摘要 激光疗法是治疗血管性皮肤病最为便捷和可靠的方案。介绍了激光治疗血管性皮肤病的选择吸收原理及氧合血红蛋白的吸收峰位置，从而确定了激光波长的选择依据，阐述了４１８、５４２、５７７ｎｍ 波段医用全固体激光器的相关技术及发展现状，重点阐述了医用５７７ｎｍ 波段的５种激光技术：倍频、和频、受激拉曼散射（ＳＲＳ）、光参量振荡器（ＯＰＯ）及光抽运半导体（ＯＰＳ）技术。指出了各种技术的优缺点及其医用前景。在和频技术中，提出了将薄片结构与端抽运结构相结合的新型医用５７８ｎｍ 黄光激光器的设计方案。
关键词 激光器；全固态激光器；氧合血红蛋白；和频；倍频；光抽运半导体技术
１ 引 言
血管性皮肤病是整形美容领域最常见的先天畸形之一，目前最为便捷、可靠的治疗途径为激光疗法，其利用的是激光选择吸收原理：当用激光照射病变部位时，其色基氧合血红蛋白（ＨｂＯ２）便吸收光能量成为一个热源，此时通过热量的散射和传导，使血红蛋白发生凝固，红细胞被破坏，形成血栓，造成病变部位畸形的血管阻塞，从而达到治疗目的［１，２］。对于其治疗波长的选取，必须依据ＨｂＯ２ 的吸收曲线而定，由相关文献可知，在４１８、５４２、５７７ｎｍ 处存在ＨｂＯ２ 的最大吸收峰［３，４］，因此在设计治疗血管性皮肤病的激光器时，波长应以这三个峰值为基准，最好能和这三个峰值相重合，以使能量被高效吸收，从而避免使用偏离峰值较大的波长因吸收不充分而给病人带来的不适。
早期，血管性皮肤病多采用染料激光器和气体激光器进行治疗，但染料激光器具有安全性差、染料有毒、易退化、能量消耗高、稳定性差等一系列问题，且体积庞大，设计方案复杂，而气体激光器常存在结构不紧凑和冷却效果差等缺点。相比之下，激光二极管（ＬＤ）抽运的全固体激光器及近年来新发展起来的光抽运半导体（ＯＰＳ）激光器具有波长覆盖范围广、体积小、效率高、光束质量好等优点，因此开发相应波段的固体激光器对推动我国的激光医疗产业具有重要的意义。本文将对４１８、５４２、５７７ｎｍ 激光及其临近波段的激光技术及发展概况进行分析与探讨。
２ ４１８ｎｍ 波段激光器
如图１所示，４１８ｎｍ 处于ＨｂＯ２ 的最大吸收峰上，由于皮肤表皮黑色素在该波段的吸收比５４２ｎｍ 和５７７ｎｍ 强很多［５］，如图２所示，该波长只适用于肤色白皙者（肤色越深，黑色素含量越高），对肤色较深者［６］，可选择波长较长的５４２ｎｍ 和５７７ｎｍ 进行治疗。目前成熟的激光晶体中还未发现８３６ｎｍ 这条谱线，因此通过倍频技术还不能实现与４１８ｎｍ 谱线完全重合的激光输出。波长与其临近的仅有４１６ｎｍ 在文献中有所报道：２００４年，程光华等［７］用半导体激光抽运的ＹＬＦ 倍频激光（５２７ｎｍ）抽运钛宝石晶体，在抽运功率为３．８ Ｗ时，获得６１０ｍＷ４１６ｎｍ 蓝光，且结构紧凑（４０ｃｍ×２０ｃｍ×２０ｃｍ）。由于其与ＨｂＯ２ 吸收峰仅差２ｎｍ，吸收效率理论上与４１８ｎｍ 差距不大，可进行相关临床实验。
３ ５４２ｎｍ 波段激光器
５４２ｎｍ 为ＨｂＯ２ 的第三大吸收峰，如图１ 所示。由于早期激光技术和镀膜工艺不够成熟，不能实现５４２ｎｍ的有效输出，在该波段，过去多采用１０６４ｎｍ 倍频的５３２ｎｍ 激光进行临床研究，相关工作在文献中已有大量报道［８～１１］，其在治疗血管性皮肤病方面的疗效和可靠性也已得到充分肯定。由此可知，吸收系数较大的５４２ｎｍ 波段激光器在该领域的医用前景是毋庸置疑的。２００６ 年，Ｚｈａｎｇ 等［１２］首次开展了对Ｎｄ∶ＹＶＯ４晶体１０８５．４ｎｍ 谱线进行倍频的实验，获得了１９ｍＷ ５４２ｎｍ 激光输出。随后，长春新产业光电技术有限公司对该实验不断优化，通过在腔内插入选频元件选频，目前已推出１．５ Ｗ 的５４２ｎｍ 激光器产品［１３］，稳定性优于３％。２０１０年，李永亮等［１４］使用Ｎｄ∶ＹＶＯ４和磷酸氧钛铷（ＲＴＰ）晶体，采用Ｖ 型腔结构，通过腔内倍频１０８５．４ｎｍ 谱线，获得了２．４ Ｗ ５４２．７ｎｍ 激光输出。２０１１ 年，Ｓｕｎ 等［１５］将Ｎｄ∶ＹＶＯ４ 的９１４ｎｍ和１３４２ｎｍ 谱线进行腔内和频，获得了２１２ｍＷ５４４ｎｍ 激光输出。以上报道的波长相比于５３２ｎｍ穿透深度更深，其疗效将更为显著。但从文献报道可以看出，目前５４２ｎｍ 波段激光技术还较单一，仅局限于倍频、和频技术，而且输出功率也有待进一步提高。
４ ５７７ｎｍ 波段激光器
由图１可知，５７７ｎｍ 处于ＨｂＯ２ 的第二大吸收峰上，与４１８、５４２ｎｍ 相比，黑色素对其吸收最弱，因而皮肤穿透深度最深，是治疗血管性皮肤病的最理想光源。由于染料能直接发射这个波段的激光，因而对其临床研究最早。由相关文献可知，处于５７７～５９５ｎｍ 波段激光治疗各类血管性皮肤病都是安全可靠的［１６～１９］。目前，固体激光器已能实现该波段的大部分波长输出，实现的技术手段主要有以下５种（由于ＯＰＳ采用了腔内倍频技术，本文暂将其划分至固体激光技术中讨论）。
４．１ １．１微米附近倍频技术
１．１μｍ 附近倍频技术主要针对红外色心晶体，目前能获得５７７～５９５ｎｍ 波段输出的仅有少量文献报道［２０～２２］。１９９７年，ＭｃＫｉｎｎｉｅ等［２０］用调犙１０６４ｎｍ 激光抽运Ｃｒ４＋∶Ｍｇ２ＳｉＯ４ 晶体得到１１８０～１３４０ｎｍ 激光，通过ＫＴＰ 腔内倍频得到５９０～６７０ｎｍ 的激光输出，光光转换效率达到了７％。２００２年，Ｇｕ等［２１］用氟化锂色心晶体实现了单脉冲能量０．１８ ｍＪ，调谐范围５２０～６３０ｎｍ 的黄橙激光输出，光光转换效率达到４％。２００２年，Ｇｉｆｆｉｎ等［２２］用调犙１０６４ｎｍ 激光抽运红外色心晶体ＬｉＦ∶Ｆ－２ 得到１１００～１２００ｎｍ 激光，通过ＬＢＯ 倍频实现了５５０～６００ｎｍ 的可调谐黄光脉冲输出，光光转换效率达到２０％。从文献报道来看，色心晶体还处于研究阶段，短期内还难以开发出高稳定、高效率的医用激光光源。
４．２ 和频技术
和频技术分为腔内技术和腔外技术两种结构，在连续的腔外和频过程中，基频光功率密度低，难于提高输出功率［２３］，要想达到医用指标，必须进行脉冲和频。文献［２４］报道了使用两台注入锁模Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器腔外和频，获得２０ Ｗ５８９ｎｍ 的实验结果，由于脉冲宽度窄，功率密度高，使得转换效率大大提高，达到了５５％；该研究小组通过进一步优化实验，２００５ 年将输出功率提高到５０ Ｗ［２５］，但是该系统体积庞大、结构复杂、成本高昂，不能满足实用性要求，很难将其产品化并在医疗领域推广使用。在国内，中国工程物理研究院也开展了相关研究工作［２６，２７］，目前５８９ｎｍ 输出功率可达１５．５ Ｗ，但其采用了侧面抽运结构且需设计复杂的电子学延迟补偿系统，仍面临难于产品化的问题。相比而言，采用腔内技术可以充分利用腔内功率密度高的特点，并简化了结构，使得连续激光的和频效率得以提高，因而相关文献报道较多。腔内和频主要有两种形式。一种形式如图３所示，Ｍ１分别与Ｍ２、Ｍ３形成两个独立的谐振腔，使得同一增益介质的两条谱线在两个子腔内同时振荡，通过优化腔长和腔镜的透射率使增益达到匹配，然后通过非线性晶体和频，获得新的波长。Ｃｈｅｎ等［２８，２９］采用该方案，分别在２００２年和２００４年报道了其研究成果，在５９３ｎｍ 处的平均输出功率分别为３４０ｍＷ 和６１０ｍＷ。该方案的缺点是，激光运行时消耗同一上能级的反转粒子数，效率难以大幅提高，同时由于两条谱线发射截面差距较大，难于实现理想的匹配，使得双波长模式竞争影响到激光光束质量，因而输出功率较低，目前还未见到有瓦级输出的实验报道。
腔内和频的另一种形式如图４所示，利用两块增益介质，分别利用两台激光器的腔内基频光，使其在公共腔
内交叠，通过在交叠区内放入非线性晶体进行腔内和频。这是目前文献报道最多的一种形式，光束质量和效率比单一增益介质有所提高，可实现瓦级输出。２００５ 年，Ｓａｉｔｏ等［３０］报道了１ Ｗ ５８９ｎｍ 连续输出的实验结果。２０１１年，Ｃｈｅｎ 等［３１］报道了平均输出功率达８ Ｗ 的５９３ｎｍ实验结果。该结构是目前可开发医用瓦级和频黄光激光器的唯一可行方案。
现将上面所提及文献及输出在毫瓦量级且处于５７７～５９５ｎｍ 医用波段的和频实验总结如表１ 所示。由表１ 可以看出，目前医用和频输出波长仅局限于５８９ｎｍ和５９３ｎｍ。针对这种状况，本课题组提出了一种新的实验方案［３２］，其结构如图５所示。该方案将薄片式抽运结构和端面抽运结构相结合，利用Ｎｄ∶ＹＡＧ 的１３１９ｎｍ 和Ｙｂ∶ＹＡＧ 的１０３０ｎｍ 谱线，通过腔内和频实现５７８．３ｎｍ 激光输出。该波长与铜蒸气激光器的５７８ｎｍ 波长重合，其治疗亚洲女性黄褐斑的临床实验结果在２０１０年已有报道［１９］，疗效极其显著。该方案的提出解决了铜蒸气激光器体积庞大的缺点，同时拓宽了医用全固体激光器的可利用波长。
４．３ 拉曼频移技术
受激拉曼散射（ＳＲＳ）是激光技术中重要的变频手段之一，可分为内腔、外腔和自拉曼三种结构，其示意图分别如图６（ａ）～（ｃ）所示，图中ＳＨＧ 和ＳＦＧ 分别表示倍频与和频。目前文献报道的输出波长处于５７７～５９５ｎｍ 之间的实验结果如表２所示。下面按三种结构分别讨论。
内腔式结构将激光晶体、拉曼晶体、倍频或和频晶体置于同一谐振腔内，其特点是阈值较低，但稳定性受热效应影响严重，缺点是腔镜膜系复杂，为防止高阶斯托克斯光起振，腔镜需对基频光和一阶斯托克斯光高反，同时对高阶斯托克斯光增透，这无形中增加了镀膜成本。从表２可以看出，内腔拉曼激光输出波长主要集中在５７８、５７９、５９０ｎｍ 三个波段。１９９９年，Ｐａｓｋ等［３６］使用ＬＤ 端面抽运结构、Ｎｄ∶ＹＡＧ 晶体、ＬｉＩＯ３ 拉曼晶体和声光调犙装置，首次报道了医用黄光波段的内腔式拉曼激光器，获得了平均功率为１．２ Ｗ 的５７８ｎｍ激光。２００５年，Ｍｉｌｄｒｅｎ等［３７］报道了５７９ｎｍ 的实验结果，平均输出功率为１．８ Ｗ。２０１０年，Ｃｏｎｇ等［３８］报道了输出可达８．３ Ｗ 的５９０ｎｍ 激光，这是目前输出最高的准连续黄光拉曼激光器。该波长连续输出的最高纪录为Ｌｅｅ等［３９］在２０１０年报道的２．９ Ｗ。
外腔式结构则将拉曼晶体置于独立的拉曼谐振腔内，这样缩短了腔长，降低了损耗，系统的热稳定性好。其输出多为二阶斯托克斯光倍频产生。由表２可知，输出波长主要有５８３、５８８、５７９、５８９ｎｍ［４０～４２］，其中５７９、５８８ｎｍ 均可获得瓦级输出。
而自拉曼式结构的激光晶体既是激光增益介质又是拉曼增益介质，由于腔内少了单独的拉曼晶体，插入损耗减小，腔长变短，使得结构更为紧凑、运行更加稳定。２０００年，Ｆｉｎｄｅｉｓｅｎ等［４３］首次报道了该结构的黄光激光器，５８１ｎｍ 的平均输出功率仅为１．５ｍＷ。其后随着自拉曼晶体生长工艺的改进，激光转换效率大大 提高，２００８年，Ｌｅｅ等［４４］报道了连续输出可达２．５１Ｗ 的５８６ｎｍ 自拉曼激光器，２００９年，Ｚｈｕ等［４５］报道了输出可达７．９３ Ｗ 的５８８ｎｍ 自拉曼激光器。
综上可以看出，拉曼激光器最大的特点是设计方案灵活，输出的黄光波长覆盖范围广，目前输出可达８个波长，且三种结构都能实现瓦级输出，因而可根据临床要求，设计相应波长的医用激光器。
４．４ 光学参量振荡器技术
利用光学参量振荡器（ＯＰＯ）中的非线性频率变换技术可获得近红外光源。再通过倍频、和频可实现黄光输出，目前输出波长在５７７～５９５ｎｍ 波段的报道较少，功率也较低，结构复杂，其研究目的主要是获得低噪声的特定黄光波长输出，用于高分辨率光谱仪和光控量子计算机。２００８年，Ｍｙ等［４８］通过对闲频光倍频实现了５８５～６７８ｎｍ 可调谐输出，其中５８５ｎｍ 输出在５０ｍＷ 左右。２０１０年，该课题组实现了几毫瓦的低噪声５７９ｎｍ 激光输出［４９］。２００８年，Ｊｅｎｓｅｎ等［５０］将周期性极化铌酸锂（ＰＰＬＮ）刻上不同的周期，使其既作为中红外ＯＰＯ 非线性晶体，又作为和频晶体（信号光１３５８ｎｍ 和抽运光１０３０ｎｍ 和频）使用，获得了３００ｍＷ５８６ｎｍ 激光，转换效率达到了２３％。从目前的文献报道来看，该波段ＯＰＯ 技术均采用环形腔结构，其稳定性完全能够满足医用要求，但输出功率仍需大幅提高。
４．５ 光抽运半导体技术
ＯＰＳ技术的谐振波长大多在近红外，通过腔内倍频可获得可见光输出。２００１年，该技术首次被提出［５１］，其后发展很快，目前产品已在低功率应用领域赢得了显著的市场份额。２００８ 年，Ｆａｌｌａｈｉ等［５２］报道了１１７５ｎｍ ＯＰＳ激光器，采用ＬＢＯ 腔内倍频，通过插入布儒斯特片并改变温度进行调谐，获得了５７９～５９５ｎｍ波段输出，其中５８５～５８９ｎｍ 输出功率大于５ Ｗ。２００８年，相干公司首次推出５ Ｗ５７７ｎｍ 商用激光器［５３］，并在治疗眼底病，比如视网膜出血、老年黄斑变性等方面进行应用，结构如图７所示，其特点是体积非常小，激光头尺寸仅与２５美分硬币相当，如图８所示［５４］，且稳定性很高。该技术是未来医用激光器发展的一个重要方向，但每个目标波长都需对半导体材料进行特殊设计，需要大型设备和长期的技术积累，成本高昂，目前国内还未有相关报道。５ 结束语
本文介绍了ＨｂＯ２ 的吸收峰位置及激光治疗血管性皮肤病的选择吸收原理，进而确定了激光波长的选择依据，对４１８、５４２、５７７ｎｍ 波段的激光技术及国内外发展状况进行了总结。在和频技术中给出了新型５７８ｎｍ医用激光器的设计方案，该方案进一步丰富了全固体医用激光器的可利用波长。