Er,Yb:glass + Co:spinel:人眼安全激光技术的进展

引言

近年来，在LiDAR、外科手术、太空通信和工业加工等领域，对1.5-1.6 μm波长范围内的眼安全激光器的需求大幅增长。传统的Nd:YAG激光器（1064 nm）由于具有较高的视网膜损伤风险，受到一定限制，而Er,Yb:glass（铒-镱共掺玻璃）因其1.54 μm的发射波长成为理想的替代方案。然而，该材料的低热导率和低效率长期以来都是技术瓶颈。通过将Er,Yb:glass与Co:spinel（钴掺杂尖晶石）键合形成复合晶体，科学家成功克服了材料局限性，为新一代高功率、高效率的眼安全激光器奠定了基础。

光学特性与工作机制

Er,Yb:glass与Co:spinel的结合产生了一种独特的协同效应，显著提升了激光性能。每种材料在提高效率、稳定性和输出质量方面发挥着不同的作用，使这些键合晶体成为传统激光系统的有前途替代方案。

1. Er,Yb:glass作为增益介质的作用

Er,Yb:glass因其能够在1535 nm波长处发射激光而广受认可，该波长位于眼安全范围内。铒（Er³⁺）离子是主要的激光活性离子，其通过⁴I₁₁/₂ → ⁴I₁₃/₂跃迁产生激光。然而，单独的Er³⁺离子对泵浦光的吸收较弱，导致较低的粒子数反转效率。为了解决这一问题，研究人员引入了镱（Yb³⁺）离子作为敏化剂，它能够高效吸收980 nm泵浦光，并将能量传递给Er³⁺离子。

这一能量传递机制能够改善：

• 量子效率：确保更高比例的吸收光子参与激光输出
• 泵浦吸收带宽：提高泵浦方案的灵活性和效率
• 热稳定性：减少由于能量转换低效而导致的过热现象

2. Co:spinel的被动调Q技术

Co:spinel（Co²⁺掺杂的MgAl₂O₄）作为一种被动调Q器，是产生短脉冲、高峰值功率激光的重要组件。其非线性吸收特性使其能够实现自调节脉冲生成，从而无需使用主动调制器。

Co:spinel的主要优势包括：

• 宽带吸收：适用于多个激光波长，特别是在1.3-1.6 μm范围内
• 高损伤阈值：允许在高能量水平下运行而不会发生光学退化
• 快速恢复时间：确保激光脉冲的快速调制，适用于高重复频率应用

3. 热学与力学优势

玻璃基增益介质的主要缺点是其低热导率（~0.8 W/m·K），这容易导致过热积累和热透镜效应。而Co:spinel的热导率显著更高（~20 W/m·K），能够实现更高效的散热。

Er,Yb:glass + Co:spinel的键合结构有助于：

• 减少热梯度：降低光束畸变并提高系统稳定性
• 增强机械耐久性：使激光系统更加坚固，适用于工业和野外应用
• 改善输出光束质量：实现接近1.2的M²值，表明近乎高斯光束轮廓

医学与生物领域的应用

Er,Yb:glass + Co:spinel键合晶体产生的1535 nm激光由于其较高的水吸收系数和较浅的组织穿透深度，在医学领域具有卓越的应用价值。这些特性使其成为眼科、皮肤科和牙科等多个医疗手术的理想工具。

1. 眼科激光手术

该激光最重要的应用之一是在激光辅助视力矫正手术中，例如：

• LASIK（准分子激光原位角膜磨镶术）：利用1535 nm激光脉冲重塑角膜以矫正视力
• 白内障手术：实现精确的晶状体囊切割，避免过度热损伤
• 青光眼治疗：用于选择性激光小梁成形术（SLT），提高房水排出能力

与1064 nm Nd:YAG激光相比，1535 nm波长的眼安全特性显著降低了视网膜损伤风险，使其对患者和医生都更加安全。

2. 皮肤科与美容治疗

Er,Yb:glass激光器广泛应用于：

• 皮肤焕肤与皱纹去除：其对富含水分的组织具有强吸收能力，可实现可控消融
• 疤痕修复与色素沉着治疗：精确的激光能量传输有助于靶向性皮肤细胞重塑
• 纹身去除：对深色色素具有更高的选择性

3. 牙科应用

由于其高水吸收率和较小的穿透深度，该激光非常适用于：

• 龋齿处理：提供微创、无痛的治疗方案
• 软组织手术：减少术中出血并加快愈合
• 牙周病治疗：激光疗法能够高效消毒牙周袋

4. 生物荧光成像与诊断

除了外科手术应用外，该键合晶体稳定且精确的激光输出还能增强基于荧光的成像技术，提高癌症检测、细菌分析和生物医学研究的准确性。

工业应用领域

Er,Yb:glass + Co:spinel键合激光器能够产生高峰值功率脉冲，使其在精密制造、LiDAR和国防等工业领域具有重要价值。

1. 激光微加工

在半导体和电子制造领域，这些激光器可用于：

• 硅晶圆与陶瓷基板的精密切割
• 精细雕刻与标记：在敏感材料上实现高分辨率文本与图案刻印
• 电路板制造中的微孔加工

2. 自动驾驶与国防LiDAR

1535 nm的眼安全波长在LiDAR系统中具有关键作用，包括：

• 自动驾驶导航：提供远程深度感知，同时确保对人眼安全
• 军事测距：用于目标跟踪与监视
• 航空航天应用：包括基于卫星的地形测绘和大气探测

3. 工业焊接与材料加工

高能量激光脉冲可用于：

• 精密元件焊接：尤其适用于航空航天和医疗器械制造
• 玻璃与聚合物切割：减少传统激光器可能造成的热损伤

光通信领域

1. 电信领域的光纤放大

这些键合晶体中铒掺杂增益介质的特性增强了光信号放大能力，适用于：

• 长距离光纤网络：有效补偿信号损耗
• 高速互联网基础设施：支持更快的数据传输
• 海底通信光缆：提高长距离通信的可靠性

2. 自由空间光通信

基于这些键合晶体的激光器在以下方面具有重要应用：

• 卫星数据链路：稳定的激光输出确保高效的远距离通信
• 量子通信：利用精确脉冲控制来实现安全加密技术

未来展望与结论

待解决的挑战

• 成本降低：键合工艺较为复杂，需要低温等离子键合技术的进步来提高产率
• 波长扩展：对Tm³⁺（铥）和Ho³⁺（钬）共掺杂的研究有望将工作波长扩展至2 μm，以满足更广泛的应用需求
• 光子芯片集成：与硅光子学的混合集成可实现片上激光源，推动光学系统的微型化

结论

Er,Yb:glass+ Co:spinel键合晶体代表了眼安全激光技术的重大突破。其独特的光学特性、高效率和广泛适用性，使其在医学、工业和电信领域不可或缺。随着材料科学和制造技术的不断进步，这些晶体将在未来发挥更大作用，推动眼安全激光技术的持续发展。