高功率摻銩光纖激光器及其在生物組織切割中的應(yīng)用

韓文國，延鳳平*，馮 亭，張魯娜，秦 齊，李 挺，郭 穎，程 丹，白卓婭，王 偉，關(guān) 彪

(1.北京交通大學光波技術(shù)研究所 全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點實驗室，北京 100044；2.河北大學物理科學與技術(shù)學院 光信息技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071002)

1 引 言

摻銩光纖激光器(Thulium-doped fiber laser, TDFL)的工作波長為2 μm波段附近，該波段屬于人眼安全波段，且其中存在OH-的強烈吸收峰[1]，1 908～1 940 nm范圍內(nèi)水的吸收系數(shù)高達14 cm-1，穿透深度可達70 μm[2]。生物體的軟硬組織中均含有大量的水分，當受2 μm波段的激光照射時會產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，這種強烈熱效應(yīng)可以起到手術(shù)刀的作用。與傳統(tǒng)手術(shù)刀不同的是，激光手術(shù)刀在切開組織的同時能對組織切面產(chǎn)生汽化和凝固作用，因而具有良好的止血效果，有利于縮短術(shù)后康復(fù)時間[3]。此外，激光手術(shù)刀還具有體積小、效率高、切口更精確、幾乎無交叉感染等優(yōu)點。目前，連續(xù)摻銩光纖激光系統(tǒng)可作為手術(shù)刀應(yīng)用于多種手術(shù)當中[4-6]，如神經(jīng)外科的腦部腫瘤手術(shù)、囊腫切除手術(shù)、泌尿科碎石手術(shù)以及普通的組織汽化手術(shù)等[7-9]。

用于手術(shù)的摻銩光纖激光系統(tǒng)的輸出功率一般為W量級[10]。基于大芯徑增益光纖的摻銩光纖激光器可滿足這一輸出功率，但其光束質(zhì)量一般，光功率密度較小，與普通石英基光纖兼容性差，因此不適宜用作激光手術(shù)刀。小芯徑摻銩光纖激光器的輸出功率一般為mW量級，經(jīng)過光放大器后可得到合適的輸出功率，可以滿足手術(shù)條件。主振蕩功率放大(Master-oscillator power amplifier，MOPA)技術(shù)可以對低功率激光器進行放大，輸出特性由種子源決定，且結(jié)構(gòu)簡單、易于搭建[11-12]。MOPA光纖激光系統(tǒng)可根據(jù)需要采用種子源加一級放大或多級放大得到所需功率[13-14]。

將摻銩光纖激光器用于生物組織切割在國外已有研究[10,15]，然而在國內(nèi)卻鮮有報導。本文提出了一種高功率連續(xù)光摻銩光纖激光系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)進行了組織切割實驗。利用自制光纖光柵搭建了線形腔摻銩光纖激光器，種子源結(jié)構(gòu)簡單，在室溫下具有高光信噪比(Optical signal-to-noise ratio,OSNR)和高穩(wěn)定性；分別搭建了前置光放大器和主光放大器，種子源經(jīng)兩級放大后，得到21.9 W的1.94 μm波段連續(xù)光輸出；利用經(jīng)過光束整形后的激光光束進行了生物組織切割實驗，在不同參數(shù)下進行了多組實驗，對切割結(jié)果進行了觀察和分析。

2 摻銩光纖激光系統(tǒng)

2 μm波段摻Tm3+光纖激光器的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)、(b)分別為系統(tǒng)的實驗結(jié)構(gòu)圖和實物圖。該系統(tǒng)由激光種子源(Laser source)、前置光放大器(Pre-amplifier)、主光放大器(Main-amplifier)和光束整形(Beam shaping)透鏡組成，種子源輸出激光經(jīng)過兩級放大達到預(yù)定功率，經(jīng)過光束整形透鏡實現(xiàn)聚焦，最終形成可用于組織切割的激光光束。下面分別對種子源、前置光放大和主光放大部分的結(jié)構(gòu)和輸出特性進行分析。

圖1 摻Tm3+光纖激光系統(tǒng)。(a)實驗結(jié)構(gòu)圖;(b)系統(tǒng)實物圖。

2.1 種子源特性

種子源結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，種子源使用最大輸出功率為12 W的793 nm半導體激光器(Laser diode,LD)作為泵浦源、一個高反射率窄帶均勻光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)和一個低反射率啁啾光纖布拉格光柵(Chirped fiber Bragg grating,CFBG)作為腔鏡、一段Nufern公司生產(chǎn)的石英基摻Tm3+雙包層光纖(Thulium-doped fiber,TDF)作為增益介質(zhì)。TDF內(nèi)包層為八邊形結(jié)構(gòu)，可以防止泵浦功率在圓形內(nèi)包層中形成螺旋效應(yīng)，其長度約為2 m，芯徑/內(nèi)包層直徑為10/130 μm，纖芯數(shù)值孔徑為0.15，在793 nm處吸收系數(shù)為4.5 dB/m。FBG作為腔內(nèi)高反射鏡，其反射譜和透射譜測量結(jié)果如圖2(a)所示，反射率大于99%，中心反射波長為1 941.1 nm；CFBG為低反射鏡，反射率為68%，反射帶寬大于5 nm，其反射譜和透射譜測量結(jié)果如圖2(b)所示，其中，實驗所用光譜儀的最小分辨率為0.05 nm。兩支光柵均采用周期為1 347.30 nm的相位掩膜板在10/130 μm光敏匹配光纖上寫制，使用匹配光纖可減小其在與增益光纖熔接時引入的熔接點損耗。由圖2可以看出，CFBG的反射譜可以完全覆蓋FBG的反射譜。利用FBG一端作為泵浦光輸入端，用于波長選擇；利用CFBG一端作為激光輸出端，可以保證線形諧振腔內(nèi)激光的穩(wěn)定激射。

圖2 光纖光柵的反射譜和透射譜。(a)FBG;(b)CFBG。

在種子源激光器搭建過程中，為盡可能小地引入損耗需要盡量減少熔接點的個數(shù)，整個種子源部分只包含3個熔接點，分別為LD輸出尾纖與FBG輸入端的熔接點、FBG輸出端與TDF一端的熔接點、TDF另一端與CFBG輸入端的熔接點。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于TDF的摻雜濃度較高且Tm3+離子在高溫下容易擴散，而FBG和CFBG使用的匹配光纖沒有摻雜Tm3+離子，所以兩種光纖在熔接時存在較嚴重的模場失配，在泵浦功率較大時會存在較大的損耗，需要仔細調(diào)整光纖熔接機的放電參數(shù)；另外，由于匹配光纖內(nèi)包層為圓形，而增益光纖內(nèi)包層為八邊形，所以熔接時也容易導致包層功率在熔接點處泄漏并產(chǎn)生熱效應(yīng)，需要仔細處理熔接點才能使得泵浦光以較高效率耦合到TDF中。此外，由于在FBG和CFBG寫制過程中會對光纖包層有一定的損傷，在光柵處也存在熱效應(yīng)。因此，為了使得種子源保持較高的光束質(zhì)量，輸入泵浦光功率和輸出信號光功率均不宜過高。由于激光器功率及功率相關(guān)參數(shù)是軟組織切割實驗的關(guān)鍵參數(shù)，因此首先對激光器的光信噪比、輸出功率、波長以及功率抖動等參數(shù)進行了表征。由于能感應(yīng)2 μm激光的相機或探頭十分昂貴，課題組暫時不具備測量2 μm激光光束質(zhì)量的條件，因此并未測量光束質(zhì)量。

為了測量激光輸出特性，在CFBG輸出端熔接了一段單模光纖跳線。在泵浦功率為5 W時，種子源輸出光譜如圖3(a)所示，可見輸出激光的中心波長為1 941.1 nm，與FBG的中心反射波長一致，輸出光信噪比大于75 dB，激光中心波長處的峰值功率達到22.7 dBm，即186 mW。由于單模光纖與10/130匹配光纖存在一定的模場失配，可以斷定實際輸出功率更高。為了考察輸出激光的穩(wěn)定性，保持對激光光譜進行時間間隔5 min、總長50 min的連續(xù)掃描，50 min內(nèi)激光的穩(wěn)定性如圖3(b)所示，其中心波長偏移量小于0.04 nm，峰值功率的抖動范圍小于0.265 dB。為了進一步測量種子源的光光轉(zhuǎn)換特性，將單模跳線去除，并熔接上一個帶10/130 μm匹配光纖尾纖的泵浦功率剝離器，使用激光功率計測量不同泵浦功率時的激光輸出功率，如圖3(c)所示，可見閾值功率約為1.8 W，斜率效率為5.6%。斜率效率較低主要是由諧振腔內(nèi)的熔接點和光纖光柵處泄漏掉了較多的泵浦光造成的。

圖3 種子源輸出特性。(a)輸出光譜圖;(b)輸出波長和功率抖動;(c)輸出功率隨泵浦功率變化。

2.2 前置光放大器特性

前置光放大器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中包括兩個最大輸出功率為12 W的793 nm泵浦源、一個(2+1)×1的光纖合束器(Fiber combiner，F(xiàn)C)和一段Nufern公司生產(chǎn)的石英基摻Tm3+雙包層光纖。FC的泵浦光纖和信號光輸入光纖的纖芯/包層直徑分別為105/125 μm和10/130 μm，輸出端光纖的纖芯/包層直徑為10/130 μm。TDF作為放大器增益光纖，長度為3 m，其結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)與種子源激光器中的TDF相同。前置光放大器實驗系統(tǒng)的實物圖如圖4(a)所示。其中TDF鋪設(shè)于一塊特殊設(shè)計的鋁板上，且光纖盤繞于鋁板上的螺旋細槽之中，細槽為矩形槽，深度和寬度均為1 mm。由于所有沒有轉(zhuǎn)化成輸出激光的泵浦能量最終幾乎都會變成熱量釋放出來，如果不能及時散熱，局部熱量聚集將造成該處溫度持續(xù)升高，輕則影響激光輸出和光束質(zhì)量，重則直接導致光纖熔毀。因此，光纖置于鋁板中有助于工作時散熱。前置光放大器搭建時，同樣涉及到匹配光纖和增益光纖的熔接質(zhì)量問題，需要盡可能地減少熔接點處的泵浦光泄露。將種子光源輸出光纖與FC的種子光輸入光纖熔接，由于不涉及到增益光纖，且兩種光纖均為10/130 μm匹配光纖，該連接點熔接性能良好。一方面可以保證種子光有效地耦合到放大器中；另一方面可以將種子光源剩余泵浦光也有效傳遞到前置放大器增益光纖中，以回收利用。將種子光源輸出功率設(shè)定為174 mW時，經(jīng)過前置光放大器放大后的輸出功率隨放大器泵浦光功率變化情況如圖4(b)所示，可見前置放大器的斜率效率為14.3%，泵浦功率為10.76 W時，放大后輸出功率為1.55 W。

圖4 前置光放大器特性。(a)放大器實物圖;(b)輸出功率隨泵浦功率變化。

2.3 主光放大器特性

主光放大器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其由兩個德國DILAS公司生產(chǎn)的最大輸出功率為30 W的793 nm泵浦激光器、一個(2+1)×1的光纖合束器、一段Nufern公司生產(chǎn)的石英基摻Tm3+雙包層光纖和一個泵浦光剝離器(Cladding power stripper,CPS)組成。其中，兩個泵浦激光器串聯(lián)且由同一個驅(qū)動電源控制器供電和控制，TDF長度為4 m，CPS的輸入和輸出光纖均為纖芯/包層直徑為10/130 μm的匹配光纖。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，將輸出光纖部分涂覆層剝除后浸入到甘油中也可以有效剝除剩余的泵浦光，實驗時可以作為CPS使用，且能夠減少熔接點的數(shù)量，以便更準確地測量輸出激光功率。主光放大器實驗系統(tǒng)的實物圖如圖5(a)所示，其中TDF鋪設(shè)于一塊特殊設(shè)計的水冷鋁板上，且光纖盤繞于鋁板上的螺旋細槽之中，細槽為矩形槽，深度和寬度均為1 mm，且使用導熱硅脂填充光纖與細槽的空隙，以使其充分接觸散熱。兩個泵浦激光器同樣置于兩塊定制的水冷板上，二者之間填充少許導熱硅脂。主光放大器搭建時，同樣涉及到匹配光纖和增益光纖的熔接質(zhì)量問題，需要盡可能地減小熔接點處的泵浦光泄露。由于主放大器部分泵浦功率較高，為防止增益光纖燒毀，實驗時將匹配光纖與增益光纖的熔接點置于水槽中以有效散熱。

將前置光放大器輸出光纖與主光放大器的FC輸入光纖熔接，同樣，兩光纖連接點熔接性能良好。主光放大器經(jīng)過CPS后的輸出端與帶有FC/APC連接頭的普通單模光纖跳線連接，以測量輸出功率。由于普通單模與10/130匹配光纖類型不同，于是根據(jù)以下公式計算了1 940 nm處兩光纖熔接點的模場失配損耗：

α=-10lg[4/(D1/D2+D2/D1)2]，

(1)

其中，普通單模光纖與10/130匹配光纖的模場直徑分別為D1=10.88 μm和D2=10.75 μm，模場失配損耗α僅為0.000 6 dB，可以忽略不計。將前置光放大器的輸出調(diào)節(jié)為1.3 W，經(jīng)主光放大器放大后的激光輸出功率隨泵浦光功率變化情況如圖5(b)所示，可見主光放大器的斜率效率已高達35.86%，在兩臺泵浦激光器功率為30.26 W時，輸出功率可達21.9 W。

圖5 主光放大器特性。(a)放大器實物圖;(b)輸出功率隨泵浦功率變化。

為了衡量所提出的激光器的性能，將該激光器與一些已經(jīng)報道的摻銩光纖激光器進行了比較，如表1所示?？梢钥闯鏊谱鞯腡DFL呈現(xiàn)出最高的OSNR、中等水平的輸出功率和較好的穩(wěn)定性。接下來該激光器將用于生物組織的切割研究。

表1 所提出的激光器與已經(jīng)報道的摻銩光纖激光器的比較

3 生物組織切割實驗

經(jīng)兩級放大得到的連續(xù)激光通過光束整形透鏡實現(xiàn)聚焦后，可作為手術(shù)刀進行組織切割。利用激光光束切割涂有生理鹽水膜的肌肉組織及切割結(jié)果如圖6(a)、(b)所示。可見，該2 μm摻Tm3+光纖激光器可有效地進行組織切割。為了檢驗該激光系統(tǒng)的特性，分別設(shè)計了4組不同參數(shù)的實驗對切割結(jié)果進行觀察和分析。

圖6 生物組織切割實驗。(a)切割肌肉組織;(b)切割結(jié)果。

3.1 固定位置切割肌肉組織時，切割功率與切割深度關(guān)系實驗

選取新鮮牛肌肉組織作為實驗對象，肌肉組織切塊放于距離透鏡20 mm(透鏡焦距)處，通過調(diào)節(jié)位移平臺(Displacement platform,DP)選擇5處不同位置進行切割，每次切割過程中激光器輸出位置固定，每次切割持續(xù)時間為5 s，5次切割時激光器的功率P不同。切割完成后，將刀口處組織制成樣本，在4倍顯微鏡下觀察。顯微鏡下切割刀口圖片如圖7所示，測量得到5組激光器功率與切割深度的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 顯微鏡下激光器不同功率固定位置切割肌肉組織實驗結(jié)果圖

由圖8可得，定點切割時，隨著激光器功率增大，切割深度也明顯增加，當激光器功率為6.93 W時，切割深度為2 086.162 0 μm。對所得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度為0.86。

圖8 固定位置切割時，切割深度隨激光器功率的變化關(guān)系。

3.2 移動切割脂肪組織時，切割功率與切割深度關(guān)系實驗

選取脂肪組織作為實驗對象，脂肪切塊放于距離透鏡20 mm處，位移平臺移動速度設(shè)為v=5 mm/s，選擇不同功率進行4組實驗。切割完成后，將脂肪橫截面制成樣本，在4倍顯微鏡下觀察。顯微鏡下切割刀口圖片如圖9所示，測量得到4組激光器功率與切割深度的數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 顯微鏡下激光器不同功率移動切割脂肪實驗結(jié)果圖

由圖10可得，在相同移動速度切割時，切割深度隨著激光器功率增大而增加，當激光器功率為6.93 W時，切割深度為572.636 5 μm。對所得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度為0.94。

圖10 固定速度切割時，脂肪組織的切割深度隨激光器功率的變化關(guān)系。

3.3 移動切割肌肉組織時，切割功率與切割深度關(guān)系實驗

選取雞肌肉組織作為實驗對象，組織切塊放于距離透鏡20 mm處，位移平臺移動速度設(shè)為v=5 mm/s，選擇不同功率進行6組實驗。切割完成后，將肌肉組織橫截面制成樣本，在4倍顯微鏡下觀察。顯微鏡下切割刀口圖片如圖11所示，測量得到6組功率與切割深度的數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 顯微鏡下激光器不同功率移動切割肌肉組織實驗結(jié)果圖

圖12 固定速度切割時，肌肉組織切割深度隨激光器功率的變化關(guān)系。

由圖12可以看出，在相同移動速度切割時，切割深度隨著激光器功率增大而增加，當激光器功率為8.38 W時，切割深度為553.472 2 μm。對所得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度為0.93。

3.4 移動切割肌肉組織時，移動速度與切割深度關(guān)系實驗

選取新鮮豬肌肉組織作為實驗對象，肌肉組織切塊放于距離透鏡20 mm處，激光器功率P設(shè)定為2.73 W，選擇不同位移平臺移動速度v進行5組實驗。切割完成后，將組織橫截面制成樣本，在4倍顯微鏡下觀察。顯微鏡下切割刀口圖片如圖13所示，由于最后兩組移動速度過快，切割深度無法測量，因此測量得到的前3組移動速度與切割深度如圖14所示。

圖13 顯微鏡下激光器不同移動速度切割肌肉組織實驗結(jié)果圖

圖14 切割深度隨移動速度的變化關(guān)系

由圖14可以看出，在激光器功率一定時，當P=2.73 W、v=1～3 mm/s時，切割深度隨著激光器移動速度的增加而減小。激光器移動速度為1 mm/s時，切割深度為258.827 9 μm。對所得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度為0.96。

在實驗中觀察到生物組織碳化明顯，這是因為所用的生物組織不是活體組織，其含水量遠低于活體組織。在實際臨床中使用的激光手術(shù)刀，需要用生理鹽水沖洗患處。實驗中使用的激光器輸出頭是特制的石英玻璃，光束為發(fā)散光束，因此只在離激光器輸出1～2 mm內(nèi)才有明顯的熱切除效應(yīng)，稍遠則功率密度迅速減小，不再能切除或者汽化。這種情況下，在生理鹽水中切割是不受影響的，劇烈的熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量來不及擴散，即便在水中，也能切割軟組織、使軟組織碳化甚至汽化。

4 結(jié) 論

本文搭建了一個高功率連續(xù)光摻銩光纖激光系統(tǒng)，并驗證了該系統(tǒng)在組織切割實驗中的效果。利用自制光纖光柵搭建了線形腔摻銩光纖激光種子源，在室溫下，種子源輸出波長為1 941.1 nm，光信噪比為75 dB，50 min內(nèi)的波長抖動和功率抖動分別小于0.04 nm和0.265 dB，斜率效率和最大輸出功率分別為5.6%和186 mW。采用MOPA結(jié)構(gòu)分別搭建了前置光放大器和主光放大器，種子源經(jīng)前置光放大器后輸出功率為1.55 W，前置光放大器的斜率效率為14.3%，經(jīng)過主光放大器后得到21.9 W的連續(xù)光輸出，主光放大器的斜率效率為35.86%。利用經(jīng)過光束整形后的激光光束進行了多組生物組織切割實驗。固定時長固定位置切割肌肉組織時，切割深度隨著激光器功率增大而加深，當功率為6.93 W時，切割深度為2 086.162 0 μm；固定速度移動切割脂肪時，切割深度隨著激光器功率增大而加深，當功率為6.93 W時，切割深度為572.636 5 μm；固定速度移動切割肌肉組織時，切割深度隨著激光器功率增大而加深，當功率為8.38 W時，切割深度為553.472 2 μm；固定功率移動切割肌肉組織時，切割深度隨著激光器速度減小而加深，當激光器移動速度為1 mm/s時，切割深度為258.827 9 μm。實驗表明，該摻銩光纖激光系統(tǒng)具有良好的切割作用，在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。