Er:YAG（掺铒钇铝石榴石）激光器是一种固态激光器，其有源增益介质是掺杂铒离子（Er3+）的合成YAG晶体。它最显著的特点是能够发射波长精确为2940 nm的中红外光谱光。该特定波长与水的吸收峰相对应，使得Er:YAG激光器在切割和烧蚀富含水的材料，特别是生物组织方面效率极高。
工作原理
Er:YAG激光器通过受激发射过程运行。
- 激发（泵浦）：外部能源激发YAG晶格内的铒离子（Er3+），促使其电子跃迁到更高的能级，从而实现粒子数反转。
- 发射：当电子回落到较低能级时，它们会释放光子。铒离子中特定的能隙导致发射波长为2940 nm的光子。
- 吸收：实际应用中的基本工作原理取决于其目标。由于水对2940 nm光的吸收极好，激光能量在撞击富水表面时会立即转化为热量，导致水分子快速汽化。
物理结构
Er:YAG激光器的核心结构由三个主要子系统组成：
- 增益介质：掺杂铒离子的钇铝石榴石（YAG）晶体圆棒或板。
- 泵浦源：通常使用高强度氙灯或氪灯进行光学泵浦以实现脉冲操作。高功率激光二极管也可用于更高效、有针对性的泵浦。
- 光学谐振腔：两面镜子围绕着增益介质。一面是高反射镜，另一面（输出耦合器）是部分透射镜，允许2940 nm激光束离开腔体。
- 光束传输系统：由于标准石英光纤会强烈吸收2940 nm光，Er:YAG激光器通常使用专用传输系统，例如带有反射镜的关节臂或由氟锆酸盐玻璃等特殊材料制成的中空波导。
关键光学指标
- 波长：2940 nm（中红外）。
- 在水中的吸收系数：≈ 12000 cm-1（极高，意味着光线在水中仅穿透几微米就会被完全吸收）。
- 脉冲持续时间：通常以脉冲模式运行，范围从短的Q开关脉冲（纳秒）到较长的自由运行脉冲（微秒到毫秒）。
- 脉冲能量：根据配置和泵浦源的不同，可从几毫焦（mJ）到几焦耳（J）不等。
分类和类型
- 自由运行Er:YAG：产生较长的脉冲（通常为100至1000微秒）。最适用于大块组织烧蚀和钻孔，其中稍深的 тепло اثر 可接受或需要凝固。
- Q开关Er:YAG：在腔内使用光学开关产生极短、高峰值功率的脉冲（纳秒）。用于精确、超浅层烧蚀，对周围区域几乎没有热损伤。
- 飞梭Er:YAG：使用微透镜阵列（一种专用光学元件）修改输出光束，将单束光分成数十或数百束微束。这使得被烧蚀区域之间保留健康的组织，促进快速愈合。
应用
由于其在水中的高吸收性，Er:YAG激光器主要应用于医疗和美容领域：
- 牙科：用于硬组织（钻牙釉质和牙本质中的蛀牙）和软组织（牙龈手术）应用。
- 皮肤科：用于皮肤焕肤、疤痕修复和去除良性表皮病变（疣、皮肤赘生物）。
- 耳鼻喉科（ENT）：用于中耳手术中的精确骨烧蚀。
实际案例：牙齿蛀洞预备
在治疗龋齿时，牙医可以使用Er:YAG激光器代替传统的机械钻。
牙釉质和牙本质含有少量水和羟基磷灰石。当2940 nm激光束照射到患龋的牙齿时，目标组织中的水分子几乎立即吸收能量并汽化。蒸汽的快速膨胀导致局部“微爆炸”，将周围的矿化组织弹出——这一过程被称为光机械烧蚀。
由于能量在如此浅的层中被完全吸收，很少有热量传递到更深的牙齿结构。这可以防止对敏感牙髓的损害，并显著减轻患者感受到的疼痛，通常无需局部麻醉。
