1、前 言

与气体激光器相比，半导体泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、便于维护和操作等优点。现在已用作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等领域。2μm波段恰恰处于水分子的吸收峰，输出波长为 2μm的固体激光器是激光手术的最佳波长。与通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人体对2μm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其对敏感组织，如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀利切割效果更加理想。此外石英光纤还可以传播2μm激光，这使得激光传导更加容易。目前半导体激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成结构紧凑、维护容易、便携式的医用器械。虽然2μm激光器有着如此广泛而重要的应用前景，并且在相应领域已经得到了大范围的应用，但是对于二极管泵浦2μm固体激光器深入的研究并不是伴随着激光器的产生而开始的，其间经历了漫长的过程。

2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况

（1）Ho:YAG激光器

1965年Bell实验室Johnson等人首先报道了Ho:YAG在液氮温度下实现振荡[1]，使用的晶体用熔盐法生长，晶体长度25mm，输出三种不同的激光波长。输出波长2.0975μm时，脉冲阈值为44J；输出波长2.0914μm时，脉冲阈值为1760J；输出波长2.1223μm时，脉冲阈值为410J。高阈值限制了Ho:YAG的应用。

（2）Er,Tm,Ho:YAG激光器

Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有几条弱吸收线。为了增加对灯泵能量的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+来敏化Ho3+，由于它们吸收和传递泵浦能量，液氮温度下得到了5％的闪光灯泵浦效率和15W的连续激光输出[2]。1975年， Beck等人报道了直径4mm，长度70mm的晶体在液氮温度下连续输出50W，斜率效率6.5％，使用钨卤素灯作泵浦源[3]。1981年Barnes等人在液氮温度下实现了脉冲激光振荡和放大，TEM00模输出112mJ，斜率效率1.2％，放大输出235mJ。晶体直径4mm，长度56mm，晶体中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分别占0.021、0.037、0.616和0.326[4]。

（3）Tm,Ho:YAG激光器

1987年Fan等人报道了用波长为781.5二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAG获得室温连续输出，阈值4.4mW，斜率效率19％，输出波长2.074μm [5]。1990年Stoneman等人实现了Tm,Ho:YAG在2.09～2.12范围连续可调谐激光输出。晶体用引上法生长，Tm3+和Ho3+的含量分别为8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。

（4）Cr,Tm,Ho:YSGG激光器

1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG（钇钪石榴石）激光晶体，并获得室温灯泵浦脉冲输出能量7.4J,斜率效率3.1％，输出波长2.088μm，并于1988年实现开关运行[6]。其中晶体直径4mm，长度76mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室温下获得80mJ的电光调输出，此时的泵浦输入为125J，调阈值为60J。在转镜调时，获得280mJ的多峰光脉冲，500的总宽度，脉冲中含5～6个峰，峰-峰间隔2μm，每个峰半宽度为40～50。

（5）Cr,Tm,Ho:YAG激光器

1988年ST Systems公司的Mark E.Storm 采用单椭圆腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶体直径5mm，长度53mm。闪光灯内径4mm，闪光灯弧长50mm，闪光灯脉宽600us，全反镜曲率半径10m，输出镜透过率85％。在温度295K时，激光阈值25J,斜率效率2.3％[7]。

1989年美国海军研究实验室的G.J.Quarles等人采用67mm镀银椭圆腔和69mm漫反射腔，晶体直径5mm，长度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙灯充气压630Torr，闪光灯内径4mm，闪光灯弧长63.5mm，闪光灯脉宽540us，谐振腔长度为300mm，全反镜曲率半径为1m，输出镜透过率小于75％，输出波长为2.097μm。使用漫反腔得到了4.7％斜效率，阈值70J。使用镀银腔得到了5.1％斜效率，阈值38J[8]。同时从理论和实验上证明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基质,Cr3+→Tm3+能量传递效率YAG高于YSAG和YSGG。

1990年T.Becker等人报道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重频30Hz时的输出特性。Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2at%、5at%和0.5at%。晶体直径分别为2.8mm、4mm和5mm，晶体长度为56mm，谐振腔腔长300mm，全反镜半径1m，输出镜透过率15％。闪光灯内径为4mm，弧长76mm，放电脉宽500μm。在20oC时，直径2.8mm晶体的效率比其它两种高，在重频21Hz时，斜效率1.6％，同时获得了6.5W的输出；在重频30Hz时，得到2W输出。

1991年美国海军研究实验室采用单椭圆镀银腔，晶体直径5mm，长度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙灯充气压450Torr，闪光灯内径5mm，闪光灯弧长63mm，闪光灯脉宽290μs，谐振腔长度为290mm，全反镜曲率半径为0.5m，输出镜透过率20％,水温20oC，重频1Hz时，得到最佳斜率效率。同时，研究了调的特性，发现开关的Cr,Tm,Ho:YAG效率几乎比长脉冲Cr,Tm,Ho:YAG低一个数量级，得到了2.121μm增益系数为0.07cm-1,估计调在2.121μm的增益系数为0.02～0.07cm-1[9]。

1994年W.Zendzian等人报道了闪光灯泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J时，得到了17W的输出，斜效率为2％，同时从理论和实验上验证了热焦距对M2参数的影响[10]。

1998年Yoichi等人报道了在温度10oC，泵浦能量密度85.9J/cm3,得到了Cr,Tm:YAG和Cr,Tm,Ho:YAG的最大小信号增益系数分别为0.144cm-1和0.234cm-1[11]。

2000年Cheng Li等人报道了采用闪光灯泵浦Cr,Tm,Ho:YAG晶体，在自由运转模式下，室温获得了4.5J的激光输出，输出波长2.098μm，斜率效率2.7％，阈值能量95J；在声光调方式下，室温下单模输出大于530mJ，脉冲宽度165ns。晶体直径为4mm，长度100mm，晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为1.2at%、6.1at%、0.4at%[12]。

在医用钬激光器的研究开发方面，美国相干公司等单位居领先地位，1990年向用户提供了第一台医用钬激光治疗机，如今已开发出平均功率为20W、60W和100W三种单波长型号，相应重复频率分别为5－20Hz、5-40Hz和5-50Hz，相应单脉冲能量分别为0.5-2.5J、0.2-3.5J和0.2-3.5J，相应的平均功率设置分别为2J/10Hz、1.5J/40Hz和2J/50Hz，脉冲持续时间为500μs。此外，还有80/100W 的双波长Holmium&Nd:YAG激光器，重复频率为5-40Hz，单脉冲能量为0.2-3.5J，相应的平均功率设置为2J/40Hz，脉冲持续时间为500μs。这些构成了Versa Pulse PowerSuiteTm系列钬激光器。

美国Trimedyne公司开发的钬激光治疗机，平均功率有30W和80W两种。对于30W的钬激光治疗机，单脉冲能量为0.2-3.5J，重复频率为5-20Hz，脉冲持续时间为350μs。而80W钬激光治疗机采用独特的双脉冲技术，能够传递更多的能量到硬组织，同时尽量减少对周围软组织的损伤。其单脉冲能量为0.2-3.5J,重复频率为5-60Hz，双脉冲模式下，单脉冲有效能量为0.4-7J，重复频率为3-30Hz，脉冲持续时间为350μs。