02医用固体激光器案例.ppt

激光生物医学 第二章、医用固体激光器 医用固体激光器 固体激光器的基本组成 红宝石激光器 Nd:YAG激光器 Er:YAG激光器 Cr,Tm,Ho:YAG激光器 Nd:YLF激光器 半导体激光器的医学应用 医用固体激光器 1960年问世的第一台激光器是固体红宝石激光器。 目前，能产生激光的工作物质达数百种。 固体激光器的主要特点： 运行方式多样 固体工作物质种类多，波长分布范围广。 固体激光器导光系统简单，制作容易 固体激光器结构紧凑、牢固耐用、价格适宜 固体激光器的基本组成 固体激光器的基本结构及能量转换环节 固体激光器输出特性 固体激光器工作物质热透镜效应随输入功率而变，引起输出光束参量随输入功率而变化。 由于基模高斯光束的光斑尺寸一般远小于工作物质的横向尺寸，因此固体激光器往往是多纵模输出，各横模之间不相干。 固体工作物质增益高，荧光谱线宽，因此输出的纵模数目多。 有空间烧孔效应。 输出光的偏振特性取决与工作物质的种类、质量及运行情况。各向异性晶体产生的激光有明显的偏振性，各向同性晶体由于内部的缺陷和工作过程的热效应导致的应力双折射，输出光有部分偏振性。 固体激光器的基本组成－工作物质 激活离子 基质 掺杂浓度 双掺和敏化 工作物质的劣化 工作物质的破坏 激活离子 过渡族金属离子如铬Cr3＋、镍Ni2＋、钴Co3＋等. 三价稀土金属离子如钕Nd3＋、钬Ho3＋、铒Er3＋、鐠Pr3＋、钐Sm3＋、銪Eu3＋、镝Dy3＋、等等。 二价稀土金属离子如铒Er2＋、铥Tm2＋、钐Sm2＋、镝Dy2＋等等。 锕系离子。这类离子大部分都是人工放射性元素，不易制备，其中只有铀U3＋曾有所应用。 基质 基质材料分为玻璃和晶体两大类 常用的基质玻璃有硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃 常用的晶体有宝石 Al2O3 、氧化钇Y2O3 、钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）、钇镓石榴石Y3Ca5O12、铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、钨酸盐晶体如铝酸钇YalO3（YAP）、氟磷酸钙Ca（PO4）3F等等 掺杂浓度 掺杂浓度有一最佳值，基质不同，最佳掺杂浓度也不同 浓度猝灭 激活离子之间的作用 辐射的自吸收 双掺和敏化 为了增加激活离子的掺入量，又不至于影响晶体的光学质量，人们采用了双掺的办法 敏化是为了提高工作物质对泵浦光的利用率而采用的方法 工作物质的劣化 随着工作次数的增加，工作物质输出激光的效率会有所下降，此现象称为工作物质的劣化。 色心 工作物质的破坏 热应力 晶体中杂质在激光作用下温度急剧升高，在杂质周围造成很大的局部应力 固体激光器的基本组成－泵浦系统 泵浦光源 泵浦电源 聚光腔 冷却、滤光系统 泵浦光源 固体激光器一般都是用光泵浦。 最常用的泵浦光源主要是惰性气体放电灯(灯内充入氙、氪等惰性气体) 脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高，是红宝石、钦玻璃和Nd：YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯。 氪灯在低电流密度下工作时，其辐射光谱与Nd：YAG泵浦吸收带相匹配，故在连续和小能量脉冲Nd：YAG器件中得到比较多的采用。 脉冲氙灯在两种电流密度下的光谱输出 氙灯(1.7个大气压)在低电流密度下工作的发射光谱 氪弧灯(4个大气压，输入功率1.3KW)的发射光谱 惰性气体灯的寿命 惰性气体放电灯经过一段时间使用后，管壁会出现发黑，发白，龟裂等现象，其光输出将大为降低。工作也变得不稳定，从而丧失使用价值。有时甚至可能发生爆炸。造成灯损坏的原因是多方面的，内部原因主要是高温和冲击波的作用。一般说对于连续弧光灯，前者是主要的，对于脉冲灯，后者是主要的。 泵浦电源-放电回路 惰性气体放电灯的触发及预燃 聚光器的类型 模拟灯发光为从焦点发出理想线光源，不同直径激光棒照射情况 模拟灯发光为从焦点发出非理想线光源，激光棒照射情况 聚光器的类型 紧包腔模拟 聚光器的材料选择 腔体的材料 反射表面的材料 聚光器反射表面的选择 镜面反射 漫反射 金属反光层 多层介质反光膜 氧化镁(Mg0)粉或硫酸钡(BaSO4)粉漫反射层 冷却、滤光系统 工作物质整个温度升高引起的热效应 工作物质中温度分布不均匀引起的热效应 冷却、滤光系统 冷却、滤光系统 滤光液法 滤光玻璃法 在聚光器上采取措施 在灯管上采取措施 红宝石激光器 红宝石的化学表示式为Cr3＋:Al2O3，其激活离子是三价铬Cr3＋离子，基质是刚玉晶体，是负单轴晶体，无色透明。 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr2O3，使Cr3＋部分地取代Al3＋而成，是一种淡红色晶体。 红宝石晶体的基质刚玉的物理和化学性能很理想，它能够耐高温，坚硬，