激光是60 年代初出现的一种新型光源,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性,引起普遍重视,并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛应用。激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物,激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代,随着新型激光器的研制成功,激光与医疗、生物组织科学紧密结合,研究范围日益扩大。

　　Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点,在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的, 不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点,本文主要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用,使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗仪的治疗效果。

　　一、Nd:YAG 激光器的特性

　　能产生激光的系统,称为激光器。一台简单的激光器通常由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。自1960 年第一台激光器诞生以来,已有上百种激光器问世。形形色色的激光器彼此之间差异极大,根据产生激光的工作物质,有气体、液体、固体和半导体激光器等。固体激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器,工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料,而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。但发光粒子受基质材料的影响,其光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。发光粒子称为激活离子,最常用的激活离子为钕、铬等稀土元素离子。例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG) 晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。掺钕激光器是当前应用最广泛的固体器件之一,在激光加工、医疗、军事等领域应用广泛。

图 　Nd:YAG 的能级图

　　Nd:YAG 激光器为四能级系统,室温下有多条荧光谱线,正常工作条件下(室温) 1064 纳米波长激光振荡最强,简化能级如图1 所示。如果在谐振腔中插入标准具或色散棱镜,或以特殊设计的谐振腔反射镜作为输出镜、使用镀有高度选择性介质膜的反射镜,抑制不需要的波长的激光振荡,可获得所需波长的激光跃迁,如1319 纳米、1338 纳米、946 纳米等。输出波长为1064 纳米的Nd:YAG 激光器,经过倍频( KTP) 晶体后可产生波长为532 纳米的激光。输出光有连续、准连续等形式。

　　Nd:YAG 中掺入Nd3 + 浓度应合理,掺杂浓度高,则吸收率高、反转粒子数高、激光器的效率高,但是掺杂浓度太高时,转换效率不仅不会增高,反而会下降,甚至出现浓度淬灭现象。Nd 原子浓度一般在015%～115% 以内,浓度较高会缩短荧光寿命,使展宽线变宽,在晶体中引起应变,最终导致光学质量变差、效率降低。应用中,可根据需要选择合适的掺杂浓度,从而提高激光器的性能,对于Q 开关3 运转, 选择高浓度的掺剂(112%) ,以产生高储能;对于连续运转,通常选择低浓度的掺剂(015%～018%) ,以获得优良的光束质量。增益介质的尺寸通常根据激光器的增益选择,高增益的激光器选择大尺寸的YAG 棒,长度可达150 毫米,低增益的激光器通常选择短的激光棒,有几毫米或十几毫米,太长的激光棒不仅不能提高增益,反而会因为吸收损耗等因素而降低效率。

　　Nd:YAG 激光器采用激光二极管(LD) 作为泵浦源,体积小、重量轻、效率高、寿命长,不需要冷却系统,为激光系统小型化提供了有利条件。LD 泵浦Nd:YAG 激光器的结构形式有端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦方式灵活方便,通过光纤耦合的泵浦光发散角小,可与固体激光器的基模相匹配。侧面泵浦可采用多个LD 阵列,散热效果好,可提供较强的泵浦光,适合大功率运转。

　　LD 泵浦的全固态调Q 激光器是把能量以激活离子的形式存储在增益介质的激光高能级上,集中在一个很短的时间内释放出来,可产生高重复频率、高峰值功率、脉宽可调节等特性,在光学检测、原子
分子物理、光谱学、非线性光学、激光医疗、激光雷达和光电对抗等领域具有重大应用价值。

　　Q 开关激光器脉冲短、峰值功率高,热效应小, Q 开关激光聚集在靶点组织时会产生冲击波,靶点组织受到机械性的微爆破作用。国内外已有很多关于Q 开关Nd∶YAG激光在医学领域中各个方面的应用报道,如外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮肤科等。

　　调Q 激光器的工作方式多种多样,分为主动式调Q 、被动式调Q 、转镜调Q 等。主动式调Q 激光器主要有声光调Q 、电光调Q ,可饱和吸收调Q 激光器是被动式调Q 激光器。声光Q 激光器具有插入损耗小、调制电压低、易与连续激光器配合获得高重复率巨脉冲、稳定性好等优点,但对高能量激光器的开关能力较差,只能用于低增益的连续激光器。电光Q 开关激光器具有开关时间短(10 - 9秒) 、输出脉宽较窄(10～20 纳米) 、效率高、调Q 时刻可精确控制、峰值功率高(几十兆瓦以上) 等优点,缺点是半波电压较高,需要几千伏的高压脉冲。被动式可饱和吸收调Q 激光器适于高重复频率、高功率的激光器,产生窄脉宽巨脉冲的同时,谱线变窄,达到选择相同能量和动量光子的作用,但它是一种被动式Q 开关,不能人为控制调Q 脉冲的产生时刻。转镜调Q 激光器属于慢开关型,无插入损耗、无光损伤,用于能量较大的脉冲激光器,可获得峰值功率在几十兆瓦以上、脉宽为纳秒级的巨脉冲,主要缺点是高转速下的机械磨损影响其使用寿命,且装配工艺要求高,目前已基本不用。