引言
近年來(lái)，在LiDAR、外科手術(shù)、太空通信和工業(yè)加工等領(lǐng)域，對(duì)1.5-1.6 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的眼安全激光器的需求大幅增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的Nd:YAG激光器（1064 nm）由于具有較高的視網(wǎng)膜損傷風(fēng)險(xiǎn)，受到一定限制，而Er,Yb:glass（鉺-鐿共摻玻璃）因其1.54 μm的發(fā)射波長(zhǎng)成為理想的替代方案。然而，該材料的低熱導(dǎo)率和低效率長(zhǎng)期以來(lái)都是技術(shù)瓶頸。通過(guò)將Er,Yb:glass與Co:spinel（鈷摻雜尖晶石）鍵合形成復(fù)合晶體，科學(xué)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(chǔ)。
光學(xué)特性與工作機(jī)制
Er,Yb:glass與Co:spinel的結(jié)合產(chǎn)生了一種獨(dú)特的協(xié)同效應(yīng)，顯著提升了激光性能。每種材料在提高效率、穩(wěn)定性和輸出質(zhì)量方面發(fā)揮著不同的作用，使這些鍵合晶體成為傳統(tǒng)激光系統(tǒng)的有前途替代方案。
1. Er,Yb:glass作為增益介質(zhì)的作用
Er,Yb:glass因其能夠在1535 nm波長(zhǎng)處發(fā)射激光而廣受認(rèn)可，該波長(zhǎng)位于眼安全范圍內(nèi)。鉺（Er3?）離子是主要的激光活性離子，其通過(guò)?I??/? → ?I??/?躍遷產(chǎn)生激光。然而，單獨(dú)的Er3?離子對(duì)泵浦光的吸收較弱，導(dǎo)致較低的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)效率。為了解決這一問(wèn)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(jī)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(wěn)定性：減少由于能量轉(zhuǎn)換低效而導(dǎo)致的過(guò)熱現(xiàn)象
2. Co:spinel的被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)
Co:spinel（Co2?摻雜的MgAl?O?）作為一種被動(dòng)調(diào)Q器，是產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)自調(diào)節(jié)脈沖生成，從而無(wú)需使用主動(dòng)調(diào)制器。
Co:spinel的主要優(yōu)勢(shì)包括：
- 寬帶吸收：適用于多個(gè)激光波長(zhǎng)，特別是在1.3-1.6 μm范圍內(nèi)
- 高損傷閾值：允許在高能量水平下運(yùn)行而不會(huì)發(fā)生光學(xué)退化
- 快速恢復(fù)時(shí)間：確保激光脈沖的快速調(diào)制，適用于高重復(fù)頻率應(yīng)用
3. 熱學(xué)與力學(xué)優(yōu)勢(shì)
玻璃基增益介質(zhì)的主要缺點(diǎn)是其低熱導(dǎo)率（~0.8 W/m·K），這容易導(dǎo)致過(guò)熱積累和熱透鏡效應(yīng)。而Co:spinel的熱導(dǎo)率顯著更高（~20 W/m·K），能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的散熱。
Er,Yb:glass + Co:spinel的鍵合結(jié)構(gòu)有助于：
- 減少熱梯度：降低光束畸變并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性
- 增強(qiáng)機(jī)械耐久性：使激光系統(tǒng)更加堅(jiān)固，適用于工業(yè)和野外應(yīng)用
- 改善輸出光束質(zhì)量：實(shí)現(xiàn)接近1.2的M2值，表明近乎高斯光束輪廓
醫(yī)學(xué)與生物領(lǐng)域的應(yīng)用
Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體產(chǎn)生的1535 nm激光由于其較高的水吸收系數(shù)和較淺的組織穿透深度，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有卓越的應(yīng)用價(jià)值。這些特性使其成為眼科、皮膚科和牙科等多個(gè)醫(yī)療手術(shù)的理想工具。
1. 眼科激光手術(shù)
該激光最重要的應(yīng)用之一是在激光輔助視力矯正手術(shù)中，例如：
- LASIK（準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)）：利用1535 nm激光脈沖重塑角膜以矯正視力
- 白內(nèi)障手術(shù)：實(shí)現(xiàn)精確的晶狀體囊切割，避免過(guò)度熱損傷
- 青光眼治療：用于選擇性激光小梁成形術(shù)（SLT），提高房水排出能力
與1064 nm Nd:YAG激光相比，1535 nm波長(zhǎng)的眼安全特性顯著降低了視網(wǎng)膜損傷風(fēng)險(xiǎn)，使其對(duì)患者和醫(yī)生都更加安全。
2. 皮膚科與美容治療
Er,Yb:glass激光器廣泛應(yīng)用于：
- 皮膚煥膚與皺紋去除：其對(duì)富含水分的組織具有強(qiáng)吸收能力，可實(shí)現(xiàn)可控消融
- 疤痕修復(fù)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(xì)胞重塑
- 紋身去除：對(duì)深色色素具有更高的選擇性
3. 牙科應(yīng)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(chuàng)、無(wú)痛的治療方案
- 軟組織手術(shù)：減少術(shù)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(shù)應(yīng)用外，該鍵合晶體穩(wěn)定且精確的激光輸出還能增強(qiáng)基于熒光的成像技術(shù)，提高癌癥檢測(cè)、細(xì)菌分析和生物醫(yī)學(xué)研究的準(zhǔn)確性。
工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域
Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合激光器能夠產(chǎn)生高峰值功率脈沖，使其在精密制造、LiDAR和國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域具有重要價(jià)值。
1. 激光微加工
在半導(dǎo)體和電子制造領(lǐng)域，這些激光器可用于：
- 硅晶圓與陶瓷基板的精密切割
- 精細(xì)雕刻與標(biāo)記：在敏感材料上實(shí)現(xiàn)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(dòng)駕駛與國(guó)防LiDAR
1535 nm的眼安全波長(zhǎng)在LiDAR系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，包括：
- 自動(dòng)駕駛導(dǎo)航：提供遠(yuǎn)程深度感知，同時(shí)確保對(duì)人眼安全
- 軍事測(cè)距：用于目標(biāo)跟蹤與監(jiān)視
- 航空航天應(yīng)用：包括基于衛(wèi)星的地形測(cè)繪和大氣探測(cè)
3. 工業(yè)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(yī)療器械制造
- 玻璃與聚合物切割：減少傳統(tǒng)激光器可能造成的熱損傷
光通信領(lǐng)域
1. 電信領(lǐng)域的光纖放大
這些鍵合晶體中鉺摻雜增益介質(zhì)的特性增強(qiáng)了光信號(hào)放大能力，適用于：
- 長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)：有效補(bǔ)償信號(hào)損耗
- 高速互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施：支持更快的數(shù)據(jù)傳輸
- 海底通信光纜：提高長(zhǎng)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(yīng)用：
- 衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路：穩(wěn)定的激光輸出確保高效的遠(yuǎn)距離通信
- 量子通信：利用精確脈沖控制來(lái)實(shí)現(xiàn)安全加密技術(shù)
未來(lái)展望與結(jié)論
待解決的挑戰(zhàn)
- 成本降低：鍵合工藝較為復(fù)雜，需要低溫等離子鍵合技術(shù)的進(jìn)步來(lái)提高產(chǎn)率
- 波長(zhǎng)擴(kuò)展：對(duì)Tm3?（銩）和Ho3?（鈥）共摻雜的研究有望將工作波長(zhǎng)擴(kuò)展至2 μm，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求
- 光子芯片集成：與硅光子學(xué)的混合集成可實(shí)現(xiàn)片上激光源，推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的微型化
結(jié)論
Er,Yb:glass+ Co:spinel鍵合晶體代表了眼安全激光技術(shù)的重大突破。其獨(dú)特的光學(xué)特性、高效率和廣泛適用性，使其在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和電信領(lǐng)域不可或缺。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些晶體將在未來(lái)發(fā)揮更大作用，推動(dòng)眼安全激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
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