激光器的发展及其在医学中的应用与潜在用途
作者：李育林 贾宏志
单位：中国科学院西安光学精密机械研究所 710068
关键词：
中国激光医学杂志000115一、激光器的发展
自从1958年第1台红宝石激光器问世至今，已研制出不同类型的激光器百种之多，但其中性能优越、宜于实用者也不过几十种。以He-Ne、CO2、Nd∶YAG、Ar+、Cu、XeCl、KrF等为工作物质的激光器，由于它们在一定波段上具有相干性好、频带窄、输出功率或能量大等特点而获得广泛的应用。
从染料激光器到钛宝石一类的固体激光器，因其输出波长具有优越的可调谐性，已形成一个新型的固体可调谐激光器的分支。
半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基础，而且为整个激光技术的发展注入了活力，并在我们日常生活中变成最广泛、最重要的激光器件。随着半导体激光器的快速发展，激光二极管泵浦(DPL)或全固化的固体激光器迅速崛起。由于其体积小、效率高、性能稳定可靠，已成为激光器领域的研究热点之一。同时，DPL固体激光器与光纤激光器(例如单频分布反馈激光器DFB)以及波导激光器等又形成一族新型的微小激光器。
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以激光等离子体产生X波段激光以及自由电子激光器的研究工作也有很大进展，这类激光器有超高功率密度的激光输出，在医学、核物理、光化学等领域有广泛的应用前景。
新型激光材料的发展对研制新型高性能激光器有重要意义。例如，通过非线性光学频率转换(如倍频、和频、差频、光学参量振荡及放大)等产生新波段、新频率的激光器。
总的来说，激光技术的发展趋势应是：小型化、集成化、实用化；开拓新的波段，尤其向紫外、红外发展；拓宽可调谐范围；提高功率和能量；压缩脉宽和线宽；改善光束质量；探索新的工作机制和工作物质等。
二、新型固体激光器
每一种固体激光器的核心在于增益介质。它对激光器的工作参数，如波长、功率、Q开关、锁模和光束质量都有重大的影响。例如，可以作为含钕(Nd)激光器工作介质的晶体大约有100种[1]，但目前使用的含钕激光器，掺钕钇铝石榴石(Nd-doped Y3Al5O12，Nd∶YAG)仍为首选材料。而其他大多数材料并不实用。
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Nd∶YAG晶体可生长出光学质量高的增益截面，并具有抗热断裂等特性。但另一方面，Nd∶YAG的热透镜效应在许多激光系统中往往是有问题的。Nd∶YLF(LiYF4)是含钕激光器的另一种可供选择的工作介质，Nd∶YLF的热透镜效应较Nd∶YAG小。另外一种掺钕的激光晶体是在20年前就开始研制的Nd∶YVO4。这种晶体的特殊性能是具有非常高的增益截面和低的阈值[2]，但只能生长出尺寸相当小的晶体。时隔20年之后，激光二极管成为更加引人注目的产品，而Nd∶YVO4这样小的晶体在二极管泵浦中找到了用场。
除了含钕激光器之外，还有其他许多基于13种稀土离子和6种跃迁金属离子的激光器，覆盖了170～7 000 nm的波长范围[1]。而在几百种已知的激光晶体中，通常大约只有几十种被使用。表1列出常用的6种晶体的重要性质。
表1 6种常用激光晶体的光学和物理性质[3-6] 晶体名称
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晶体成分
激光器波长
(nm)
增益截面积
(×10-20cm2)
能量存储时间
(μs)
热传导性
(W/mK)
Cr∶Mg2SiO4
Cr4+-doped Mg2SiO4
, 百拇医药
1 130～1 367
20
3
5
Cr∶LiSAF
Cr3+-doped LiSrAlF6
780～990
3.2
67
3.1
Ce∶LiSAF
Ce3+-doped LiSrAlF6
, 百拇医药
285～315
950
0.028
3.1
Cr∶ZnSe
Cr2+∶ZnSe
2 200～3 000
80
8
18
Yb∶YAG
Yb3+-doped Y3Al5O12
, 百拇医药
1 030
2.0
0.95
13
Yb∶S-FAP
Yb3+-doped Sr5(PO4)3F
1 047
7.3
1.1
2.0
1.可调谐近红外固体激光器 1988年，Petricevic等[3]发现4价铬(Cr)可掺合到4配价的Mg2SiO4四方晶格中(Cr∶Mg2SiO4)，称之为镁橄榄石。镁橄榄石通常被Nd∶YAG激光器泵浦，并且可调谐在1 130～1 367 nm之间，以锁模方式输出几瓦的功率。Cr∶YAG也是被动Q开关含钕激光器的良好介质。
, 百拇医药
Cr∶LiSAF在1988年由Livemore实验室研制成功[4]，主要用于超短脉冲的产生和放大，具有从780 nm到990 nm可调谐的优点，并有较好的热力学性质。它为材料处理、组织消融、化学和生物过程的快速研究提供了重要的手段。
Cr∶LiSAF也可通过腔内倍频蓝光输出和Q开关用于遥感水蒸汽的检测。
2.可调谐紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSAF由于其离子特有性质，基本的激光物理性质类似于染料激光器。它可被侧面泵浦[5]和端面泵浦，波长在280～320 nm之间，可调谐平均功率>100 mW。
3.可调谐中红外Cr2+激光器 在室温条件下，可调谐中红外固体激光器的发射，由于工作波长较长和频带较宽，导致了非辐射延迟的增加(将泵浦光转变为热，而不是激光辐射)。Cr2+∶ZnSe激光器首先获得了室温下的可调谐中红外激光发射，并未受到非辐射延迟的不利影响。这种材料的吸收和发射光谱显示可用1 800 nm二极管泵浦提供2 200～3 000 nm之间的可调谐发射波长。
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4.镱(Yb)激光器 由于Yb∶YAG晶体具有非常低的热载荷(大约是Nd∶YAG晶体的1/3)，用943 nm的InGaAs二极管端面泵浦就可得到大于150 W的功率。另外掺镱的氟磷酸锶Sr5(PO4)3F(Yb∶S-FAP)用900 nm的激光二极管泵浦可以产生1 047 nm激光，输出功率50 W，Q开关能量47 mJ，27 ns脉冲[6]。
5.掺钛蓝宝石激光器 掺钛蓝宝石激光器是以TiAl2O3晶体为激光介质的激光器(简称Ti∶S激光器〕，具有调谐范围宽(670～1 200 nm)、输出功率大、转换效率高、运转方式多样等特点。通过氩离子激光器、铜蒸汽激光器或YAG激光器泵浦均可获得连续输出功率达几十瓦、转换效率达40%的输出。主动锁模(如棱镜式声光调制器〕可获得超短脉冲近100 fs，被动锁模(如采用DDI与HITCI染料做可饱和吸收体)已得到50～100 fs的脉宽结果。在连续钛宝石激光谐振腔中加1对或2对色散棱镜即可实现锁模运转，获得飞秒量级的光脉冲。近年来特别是啁啾放大技术的发展，钛宝石激光器已获得峰值功率达1013 W的结果。
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三、半导体激光器
半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长和可选择波长等优点，有逐步取代其他激光器的趋势。例如，低功率半导体激光器(波长800～900、630、650、670 nm，功率3～10 mW)已逐步取代了He-Ne激光器(波长633 nm)；中功率半导体激光器(波长630～690 nm，功率100～500 mW或1～5 W)也逐步代替染料激光器，用于光动力学疗法，可治疗较深部肿瘤；高功率(>60 W)半导体激光器也可替代Nd∶YAG激光器。
最近德国KalsersLautem大学Nebel等[6]报道该研究组研制的激光二极管泵浦全固体激光系统，可同时产生高功率的红、绿、蓝(RGB)激光束，其波长分别为629 nm(7.1 W) 、532 nm(6.9 W)和446 nm(5.0 W)。这些波长的激光在医学上是有广泛用途的。
RGB发射的叠加提供了19 W的白光激光器发射准直衍射极限的光束。它特别适合于大画幅激光电视投影的应用。该激光光源的构成为：半导体激光器→Nd∶YVO4激光振荡器→放大器→同步泵浦的非临界化相位匹配二次谐波发生器(KTA-OPO)。激光器和光学参量振荡器的红外发射通过二次谐波发生器与合频、混合转换成RGB激光束，经视频信号调制和空间叠加产生准直光束，再被快速自旋多面体耦合一个电流计反射镜偏转，将电视图像呈现于平面、柱面或球面屏上。
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1.分布反馈半导体激光器(DFB-LD)[7] 长距离超大容量光纤通信要求巨量信息转换，每秒传输1012比特(bit)要求波长1.55 μm的DFB-LD。
美国SDL公司Hoeousu Jeon等研制成与垂直模式扩束器相集成的波长1.55 μm DFB-LD，输出功率80 mW，发散角19°×13°。
Chen等研制成高功率波长1.55 μm DFB-LD，输出功率108 mW。
日本NEC光电研究室Kobayashi等研制出同一芯片上多波长DFB-LD，其光栅系用电子束刻蚀，最小精度为0.001 2 nm。
美国SDL公司Mehrdod Ziari等研制的波长1.3 μm DFB-LD，其芯片功率为220 mW，耦合功率为110 mW。
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2.高功率无铝半导体激光器[8] 以高功率无铝半导体激光器取代含铝的高功率半导体激光器是一大趋势，也是研究的热点。以GaInP代替GaAlAs作覆盖层的无铝半导体激光器的优点是：有良好的热学、电学传导性；非辐射表面复合速率相对低；非钝化端面不易氧化；退化速度慢，寿命长。
美国Wisconsin-Madison大学Wade等研制出的波长0.805 μm有源区无铝激光器，芯长1 mm，宽100 mm，镀膜端面(AR/HR)反射率为10%/90%，在热沉温度10℃时输出6.1 mW。
日本Furukanwa电子公司Amkawa等研制出具有应变层GaInAsP-MQW的980 nm波长激光器，输出功率100 mW。
3.垂直腔面发射激光器(VCSEL)[9] 主要适用于高密度光盘的光学头、复印打印机头、光学扫描仪、光学显示设备等以及光学数据网、全息互连并行GHz/s数据网等。VCSEL是半导体激光器中研究最活跃的一部分，其波长为1.06、0.98、0.85、0.78、0.705、0.65 μm等。有8×8阵列，3.5 μm×3.5 μm、9 μm×9 μm、14 μm×14 μm的电流窗口。CW输出大于100 mW，脉冲输出大于1.5 W。除氧化物限制VCSEL与其阵列器件外，还有VCSEL与微透镜集成，VCSEL与CMOS倒装焊等。
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四、准分子激光器
准分子激光器可用于激光屈光性角膜切削术(PRK)。以紫外激光的高分子能量打断角膜基质内的分子链，造成非热致汽化，改变角膜的厚度与曲率。Lambda Physik公司已研制出功率10 W以上、波长248 nm的准分子激光器，线宽小于0.8 pm，重复频率1 000 Hz。
五、自由电子激光器[10]
1.基本原理 自由电子激光器的发射过程如图1所示。随着电子束在磁振荡器中的起伏而辐射光，但初电子束并不能形成发射的波长。相对于光波而言，电子发射是随机相位，因而是非相干的自发辐射，随着电子沿磁振荡器的行进并与磁振荡场存在的光场相互作用而形成电子微聚焦。在饱和状态下，这种电子束构成以光波长为间隔的密集群聚束，产生象激光一样的相干辐射，再通过磁振荡器后，电子束被弯板磁铁偏转与光束分离。
, 百拇医药
图1 自由电子激光器的发射过程
自由电子激光器是不依赖约束电子能级跃迁来产生激光发射的一种特殊激光器，具有高功率、高效率、宽调谐(从可见到红外或到紫外、X线甚至更短的波长)等优点。输出波长长到10 mm以上，短至10 nm以下，最高功率为兆瓦以上，效率达40%以上。
自由电子激光器也可以说是加速器和激光技术的结合。其单元技术包括电子加速器、磁振荡器和光子光学。
2.自由电子激光器在生物医学方面的应用 近几年，由于美国海军研究部医用自由电子激光器计划项目资助自由电子激光器的研究，使得医用自由电子激光器得到迅速有效的开发。自由电子激光器特别适用于软组织外科，因为激光束特别精细，只有很小的侧面损伤。它在眼科和神经组织等方面已取得了显著成就。
红外和紫外高峰值功率激光脉冲用于组织烧蚀是特别有效的。使用红外波长是因为它较紫外波长有可能减少光化学效应的危险(由于遗传改变可能会是长期的效应)。
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Vanderbilt实验室对自由电子激光器的研究表明，近6.45 μm波长相应于氨基酸(Amide II)的蛋白质吸收带，特别适合于软组织外科。
紫外区域的自由电子激光器应用正在探索之中。实验表明，高能电子的康普顿后向散射产生的379 nm 自由电子激光光子相当于500 MeV电子在存储环中循环而产生几兆电子伏的准单色γ射线束，其光子能量达到160 MeV以上，通常在108～1010光子数/s之间[4]。这在核物理研究、癌症治疗和辐射摄影成像等方面都有广泛的应用前景。表2给出了国际上现有的几种自由电子激光器的情况。
表2 目前已经使用的几种自由电子激光器的主要参数 国家
研究机构
设备名称
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波长(μm)
脉冲宽度(ps)
峰值功率(MW)
平均功率(W)
中国
中国科学院高能物理所
10～16
4
20
2.0
法国
巴黎大学
SuperACD
, 百拇医药
CLIO
0.3
2～17
20
1.5～6.0
12
10
0.8
9.0
荷兰
等离子体物理FOM研究所
FEL1X-2
FEL1X-1
, 百拇医药
5～30
25～110
0.5～10
1.0～10
2
2
1.0
0.5
日本
自由电子激光研究所
FEL1-1
FEL1-2
FEL1-3
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FEL1-4
FEL1-5
5～22
1～6
0.23～1.2
20～80
40～100
2
2
2
2
2
5
, 百拇医药
5
5
5
2
2.0
0.5
0.5
1.0
1.0
美国
杜克(Duke)大学
OK-4
0.3
, 百拇医药
10
以上简单介绍了近几年来激光器的发展动态。半导体激光器的出现，大大推进了全固化固体激光器的研究。而自由电子激光器又是激光器系列的特殊类别，具有高功率、宽调谐的特点，无论在医学领域还是在其他领域，均引起人们更大的关注。本文仅仅在某些激光器项下简单地讲了一些在医学方面的应用，这是因为许多最新研究出的激光器尚未开发出医学方面的用途。“光场”与生物组织之间的关系随光的波长、功率、输出方式(连续或脉冲)而异，医学工作者可根据所列激光器具有的特点，考虑他们在医学领域的应用，开发出新的激光诊断和治疗方法。■
参考文献：
[1] Carid JA, Payne SA. Crystalline paramagnetic ion laser. In： Handbook of laser science and technology[J]. Supplement 1. BocaR aton： CRC Press, 1991. 3-100.
, 百拇医药
[2] Tucker AW, Birnbaum M, Fincher CL, et al. Stimulated-emission cross section at 1064 and 1342 nm in Nd∶YVO4[J]. J Appl Phys, 1997, 48： 4907-4911.
[3] Petricevic V, Gayen SK, Alfano RR. Laser action in chormium-doped forsterite[J]. Appl Phys Lett, 1988, 52： 1040-1042.
[4] Payne SA, Chase LL, Smith LK, et al. Laser performance of
LiSrAlF6：Cr3+[J]. J Appl Phys, 1989, 66： 1051-1056.
, http://www.100md.com
[5] Marshall CD, Speth JA, Payne SA, et al. J Opt Soc Am B, 1994, 11： 2054-2056.
[6] Nebel A, Ruffing B, Wallenstern R. A high-power diode-pumped all-solid-state RGB laser source[J]. Optics Photonics, 1998, 9： 64.
[7] Edwards G, et al. Tissue ablation by a FEL tuned to the amide 11 band[J]. Nature, 1994, 371： 416.
[8] Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices for 1996. American Conference of Governmental Industrial Hygienists (1996)[C]. Cincinnati, Ohio.
[9] Carroll F, Brau C. Medical applications of the FEL. In：Duarte FJ, ed. Tunable laser applications[C]. New York： Marcel Deeker, 1995.
[10] 张以谟，吴容汉. 国际激光光电子1997年年会介绍[C]. 光电子简报，1998，56：5-15.
收稿日期：1999-01-11, 百拇医药
单位：中国科学院西安光学精密机械研究所 710068
关键词：
中国激光医学杂志000115一、激光器的发展
自从1958年第1台红宝石激光器问世至今，已研制出不同类型的激光器百种之多，但其中性能优越、宜于实用者也不过几十种。以He-Ne、CO2、Nd∶YAG、Ar+、Cu、XeCl、KrF等为工作物质的激光器，由于它们在一定波段上具有相干性好、频带窄、输出功率或能量大等特点而获得广泛的应用。
从染料激光器到钛宝石一类的固体激光器，因其输出波长具有优越的可调谐性，已形成一个新型的固体可调谐激光器的分支。
半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基础，而且为整个激光技术的发展注入了活力，并在我们日常生活中变成最广泛、最重要的激光器件。随着半导体激光器的快速发展，激光二极管泵浦(DPL)或全固化的固体激光器迅速崛起。由于其体积小、效率高、性能稳定可靠，已成为激光器领域的研究热点之一。同时，DPL固体激光器与光纤激光器(例如单频分布反馈激光器DFB)以及波导激光器等又形成一族新型的微小激光器。
, 百拇医药
以激光等离子体产生X波段激光以及自由电子激光器的研究工作也有很大进展，这类激光器有超高功率密度的激光输出，在医学、核物理、光化学等领域有广泛的应用前景。
新型激光材料的发展对研制新型高性能激光器有重要意义。例如，通过非线性光学频率转换(如倍频、和频、差频、光学参量振荡及放大)等产生新波段、新频率的激光器。
总的来说，激光技术的发展趋势应是：小型化、集成化、实用化；开拓新的波段，尤其向紫外、红外发展；拓宽可调谐范围；提高功率和能量；压缩脉宽和线宽；改善光束质量；探索新的工作机制和工作物质等。
二、新型固体激光器
每一种固体激光器的核心在于增益介质。它对激光器的工作参数，如波长、功率、Q开关、锁模和光束质量都有重大的影响。例如，可以作为含钕(Nd)激光器工作介质的晶体大约有100种[1]，但目前使用的含钕激光器，掺钕钇铝石榴石(Nd-doped Y3Al5O12，Nd∶YAG)仍为首选材料。而其他大多数材料并不实用。
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Nd∶YAG晶体可生长出光学质量高的增益截面，并具有抗热断裂等特性。但另一方面，Nd∶YAG的热透镜效应在许多激光系统中往往是有问题的。Nd∶YLF(LiYF4)是含钕激光器的另一种可供选择的工作介质，Nd∶YLF的热透镜效应较Nd∶YAG小。另外一种掺钕的激光晶体是在20年前就开始研制的Nd∶YVO4。这种晶体的特殊性能是具有非常高的增益截面和低的阈值[2]，但只能生长出尺寸相当小的晶体。时隔20年之后，激光二极管成为更加引人注目的产品，而Nd∶YVO4这样小的晶体在二极管泵浦中找到了用场。
除了含钕激光器之外，还有其他许多基于13种稀土离子和6种跃迁金属离子的激光器，覆盖了170～7 000 nm的波长范围[1]。而在几百种已知的激光晶体中，通常大约只有几十种被使用。表1列出常用的6种晶体的重要性质。
表1 6种常用激光晶体的光学和物理性质[3-6] 晶体名称
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晶体成分
激光器波长
(nm)
增益截面积
(×10-20cm2)
能量存储时间
(μs)
热传导性
(W/mK)
Cr∶Mg2SiO4
Cr4+-doped Mg2SiO4
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1 130～1 367
20
3
5
Cr∶LiSAF
Cr3+-doped LiSrAlF6
780～990
3.2
67
3.1
Ce∶LiSAF
Ce3+-doped LiSrAlF6
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285～315
950
0.028
3.1
Cr∶ZnSe
Cr2+∶ZnSe
2 200～3 000
80
8
18
Yb∶YAG
Yb3+-doped Y3Al5O12
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1 030
2.0
0.95
13
Yb∶S-FAP
Yb3+-doped Sr5(PO4)3F
1 047
7.3
1.1
2.0
1.可调谐近红外固体激光器 1988年，Petricevic等[3]发现4价铬(Cr)可掺合到4配价的Mg2SiO4四方晶格中(Cr∶Mg2SiO4)，称之为镁橄榄石。镁橄榄石通常被Nd∶YAG激光器泵浦，并且可调谐在1 130～1 367 nm之间，以锁模方式输出几瓦的功率。Cr∶YAG也是被动Q开关含钕激光器的良好介质。
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Cr∶LiSAF在1988年由Livemore实验室研制成功[4]，主要用于超短脉冲的产生和放大，具有从780 nm到990 nm可调谐的优点，并有较好的热力学性质。它为材料处理、组织消融、化学和生物过程的快速研究提供了重要的手段。
Cr∶LiSAF也可通过腔内倍频蓝光输出和Q开关用于遥感水蒸汽的检测。
2.可调谐紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSAF由于其离子特有性质，基本的激光物理性质类似于染料激光器。它可被侧面泵浦[5]和端面泵浦，波长在280～320 nm之间，可调谐平均功率>100 mW。
3.可调谐中红外Cr2+激光器 在室温条件下，可调谐中红外固体激光器的发射，由于工作波长较长和频带较宽，导致了非辐射延迟的增加(将泵浦光转变为热，而不是激光辐射)。Cr2+∶ZnSe激光器首先获得了室温下的可调谐中红外激光发射，并未受到非辐射延迟的不利影响。这种材料的吸收和发射光谱显示可用1 800 nm二极管泵浦提供2 200～3 000 nm之间的可调谐发射波长。
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4.镱(Yb)激光器 由于Yb∶YAG晶体具有非常低的热载荷(大约是Nd∶YAG晶体的1/3)，用943 nm的InGaAs二极管端面泵浦就可得到大于150 W的功率。另外掺镱的氟磷酸锶Sr5(PO4)3F(Yb∶S-FAP)用900 nm的激光二极管泵浦可以产生1 047 nm激光，输出功率50 W，Q开关能量47 mJ，27 ns脉冲[6]。
5.掺钛蓝宝石激光器 掺钛蓝宝石激光器是以TiAl2O3晶体为激光介质的激光器(简称Ti∶S激光器〕，具有调谐范围宽(670～1 200 nm)、输出功率大、转换效率高、运转方式多样等特点。通过氩离子激光器、铜蒸汽激光器或YAG激光器泵浦均可获得连续输出功率达几十瓦、转换效率达40%的输出。主动锁模(如棱镜式声光调制器〕可获得超短脉冲近100 fs，被动锁模(如采用DDI与HITCI染料做可饱和吸收体)已得到50～100 fs的脉宽结果。在连续钛宝石激光谐振腔中加1对或2对色散棱镜即可实现锁模运转，获得飞秒量级的光脉冲。近年来特别是啁啾放大技术的发展，钛宝石激光器已获得峰值功率达1013 W的结果。
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三、半导体激光器
半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长和可选择波长等优点，有逐步取代其他激光器的趋势。例如，低功率半导体激光器(波长800～900、630、650、670 nm，功率3～10 mW)已逐步取代了He-Ne激光器(波长633 nm)；中功率半导体激光器(波长630～690 nm，功率100～500 mW或1～5 W)也逐步代替染料激光器，用于光动力学疗法，可治疗较深部肿瘤；高功率(>60 W)半导体激光器也可替代Nd∶YAG激光器。
最近德国KalsersLautem大学Nebel等[6]报道该研究组研制的激光二极管泵浦全固体激光系统，可同时产生高功率的红、绿、蓝(RGB)激光束，其波长分别为629 nm(7.1 W) 、532 nm(6.9 W)和446 nm(5.0 W)。这些波长的激光在医学上是有广泛用途的。
RGB发射的叠加提供了19 W的白光激光器发射准直衍射极限的光束。它特别适合于大画幅激光电视投影的应用。该激光光源的构成为：半导体激光器→Nd∶YVO4激光振荡器→放大器→同步泵浦的非临界化相位匹配二次谐波发生器(KTA-OPO)。激光器和光学参量振荡器的红外发射通过二次谐波发生器与合频、混合转换成RGB激光束，经视频信号调制和空间叠加产生准直光束，再被快速自旋多面体耦合一个电流计反射镜偏转，将电视图像呈现于平面、柱面或球面屏上。
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1.分布反馈半导体激光器(DFB-LD)[7] 长距离超大容量光纤通信要求巨量信息转换，每秒传输1012比特(bit)要求波长1.55 μm的DFB-LD。
美国SDL公司Hoeousu Jeon等研制成与垂直模式扩束器相集成的波长1.55 μm DFB-LD，输出功率80 mW，发散角19°×13°。
Chen等研制成高功率波长1.55 μm DFB-LD，输出功率108 mW。
日本NEC光电研究室Kobayashi等研制出同一芯片上多波长DFB-LD，其光栅系用电子束刻蚀，最小精度为0.001 2 nm。
美国SDL公司Mehrdod Ziari等研制的波长1.3 μm DFB-LD，其芯片功率为220 mW，耦合功率为110 mW。
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2.高功率无铝半导体激光器[8] 以高功率无铝半导体激光器取代含铝的高功率半导体激光器是一大趋势，也是研究的热点。以GaInP代替GaAlAs作覆盖层的无铝半导体激光器的优点是：有良好的热学、电学传导性；非辐射表面复合速率相对低；非钝化端面不易氧化；退化速度慢，寿命长。
美国Wisconsin-Madison大学Wade等研制出的波长0.805 μm有源区无铝激光器，芯长1 mm，宽100 mm，镀膜端面(AR/HR)反射率为10%/90%，在热沉温度10℃时输出6.1 mW。
日本Furukanwa电子公司Amkawa等研制出具有应变层GaInAsP-MQW的980 nm波长激光器，输出功率100 mW。
3.垂直腔面发射激光器(VCSEL)[9] 主要适用于高密度光盘的光学头、复印打印机头、光学扫描仪、光学显示设备等以及光学数据网、全息互连并行GHz/s数据网等。VCSEL是半导体激光器中研究最活跃的一部分，其波长为1.06、0.98、0.85、0.78、0.705、0.65 μm等。有8×8阵列，3.5 μm×3.5 μm、9 μm×9 μm、14 μm×14 μm的电流窗口。CW输出大于100 mW，脉冲输出大于1.5 W。除氧化物限制VCSEL与其阵列器件外，还有VCSEL与微透镜集成，VCSEL与CMOS倒装焊等。
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四、准分子激光器
准分子激光器可用于激光屈光性角膜切削术(PRK)。以紫外激光的高分子能量打断角膜基质内的分子链，造成非热致汽化，改变角膜的厚度与曲率。Lambda Physik公司已研制出功率10 W以上、波长248 nm的准分子激光器，线宽小于0.8 pm，重复频率1 000 Hz。
五、自由电子激光器[10]
1.基本原理 自由电子激光器的发射过程如图1所示。随着电子束在磁振荡器中的起伏而辐射光，但初电子束并不能形成发射的波长。相对于光波而言，电子发射是随机相位，因而是非相干的自发辐射，随着电子沿磁振荡器的行进并与磁振荡场存在的光场相互作用而形成电子微聚焦。在饱和状态下，这种电子束构成以光波长为间隔的密集群聚束，产生象激光一样的相干辐射，再通过磁振荡器后，电子束被弯板磁铁偏转与光束分离。
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图1 自由电子激光器的发射过程
自由电子激光器是不依赖约束电子能级跃迁来产生激光发射的一种特殊激光器，具有高功率、高效率、宽调谐(从可见到红外或到紫外、X线甚至更短的波长)等优点。输出波长长到10 mm以上，短至10 nm以下，最高功率为兆瓦以上，效率达40%以上。
自由电子激光器也可以说是加速器和激光技术的结合。其单元技术包括电子加速器、磁振荡器和光子光学。
2.自由电子激光器在生物医学方面的应用 近几年，由于美国海军研究部医用自由电子激光器计划项目资助自由电子激光器的研究，使得医用自由电子激光器得到迅速有效的开发。自由电子激光器特别适用于软组织外科，因为激光束特别精细，只有很小的侧面损伤。它在眼科和神经组织等方面已取得了显著成就。
红外和紫外高峰值功率激光脉冲用于组织烧蚀是特别有效的。使用红外波长是因为它较紫外波长有可能减少光化学效应的危险(由于遗传改变可能会是长期的效应)。
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Vanderbilt实验室对自由电子激光器的研究表明，近6.45 μm波长相应于氨基酸(Amide II)的蛋白质吸收带，特别适合于软组织外科。
紫外区域的自由电子激光器应用正在探索之中。实验表明，高能电子的康普顿后向散射产生的379 nm 自由电子激光光子相当于500 MeV电子在存储环中循环而产生几兆电子伏的准单色γ射线束，其光子能量达到160 MeV以上，通常在108～1010光子数/s之间[4]。这在核物理研究、癌症治疗和辐射摄影成像等方面都有广泛的应用前景。表2给出了国际上现有的几种自由电子激光器的情况。
表2 目前已经使用的几种自由电子激光器的主要参数 国家
研究机构
设备名称
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波长(μm)
脉冲宽度(ps)
峰值功率(MW)
平均功率(W)
中国
中国科学院高能物理所
10～16
4
20
2.0
法国
巴黎大学
SuperACD
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CLIO
0.3
2～17
20
1.5～6.0
12
10
0.8
9.0
荷兰
等离子体物理FOM研究所
FEL1X-2
FEL1X-1
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5～30
25～110
0.5～10
1.0～10
2
2
1.0
0.5
日本
自由电子激光研究所
FEL1-1
FEL1-2
FEL1-3
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FEL1-4
FEL1-5
5～22
1～6
0.23～1.2
20～80
40～100
2
2
2
2
2
5
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5
5
5
2
2.0
0.5
0.5
1.0
1.0
美国
杜克(Duke)大学
OK-4
0.3
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10
以上简单介绍了近几年来激光器的发展动态。半导体激光器的出现，大大推进了全固化固体激光器的研究。而自由电子激光器又是激光器系列的特殊类别，具有高功率、宽调谐的特点，无论在医学领域还是在其他领域，均引起人们更大的关注。本文仅仅在某些激光器项下简单地讲了一些在医学方面的应用，这是因为许多最新研究出的激光器尚未开发出医学方面的用途。“光场”与生物组织之间的关系随光的波长、功率、输出方式(连续或脉冲)而异，医学工作者可根据所列激光器具有的特点，考虑他们在医学领域的应用，开发出新的激光诊断和治疗方法。■
参考文献：
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[3] Petricevic V, Gayen SK, Alfano RR. Laser action in chormium-doped forsterite[J]. Appl Phys Lett, 1988, 52： 1040-1042.
[4] Payne SA, Chase LL, Smith LK, et al. Laser performance of
LiSrAlF6：Cr3+[J]. J Appl Phys, 1989, 66： 1051-1056.
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[5] Marshall CD, Speth JA, Payne SA, et al. J Opt Soc Am B, 1994, 11： 2054-2056.
[6] Nebel A, Ruffing B, Wallenstern R. A high-power diode-pumped all-solid-state RGB laser source[J]. Optics Photonics, 1998, 9： 64.
[7] Edwards G, et al. Tissue ablation by a FEL tuned to the amide 11 band[J]. Nature, 1994, 371： 416.
[8] Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices for 1996. American Conference of Governmental Industrial Hygienists (1996)[C]. Cincinnati, Ohio.
[9] Carroll F, Brau C. Medical applications of the FEL. In：Duarte FJ, ed. Tunable laser applications[C]. New York： Marcel Deeker, 1995.
[10] 张以谟，吴容汉. 国际激光光电子1997年年会介绍[C]. 光电子简报，1998，56：5-15.
收稿日期：1999-01-11, 百拇医药