准连续激光器也是一种脉冲激光器,输出的脉宽常为毫秒级,最低为几十微秒。和纳秒、皮秒、飞秒激光器等短脉冲激光器具有超短脉冲、较低平均功率和极高的峰值功率不同,准连续激光器的峰值功率通常只有其平均功率的几倍至几十倍。准连续激光器的性能与连续激光器密切相关,因为准连续激光器是在连续激光器的基础上利用调制方式实现,获得比连续功率更高的峰值功率,主要包括泵浦调制技术与外调制技术两种,其中泵浦调制技术更为常用。目前发展比较成熟的连续激光器为准连续激光器的研究奠定很好的基础,连续激光器的结构、功率、线宽、调谐范围、光束质量等特性都可以被准连续激光器继承。图10是激光器连续式和准连续模式下的输出信号对比图。
准连续激光器从20世纪末开始发展起来,准连续掺铥光纤激光器则从近10年开始被人们关注,很快凭借着峰值功率更高、对周围组织热影响更小,以及脉冲形状可调等优势,在医疗领域中得到了很多的研究和应用。特别是在泌尿外科结石治疗领域,准连续掺铥光纤激光器在激光波长、输出功率配置、时域特性、光纤传导、综合性价比等方面都是对传统设备技术的一次全面革新,得到国内外专家高度关注。
2015年,Pal 等[35]报道了一种用于软组织手术的1950nm 全光纤激光器,针对准连续激光器的占空比和脉宽进行参数优化 ,得到了4.91W的输出功率 。2016年,Sypin等[36]报道了一种新的紧凑型铥光纤激光器,以毫秒脉冲模式工作,峰值功率为500W,平均功率为50W,脉冲能量为5J。2017年,Pal等[37]报道了医用连续和准连续全光纤铥激光器,在准连续波工作模式下 ,峰值功率为16W,脉冲能量范围达到400μJ~5mJ。2018 年又报道了一种用于肾结石碎裂的1940nm准连续掺铥光纤激光器[38](图11),以400Hz~1kHz的重复频率工作,脉宽为几十微秒到百微秒,峰值功率为250W,平均功率为10W,脉冲能量为10~25mJ,适用于肾结石清除。2020年,Limongelli等[39]报道了一种准连续掺铥光纤激光器(图12),采用7个793nm光纤耦合泵浦的二极管阵列作为泵浦源,输出功率为564 W。
目前国内外均已实现了准连续掺铥光纤激光器的产品化(图13),本文比较了IPG 公司、Futonics公司、nLight公司以及国内莱凯医疗的四种产品,具体参数整理在表5 中。IPG公司的TLM-50/500-QCW产品,输出波长为1943nm,调谐范围为1880~2100 nm,平均功率为50W,峰值功率为500W,最大脉冲能量为5J,脉宽在0.2~50ms可调,带宽控制在2nm以内,重复频率最大2.5kHz。Futonics公司的IFL QCW 准连续激光器模组,可以在脉冲和连续波模式下运行,准连续峰值功率为650W,最大平均功率为150W,脉冲能量为0.05~18J,脉宽为0.1~50ms,重复频率最大为3kHz,采用水冷模式。nLIGHT公司的TFL-60产品,输出波长范围为1930~1950nm,最大输出功率达到600W,最大平均功率为60 W,最大脉冲能量为7J,脉宽0.05~20ms范围可调,带宽为10nm,重复频率最大为10kHz。 国内密尔医疗于2021年开发出MIRON产品激光样机,输出波段为1930~1950nm,最大平均功率超过150W,峰值功率最大可以达到750W,脉宽0.1~400ms范围可调,重复频率最大为5 kHz。
准连续掺铥光纤激光器发展时间不长,但在连续掺铥光纤激光器迅速发展和研究的基础上,准连续掺铥光纤激光器获得了飞速发展,形成了成熟的商用产品,不同公司的技术指标各有优劣,综合性能上逐步满足目标应用的具体需求。
纳秒短脉冲掺铥光纤激光器输出脉冲具有更高的峰值功率,可达数千瓦甚至数十千瓦以上,可以超高传统的钬激光器峰值功率。本节重点介绍了纳秒短脉冲掺铥光纤激光器在近些年的部分重要报道或产品。2007年,Eichhorn等[40]报道了输出中心波长在 1983nm处的短脉冲激光器,脉宽为 41ns,峰值功率达到6.6kW,平均功率为30W,重复频率为111kHz,单脉冲能量达到0.27mJ。2010年,中佛罗里达大学团队报道的短脉冲掺铥光纤激光器[41],平均输出功率为6.5W,重复频率为20kHz,中心波长1992nm,但脉冲能量为0. 325mJ,峰值功率2.6kW。 2013年 ,Stutzki等[42]使用芯径81μm的大间距光纤作为增益介质,如图14所示,采用双端泵浦结构,在重复频率为13.9kHz下获得了脉宽 5ns、峰值功率150kW、平均功率达到33W、单脉冲能量为2.4mJ、中心波长为2013nm的激光输出,也是目前单模运转的掺铥光纤振荡器输出的最大脉冲能量。2015年,国防科技大学Li 等[43]也成功研发了短脉冲掺铥激光器,单脉冲能量接近1mJ,峰值功率达到10kW,脉冲宽度为100ns。2018年,美国Cybel LLC公司基于 iXblue 的单模铥光纤(5μm 芯径)研发的短脉冲掺铥光纤激光器[44]能够实现100kHz高重复频率下2.5kW峰值功率的6ns激光输出,并推出了相关脉冲激光产品。表6中列出了更多的相关研究情况。2018年,波兰军事科技大学Grzes等[45]对种子单元进行优化设计,基于150ns脉冲1550nm 激光纤芯泵浦铥光纤振荡器,增益开关获得线宽近2nm的2000.2nm激光输出 ,然后经过25/250μm双包层铥光纤放大获得平均功率16W@25 kHz、单脉冲能量0.64mJ、峰值功率超过35.6kW@18ns的2000.2nm脉冲激光输出。此外,采用光子晶体光纤也可增大模场直径,能更有效地提高峰值功率,但很难实现全光纤结构。2021年,国防科技大学研究团队报道了基于类噪声脉冲泵浦的高重复频率增益开关掺铥光纤激光器[46],作为泵浦脉冲,锁模光纤激光器产生的百纳秒量级的类噪声脉冲被铒镱共掺光纤放大器放大,产生1940nm的增益开关脉冲,最小脉冲持续时间14.7ns。最大输出功率达到2.44W,峰值功率接近263kW。
目前,基于全光纤结构的纳秒短脉冲掺铥激光器仍存在技术难点,例如高峰值功率下的非线性效应、环境稳定性较差、难以实现自启动、锁模元件成本较高、激光器系统全光纤化程度不高等。增加纤芯尺寸、提高Tm3+掺杂浓度、增加谱线宽度、减小脉冲宽度、减小增益光纤长度等方法对峰值功率提升是有益的,在医疗领域,目前尚未推出有关的商用产品,主要原因包括两方面:首先是传统泌尿碎石应用主要基于低频大能量钬激光技术体制,高频低能量的脉冲激光引入后还需要更多的性能验证与临床数据支撑;其次是可供更多医疗研究者尝试的商用纳秒短脉冲铥光纤激光器很少,特别是在中国,尚找不到任何一款纳秒短脉冲铥光纤激光器货架产品。
未完待续章节:
·掺铥光纤激光器在医疗领域的研究与应用