掺铥光纤激光器是医疗激光器重要发展方向

近年来，激光凭借着优良的单色性、准直性以及较高的能量密度，在生物医疗领域尤其是微创手术方面取得了较大的发展。常见的2 μm医疗激光器包括掺钬激光器和掺铥激光器。

掺铥光纤激光器是什么？

掺铥光纤激光器是指掺稀土元素铥的光纤作为增益介质的激光器，其主要由泵浦源、耦合器、掺铥光纤、谐振腔等器件构成。掺铥激光器相较于掺钬激光器更接近2 μm的水分子吸收峰，可以更好地汽化和切割组织，具有更高的切割精度，因此在组织切割和碎石手术方面的表现均好于掺钬激光器。而且掺铥光纤激光器增益物质为掺铥光纤，具有转化效率高、性能可靠、传输损耗低、体积小巧紧凑、易于集成等特点，是医疗激光器的理想选择之一，因此更受到研究人员和医务工作者的青睐。

在生物医疗领域，掺铥激光器已经实现了较为广泛的应用，掺铥激光可以作为常规组织缝合的替代手段应用在结石碎石、静脉曲张闭合、喉部微创手术以及口腔鳞状细胞癌切除等方面。

铥（Tm）是一种稀土元素，单质为银白色金属，质软有延展性，氧化物为淡绿色晶体。铥资源稀少，常与其他稀土元素共存于硅铍钇矿、黑稀金矿、磷钇矿和独居石中。铥具有特殊光谱，可用于癌症放射治疗、弧光灯照明、激光器、钞票防伪等领域。

掺铥激光器的研究发展

掺铥激光器可分为掺铥固体激光器和掺铥光纤激光器，其中传统固体激光器需要将增益物质受激辐射产生的激光，通过透镜耦合进入传输光纤中，但在耦合过程中损耗较大。而全光纤结构的掺铥光纤激光器是第三代固体激光器，增益物质为掺铥光纤，泵浦光通过光纤传输无需空间结构耦合，激光始终束缚在光纤纤芯内，斜率效率高而传输损耗低。因此，光纤激光器具有较好的光束质量和准直性、较高的能量密度，同时结构紧凑、传输损耗低且易于集成，是理想的医疗激光器选择。

自上世纪八十年代以来，随着技术进步、需求增长，全球关于掺铥光纤激光器的研究也在不断发展，并取得了重大突破，在国际市场上，2010年，Q-peak通过两级主振荡功率放大（MOPA）结构，掺铥光纤激光器首次获得了超过1 kW的连续单模激光输出，中心波长为2045 nm，斜率效率为53.2%。掺铥光纤激光器供应商有美国IPG、德国Lisa Laser、日本奥林巴斯、Nufern、Coactive等。与国外市场相比，我国掺铥光纤激光器研究和应用起步晚，且发展进程缓慢，掺铥光纤等核心器件长期依赖进口。

在需求升级下，高性能、高稳定的光纤激光器成为市场研究重心，掺铥光纤激光器具有独特优势，是医疗激光器的重要发展方向。我国掺铥光纤激光器生产企业有飞博激光、长进激光等，研究机构涉及到华中科技大学、国防科技大学等。2016年，国防科技大学基于MOPA结构搭建了最大输出功率为238 W、最大脉冲能量为0. 749 mJ的高功率纳秒掺铥光纤激光器，处于国内领先水平；2020年，华中科技大学利用自制大模场掺铥光纤，成功搭建一级MOPA放大结构的掺铥光纤连续激光器，种子源经过放大后在中心波长1980. 89 nm处实现最高输出功率530 W，对应的斜率效率为50%。该成果是目前国内已知2 μm全光纤结构连续激光器的最高输出功率。

掺铥激光器在的主要应用和未来方向

相较于电灼烧手术刀和传统医疗激光器（例如CO2激光器、Ho∶YAG激光器、Nd∶YAG激光器），在2 μm波段的掺铥激光受到水分子更强烈的吸收，利用激光生物组织热效应和“微爆”效应可以更精准、可控地实现组织消融和碎石，进而减少对周围组织的创伤。并且，掺铥激光可以通过小芯径光纤传输，在微创手术中具有极大的发展前景。

除了组织消融与碎石手术之外，利用水分子高吸收掺铥激光的特性解锁更多的生物医疗应用，如激光诱导液体微射流效应等，同样是研究人员未来工作的重要方向。