激光能够将能量集中在很小的空间范围内，实现极端的光与物质相互作用。鉴于材料吸收激光能量后会发生熔化与气化，激光最早被用于各种材料的加工，如打孔、切割与焊接。随后人们发现，特定的生物组织结构在激光辐照下升温，可以达到对有害物质的消融和去除等目的，从而催生了激光医疗的新概念。激光医学经过多年的发展，已初步成为一门体系完备的交叉学科，在医学领域发挥日益重要的作用[1-3]。
根据2024上海高端医疗设备展Medtec了解近年来，我国激光医疗领域的基础研究和技术创新发展迅速，2019年度国家自然科学基金的82项国家重大科研仪器研制项目中就有16项与激光医疗相关[4]。随着我国在激光医疗关键技术和核心零部件等方面不断取得突破，国产医用激光器和激光控制系统的关键指标持续提升，激光医疗设备的国产化进程稳步加快。
激光医疗具有无接触、精度高、损伤小、便于携带和操作灵活等优点，成为泌尿外科领域必备手术方法。激光对生物组织的作用十分复杂，不仅受激光参数（功率密度、脉冲宽度、光斑大小和波长）的影响，也与组织特性相关。一般来说，激光作用于生物组织后会出现5种与温度有关的效应：体温过高、光热凝固和坏死、干死、碳化、汽化剥离。当激光对组织加热的温度超过300℃时，组织开始热分解和汽化，汽化过程常常伴随着光热凝固，阻止手术过程中的出血。
相比1470 nm半导体激光、2 μm掺铥激光器、钬激光器，350 W光纤耦合蓝光半导体激光器具有高亮度、高光束质量等优点，在泌尿外科手术中具有切割干净、出血少、邻近组织无不良凝血的优势[5-6]。传统蓝光是通过红外激光倍频或者氩离子激光获得，输出功率低的弊端难以解决，无法满足泌尿外科手术时的激光切除要求。
350 W激光器基于100 W阵列式蓝光单元设计，使用4个阵列式单元来作为光源模块。然后通过空间合束技术，调节反射镜组之间位置，使得出射光束的密集排列，填补慢轴方向上死区。同时基于偏振合束技术，对快轴方向上死区进行进一步压缩，使得单位面积内激光功率提升一倍，同时不影响系统整体光束质量。然后又使用伽利略式系统对光束快轴方向进行扩束，得到正方形光斑。为贴合实际应用场景，我们用球面聚焦镜将光斑耦合入200 μm光纤，最终实现了350 W蓝光功率光纤输出。激光器整体结构设计如图1所示。
为了改善光束质量，使得单管出射光束能用于后续的空间合束及偏振合束步骤，采用快轴准直镜（FAC）和慢轴准直镜（SAC）分别对每个蓝光单管进行准直，并使用阶梯式反射镜组来对光斑在慢轴上进行光束压缩，将4片矩形反射镜，在阵列式蓝光单元上方呈阶梯式放置，并使其与光束传播方向成45°，光束质量得到很大提高，并为后续慢轴上的进一步空间合束做准备。
本结构采用了4个100 W阵列式蓝光单元共80个5 W蓝光单管作为光源，以此获得350 W输出功率。如图2（a）~（b）所示，这4个蓝光单元相互独立，故需要采用快慢轴空间叠加的方式将其合束，以便于后续进行扩束和聚焦等步骤。需要注意的是，为了尽量压缩慢轴上死区，同时保证4个蓝光单元的光束在慢轴上不发生重叠，每一片反射镜都需要比前一组中对应位置的反射镜高。通过不断地将前一个蓝光单元的光束插入到后一个蓝光单元的光束间隙之中，光斑在慢轴上的死区也逐渐被填补，具体过程如图2（c）~（e）所示。
图2 慢轴空间合束过程。（a）空间合束结构；（b）实物结构；（c）双单元合束后光斑；（d）三单元合束后光斑；（e）四单元合束后光斑
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在快轴方向上，光斑仍有较大死区需要填补，采用偏振合束技术来压缩光束的快轴间距。在光束快轴方向上对其进行压缩间距的光学结构共分为三个部分，PBS、1/2半波片和等腰直角三角形反射棱镜。由于4个阵列式蓝光单元所出射光束在快轴上分为五列，且均为P光，其中右边三列光直接入射至PBS中，而左边两列光先经过1/2半波片，偏振态由P光变为S光后，再经反射棱镜反射后入射至PBS中，与右边三列光在PBS内部的镀膜斜面上交汇且彼此垂直，进行偏振合束过程，光学结构及最终光斑如图3（a）~（c）所示。
图3 快轴偏振合束过程。（a）偏振合束结构；（b）实物结构；（c）合束后光斑
如图4（a）所示，采用柱面凹透镜和柱面凸透镜来构建一个伽利略式扩束系统，对光斑的较短边进行扩束，最终获得一个正方形光斑。为了将这个光斑成功耦合进200 μm光纤中，还需要对光斑在快慢轴上进行聚焦处理，以缩小其光斑尺寸。选用球面柱透镜作为聚焦镜，来搭建一个聚焦耦合系统，同时对光斑在快慢轴方向上进行聚焦后，光束最后成功耦合进入200 μm光纤，得到350 W的激光功率输出，最终输出光斑如图4（b）~（c）所示。
图4 聚焦耦合进光纤过程。（a）聚焦耦合过程；（b）聚焦后光斑；（c）光纤中的光斑
绿激光
绿激光在泌尿外科手术中也是一种很典型的应用。绿激光波长532 nm，可被组织中的血红蛋白选择性吸收，但却几乎不被水吸收，因此绿激光被国内外专家誉为“水环境下最理想的汽化工具”。绿激光组织热损伤深度浅（约800 μm），能使热损伤限制在浅表组织中，且会在汽化后的组织上形成一条很薄的凝固带，进一步限制了深层组织的热损害。正是由于绿激光的上述特性，以前列腺增生为主要治疗目标的绿激光手术系统被开发应用于临床，如图5所示，其经典术式为选择性绿激光前列腺汽化术[7]
图5 绿激光手术系统
2024上海高端医疗设备展Medtec了解到随着绿激光在临床的应用经验不断积累，其适用的疾病种类也已经不再局限于良性前列腺增生，目前已经涵盖了非肌层浸润性膀胱肿瘤、输尿管囊肿、尿道狭窄、腺性膀胱炎等泌尿外科常见疾病。
在泌尿外科领域，蓝光的主要治疗方式有两种，分别为将病变组织直接汽化和将病变组织给剜除下来。由于蓝光自身吸收率更高，组织穿透深度更浅，所以使用蓝光进行手术，汽化组织效率更高，对周围正常组织的损伤也更小。本文所述结构在已有的200 W蓝光医疗设备基础上进一步提升输出功率，并通过光学仿真和模型设计，从原理上论证了模块设计的合理性和可行性，最终得到稳定输出功率为358 W的蓝光，输出光束的亮度及光束质量均较高，在泌尿外科领域拥有非常广阔的应用前景。（转自《光电工程》2024. 4期）
唐霞辉，华中科技大学光电信息学院教授、博士生导师，激光加工国家工程研究中心副主任。主要从事高功率激光器、激光先进制造技术等研究。研究高功率、高光束质量CO2激光器及其在超大规模集成电路退火应用；高功率半导体激光器光束整形、光谱合束。
郑暤翾，华中科技大学光电信息学院硕士研究生，主要从事蓝光大功率半导体激光器方面的研究。
胡烜瑜，华中科技大学光电信息学院硕士研究生，主要从事蓝光大功率半导体激光器方面的研究。
郑毅，激光加工国家工程研究中心工程师，主要从事CO2激光器，蓝光激光器的设计加工及应用。
刘建军，武汉镭健科技有限责任公司董事长，主要从事医疗激光应用和医工结合。
朱晓峰，武汉镭健科技有限责任公司总经理；主要从事各种激光与生物的作用，高精度激光开关电源的研究。
1.曾庆栋，袁梦甜，朱志恒，等.便携式激光诱导击穿光谱最新研究进展[J].中国光学，2021,14(3):470-486.
2.闵欢欢，刘广华，翟学君，等.单掺钬固体激光器的研究进展[J].激光与光电子学进展，2022,59(21):2100002.
3.孙有生，端木庆铎，林鹏，等.1.6 μm波段锁模光纤激光器[J].中国光学，2021,14(6):
4.邱海霞，李步洪，马辉，等.我国激光技术医疗应用和产业发展战略研究[J].中国工程科学，2020,22(3):14-20.
5.JiangDL,YangZ,LiuGX,etal.,Anovel450nm blue laser system for surgical applications:efficacy of specific laser-tissue interactions in bladder soft tissue[J].Lasers MedSci,2019,34(4):807-813.
6.XuX,JiangDL,LiuGX,etal.,A novel 450 nm semiconductor blue laser system for application in colon endoscopic surgery:An Ex Vivo study of laser-tissue interactions[J].Photobiomodul Photomed Lser Sra ug,2019,37(1):25-30.
7.刘萃龙，欧阳昀，郭建军，等.经尿道选择性绿激光汽化术治疗输尿管囊肿15例[J].临床军医杂志，2009,37(4):588-589.
文章来源：
唐霞辉1，郑暤翾1，胡烜瑜1，郑毅1，刘建军2，朱晓峰2
1.华中科技大学光学与电子信息学院
2.武汉镭健科技有限责任公司
