固体レーザー材料と固体レーザーの開発と応用

半導体励起固体レーザーは、ガスレーザーと比較して、小型、軽量、シンプルな電源、コンパクトな構造、持ち運びが容易、メンテナンスや操作が容易であるという利点があります。現在、外科的治療、筋肉組織の溶接、歯科治療、軽い鎮痛、軽い鍼治療に使用されています。 2μmのバンドは水分子の吸収ピークにあり、出力波長2μmの固体レーザーはレーザー手術に最適な波長です。通常のNd：YAGレーザー（1.064μm）と比較して、人体は2μmレーザーの吸収が良く、特に肝臓、胃、結腸、その他の軟組織などの敏感な組織では、レーザー切断能力が大幅に向上しています。 。さらに、シリカファイバーは2μmのレーザーを伝搬することもできるため、レーザーの透過が容易になります。現在、半導体レーザーで励起されたHo：YLF2.12μmレーザーは、コンパクトでメンテナンスが容易な携帯型医療機器になっています。 2μmレーザーは非常に幅広く重要な応用の見通しがあり、対応する分野で広く使用されていますが、ダイオード励起2μm固体レーザーの詳細な研究は、レーザーの製造から始まったわけではなく、長い間経験しました。時間。のプロセス。

2.外来固体レーザー材料および2μm帯のレーザーの開発状況
（1）Ho：YAGレーザー
1965年、ベル研究所のジョンソンらは、Ho：YAGが液体窒素温度で振動し[1]、使用した結晶を溶融塩法で成長させ、結晶長を25mm、3つの異なるレーザー波長を出力したことを最初に報告しました。出力波長が2.0975μmの場合、パルスしきい値は44J、出力波長が2.0914μmの場合、パルスしきい値は1760J、出力波長が2.1223μmの場合、パルスしきい値は410Jです。高いしきい値は、Ho：YAGの適用を制限します。
（2）Er、Tm、Ho：YAGレーザー
Ho：YAGレーザーのポンプ効率が低いのは、Ho3 +のYAGに弱い吸収線がわずかしかないためです。ジョンソンらは、ランプポンプエネルギーの吸収を高めるために、1966年にEr3 +とTm3 +を使用してHo3 +を増感しました。これらはポンプエネルギーを吸収して伝達するため、液体窒素温度で5％のフラッシュランプポンプ効率と15Wの連続レーザーを実現しました。 。出力[2]。 1975年、ベックらは、直径4mm、長さ70mmの結晶が、液体窒素温度で50Wを連続的に出力し、傾斜効率が6.5％であり、ポンプ源としてタングステンハロゲンランプを使用していることを報告しました[3]。 。 1981年、Barnesらは液体窒素温度でのパルスレーザー発振と増幅を実現しました。TEM00モード出力は112mJ、スロープ効率は1.2％、増幅出力は235mJでした。結晶の直径は4mm、長さは56mmです。結晶中のHo3 +、Tm3 +、Er3 +、Y3 +は、それぞれ0.021、0.037、0.616、0.326を占めます[4]。
（3）Tm、Ho：YAGレーザー
1987年、Fan et al。は、波長781.5のダイオードレーザーを使用してTm、Ho：YAGを励起し、室温で4.4mWのしきい値、19％の傾斜効率、および2.074μmの出力波長[5]。 1990年、Stonemanらは、TmとHo：YAGの2.09〜2.12の範囲の連続波長可変レーザー出力を実現しました。結晶はプルアップ法で成長させ、Tm3 +とHo3 +の含有量はそれぞれ8.3×1020cm-3と6.9×1019cm-3でした。
（4）Cr、Tm、Ho：YSGGレーザー
1986年にアルパテフはCr、Tm、Ho：YSGG（イットリウムスカンジウムガーネット）レーザー結晶を開発し、7.4Jの室温ランプポンプパルス出力エネルギー、3.1％のスロープ効率、2.088μmの出力波長を取得し、1988年にスイッチング動作を実現しました。 [6]。結晶の直径は4mm、長さは76mmです。結晶中のCr3 +、Tm3 +、Ho3 +の含有量は、それぞれ2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3です。室温で80mJの電気光学変調出力が得られ、このときのポンプ入力は125J、しきい値は60Jです。ミラーを回転させると、全幅500の280mJのマルチピーク光パルスが得られます。パルスには5〜6個のピークが含まれ、ピーク間の間隔は2μmで、各ピークの半値幅は40です。 -50。
（5）Cr、Tm、Ho：YAGレーザー
1988年、STSystemsのMarkE.Stormは単一の楕円形の空洞を使用し、Cr3 +、Tm3 +、およびHo3 +の濃度はそれぞれ2.7at％、5.8at％、および0.36at％でした。結晶の直径は5mm、長さは53mmです。フラッシュの内径は4mm、フラッシュの弧長は50mm、フラッシュのパルス幅は600us、ミラー全体の曲率半径は10m、出力レンズの透過率は85％です。 295Kの温度で、レーザーしきい値は25Jであり、スロープ効率は2.3％です[7]。
1989年、米国海軍調査研究所のGJQuarlesらは、67mmの銀メッキ楕円形キャビティと69mmの拡散反射キャビティを使用し、結晶径は5mm、長さは76.2mmでした。Cr3+、Tm3 +、Ho3 +の濃度は7.7でした。それぞれ×1019cm-3、8.0×1020cm-。3。5.0×1019cm-3、キセノンランプガス圧630Torr、フラッシュランプ内径4mm、フラッシュランプアーク長63.5mm、フラッシュランプパルス幅540us、共振器長300mm、ミラーの全曲率半径は1m、出力レンズの透過率は75％未満、出力波長は2.097μmです。拡散アンチキャビティを使用して、スロープ効率4.7％、しきい値70Jを取得します。銀メッキキャビティを使用して、5.1％のスロープ効率と38Jのしきい値が得られました[8]。同時に、YAGがCr、Tm、Ho：YAGの最良のマトリックスであり、Cr3 +→Tm3 + YAGのエネルギー伝達効率がYSAGおよびYSGGのエネルギー伝達効率よりも高いことが理論的および実験的に証明されています。
1990年、T。Beckeret al。は、30 Hzの繰り返し周波数でのCr、Tm、Ho：YAGレーザーの出力特性を報告しました。 Cr3 +、Tm3 +、およびHo3 +の濃度は、それぞれ2at％、5at％、および0.5at％でした。結晶径はそれぞれ2.8mm、4mm、5mm、結晶長は56mm、共振空洞長は300mm、全ミラー半径は1m、出力ミラー透過率は15％です。フラッシュランプの内径は4mm、アーク長は76mm、放電パルス幅は500μmです。 20oCでは、直径2.8mmの水晶の効率が他の2つよりも高くなっています。21Hzの繰り返し周波数で、スロープ効率は1.6％であり、同時に6.5Wの出力が得られます。繰り返し周波数は30Hz、2Wの出力が得られます。
1991年、米国海軍調査研究所は、結晶径5mm、長さ67mmの単一の楕円形の銀メッキキャビティを採用しました。Cr3+、Tm3 +、およびHo3 +の濃度は、0.8at％、6.0at％、および0.4at％でした。 、それぞれ。フラッシュライトアーク長は63mm、フラッシュライトパルス幅は290μs、共振器長は290mm、ミラー全体の曲率半径は0.5m、出力ミラーの透過率は20％、水温は20oCです。 、繰り返し周波数が1Hzの場合、最高のスロープ効率が得られます。同時に、変調の特性を調べたところ、スイッチCr、Tm、Ho：YAGの効率は、長パルスCr、Tm、Ho：YAGの効率よりもほぼ1桁低いことがわかりました。 、および2.121μmのゲイン係数は0.07 cm-1であり、これは2.121と推定されます。μmのゲイン係数は0.02〜0.07cm-1です[9]。
1994年、W。Zendzianet al。は、フラッシュランプで励起されたCr、Tm、Ho：YAGレーザーを報告しました。 110Jにエネルギーを注入すると、17Wの出力が得られ、スロープ効率は2％です。同時に、M2パラメータに対する熱焦点距離の影響が理論的および実験的に検証されています[10]。
1998年、Yoichi et al。は、10oCの温度と85.9J / cm3のポンプエネルギー密度で、Cr、Tm：YAGおよびCr、Tm、Ho：YAGの最大小信号利得係数は0.144cm-1であると報告しました。それぞれ0.234cm。-1[11]。
2000年、Cheng Liらは、フラッシュランプで励起されたCr、Tm、Ho：YAG結晶の使用を報告しました。自走モードでは、室温で4.5Jのレーザー出力が得られ、出力波長は2.098μmでした。スロープ効率は2.7％、しきい値エネルギーは95Jでした。音響光学変調モードでは、室温でのシングルモード出力は530mJを超え、パルス幅は165nsです。結晶の直径は4mm、長さは100mmです。結晶中のCr3 +、Tm3 +、Ho3 +の含有量はそれぞれ1.2at％、6.1at％、0.4at％です[12]。
医療用ホルミウムレーザーの研究開発では、American Coherent Companyなどが主導的地位を占めています。1990年に最初の医療用ホルミウムレーザー治療機がユーザーに提供されました。現在、平均出力20Wの単一波長モデルが3つあります。 60Wと100Wが開発されました。、対応する繰り返し周波数は5-20Hz、5-40Hz、5-50Hz、対応する単一パルスエネルギーは0.5-2.5J、0.2-3.5J、0.2-3.5J、対応する平均は電力設定は2J / 10Hz、1.5J / 40Hz、2J / 50Hzで、パルス幅は500μsです。さらに、繰り返し周波数が5〜40Hz、単一パルスエネルギーが0.2〜3.5J、対応する平均出力設定が2J / 40Hz、パルス持続時間が500μsの80 / 100Wデュアル波長ホルミウム＆Nd：YAGレーザーがあります。 。これらは、Versa PulsePowerSuiteTmシリーズのホルミウムレーザーを構成します。

American Trimedyne Companyが開発したホルミウムレーザー治療機の平均出力は、30Wと80Wの2種類です。 30Wホルミウムレーザー治療装置の場合、単一パルスエネルギーは0.2〜3.5J、繰り返し周波数は5〜20Hz、パルス持続時間は350μsです。 80Wホルミウムレーザー治療機は、独自のデュアルパルス技術を使用しており、周囲の軟組織への損傷を最小限に抑えながら、硬組織により多くのエネルギーを供給することができます。シングルパルスエネルギーは0.2〜3.5J、繰り返し周波数は5〜60Hz、ダブルパルスモードでは、シングルパルス有効エネルギーは0.4〜7J、繰り返し周波数は3〜30Hz、パルス持続時間は350μsです。
 
3.2μm帯の国内固体レーザー材料およびレーザーの開発状況
1991年以来、第11回電子工学省研究所はホルミウムレーザー結晶の研究を開始しました。誘導加熱プル法は、Cr、Tm、Ho：YAG結晶の成長に使用され、高効率のCr3 +→Tm3 +→Ho3 +エネルギー伝達や高光学品質の結晶成長プロセスなどの一連の重要な技術を解決します。レーザーバーの主な技術的指標は、0.3干渉縞/ 25mm、散乱粒子なし、2.3Jの単一パルス出力エネルギーに達します。
1995年、華中科技大学のHongbo Yeらは、室温で3Jの出力エネルギーを持つHo：YAGレーザーを開発しました。実験で使用したポンピング方法はパルスキセノンランプポンピングであり、濃縮キャビティは銀メッキされた単一の楕円形キャビティであり、冷却方法は冷却水の一定温度制御であり、温度変動範囲は10±5oCです。実験では、国内のロッドサイズはφ5×93mm、共振空洞は平凹空洞、空洞長さは280mmです。トータルミラーは曲率1mの球面鏡です。出力ミラーはフラットミラー、出力ミラーの透過率は29％、冷却温度は9oC、放電パルスの半値幅は360μs、レーザーしきい値は98.4J、単一パルス出力は3Jを超えています。 1997年、中国計量大学オプトエレクトロニクス研究所のHuang Lileiらは、国産の結晶Cr3 +（2.3×1020cm-3）、Tm3 +（8.2×1020cm-3）、Ho3 +（5.4×1020cm-3）：YAGを使用しました。サイズはφ6×100mmで、円筒状のコンデンサーキャビティと交差する単一のランプを使用し、内壁はAg箔で研磨されています。共振空洞は平凹空洞であり、出力ミラーの曲率半径は5m、透過率は25％、2.1レーザーに対するミラー全体の反射率は98％を超えています。圧力2×105Pa、周波数1 Hz、冷却水温度18〜22oC、レーザーしきい値73〜84J、傾斜効率2〜4％、単一パルスエネルギーのキセノンランプで励起0.8から1.4Jの[13]。
1997年、Anhui Institute of Optics andMechanicsのChenChangshuiらは、Cr、Tm、Ho：YAGレーザーのスイッチングに関する実験的研究を行い、単一パルスエネルギー60mJで2.1μmの安定した変調レーザー出力を取得し、周波数を2倍にしました。光パルスの半値幅（1.05μm）は35nsです[14]。
Anhui Institute of Optics andMechanicsのLuShiping研究グループによって開発されたHJZ-1-10ホルミウムレーザー治療機は、杭州の州医療局の光学、レーザー、および低温治療装置品質検査センターの新製品登録テストに合格しました1997年12月に。 55°Cの高温、-40oCの低温、93％の湿度、および電気絶縁強度でのさまざまな環境実験の厳密なテストの後、2つの医療用ホルミウムレーザーによって達成される指標は次のとおりです。パルス繰り返し周波数は4〜10Hzです。段階的に調整可能で、出力は平均的です。電力は約14W、出力電力の不安定性は±2.0％、伝送ファイバの結合効率は65％を超えています。現在、これら2台のホルミウムレーザー治療装置は病院で臨床応用研究が行われています[15]。前述のように、現在の国内のホルミウムレーザー治療装置の平均出力は約14Wであり、これは外国のレベルをはるかに下回っており、医療の臨床治療の要件を満たすことができません。
 
4、医療用Cr、Tm、Hoの特性：YAGレーザー
人間の組織に占める水の割合は約70％であるため、組織による光の吸収は水の吸収と同じです。水は中赤外線帯にそれぞれ2.5〜4.0μmと5.6〜10μmの2つの強い吸収帯を持っています。したがって、レーザーが人間の組織と相互作用するとき、水によって使用されるレーザーの吸収係数は、組織へのレーザーの侵入深さ、損傷領域、および操作の精度を決定します。Nd：YAGレーザーの波長は次のとおりです。 1.06μm、クォーツが使用可能光ファイバ伝送は医療に多くの用途があります。ただし、水は0.1cm-1しか吸収しないため、一部の外科手術では侵入深さが深く、損傷領域が大きく、外科的精度が高くないため、使用には適していません。 Er：YAGレーザーの波長は2.94μmで、水による吸収は3000cm-1で、水の強い吸収帯です。医療用途にはエルビウムレーザーが理想的な光源ですが、シリカファイバーがエルビウムレーザーを透過できないのは残念であり、エルビウムレーザーを透過できる非シリカファイバーは壊れやすく、臨床用途に支障をきたしています。 Ho：YAGレーザーの波長は2.1μmで、水の強い吸収線にあります。吸水率は約25cm-1で、Nd：YAGレーザーの250倍です。明らかに、Ho：YAGレーザーの水による強い吸収により、ほとんどの軟組織と硬組織で浅い侵入深さ、高い外科的精度、および独自の凝固を実現でき、損傷領域が大幅に制限されます。今後数年間で、Nd：YAGレーザーに徐々に取って代わります。水によるホルミウムレーザーの吸収は、水によるエルビウムレーザーの吸収のわずか120分の1ですが、ホルミウムレーザーは、低OHシリカファイバーで透過できるため、ガスおよび液体環境で効果的に機能します。医師が軟骨やその他の硬い組織を除去するための正確な方法を提供し、ホルミウムレーザーを既存のレーザー内視鏡システムの最適な光源にします[37]。 CO2レーザーと比較して、軟組織でのホルミウムレーザーの手術精度は、CO2レーザーよりもわずかに低い場合がありますが、ほとんどの組織でより優れた凝固機能を提供できます。また、CO2レーザーはクォーツファイバーでは透過できず、かさばる関節アームでしか誘導できないため、非常に不便ですが、ファイバーで透過できるパルスホルミウムレーザーはカットされています。軟骨やその他の硬い石灰化組織を侵食するための効果的なツールです。そのため、CO2レーザーにとってホルミウムレーザーは難しいと言う人もいますが、一部の手術では、ホルミウムレーザーがCO2レーザーに取って代わる可能性があります。
5.高出力ホルミウムレーザー技術計画の提案
上記のホルミウムレーザーの医療への具体的な応用に応じて、ランプ励起ホルミウムレーザーの実用的なソリューションを提案し、高出力を実現します。シングルチャネル電源の放電信号の周波数分割処理、ソフトウェアとハードウェアでのシングルチャネル電源の変換複数の放電回路を備え、交互に等しい時間間隔で動作するマルチチャネル電源が最終的に実現され、2つまたは4つのCrに対して1つの電源のアイデアが実現しました、Tm、Ho：等時間間隔で交互に動作するYAGレーザーがついに実現しました。 水温が0oC、シングルパルス注入エネルギーが100J、繰り返し周波数が20Hzの場合、デュアルチャンネルCr、Tm、Ho：YAGレーザーの直接出力は35Wを超えると予想され、出力は光路後のファイバ端は25Wです。 この設計スキームは、同様のレーザーの研究と応用のための好ましい参考資料を提供し、特定の指針となる重要性を持っています。