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Er,Yb:glass + Co:spinel:人眼安全激光技術的進展

新聞 / 2025年3月18日

引言

近年來，在LiDAR、外科手術、太空通信和工業加工等領域，對1.5-1.6 μm波長范圍內的眼安全激光器的需求大幅增長。傳統的Nd:YAG激光器（1064 nm）由于具有較高的視網膜損傷風險，受到一定限制，而Er,Yb:glass（鉺-鐿共摻玻璃）因其1.54 μm的發射波長成為理想的替代方案。然而，該材料的低熱導率和低效率長期以來都是技術瓶頸。通過將Er,Yb:glass與Co:spinel（鈷摻雜尖晶石）鍵合形成復合晶體，科學家成功克服了材料局限性，為新一代高功率、高效率的眼安全激光器奠定了基礎。

光學特性與工作機制

Er,Yb:glass與Co:spinel的結合產生了一種獨特的協同效應，顯著提升了激光性能。每種材料在提高效率、穩定性和輸出質量方面發揮著不同的作用，使這些鍵合晶體成為傳統激光系統的有前途替代方案。

1. Er,Yb:glass作為增益介質的作用

Er,Yb:glass因其能夠在1535 nm波長處發射激光而廣受認可，該波長位于眼安全范圍內。鉺（Er3?）離子是主要的激光活性離子，其通過?I??/? → ?I??/?躍遷產生激光。然而，單獨的Er3?離子對泵浦光的吸收較弱，導致較低的粒子數反轉效率。為了解決這一問題，研究人員引入了鐿（Yb3?）離子作為敏化劑，它能夠高效吸收980 nm泵浦光，并將能量傳遞給Er3?離子。

這一能量傳遞機制能夠改善：

  • 量子效率：確保更高比例的吸收光子參與激光輸出
  • 泵浦吸收帶寬：提高泵浦方案的靈活性和效率
  • 熱穩定性：減少由于能量轉換低效而導致的過熱現象
圖1. 鉺玻璃， 增益介質， 芯飛睿

2. Co:spinel的被動調Q技術

Co:spinel（Co2?摻雜的MgAl?O?）作為一種被動調Q器，是產生短脈沖、高峰值功率激光的重要組件。其非線性吸收特性使其能夠實現自調節脈沖生成，從而無需使用主動調制器。

Co:spinel的主要優勢包括：

  • 寬帶吸收：適用于多個激光波長，特別是在1.3-1.6 μm范圍內
  • 高損傷閾值：允許在高能量水平下運行而不會發生光學退化
  • 快速恢復時間：確保激光脈沖的快速調制，適用于高重復頻率應用
圖2. 鈷尖晶石， 被動調Q介質， 芯飛睿

3. 熱學與力學優勢

玻璃基增益介質的主要缺點是其低熱導率（~0.8 W/m·K），這容易導致過熱積累和熱透鏡效應。而Co:spinel的熱導率顯著更高（~20 W/m·K），能夠實現更高效的散熱。

Er,Yb:glass + Co:spinel的鍵合結構有助于：

  • 減少熱梯度：降低光束畸變并提高系統穩定性
  • 增強機械耐久性：使激光系統更加堅固，適用于工業和野外應用
  • 改善輸出光束質量：實現接近1.2的M2值，表明近乎高斯光束輪廓

醫學與生物領域的應用

Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體產生的1535 nm激光由于其較高的水吸收系數和較淺的組織穿透深度，在醫學領域具有卓越的應用價值。這些特性使其成為眼科、皮膚科和牙科等多個醫療手術的理想工具。

1. 眼科激光手術

該激光最重要的應用之一是在激光輔助視力矯正手術中，例如：

  • LASIK（準分子激光原位角膜磨鑲術）：利用1535 nm激光脈沖重塑角膜以矯正視力
  • 白內障手術：實現精確的晶狀體囊切割，避免過度熱損傷
  • 青光眼治療：用于選擇性激光小梁成形術（SLT），提高房水排出能力

與1064 nm Nd:YAG激光相比，1535 nm波長的眼安全特性顯著降低了視網膜損傷風險，使其對患者和醫生都更加安全。

圖3. 安大略省激光眼科手術的費用是多少？, SAGE EYECARE

2. 皮膚科與美容治療

Er,Yb:glass激光器廣泛應用于：

  • 皮膚煥膚與皺紋去除：其對富含水分的組織具有強吸收能力，可實現可控消融
  • 疤痕修復與色素沉著治療：精確的激光能量傳輸有助于靶向性皮膚細胞重塑
  • 紋身去除：對深色色素具有更高的選擇性

3. 牙科應用

由于其高水吸收率和較小的穿透深度，該激光非常適用于：

  • 齲齒處理：提供微創、無痛的治療方案
  • 軟組織手術：減少術中出血并加快愈合
  • 牙周病治療：激光療法能夠高效消毒牙周袋

4. 生物熒光成像與診斷

除了外科手術應用外，該鍵合晶體穩定且精確的激光輸出還能增強基于熒光的成像技術，提高癌癥檢測、細菌分析和生物醫學研究的準確性。

圖 4. 工程大腸桿菌尼氏 1917 在小鼠腸道中的成像，維基百科

工業應用領域

Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合激光器能夠產生高峰值功率脈沖，使其在精密制造、LiDAR和國防等工業領域具有重要價值。

1. 激光微加工

在半導體和電子制造領域，這些激光器可用于：

  • 硅晶圓與陶瓷基板的精密切割
  • 精細雕刻與標記：在敏感材料上實現高分辨率文本與圖案刻印
  • 電路板制造中的微孔加工

2. 自動駕駛與國防LiDAR

1535 nm的眼安全波長在LiDAR系統中具有關鍵作用，包括：

  • 自動駕駛導航：提供遠程深度感知，同時確保對人眼安全
  • 軍事測距：用于目標跟蹤與監視
  • 航空航天應用：包括基于衛星的地形測繪和大氣探測
圖 5. 1535nm 安全護眼激光器，芯飛睿

3. 工業焊接與材料加工

高能量激光脈沖可用于：

  • 精密元件焊接：尤其適用于航空航天和醫療器械制造
  • 玻璃與聚合物切割：減少傳統激光器可能造成的熱損傷

光通信領域

1. 電信領域的光纖放大

這些鍵合晶體中鉺摻雜增益介質的特性增強了光信號放大能力，適用于：

  • 長距離光纖網絡：有效補償信號損耗
  • 高速互聯網基礎設施：支持更快的數據傳輸
  • 海底通信光纜：提高長距離通信的可靠性

2. 自由空間光通信

基于這些鍵合晶體的激光器在以下方面具有重要應用：

  • 衛星數據鏈路：穩定的激光輸出確保高效的遠距離通信
  • 量子通信：利用精確脈沖控制來實現安全加密技術
圖 6. 光纖

未來展望與結論

待解決的挑戰

  • 成本降低：鍵合工藝較為復雜，需要低溫等離子鍵合技術的進步來提高產率
  • 波長擴展：對Tm3?（銩）和Ho3?（鈥）共摻雜的研究有望將工作波長擴展至2 μm，以滿足更廣泛的應用需求
  • 光子芯片集成：與硅光子學的混合集成可實現片上激光源，推動光學系統的微型化

結論

Er,Yb:glass+ Co:spinel鍵合晶體代表了眼安全激光技術的重大突破。其獨特的光學特性、高效率和廣泛適用性，使其在醫學、工業和電信領域不可或缺。隨著材料科學和制造技術的不斷進步，這些晶體將在未來發揮更大作用，推動眼安全激光技術的持續發展。

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