Tm3+ : Ho3+共掺光纤激光手术刀及其关键技术研究

The approaches to achieve efficient and high-safety surgery have always been the research aim of medical staffs and technicists. Due to the strong absorption of OH- at 1.94 um, the generated high thermal effect can induce solidification, carbonization and vaporization on human tissue. Thus laser at 1.94 um can be applied on tissue coagulation, hemostasis and excision. In this program, according to the previous work, an eye-safety Tm3+:Ho3+ co-doped fiber laser scalpel is proposed to cater to the demand of high-safety surgery. Utilizing MCVD-based special solution doping technique and side-groove method, photosensitive high-doped Er3+:Yb3+ fiber, Tm3+:Ho3+ co-doped polarization-maintaining fiber and Tm3+:Ho3+ co-doped double clad fiber are fabricated. The Tm3+:Ho3+ co-doped fiber laser scalpel using MOPA and special fiber components can operate at either continue-wave mode or pulse mode. Meanwhile, laser output power and focus position can be adjusted by precise optic-electro-mechanical system. It has potential application in human soft tissue cutting, retina suture and diseased tissue resection.

实现人体高效、安全的外科手术是医疗人员与科技人员共同追求的目标。1.94um波段的激光位于OH-强烈的吸收窗口，高强度的热效应可使人体组织产生凝固、碳化或汽化效应，因此可应用于人体组织的凝固、止血和高效率切除。本项目基于此需求，在前期研究工作基础上，提出发展基于人眼安全的Tm3+:Ho3+共掺光纤激光手术刀。以MCVD车床的“湿法”在线掺杂技术和光纤预制棒侧向开槽技术，制作高浓度光敏Er3+:Yb3+共掺、Tm3+:Ho3+共掺偏振保持光纤、Tm3+:Ho3+共掺偏振保持双包层光纤。基于种子光放大技术和特种光纤器件制作技术，通过所开发出的激光刀头的光电系统与软件控制系统实现输出模式的连续、脉冲可切换，输出功率大小与焦点位置可调的Tm3+:Ho3+共掺光纤激光手术刀。为人体软组织切割、视网膜缝合、肌体内部病变组织的非接触切除等开辟了一条全新的途径，为促进外科手术的技术进步奠定了坚实的基础。

本项目针对1.94μm波段激光在OH-吸收窗口表现出的高强度的热效应，进行了可应用于人体组织的凝固、止血和高效率切除的激光手术刀仪器基础研究及样机研制。根据预期研究计划，完成了以下研究内容：研制了共掺Er3+、Yb3+石英基光纤，掺Al3+、Tm3+石英基光纤和共掺Bi3+、Ga3+、Al3+、Tm3+石英基光纤；基于混合型复合腔结构实现了双波长掺铒光纤激光器和单频单偏振光纤激光器；利用PM-F-P滤波器和饱和吸收体分别实现了单偏振和单纵模掺铥光纤激光器；利用Lyot滤波器的多波长掺铥光纤激光器，分别利用混合锁模效应和SESAM实现2μm波段脉冲激光输出；分析了掺Tm3+光纤放大器中的受激布里渊散射效应，研究掺Tm3+光纤放大器对双单频激光的放大效果；分别实验研究了793 nm和1550nm泵浦下，掺Tm3+激光种子源的放大效果；分别搭建了输出功率可调的连续光和脉冲光掺Tm3+光纤激光手术刀，其中连续激光种子源通过两级放大实现了21.9 W高质量输出，飞秒类噪声脉冲种子光通过一级放大实现了7.16 W的输出；配合定制的三维电动平移装置和编制的控制软件程序，利用连续光掺Tm3+光纤激光手术刀实现了定点切割肌肉组织、定向移动切割脂肪和肌肉组织等，并初步研究了手术刀切割功率与切割深度关系。在完成以上研究内容过程中，同时发表学术论文32篇（其中SCI论文19篇、EI论文6篇、核心论文7篇）、申请发明专利4项、培养博士生3名（2名与国外知名大学联合培养）、硕士生18名。