐功能。2002年，南安普敦大学光电子研究中心的Clarkson等［5］共同报道了一种1860~2090nm波长调谐的包层泵浦掺铥光纤激光器。两者采用的泵浦结构有所不同：曼彻斯特大学激光光子学课题组报道的激光器所采用的是光学多路复用元件将16个二极管激光器泵浦合束，并由此提供最大24.1W的泵浦功率，在1940~2010nm之间可获得大于4W的功率；南安普敦大学光电子研究中心采用的是两个波长787nm的偏振耦合二极管棒，实现了40W的泵浦功率，获得的掺铥光纤激光器在1940nm处最大输出功率为7W，在1870~2040nm范围内输出功率大于5W。可以看到，在最初期，掺铥光纤激光器的输出功率均未达到10W，限制功率增长的主要因素是泵浦功率太低，只有几十瓦，而且转换效率也较低，但它仍然为医疗工作者提供了一项新技术，若能进一步提高泵浦功率，就可以获得更大的掺铥光纤激光输出，满足医疗领域的应用需求。
2006~2009年，研究者们利用包层泵浦、多级泵浦等方式不断提升泵浦注入能力［6-8］ 。图1为包层泵浦结构掺铥光纤激光器。图2为2009年Moulton等［8］报道的一种掺铥光纤激光器，将掺铥光纤激光器的功率提升到数百瓦级。单一振荡器或谐振腔直接输出功率有限，采用种子源主振荡功率放大技术方案可以提高光纤激光器的输出功率，更容易获得数百瓦乃至上千瓦的高功率2μm波段连续单频激光输出［13］。
2009年，Goodno等［2］报道了一种单模单频掺铥光纤激光放大器（图3），通过四级放大实现了608W的单模激光，增益为53dB，斜率效率为54%，光束质量M2=1.05。2010年，Ehrenreich等［3］首次报道了一种输出功率达到1000W以上的掺铥连续光纤激光器（图4），采用二级放大结构，将泵浦功率提升到接近 2000W，在2045nm处实现了全光纤结构的千瓦输出。2014年，本文作者团队报道了一种二极管泵浦的掺铥双包层石英光纤激光器［9］，在1908nm处可提供227W的功率，斜率效率为54.3%，光-光效率为51.2%，为当时该波长处的最高输出。2015年，北京工业大学Liu等［10］报道了一种全光纤主振荡功率放大器（MOPA）结构的高功率窄线宽掺铥光纤激光器，在中心波长2000.3nm处输出功率为342W。2016年，国防科技大学Yin等［11］报道了一种基于MOPA结构的2000nm波段高功率、波长可调谐的全光纤掺铥光纤激光器，在1930nm处达到最大平均功率327.5W，斜率效率为57.4%。2020年，华中科技大学武汉光电国家研究中心团队报道了一种全光纤结构连续掺铥光纤激光器（图5），窄线宽掺铥种子源经过一级放大后，最高输出功率达到530W，斜率效率为50%［12］ 。
目前，高功率掺铥连续光纤激光器已经突破了千瓦级，为设计高功率准连续激光器，包括激光器结构、材料和参数等提供了丰富的经验和基础。但全球商用产品输出功率基本都低于200W，价格昂贵、代表性批量应用较少，尚处于早期商用阶段。同时国内尚未有突破千瓦功率的正式报道，功率局限在数百瓦。因此，掺铥连续光纤激光器继续提升和发展的空间很大，有待进一步研发。
2.2 可调谐掺铥连续光纤激光器
可调谐激光器是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。实现激光波长调谐的原理大致有三种：1）通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变输出激光的波长；2）通过改变外界参数（磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动；3）利用光的非线性效应实现波长的变换和调谐。在掺铥光纤激光器中，应用最广的是第一种调谐方法，应用元件以衍射光栅和可调谐滤波器为主。
上节高功率激光器部分涉及了很多可调谐激光器，实际激光器的设计既要求保证功率需求，也会要求满足调谐等需求。主要的研究结果如表2所示。1998‒2006年，研究者们将掺铥光纤激光器的调谐范围拓展到200nm以上［4-6］，但是输出功率均在20W以下。2010年，中佛罗里达大学团队报道的掺铥光纤激光器可以实现从1927~2097nm范围内调谐［14］，由于采用功率放大结构，因此输出功率在1967nm达到最大218W。2012‒2019年，研究者们陆续报道了多种掺铥可调谐光纤激光器（图6［15］为2012年报道的一种可调谐2µm掺铥光纤激光器），其中2017年南安普敦大学光电子研究中心团队实现了1750nm以下的调谐输出［16］，所采用的方法是将ASE滤波引入铥放大器中，从而在1750nm以上波段引入高损耗，避免寄生振荡。以上介绍的调谐掺铥光纤激光器都是应用衍射光栅实现波长调谐，此外，还可以利用可调谐滤波器实现调谐。
2013年，南安普敦大学团队利用光纤光栅滤波器实现了从1820~2075nm的宽带调谐［17］，输出功率最大为30mW。2014年，国防科技大学Yin等［18］通过在种子源中加入可调谐滤波器，实现了1940~2070nm的调谐范围，最大输出功率达到115W。2015年，国防科技大学光电科学与工程学院团队报道了一种采用单片掺铥光纤放大器的近2000nm 宽可调谐窄带超荧光源［19］，其输出功率超过250W，种子源的光谱可在1930~2030nm 的范围内调谐，被放大到250W以上输出，调谐范围为35nm（1966~2001nm）。2016年，国防科技大学Yin等［11］将可调谐种子功率提升至近5W，经过一级放大直接输出327.5 W的1930nm激光，如图7所示，1910~2050 nm范围内激光输出功率均能超过270W，各谱线的线宽均小于0. 3nm。
利用光学元件改变输出波长不只局限于以上两种手段，2020年，中央民族大学理学院团队报道了一种基于数字微镜阵列调谐的掺铥光纤激光器，通过空间调制数字微镜器件（DMD）上的反射图案实现了1930~2000nm 范围内稳定、快速和灵活的激光波长调谐，调谐精度为0.1nm［20］，1940nm处输出功率不低于0.135mW，这类低功率、高精度的调谐技术可应用于激光光谱和医疗。
可调谐激光器可以实现只用一台激光器获得多种波长，有助于调节波长、选取最佳波长。目前国内外可调谐掺铥激光器都可以覆盖 1940nm波长，并且输出功率可以达到碎石要求，这意味着在碎石应用上，完全不会因此导致碎石效果受到影响。同时有研究通过肾结石激光碎石术对比证明了1940nm激光（20℃水的吸收峰）效能与1908nm激光（70℃水的吸收峰）无显著差异［22］ ，因此在医械制造中完全可以考虑集成应用难度更低的1940nm附近激光器。
2.3 窄线宽掺铥连续光纤激光器
激光器的线宽指的是激光器输出光在光谱上的宽度。窄线宽激光器晚于其他种类的光纤激光器的研究，近20年开始迅速发展，1996年，Chollet等［23］报道了一种掺铒光纤激光器，实现的线宽为0.06nm，为掺铥激光器的窄线宽研究提供了参考，目前掺铥光纤激光器亦可实现pm级线宽，结果整理在表3中。
2010年，复旦大学光学科学与工程系微纳光子结构教育部重点实验室团队报道了一种使用布拉格光栅对的高功率掺铥光纤激光器，实现了在1990nm输出波长下2.2 pm的线宽，输出功率为113W［24］。2014年，西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室团队报道了一种掺铥双包层光纤MOPA系统，输出光谱中心位于1996.7nm，线宽不大于120pm［25］。2016年，北京工业大学激光工程研究院的国家产学研激光技术中心团队报道了一种342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器（图8），中心波长为 2000.3nm，3dB光谱线宽为90pm［26］。2019年，北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室光波技术研究所团队报道了一种基于保偏掺铥光纤饱和吸收体的2000nm波段超窄线宽光纤激光器，采用基于频率噪声的线宽测量方法，测得0.01s测量时间下的线宽为300Hz，0.1s测量时间下的线宽约为3kHz，输出功率最大可达6W以上［27］。2022年，Cook等［28］报道了一种窄线宽80W可调谐掺铥光纤激光器，调谐范围是 1920~2010nm，在输出单纵模的情况下，线宽为0.00129pm。
目前的掺铥光纤激光器线宽达到的pm级，已经大大超过nm级的需求，激光线宽不再成为影响碎石效果的限制因素。通过结构设计，掺铥光纤激光器已完全可以满足医疗需求的功率、调谐范围以及线宽要求，实现医械产品商用定制化研发及生产。
2.4 掺铥光纤 ASE 连续光源
自发辐射产生的某种频率下的光子，经过增益介质，引起了受激辐射而得到放大，获得了更大的输出，这个过程就是ASE。利用ASE制作的光源，与窄线宽激光器相反，具有比较宽的带宽，在一些领域有重要的应用。利用掺铥光纤制作的ASE连续光源，在近15年得到了快速发展。结果整理在表4中。
2008年，南安普敦大学光电子研究中心团队报道了一种单端输出的宽带掺铥超荧光光纤光源［29］，光谱范围为1650~2100nm，带宽超过100nm，1930~1988nm波段的输出功率超过11W，随着输出功率变大，光谱出现变窄的趋势。2010年，Yu等［30］报道了一种掺铥石英光纤ASE光源的理论模型，研究了ASE光谱功率与光纤长度和泵浦功率的关系，在研究所用的泵浦功率和纤芯参数下，得到了最佳的光纤长度和输出功率。2015年，本文作者团队报道了一种大功率掺铥超荧光光纤光源［31］（图9），前向传播的ASE在1960.7nm的中心波长下得到最大的输出功率为20.7W，光谱带宽为45nm，反向传播的ASE在1948.2nm的中心波长下得到的最大输出功率为25.2W，光谱带宽为50nm。2017年，斯旺西大学工程学院团队报道了一种掺铥光纤ASE宽带光源［32］，将短波段（1800~1900nm）和长波段（1900~1970nm）的两种ASE光源耦合，得到了更宽光谱（1800~1970nm）的ASE光源，输出功率超过0.035W。2020年，Aubrecht等［33］报道了一种全光纤结构掺铥ASE宽带光源，输出波长在1850nm附近，输出功率在90mW以上，并且可以实现超过155nm的带宽。
掺铥光纤的ASE光源研究相对较少，波长集中在1940nm附近，输出功率在百纳米范围内下降较缓，相比窄线宽激光器，ASE光源的功率在频率上更分散，特性也更复杂。此外，ASE光源具有宽谱特性，使其可望结合扫频技术，获取层析图像［34］，在临床医疗诊断应用中发挥更大价值，促进诊疗一体化的铥光纤激光设备发展。
未完待续章节：
·准连续掺铥光纤激光器发展概述
·纳秒短脉冲掺铥光纤激光器发展概述
·掺铥光纤激光器在医疗领域的研究与应用