钬:钇铝石榴石激光器（Ho:YAG激光器）是一种固态激光器，它使用掺有钬离子（Ho3+）的钇铝石榴石（Y3Al5O12）晶体作为其主动增益介质。该激光器主要发射中红外光谱中2.1微米（或2100纳米）波长的光，因其波长能被液态水和生物组织强烈吸收，同时又能够通过标准石英光纤传输而备受推崇。
工作原理
钬:钇铝石榴石激光器通过光泵浦工作，外部光线激发晶格内的钬离子达到更高的能量状态。当这些离子发生受激辐射时，它们会释放2.1 微米波长的光子。
由于钬离子对标准泵浦光的吸收效率相对较低，因此YAG晶体通常会共同掺杂铬（Cr3+）和铥（Tm3+），形成Cr:Tm:Ho:YAG晶体。铬离子有效地吸收闪光灯发出的宽带光，并将这些能量转移给铥离子，铥离子再将能量传递给钬离子，从而显著提高了激光过程的整体效率。
物理结构
钬:钇铝石榴石激光器的结构涉及多个协同工作的关键光学和机械组件。
- 增益介质：掺钬YAG晶体，通常呈圆柱形。
- 泵浦源：用于激发增益介质的高强度光源。传统上是氙或氪闪光灯，但现代系统越来越多地使用激光二极管以提高效率。
- 光学腔（谐振腔）：放置在晶体棒两端的两面镜子。一面是高反射镜（HR），将近100%的2.1微米光反射回晶体；另一面是输出耦合镜（OC），部分透射以允许激光束出射。
- 冷却系统：由于泵浦过程会产生大量热量，因此需要在晶体和闪光灯周围进行主动水冷，以保持稳定的光学性能并防止热透镜效应。
关键光学指标
- 工作波长：2.1 微米（2100 纳米）。
- 脉冲能量：每个脉冲传递的能量，通常以焦耳（J）测量。
- 脉冲持续时间：单个激光脉冲的时间宽度，通常范围从数百微秒到几毫秒。
- 重复频率：每秒发射的脉冲数，以赫兹（Hz）测量。
- 光束质量（M2）：一个无量纲参数，表示激光束相对于理想高斯光束的聚焦能力。
分类和类型
- 闪光灯泵浦钬:钇铝石榴石激光器：最传统和最常见的配置，特别是在高能医疗应用中。其特点是峰值脉冲能量高。
- 二极管泵浦钬:钇铝石榴石激光器（DPSSL）：使用半导体激光二极管作为泵浦源，而不是闪光灯。这些激光器具有更高的电光效率、更紧凑的尺寸和更好的光束质量，尽管脉冲能量通常较低。
- 脉冲与连续波（CW）：虽然钬:钇铝石榴石激光器在技术上可以以连续波模式运行，但它们几乎都是以脉冲模式操作，以管理热负荷并达到组织消融和结石碎裂所需的高峰值功率。
应用
- 医疗（泌尿科）：激光碎石术的金标准。2.1微米的波长在液体中产生空化气泡，能有效碎裂肾结石和膀胱结石。
- 医疗（外科）：用于良性前列腺增生（BPH）治疗（钬激光前列腺剜除术）和骨科手术，因为该波长能被组织水高度吸收，从而实现精确切割，同时对周围区域的热损伤最小。
- 工业和国防：用于激光雷达系统、大气传感和军事测距，因为2.1微米波长位于大气层的“人眼安全”传输窗口内。
实际应用示例：激光碎石光学路径
在用于肾结石碎裂的临床环境中，光路从钬:钇铝石榴石激光器控制台内部开始，到患者泌尿道内部结束。
- 生成：闪光灯泵浦钬:钇铝石榴石棒，在光学谐振腔内生成脉冲2.1微米激光束。
- 光束转向和聚焦：从输出耦合器出射后，光束遇到一系列高反射转向镜。然后聚焦透镜将光束聚焦成一个非常小的光斑。
- 光纤耦合：聚焦光束被注入到柔性低羟基石英光纤的近端（通常纤芯直径为200至1000微米）。
- 传输：光纤通过内窥镜引导到肾结石部位。
- 结果：当激光脉冲从光纤远端进入周围液体时，2.1微米光被迅速吸收，使液体汽化，形成一个迅速膨胀和坍缩的空化气泡，从而机械地碎裂目标结石。
