激光是60 年代初出現(xiàn)的一種新型光源,激光以其高亮度、高單色性、高方向性和高相干性,引起普遍重視,并很快在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光醫(yī)學(xué)是激光技術(shù)與醫(yī)療科學(xué)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,激光在70 年代開始廣泛用于臨床;90 年代,隨著新型激光器的研制成功,激光與醫(yī)療、生物組織科學(xué)緊密結(jié)合,研究范圍日益擴(kuò)大。

　　Nd:YAG 激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應(yīng)小、機(jī)械性能良好、適合各種工作模式(連續(xù)、脈沖) 等特點(diǎn),在當(dāng)今各種固體激光器中應(yīng)用物質(zhì)相互作用的效果是不同的, 不同波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器采用連續(xù)、脈沖等方式工作使激光與不同部位的生物組織相互作用,可以獲得良好的療效。醫(yī)用Nd:YAG 激光器在外科手術(shù)、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮膚科、美容等方面應(yīng)用廣泛,特別是治療皮膚色素性疾病,有創(chuàng)傷小、愈合好、無疤痕等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),本文主要介紹Nd:YAG 激光器的特性以及在治療皮膚疾病方面的應(yīng)用,使讀者了解各種激光器的性能及不同種類激光治療儀的治療效果。

　　一、Nd:YAG 激光器的特性

　　能產(chǎn)生激光的系統(tǒng),稱為激光器。一臺(tái)簡(jiǎn)單的激光器通常由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔三部分組成。自1960 年第一臺(tái)激光器誕生以來,已有上百種激光器問世。形形色色的激光器彼此之間差異極大,根據(jù)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì),有氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器等。固體激光器是以固態(tài)基質(zhì)中摻入少量激活元素為工作物質(zhì)的激光器,工作物質(zhì)的物理化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料,而其光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。但發(fā)光粒子受基質(zhì)材料的影響,其光譜特性將有所變化,有的甚至變化很大。用作基質(zhì)的主要有剛玉、石榴石晶體及各種玻璃等。發(fā)光粒子稱為激活離子,最常用的激活離子為釹、鉻等稀土元素離子。例如世界上第一臺(tái)激光器所用工作物質(zhì)為紅寶石,就是摻入極少量鉻離子的剛玉。以摻有一定量釹離子(Nd3 + ) 的釔鋁石榴石( YAG) 晶體為工作物質(zhì)的激光器,稱為摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG) 激光器。摻釹激光器是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的固體器件之一,在激光加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖 　Nd:YAG 的能級(jí)圖

　　Nd:YAG 激光器為四能級(jí)系統(tǒng),室溫下有多條熒光譜線,正常工作條件下(室溫) 1064 納米波長(zhǎng)激光振蕩最強(qiáng),簡(jiǎn)化能級(jí)如圖1 所示。如果在諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具或色散棱鏡,或以特殊設(shè)計(jì)的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質(zhì)膜的反射鏡,抑制不需要的波長(zhǎng)的激光振蕩,可獲得所需波長(zhǎng)的激光躍遷,如1319 納米、1338 納米、946 納米等。輸出波長(zhǎng)為1064 納米的Nd:YAG 激光器,經(jīng)過倍頻( KTP) 晶體后可產(chǎn)生波長(zhǎng)為532 納米的激光。輸出光有連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)等形式。

　　Nd:YAG 中摻入Nd3 + 濃度應(yīng)合理,摻雜濃度高,則吸收率高、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)高、激光器的效率高,但是摻雜濃度太高時(shí),轉(zhuǎn)換效率不僅不會(huì)增高,反而會(huì)下降,甚至出現(xiàn)濃度淬滅現(xiàn)象。Nd 原子濃度一般在015%～115% 以內(nèi),濃度較高會(huì)縮短熒光壽命,使展寬線變寬,在晶體中引起應(yīng)變,最終導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量變差、效率降低。應(yīng)用中,可根據(jù)需要選擇合適的摻雜濃度,從而提高激光器的性能,對(duì)于Q 開關(guān)3 運(yùn)轉(zhuǎn), 選擇高濃度的摻劑(112%) ,以產(chǎn)生高儲(chǔ)能;對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),通常選擇低濃度的摻劑(015%～018%) ,以獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量。增益介質(zhì)的尺寸通常根據(jù)激光器的增益選擇,高增益的激光器選擇大尺寸的YAG 棒,長(zhǎng)度可達(dá)150 毫米,低增益的激光器通常選擇短的激光棒,有幾毫米或十幾毫米,太長(zhǎng)的激光棒不僅不能提高增益,反而會(huì)因?yàn)槲論p耗等因素而降低效率。

　　Nd:YAG 激光器采用激光二極管(LD) 作為泵浦源,體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng),不需要冷卻系統(tǒng),為激光系統(tǒng)小型化提供了有利條件。LD 泵浦Nd:YAG 激光器的結(jié)構(gòu)形式有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種。端面泵浦方式靈活方便,通過光纖耦合的泵浦光發(fā)散角小,可與固體激光器的基模相匹配。側(cè)面泵浦可采用多個(gè)LD 陣列,散熱效果好,可提供較強(qiáng)的泵浦光,適合大功率運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　LD 泵浦的全固態(tài)調(diào)Q 激光器是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在增益介質(zhì)的激光高能級(jí)上,集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)釋放出來,可產(chǎn)生高重復(fù)頻率、高峰值功率、脈寬可調(diào)節(jié)等特性,在光學(xué)檢測(cè)、原子
分子物理、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)和光電對(duì)抗等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。

　　Q 開關(guān)激光器脈沖短、峰值功率高,熱效應(yīng)小, Q 開關(guān)激光聚集在靶點(diǎn)組織時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波,靶點(diǎn)組織受到機(jī)械性的微爆破作用。國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于Q 開關(guān)Nd∶YAG激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各個(gè)方面的應(yīng)用報(bào)道,如外科手術(shù)、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮膚科等。

　　調(diào)Q 激光器的工作方式多種多樣,分為主動(dòng)式調(diào)Q 、被動(dòng)式調(diào)Q 、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 等。主動(dòng)式調(diào)Q 激光器主要有聲光調(diào)Q 、電光調(diào)Q ,可飽和吸收調(diào)Q 激光器是被動(dòng)式調(diào)Q 激光器。聲光Q 激光器具有插入損耗小、調(diào)制電壓低、易與連續(xù)激光器配合獲得高重復(fù)率巨脈沖、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差,只能用于低增益的連續(xù)激光器。電光Q 開關(guān)激光器具有開關(guān)時(shí)間短(10 - 9秒) 、輸出脈寬較窄(10～20 納米) 、效率高、調(diào)Q 時(shí)刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上) 等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是半波電壓較高,需要幾千伏的高壓脈沖。被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q 激光器適于高重復(fù)頻率、高功率的激光器,產(chǎn)生窄脈寬巨脈沖的同時(shí),譜線變窄,達(dá)到選擇相同能量和動(dòng)量光子的作用,但它是一種被動(dòng)式Q 開關(guān),不能人為控制調(diào)Q 脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 激光器屬于慢開關(guān)型,無插入損耗、無光損傷,用于能量較大的脈沖激光器,可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上、脈寬為納秒級(jí)的巨脈沖,主要缺點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨損影響其使用壽命,且裝配工藝要求高,目前已基本不用。