晶体为医用激光器赋能，探索增益晶体和非线性晶体如何推动基于激光器的治疗和诊断

时间： 2024-09-09 来源：COHERENT官网

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光学晶体是医用激光器的核心，可将光转化为精密工具，以用于进行先进的治疗和诊断，从而改善人们的生活质量。

晶体是现代医用激光器技术的支柱。从无创美容手术到救命外科手术等多种医疗用途中，这种设计精密的材料对于生成和控制激光发挥着重要用。

晶体可将电能转化为高度聚焦的高强度激光束，这些激光束在经过精确定制后可瞄准人体内的特定组织、结构甚至各个细胞。

如果没有晶体提供的精确度和控制水平，医用激光器将会缺乏进行改变着当今医疗保健行业格局的精密手术所需的能力、稳定性和多功能性。

医用激光器使用各种光学晶体来产生激光束和调节激光波长，这篇博文重点介绍了各种晶体的具体应用和优势。

增益晶体和非线性晶体

增益晶体是一种最常用的晶体，是激光器的核心，可将来自光源（例如灯或二极管激光器）的能量转化为聚焦的激光束。这种晶体可加强或放大激光，使激光的强度足够大，以适用于各种生命科学应用。

腔外 UV DPSSL 示例，其中着重说明了晶体整合

非线性晶体是另一种晶体，应用于具有特定波长要求的专门治疗和技术，如针对皮肤内特定结构的精密皮肤手术。这种晶体可进一步转化激光束，通过谐波产生过程使激光束的频率提高两倍或三倍。谐波转换晶体会将激光波长调节为原波长（“基波波长”）的一半（二次谐波 (SHG)）或三分之一（三次谐波 (THG)）。

增益晶体和非线性谐波晶体是现代医用激光器技术的重要组成部分。

ND:YAG 增益晶体

借助 Nd:YAG 和 Nd:YVO4 激光晶体的力量，生命科学领域的创新者将 1064 nm 近红外光应用于尖端医疗，推动皮肤科、眼科和牙科的新突破。

掺钕晶体和掺钕光纤被用于许多激光器中，可产生约 1064 nm 的近红外基波波长。其中两种最常用的晶体是 Nd:YAG（主晶是钇铝石榴石）和 Nd:YVO4（主晶是钒酸钇）。医用激光器技术依赖 YAG 和 YVO4 作为关键组件。YAG 的固有特性使其可以产生高能量脉冲，YVO4 则有助于提高重复频率和平均功率输出。

那么，这些激光器在医学上有哪些应用？在皮肤科和美容领域，Nd:YAG 激光器用于祛除纹身、脱毛、治疗色素病变和嫩肤。在眼科领域，Nd:YAG 激光器用于某些眼部手术，治疗各种眼部疾病，包括在接受了白内障手术后出现的后发性白内障、青光眼。在牙科领域，这些激光器用于龋齿拔除、牙龈轮廓重塑和牙科手术等治疗。

二次谐波产生（SHG）晶体 – KTP、LBO、BBO

Nd:YAG 激光器产生的 1064 nm 基波波长有时会通过 SHG 晶体转化为二次谐波绿光 (532nm) 输出。可以使用多种不同的非线性光学晶体来进行 Nd:YAG 的二次谐波产生（SHG）这些晶体通常使用由 3 个字母组成的缩写名称，而不使用略显冗长的全称。磷酸氧钛钾 (KTP)、三硼酸锂 (LBO) 和硼酸钡 (BBO) 是三种最常用于 Nd:YAG 的 SHG 晶体，其分类基于非线性光学特性，这种特性有助于实现 Nd:YAG 激光器高效倍频。

精密切割的 KTP、LBO 和 BBO 晶体可实现高效的二次谐波产生，将 Nd:YAG 激光器红外光转化为 532 nm 波长的强大绿光输出，支持可见波长应用。KTP、LBO 和 BBO 晶体具有双折射特性，可完美地校准基频和倍频，优化在设计精密的紧凑型设备中的转换，从而增强二次谐波产生能力。

这些非线性晶体都表现出一种称为双折射的特性，这使得基波和二次谐波波长的相位匹配能够高效进行。这可确保基波和二次谐波在相位中传播，并最大限度地提高转换效率。

非线性晶体的选择取决于诸多因素，例如，所需的波长、转换效率、光学特性、损伤阈值以及激光系统的其他特定要求。

绿光 (532 NM) ND:YAG 应用

绿光 (532 nm) Nd:YAG 激光器本身具有很强的适应性，因此被广泛应用于各种医疗应用。在皮肤科领域，这种激光器用于血管病变治疗等手术。在此类手术中，绿光波长被血管中的血红蛋白吸收，可有效地瞄准并治疗血管病变、葡萄酒色斑和某些类型的胎记。

绿光 532 nm Nd:YAG 激光器的工作原理基于组织色素可吸收相干绿光，为治疗血管病变、祛除纹身和增强成像提供了解决方案。

这种激光器在眼科领域也很有用，例如，用于治疗某些视网膜疾病以及进行眼部手术。在美容医学领域，绿光有时用于为肤色较浅但毛发颜色较深的人进行激光脱毛，因为毛囊中的黑色素可吸收绿光。此外，这种激光波长对于分解纹身中的颜料颗粒很有用，尤其是对于绿色、蓝色和黑色颜料。还值得一提的是，绿光 Nd:YAG 激光器有时用于结合了光学成像和超声波成像的光声成像技术中，实现组织可视化，以便进行诊断。

ER:YAG 激光晶体

基于掺铒增益晶体的激光器广泛应用于医学领域，尤其是 Er:YAG（掺铒钇铝石榴石）激光器。这些激光器可发出波长为 2940 nm 的光，即中红外光，这种光可被水和羟基磷灰石（牙齿和骨骼的一种成分）高效吸收。因此，这些激光器以精确和对周围组织的损伤极小而著称。

Er:YAG 激光器可发出波长为 2940 nm 的光，有助于牙科、皮肤科、眼科和外科领域实现精确的微创手术。

掺铒激光器的医疗应用包括几种牙科治疗。拔除龋齿时，羟基磷灰石会有选择性地吸收光，从而最大限度地减少去除的健康牙齿结构，因此，这种激光器非常适用于窝洞预备。软组织应用包括牙龈轮廓重塑、牙周治疗和牙龈塑型。掺铒激光器还被用于根管治疗——对根管进行清洁和消毒。

在皮肤科领域，Er:YAG 激光器用于消融皮肤表层的杂质，促进胶原蛋白重构和再生，可有效治疗皱纹、疤痕和肤色不均匀问题。这种激光器有时用于瞄准并祛除色素病变，例如老年斑和雀斑。

掺钬激光器

基于掺钬晶体的激光器（尤其是掺有铬、铥和钬的 YAG 激光器 (CTH:YAG)）是另一种重要的医用激光器，可发出波长约为 2100 nm 的光。这些激光器主要用于泌尿学领域，特别是通过一种名为碎石术的过程来治疗泌尿结石（肾结石、输尿管结石和膀胱结石）。在这种治疗中，激光器将结石分解为小块，使结石可以自然排出体外或被取出。

掺钬 YAG 晶体使医用激光器能够击碎尿路结石，精确地切除前列腺组织，以及以内窥镜辅助方式治疗胃肠道疾病，最大限度地减少泌尿系统手术和胃肠道手术的并发症。

基于钬晶体的激光器还常常用于治疗良性前列腺增生 (BPH)。这种治疗的一种常见手术是用于治疗良性前列腺增生的钬激光前列腺摘除术 (HoLEP)，这种手术可精确地切除组织，同时将出血减到最少。

最后，钬激光器有时用于胃肠道内窥镜手术，主要用于治疗胃肠道狭窄、肿瘤或其他异常情况。

掺钕光纤、掺铒光纤和掺钬光纤

随着行业转为采用基于光纤的激光器架构，材料相容性至关重要。制造商现在专注于使用与传统激光晶体中相同的稀土元素（如Nd、Er、Ho 等）来生产增益光纤。使用相容的材料可确保晶体和光纤的光学特性一致，从而最大限度地提高整个激光系统的效率、输出稳定性和性能。

COHERENT 高意的优势

毋庸置疑，晶体是生命科学诊断和医用激光器最关键的组件之一，因为它们能够产生激光并在必要时转换波长。在精密癌症手术等领域，这些激光器可以说是生死攸关。因此，正确选择晶体和晶体制造商非常重要。

Coherent 高意是市场领军企业之一，提供用于医用激光器的各类定制形状和尺寸的激光晶体（例如，圆柱形激光棒和菱形板条），以及许多其他类型的光学晶体。我们拥有数十年专业经验，在全球各个经营场所拥有 400 多个晶体培养站，带来重要的优势组合，为这一成功奠定基础。

垂直整合。Coherent 高意是一家高度垂直整合的光子技术公司，其产品涉及整个生产链，包括激光晶体等原材料，以及完整的激光器和基于激光器的特种设备。这使我们获得了同时作为制造商和光学组件用户的独特视角，重视从质量和工艺控制到准时发货的每个环节。

我们还拥有非常丰富的技术。在激光晶体这个特定领域，这意味着我们可提供无比丰富的激光晶体选择。我们对所有这些材料的相对优点了如指掌；如果您要打造医用激光器，我们可以指导您找到最适合具体应用的解决方案，不会有任何技术限制方面的偏见。

质量保证/计量。凭借数十年在各种商业化工艺中的晶体培养经验，我们深知质量保证 (QA) 和计量学的重要性。培养晶体相当容易，培养具有激光级质量的晶体却并不容易。凭借我们的专有知识、对质量的重视以及对计量工具的综合运用，Coherent 高意晶体可使生命科学仪器具有更好的性能和更长的使用寿命。

在这个全球供应链充满不确定性的时代，我们还有一个实际优势，即我们的所有这些晶体均由美国的几家工厂生产。

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