激光是60 年代初出现的一种新型光源,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性,引起普遍重视,并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛 应用。激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物,激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代,随着新型激光器的研制成功,激光与医疗、生物组织科学紧密结合,研究范围日益扩大。
Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点,在当今各种固体激光器(solid laser)中应用物质相互作用的效果是不同的, 不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用,可以获得良好的疗效。医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛,特别是治疗皮肤色素性疾病,有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点,本文主 要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用,使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗(medical laser)仪的治疗效果。

一、Nd:YAG 激光器的特性
能产生激光的系统,称为激光器。一台简单的激光器通常由工作物 质、泵浦源和谐振腔三部分组成。自1960 年第一台激光器诞生以来,已有上百种激光器问世。形形色色的激光器彼此之间差异极大,根据产生激光的工作物质,有气体、液体、固体和半导体激光器等。固体 激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器,工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料,而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。但发 光粒子受基质材料的影响,其光谱特性将有所变化,有的甚至变化很大。用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。发光粒子称为激活离子,最常用的激活 离子为钕、铬等稀土元素离子。例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石,就是掺入极少量铬离子的刚玉。以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG) 晶体为工作物质的激光器,称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。掺钕激光器是当前应用最广泛的固体器件之一,在激光加工(laser oem)、医疗、军事等领域应用广泛。

图1 Nd:YAG 的能级图
Nd:YAG 激光器为四能级系统,室温下有多条荧光谱线,正常工作条件下(室温) 1064 纳米波长激光振荡最强,简化能级如图1 所示。如果在谐振腔中插入标准具或色散棱镜,或以特殊设计的谐振腔反射镜作为输出镜、使用镀有高度选择性介质膜的反射镜,抑制不需要的波长的激光振荡,可 获得所需波长的激光跃迁,如1319 纳米、1338 纳米、946 纳米等。输出波长为1064 纳米的Nd:YAG 激光器,经过倍频( KTP) 晶体后可产生波长为532 纳米的激光。输出光有连续、准连续等形式。
Nd:YAG 中掺入Nd3 + 浓度应合理,掺杂浓度高,则吸收率高、反转粒子数高、激光器的效率高,但是掺杂浓度太高时,转换效率不仅不会增高,反而会下降,甚至出现浓度淬灭现象。 Nd 原子浓度一般在015%～115% 以内,浓度较高会缩短荧光寿命,使展宽线变宽,在晶体中引起应变,最终导致光学质量变差、效率降低。应用中,可根据需要选择合适的掺杂浓度,从而提高激光 器的性能,对于Q 开关3 运转, 选择高浓度的掺剂(112%) ,以产生高储能;对于连续运转,通常选择低浓度的掺剂(015%～018%) ,以获得优良的光束质量。增益介质的尺寸通常根据激光器的增益选择,高增益的激光器选择大尺寸的YAG 棒,长度可达150 毫米,低增益的激光器通常选择短的激光棒,有几毫米或十几毫米,太长的激光棒不仅不能提高增益,反而会因为吸收损耗等因素而降低效率。
Nd:YAG 激光器采用激光二极管(LD) 作为泵浦源,体积小、重量轻、效率高、寿命长,不需要冷却系统,为激光系统小型化提供了有利条件。LD 泵浦Nd:YAG 激光器的结构形式有端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦方式灵活方便,通过光纤耦合的泵浦光发散角小,可与固体激光器(solid laser)的基模相匹配。侧面泵浦可采用多个LD 阵列,散热效果好,可提供较强的泵浦光,适合大功率运转。
LD 泵浦的全固态调Q 激光器是把能量以激活离子的形式存储在增益介质的激光高能级上,集中在一个很短的时间内释放出来,可产生高重复频率、高峰值功率、脉宽可调节等特性,在光学检测、原子
分 子物理、光谱学、非线性光学、激光医疗(medical laser)、激光雷达和光电对抗等领域具有重大应用价值。Q 开关激光器脉冲短、峰值功率高,热效应小, Q 开关激光聚集在靶点组织时会产生冲击波,靶点组织受到机械性的微爆破作用。国内外已有很多关于Q 开关Nd∶YAG激光在医学领域中各个方面的应用报道,如外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮肤科等。调Q 激光器的工作方式多种多样,分为主动式调Q 、被动式调Q 、转镜调Q 等。主动式调Q 激光器主要有声光调Q 、电光调Q ,可饱和吸收调Q 激光器是被动式调Q 激光器。声光Q 激光器具有插入损耗小、调制电压低、易与连续激光器配合获得高重复率巨脉冲、稳定性好等优点,但对高能量激光器的开关能力较差,只能用于低增益的连续激光 器。电光Q 开关激光器具有开关时间短(10 - 9秒) 、输出脉宽较窄(10～20 纳米) 、效率高、调Q 时刻可精确控制、峰值功率高(几十兆瓦以上) 等优点,缺点是半波电压较高,需要几千伏的高压脉冲。被动式可饱和吸收调Q 激光器适于高重复频率、高功率的激光器,产生窄脉宽巨脉
冲的同时,谱线变窄,达到选择相同能量和动量光子的作用,但它是一种被动式Q 开关,不能人为控制
调Q 脉冲的产生时刻。转镜调Q 激光器属于慢开关型,无插入损耗、无光损伤,用于能量较大的脉冲
激光器,可获得峰值功率在几十兆瓦以上、脉宽为纳秒级的巨脉冲,主要缺点是高转速下的机械磨损影响其使用寿命,且装配工艺要求高,目前已基本不用。
二、Nd∶YAG激光器在医疗方面的应用
激光治疗(medical laser)皮肤色素疾病以及激光美容的理论依据是1983 年美国的安德森(Anderson RR. ) 和帕里
什(Parrish JA. ) 医生提出的“选择性光热解”理论。选择性光热解作用就是激光能量有选择地被某些特定组织成分吸收,热效应产生的热量破坏这些特定的组织成分。人体自身的免 疫和代谢系统可将这些被破坏的组织碎屑吸收并排出体外,从而达到治疗色素疾病的目的。该理论指出了皮肤组织对不同波长激光吸收的差异,以及不同脉宽的激光 脉冲对各种皮肤疾病的影响。该理论是激光治疗(medical laser)皮肤类疾病的基础,为激光医学的发展指引了方向,推动了医用激光器的迅速发展。在随后十几年里,医学领域涌现 了大量不同波长的激光器。这些激光器在治疗色素类疾病(如太田痣、胎记、雀斑、黄褐斑、老年斑) 以及血管类疾病(如鲜红斑痣、血管瘤、毛细血管扩张)等方面都取得了较好效果。激光利用选择性光热解作用原理治疗皮肤疾病,可对目标组织产生局部的高度破 坏,而对周围组织的伤害很小。为了达到选择性光热解作用,必须选用恰当的波长、脉冲宽度以及能量密度,不同组织吸收不同波长的激光,我们通常希望激光器光 子能量的绝大部分能够被目标组织吸收,而被周围组织吸收的较少。 #p#分页标题#e#
Nd:YAG 主要的三条荧光谱线中, 中心波长1064 纳米的激光最容易形成振荡,谱线荧光最强, 约占整个谱线能量的60 %, 它可以较深地穿透皮肤,被深色素细胞高度吸收,能更有效地清除较暗色或发炎的组织。根据选择性光热解作用原理,可用于治疗皮肤深层的色素疾病,当今医用 Nd:YAG 激光器的输出波长多是1064 纳米。面部色素性病变传统的治疗方法有冷冻术、皮肤磨削术、化学剥脱术及二氧化碳激光治疗(medical laser)术等,现在已逐渐被全固态激光治疗(medical laser)所取代。用1064 纳米Nd:YAG 调Q 激光治疗(medical laser)面部色素性病变时,应根据病变的性质、病灶的部位、患者的年龄及性别等因素合理判别治疗参数, 并在治疗过程中进行适时调整,找出具体的最佳治疗参数标准,病变组织选择性吸收激光的能量后即被粉碎,并逐渐被自身吞噬细胞清除,最终达到祛除病灶且不留 斑痕的目的。
1064 纳米波长的激光穿透力深,可被皮肤深层的黑色素细胞选择吸收,治疗太田痣时对其周围组织热损伤小。而Q 开关则利用其冲击波的脉冲波将色素细胞击碎,再通过吞噬细胞将色素颗粒吞噬,
使 色素减退且不留疤痕,具有高选择性、高效性、安全可靠、操作简便的优点。由纹眉所致异物反应屡见不鲜,纹眉液色素物质残留于局部,出现红肿、浸润、鳞屑、 瘙痒。以往通过外用或局部注射皮质类固醇仅能缓解症状、不能清除病变,局部炎症还会复发。采用1064 纳米激光治疗(medical laser)时,纹眉液中色素颗粒选择性吸收激光能量后被击碎,网状内皮系统会将其吞噬、排泄,从而祛除病因。另外,由于该仪器采用Q 开关技术,光能量在5～10 秒内释放出来,作用时间短,对周围组织热损伤小,可避免疤痕、萎缩或皮纹改变等现象,且无色素减退或沉着。1064 纳米经倍频晶体产生532 纳米激光输出,对褐色、红色的皮损和色素有效,皮肤中的色素颗粒吸收激光后破裂,而细胞框架则被完整保留,皮肤能很快康复。这一波长的激光用于治疗雀斑, 副作用小、操作方便、无疤痕,且术后护理要求低。

1064 纳米Nd∶YAG激光切除人工晶体前膜安全有效,患者没有不适感,不需要全身麻醉,减小了手术风险,已替代传统的手术切除虹膜,成为青光眼的首选治疗方法。
激 光手术温度高,有很好的杀菌作用,术后很少感染;激光治疗(medical laser)安全,基本上没有并发症,手术时间短、止血效果好、伤口愈合快;激光束能量高,能到达普通手术刀 无法进入的部位,并且位置精确,可以做显微手术,减少了对病变以外组织的伤害。1064 纳米Nd∶YAG调Q 激光还可用于治疗喉和喉咽部血管瘤、后发性白内障、牙周病等疾病。性能独特的Nd∶YAG激光器必将越来越广泛地用于医疗领域。