近日,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院健康所江海河研究員課題組,在中紅外波段高能量脈沖激光傳輸系統(tǒng)研究方面取得重要進(jìn)展,設(shè)計了具有78 μm較大芯徑的6孔微結(jié)構(gòu)反諧振空芯光纖(AR-HCF),首次實現(xiàn)了在室溫條件下高效率傳輸2.79 μm波段高能量脈沖激光。相關(guān)成果已在國際知名光學(xué)TOP期刊Optics and Laser Technology上發(fā)表。
激光醫(yī)療儀器通常需要通過一個靈活的導(dǎo)管將其發(fā)出的激光傳送到患者治療處,但傳統(tǒng)的中紅外激光醫(yī)療儀器大多采用的是導(dǎo)光臂傳輸激光。然而,傳統(tǒng)的導(dǎo)光臂傳輸激光方式存在諸多問題,如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸效率低、不夠靈活等。采用光纖傳輸可解決上述問題,但實芯光纖的材料在中紅外波段的激光損傷閾值較低,無法滿足3 μm波段鉺激光醫(yī)療器械高能量密度的導(dǎo)光需求。所以,研究團(tuán)隊設(shè)計研究一種結(jié)構(gòu)簡單、耦合傳輸效率高、損傷閾值大且可柔性傳輸?shù)腁R-HCF替代導(dǎo)光臂傳輸激光能量。
該團(tuán)隊采用設(shè)計的具有78 μm較大芯徑的6孔微結(jié)構(gòu)AR-HCF,首次在室溫條件下高效率傳輸2.79 μm波段高能量脈沖激光。在沒有損壞光纖的情況下,整個區(qū)域平均耦合傳輸效率為77.3%,在高光束質(zhì)量小耦合能量下最高耦合傳輸效率達(dá)到了85%。如果扣除纖芯中空氣吸收衰減,該結(jié)構(gòu)光纖系統(tǒng)的自身傳輸效率實際上已超過了90%。該系統(tǒng)實現(xiàn)了11.78 mJ最大脈沖激光能量輸出,相應(yīng)的能量密度閾值350J/cm2,遠(yuǎn)超過生物體軟組織消融所需值。同時,該AR-HCF的最小彎曲半徑為20cm和對應(yīng)的損耗可滿足外科醫(yī)生臨床上的使用需求,并且AR-HCF輸出端的激光光束質(zhì)量較輸入端的更好,得到了較好的改善。
與目前其它結(jié)構(gòu)和材料制成的用于2.79 μm波長傳輸?shù)墓饫w相比,此二氧化硅的6孔結(jié)構(gòu)AR-HCF具有更強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性、更高的損傷閾值以及更低的彎曲敏感性且優(yōu)于傳統(tǒng)的導(dǎo)光臂傳輸性能。該研究為2.79 μm Cr,Er:YSGG醫(yī)用固體激光高效率傳輸開辟了一種全新的途徑。
圖1. AR-HCF橫截面結(jié)構(gòu)
圖2. 2.79 μm AR-HCF空間傳輸實驗裝置
圖3. 不同彎曲半徑和彎曲方向下AR-HCF的損耗