Jeff Wojtkiewicz，Coherent | Nufern ，MatthiasSchulze，Coherent Inc.

 

簡介

生命科學領(lǐng)域看好摻銩 (Tm3+)光纖激光器出于兩大原因。首先，這種激光器輸出的近紅外激光的波長為 1940 nm，正處于其他直接輸出激光光源的波長“空擋”。第二點，也是更為重要的一點，這個波長位于很寬的 1900 nm 液態(tài)水吸收區(qū)間內(nèi)。因此，在進行必要的功率調(diào)節(jié)后，Tm3+ 脈沖激光可以燒蝕含水材料，這讓它在醫(yī)療和工業(yè)材料處理領(lǐng)域具備了廣泛應用的潛質(zhì)。

 

在本文中，我們研究了基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的新型調(diào) Q Tm3+ 激光器，該激光器已優(yōu)化為 120 ns 的脈寬，在精準外科手術(shù)領(lǐng)域的應用潛力尤為突出。我們將特別討論在激光器設(shè)計和制造中存在的一些主要技術(shù)挑戰(zhàn)。然后，我們還將分析使用該激光器燒蝕模型生物組織樣本（生物組織仿體）的實驗室研究中得出的相關(guān)數(shù)據(jù)。

 

精準外科手術(shù)中的生物組織燒蝕

Thomas Milner 教授和他在德克薩斯大學奧斯汀分校生物醫(yī)學工程系同事們的合作是推動該激光器研發(fā)的主要力量之一。Milner 的團隊正在按計劃研發(fā)“影像導航智能激光刀”，并且找到 Nufern 公司（現(xiàn) Coherent | Nufern），希望  Nufern 公司能為他們設(shè)想的外科手術(shù)系統(tǒng)制造最佳的 Tm3+ 激光器。

 

Milner 之所以這樣做，是因為希望以神經(jīng)腫瘤為特例，提供一種能讓精準（顯微）外科手術(shù)取得更好成果的系統(tǒng)。Milner 表示：“難點在于，需要研發(fā)專用的成像增強工具，不僅要精準切除腫瘤細胞和組織，而且不能對鄰近的正常神經(jīng)結(jié)構(gòu)造成任何損傷。另外，神經(jīng)腫瘤所在位置周圍有保護性骨結(jié)構(gòu)，因此手術(shù)空間非常狹小。損傷血管并導致出血會遮擋醫(yī)生視線，所以必須避免這種情況。” 

 

存在于內(nèi)耳中的聽神經(jīng)腫瘤（見圖 1）就是這樣一種典型的神經(jīng)腫瘤。隨著聽神經(jīng)腫瘤的生長，它會擠壓顏面神經(jīng)和耳蝸神經(jīng)，導致劇痛和面部畸形。Milner 解釋說：“由于成像能力有限，外加切割和非特定燒灼工具精準度不高，傳統(tǒng)的聽神經(jīng)腫瘤手術(shù)方法會損傷其他神經(jīng)并造成面部變形。”

 

 

圖 1.隨著典型聽神經(jīng)腫瘤的生長，它會擠壓顏面神經(jīng)和耳蝸神經(jīng)。通過手術(shù)切除神經(jīng)腫瘤，同時不損傷這些神經(jīng)，這往往是一項重大難題。

 

為解決這個問題，德克薩斯大學團隊希望能夠使用斷層成像技術(shù)來區(qū)分癌性神經(jīng)組織和正常神經(jīng)組織，同時結(jié)合擁有卓越空間分辨率和精準度的燒灼激光。他們找到了 Tm3+ 脈沖激光，綜合多種原因?qū)⑺_定為理想的備選方案。首先，1940nm 這種輸出波長的激光極易被水吸收，而水是所有軟組織的主要成分。因此，輸出的激光能量可以有效地被吸收，將燒蝕限制在非常小的局部范圍。在確保極高組織切除速率的同時，保證對周圍組織的損傷最小。第二，這種近紅外波長可以通過光纖輸送，讓遠程輸送到難以接近的身體部分成為可能，這樣也能支持許多腹腔手術(shù)應用。另外，調(diào)Q激光器能提供具有高峰值功率的短脈沖（約 120 ns），在最大程度提高組織燒蝕速率的同時，將熱負荷降到最低。Milner 團隊與相干公司工程師合作敲定了目標激光器的規(guī)格（平均功率 > 15W，峰值功率 > 4 kW），并認定這是顯微外科手術(shù)的理想搭配。另外，這絕非空中樓閣，而是實實在在建立在摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的基礎(chǔ)上。

 

優(yōu)化 Tm3+  光纖二極管泵浦

從理論上講，摻銩 (Tm3+) 光纖可以有許多泵浦波長。這里介紹的激光器使用公認的波長為 793 nm 的最佳泵浦方法，適合這個波長的高功率 InGaAs  泵浦二極管產(chǎn)品非常成熟。Tm3+ 光纖激光器主要組件的示意圖如圖 2 所示。主振蕩器 (MO) 采用光纖布拉格光柵 (FGB)，并且將聲光調(diào)制器 (AOM) 用作重復頻率最高為100 kHz 的調(diào) Q 脈沖。這個振蕩器由一個單管光纖耦合激光二極管（Coherent | DILAS，793  nm 模塊）泵浦，通過光纖合束器將多個相同的激光二極管來泵浦光纖放大器。

圖 2.新型 調(diào)Q摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的光路布局。MO：主振蕩器；FA：末級放大級；AOM：聲光調(diào)制器；FBG：光纖布拉格光柵。

 

793 nm 泵浦的一大難題在于量子數(shù)虧損嚴重，泵浦光子能量與激光基波相差 59%。這意味著效率可能非常低；輸入泵浦能量有 59% 可能會以熱量的形式散失。不過，激光物理中有一種名為“交叉弛豫”的效應，一個 Tm3+ 離子的過量激發(fā)能量會傳遞給另一個即將激發(fā)的離子。在這樣的模式下，總量子效率在理論上可以低至 9%。 

 

交叉弛豫的概率取決于摻雜密度；為保證離子距離足夠近，Tm3+ 的濃度必須很高。不過，如果摻雜度過高，纖芯玻璃會變得非常軟。另外，摻雜密度越高，纖芯折射率也會越高。為了解決這些問題，除了使用精心優(yōu)化的專有摻雜度以外，我們還采用了基座光纖設(shè)計，通過在纖芯上覆蓋一個內(nèi)套來確保纖芯近乎于單模。

 

消除調(diào)制不穩(wěn)定性

調(diào)制不穩(wěn)定性 (MI) 是我們在設(shè)計中需要權(quán)衡的另一個重要因素。導致該問題的原因在于一個基本事實，那就是光纖在超過 1.3 µm 的波長處顯示異常色散。由此帶來的最終后果是，主振蕩器中的微小噪聲源（例如，真空噪聲和放大自發(fā)輻射噪聲 [ASE]）被放大，產(chǎn)生從主模式獲取增益的寄生不穩(wěn)定邊帶（見圖 3）。如果不加抑制，這種不穩(wěn)定性接下來還會在光纖放大器放大。另外，隨著每單位體積增益的提高，MI 將呈指數(shù)級增長。如前文所述，由于采用窄（單模）纖芯而且纖芯摻雜密度較高，在我們的設(shè)計中，每單位體積增益顯然很高。 

 

另外，MI 與腔增益光纖的長度之間也是指數(shù)關(guān)系，因此為了防止 MI，可以縮短振蕩器中的光纖長度。不過，MO 中的光纖長度也有兩個限制因素：(a) 目標應用要求最終輸出脈寬為 120 ns左右；(b) 同時，為了減少達到目標輸出功率所需的放大級數(shù)，需要盡量提高 MO 的平均輸出功率。

 

尋找能滿足上述所有要求的最佳光纖長度是一個需要反復嘗試的過程，最終結(jié)果證明，我們?nèi)〉昧藞A滿成功（見圖 3）。通過對光纖長度的優(yōu)化，盡可能降低了對 MO 的平均功率、脈寬和峰值功率的影響，同時中心模式與邊帶的比率由最初設(shè)計中的 45dB（左圖）增加到了55 dB 以上。 

 

 

 

其他設(shè)計因素

還有其他兩個設(shè)計方面的因素值得我們簡單探討一下：激光器中的新型光纖熔接點，以及光纖放大器 (FA) 級的性能。

 

為了在 MO 和 FA 中使用的無源組件和摻銩(Tm3+) 有源光纖間提供高質(zhì)量熔接點，專門開發(fā)了一些特殊程序。熔接質(zhì)量通過結(jié)合使用光學顯微鏡、折射率輪廓測定法和激光性能/光束質(zhì)量測試來進行分析。測試結(jié)果表明，傳統(tǒng)熔接方法會導致有源光纖纖芯輕微膨脹，并且相對于基座內(nèi)套，纖芯的折射率會降低。在一些情況下，這可能先后導致激光在有源光纖中的基座模式以及無源光纖中的包層模式出現(xiàn)放大現(xiàn)象；我們觀察到，這會導致 MO 中產(chǎn)生多模激光。同樣，進行反復測試是避免這種討厭問題的關(guān)鍵。事實上，在激光器研發(fā)過程中，確定最佳熔接參數(shù)和檢查多模激光輸出是非常關(guān)鍵的步驟。相關(guān)細節(jié)屬于專有信息，但一般而言，我們發(fā)現(xiàn)摻銩 (Tm3+) 有源光纖的最佳熔接點是在低電弧功率和短發(fā)弧時間環(huán)境中出現(xiàn)。

 

在放大器中，盡量降低由 ASE 和再吸收造成的功率損耗是需要關(guān)注的主要問題。通過優(yōu)化泵浦功率和 FA 有源光纖的長度可以將這些損耗降到最低。在最終設(shè)計中，我們得到了 40% 的輸出效率；我們使用 40W 的泵浦功率獲得了最高 16W的激光放大輸出。此外，在脈沖重復頻率（由 AOM 設(shè)定）由 30 kHz 一直逐步增加到 80 kHz 的過程中，平均功率幾乎始終保持恒定。

 

 

 

 

我們還注意到一個有趣的放大效應，那就是放大率越高，脈寬就越大。通過仔細測量時間曲線，我們確認這是由于振蕩器脈沖前沿的放大率增加造成的（見圖 4）。

 

生物組織仿體的初步研究

激光器設(shè)計在經(jīng)過上文所述的改進并最終敲定后，Milner 團隊利用這種新型納秒脈沖摻銩 (Tm3+) 光纖激光器的原型機，針對它在精準燒蝕外科手術(shù)中的應用進行了探索，燒蝕對象是由水 (70%) 和明膠 (30%) 混合而成的生物組織仿體。具體來說，研究用的生物組織仿體在凝膠中嵌入了直徑 500 µm 的圓柱形聚合物導管，用以模擬組織中的血管。研究目標是燒蝕凝膠而不損傷這些導管，也就是說在真正手術(shù)的過程中，不會因損傷血管并導致出血而影響組織可見度。

 

在這項研究中，光纖輸出使用全反射型準直器保證準直。然后，光束在通過雙重電流計后，從非球面 ZnSe 鏡頭（安置在能提供遠心聚焦的位置）反射出來。這樣的設(shè)置能提供精準 xy 掃描、平坦的掃描場和直徑 30 µm的聚焦光斑，這樣就能提供每脈沖 60 J/cm2 的能量密度?，F(xiàn)有文獻表明，這樣的能量密度在燒蝕生物組織時能做到熱約束，也就是不會向周邊傳遞過多熱量。

 

 

圖 5.激光燒蝕前（左圖）后（右圖），生物組織仿體中嵌入的導管的圖像。

 

他們還探索了外科手術(shù)中另外一種常見的情況，即切除病灶但不損傷敏感組織結(jié)構(gòu)（例如，神經(jīng)）。在此研究中，他們將導管嵌入到了生物組織仿體中更深的位置。激光器又一次做到了貼近導管整齊地精準切除，并把熱損傷降到最低。

 

總結(jié)

研發(fā)新型激光器需要克服許多困難。對于這款高功率脈沖摻銩（Tm3+) 光纖激光器而言，意味著需要優(yōu)化許多設(shè)計參數(shù)，包括基礎(chǔ)材料特性（例如，光纖摻雜密度）、基座光纖結(jié)構(gòu)、放大器中的光纖長度，以及精心優(yōu)化需熔接在一起的組件。不過，如果不能更好地滿足現(xiàn)實應用需要的話，這樣的研究將只能停留在學術(shù)活動層面。我們不必擔心這個問題，因為我們研究的技術(shù)有望在顯微外科手術(shù)工具中應用，并改善神經(jīng)腫瘤治療的效果。