摘要：现在，高功率光纤激光器在工业和通信领域的应用特别引起公众的注意，但低功率光纤激光器在外科手术、成像和美容领域的应用也为时不远了。
近年来，在光子学领域，光纤激光器已经变成最热门的话题之一了,该技术在坚固和可靠性方面进展特别快。但是，我们读到或听到的都与它们在工业和通信领域的应用有关，输出功率一般都在1-2千瓦水平。然而,一些研究小组和商业团体正在探索低功率光纤激光器在医学领域的应用，如光学相干拓扑(OCT)、显微外科和皮肤再生等。事实上，他们预计：在医学领域，光纤激光器将会逐渐代替很多现有光源,因为它们成本低、便于使用、传送的能量范围很宽(脉冲和连续运转均可)，以及很适合在手术和诊断成像方面应用。
澳大利亚悉尼大学光纤技术中心(OFTC)的Stuart Jackson说：“对手术应用来说，重要的是激光器要紧凑，维修要少,效率要高。光纤激光器的高效率和好的热学特性使它们特别适合手术应用。因为它们是用二极管泵浦的,所以也很紧凑。光纤形状比体材料固体激光器优越，因为它缓解了对另外传送光纤的需求,从而降低了成本，减少了系统的复杂性”。
光纤激光器是在1963年，由Elias Snitzer发明的。到最终进入商业应用之前, 差不多经过了二十年的发展时期。早期，采用单模二极管激光器泵浦，只能辐射几十毫瓦。但它对用户仍然有着很大的吸引力，因为它们的增益很高，能使许多稀土离子实现单模连续运转，这是晶体激光器无法实现的。1990年，光纤激光器实现了到瓦级输出的飞跃，那时，报道的一台掺铒光纤激光器，输出功率高达4W1，这一发展为今天我们看到的10W和更高单模功率的光纤激光器打下了基础。
在光纤激光器中,光纤本身起着谐振腔的作用。 这些器件一般包含一个掺有铒、镱(或者是它们的组合)或稀土元素的单模纤芯。来自固体光源的能量，被耦合到光纤的包层中,然后进入纤芯，泵浦掺杂原子。在医学领域，最需要的波长有：1.3μm波段用于成像，1.5μm(水的吸收峰)-4μm波段用于手术,功率范围在几毫瓦到100W以上不等。
Jackson说：“使用CW激光器，特别是高功率CW激光器的任何生物医学应用，都可以从光纤激光器获益。由光纤激光器提供的较高效率、较宽调谐范围，和在整个输出功率范围内都具有的较好光束质量等优点，特别突出；从而使光纤激光器在医学方面的应用范围不断扩大”。
软组织手术
Jackson补充说：高功率铥光纤激光器（也许是最方便的3μm激光辐射源）的最新进展表明,这些激光器的新的医学应用即将出现。他在OFTC的小组正在发展2-4μm波段的高功率铥光纤激光器，正在探索能产生大于20W的、3μm光纤激光器，以便能作为耳鼻喉科、泌尿科、眼科和心脏科的新的手术工具。
IPG Photonics(Oxford, MA)是制造商用二极管泵浦掺镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)及拉曼光纤激光器的厂商，它开始与临床医生一起在泌尿科、皮肤学和眼科，将各种类型的光纤激光器用于软组织手术。开始时，用100W、1.94μm的铥光纤激光器，这种激光器在治疗良性前列腺肥大方面的巨大潜力正在显现。他们还将1.5μm掺铒光纤激光器用于皮肤科。IPG用于生物医学领域的铥光纤激光器组件已经形成商品，输出功率高达100W，中心辐射波长在1.8到2.1μm之间；这些多模二极管泵浦的系统可连续运转，也可脉冲运转。今年早些时候，Johns Hopkins医学院(Baltimore, MD) 泌尿学助教Nathanial Fried报道：用IPG的110W 铥光纤激光器（波长1.9μm），以0.83±0.11克/分钟的速率快速蒸发前列腺组织，热凝固区范围在500到2000μm之间，显示了它的止血功能。
他说：“这项研究发现：110W铥光纤激光器能使软组织迅速蒸发和凝固。铥光纤激光器能运转在或近1.94μm（组织中水吸收峰）的能力，使得它在切割组织时的精度，要比钬和KTP激光器高”。
据Fried说：尽管还需要进行进一步研究,“高功率铥光纤激光器是最有希望的新型激光技术，可能会在医学领域找到许多应用，可以将它作为单个小型的激光平台，为多项应用服务，包括精确切割、快速蒸发和在软组织手术进行期间为止血而充分凝固”。其它的优点包括体积小、效率高、光束质量好，因此，能产生更精确的组织切口。
英国曼彻斯特大学的研究人员也在研究铥光纤激光器的医学应用问题，如疼痛刺激。在与某些医院研究小组的合作下，Terry King和学校里的光子物理学小组已经开发了一台2μm铥光纤激光器，波长可从1.8到2.05μm之间调谐，用于对皮肤神经纤维进行激光刺激， 并与功能成像(EEG, PET, and fMRI)一起，用于人的疼痛研究。King和他的同事还正用其它的CW和脉冲的1-3μm光纤激光器工作，包括Yb-石英、Yb-Er-石英、Er，Pr-ZBLAN(镨-ZBLAN)，和用于OCT的Yb，Er-石英和Tm-石英耦合系统。
掺铒光纤激光器
事实上，一些学术和商业团体正在开发用于OCT和手术应用是掺铒光纤激光器。据研究人员说：高性能、宽带、高输出功率和短相干长度的光源对高速、超高分辨成像应用来说是必不可少的。例如, 麻省理工学院的James Fujimoto和Medical University(维也纳,奥地利)的OCT先驱Wolfgang Drexler现在正在用帝国学院(London, England)Roy Taylor小组设计的光纤激光器样机进行OCT研究。Taylor说：这个建立在掺镱光纤激光器的OCT光源,运转在1.3μm附近，在400-700 nm的带宽范围内，产生高达500mW输出功率。比其它用于OCT的短脉冲飞秒激光光源优越,优点包括紧凑(占地面积为A4级)、牢固、买得起、无需光学对准和轴向分辨率小于5μm等(见图1)。
图1.实验型高分辨OCT系统采用全光纤拉曼连续光源(连续运转的掺镱光纤激光器)和宽带耦合器，使照射到样品上的功率达到最佳化。
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Taylor说：“大多数人喜欢采用1.3μm附近的系统，因为在这个波长附近，散射小，因为，它在水的吸收峰前面，所以透射也好。我们通过利用非线性的拉曼过程来移动波长。但是，这里最大的好处是：它是连续运转的掺镱全光纤激光器，功率相对较高，带宽极宽，分辨率很高。因此，你可以改变光谱形状，你可以承受获得较高功率的费用，因为在这种情况下，更高功率的获得几乎是免费的。采用CW光纤激光器时，更是如此”。
图2. 人们正在用二极管泵浦掺铒氟化物玻璃光纤激光器，在眼科和耳鼻喉科进行微手术研究。（照片最左面）显示的是该光纤激光器的辐射光束，它正入射到激光功率计上。
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2-3μm波段的较高功率掺铒光纤激光器在微手术应用中也很有希望。Spire (Bedford, MA)已经演示了1.2W、2.7μm CW掺铒氟化物玻璃光纤激光器，由一个980nm的激光二极管泵浦，现在正用于第二国家健康研究所资助的青光眼手术研究(见图2)。其它活跃的研究领域包括视网膜切开术、鼓膜切开术(在耳膜上切出一个小切口，以治疗耳传染病)和其它的类型显微外科。据该公司称：在显微外科中使用光纤激光器的优点包括切口较平、切速较快和根除较彻底。
高级生物科学家Kurt Linden说：“当你需要进行小型、功率适度的微手术时，这个激光器具有很大的潜力。在视网膜切开术中，人们已经用Nd：YAG激光器来去除血块以及靠近视网膜的充血组织，但是，这种方法会在组织中留下斑点，因为它不能进行连续切割。在鼓膜切开术中，医生用CO2激光，但这引起很大的砰砰声(由冲击波引起的)，使病人受到惊吓。 采用光纤激光器，你可以让它弯曲向上，避免冲击波”。
图3. 组织截面(200微米深的狭窄损伤是由Fraxel光纤激光器皮肤再生系统产生的。显示了激光光束质量是如何使像针那样的光斑中的真皮变性，而不会杀伤皮肤组织。在治疗后，立即切离的组织截面(左边)显示了表皮能成活的(较暗的区域)备用区域，它位于无法成活的(已洗去)治疗区的两侧。该治疗区通过表皮和真皮向下延伸。在顶部的保护性角质层，不能成活，但完好无缺。治疗3天后切开的组织截面(右面)显示了表皮的完整再生长。下面就是变性的组织，将在几周到几个月的时间重新塑造。
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在医学舞台上，掺铒光纤激光器也是大多数业已确定的商用光纤激光器的心脏，如来自Reliant Technologies (Palo Alto, CA)的Fraxel SR 美容激光系统。该系统已获得美国食品药品管理局的批准，可用于软组织凝固、眼周色素减少、太阳斑和皮肤再生。它使用30W的掺铒光纤激光器(来自IPG)，运转波长为1550nm，与Reliant的专利扫描系统一起使用，以达到非常精确的皮肤再生和重塑，同时将间接的热损伤降到最小(见图3)。
据Reliant创始人和技术主管Len DeBenedictis说：代替对皮肤的“体处理”，准直的单横模光纤激光光束能在很短的时间内，使扫描器在治疗区产生数千个很小的光斑。该系统设计成在一次治疗中能治疗20%的皮肤；目标是在20分钟内治疗整个脸部，产生100万个“微热区”，每区大小仅为十分之一毫米，但深度能深入组织达几百微米。然后表皮脱落，新的表皮产生；此外，该激光器的极高光束质量能在像针那样的照射区内使真皮变性，而不会杀死表面组织。DeBenedictis说,结果就是“非剥离的皮肤再生”。
他说：“我们首次在医学领域大量使用光纤激光器，因为这一领域对这种激光器还不够了解。许多其它的（美容）公司不做扫描，不使用细微光斑,所以，他们对高端激光器不感兴趣。事实上，在美容领域使用得比较多的还是闪光灯，它照射的面积较大，因此，如果你将它聚焦到20或30μm以下，又有什么意思呢?”
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