高功率光纤激光器理论及医学应用研究

论文摘要

光纤激光器以其无与伦比的性能优势吸引了研究人员的兴趣和产业界的重视。本论文主要研究了利用激光加热基座法生长复合单晶光纤激光器和保偏大模场面积的光纤激光器,并利用它们设计了用于良性前列腺增生（ benign prostatic hyperplasia,BPH）的大功率磷酸氧钛钾（KTP）倍频激光器,使用这种器械的选择性激光前列腺切除术（photoselective vaporization of the prostate,PVP）将是非常有应用前景的。介绍了光纤激光器研究的理论基础,包括光纤激光的物理原理,构造有源光纤的掺杂稀土元素（即或镧系元素）的原子结构、能级分布和光谱特性等内容;提出了光纤激光器的一个比较合理的分类方法,给出了其结构和典型的谐振腔的设计方法;重点阐述了掺杂稀土离子的双包层和光子晶体光纤激光器,这是当前获得高功率光纤激光的基础;介绍了基于光纤中非线性效应的受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）光纤激光器,光纤孤子激光器,超连续谱激光器和超快光纤激光器等各种在理论上和实践中都十分重要的光纤激光器;讨论了光放大器并给出了光纤激光器的速率方程;详细分析了光纤激光器在各领域中的应用,指出光纤激光器有着全面取代传统固体激光器和气体激光器的潜力,但真正做到这一点尚需时日,同时它们还可能面临来自半导体激光器的强有力的竞争。研究了生长单晶光纤的各种方法,包括激光加热基座生长方法、毛细管反馈熔化生长、确定边界薄膜反馈生长和浮带与基座生长等生长方法,说明了激光加热基座生长方法的特点,为它的进一步应用打下基础。讨论了获得超短脉冲的调Q方法,尤其是令人感兴趣的被动调Q方法。利用激光加热基座生长方法（LHPG）,将Nd:YAG和Cr4+:YAG生长成一体化的单晶光纤,得到了被动调Q复合单晶光纤激光器,给出了其速率方程理论,并数值计算了其各项性能参数,与实验结果取得良好的一致。所获得的被动调Q复合单晶光纤激光器有很好的性能指标,完全有实用价值。研究了有望构成更高平均功率连续激光器或更高峰值功率脉冲激光器的新材料——光子晶体光纤,介绍了其拉制方法,说明光子晶体光纤具有极强的光学非线性效应、高的双折射特性、奇异的色散特性和永无截止的单模传输特性等各项新颖奇特而且优异的性能指标,一句话,就是它是最有可能拥有完美的驾驭光子的能力的器件!还给出了光子晶体光纤的各种理论和数值分析法。研究了BPH的激光切除术,为此进行了猪肝组织、猪肌肉组织和狗前列腺组织的激光气化的对比研究,并与波长1064nm的钕激光和2100nm的钬激光的疗效进行比较,发现含血液丰富组织的532纳米的选择性吸收是KTP倍频激光在用于良性前列腺增生治疗时受到青睐的原因,与已有报道结果相符合,进一步证明了绿色KTP倍频激光器用于BPH治疗的美好前景。提出了将复合单晶被动调Q光纤激光器用作种子光源,再利用保偏大模场面积光纤放大器将其放大到百瓦以上的设计方法,从而将基于振荡功率放大结构的高功率激光器的放大级数精简到最少,并由具有温度管理装置的KTP倍频,这样将能以极高效率获得高功率的绿色激光输出,整套装置将设计简洁,工作可靠,性能优良。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 光纤激光器简史与现状
• 1.2 光纤激光器的发展趋势
• 1.3 光纤激光器的优越性
• 1.4 本文的主要工作
• 2 光纤激光器的基本原理
• 2.1 光纤激光器的分类
• 2.2 激光的物理学基础
• 2.3 光纤激光器的结构
• 2.4 掺杂稀土元素离子光纤的特性
• 2.5 各种光纤激光器
• 2.6 光纤放大器
• 2.7 光纤激光器的速率方程理论
• 2.8 光纤激光器的应用
• 3 激光加热基座法（LHPG）
• 3.1 单晶光纤生长方法
• 3.2 激光加热基座生长方法
• 3.3 LHPG 方法的优点
• 4 调Q 光纤激光器
• 4.1 包层泵浦调Q 光纤激光器
• 4.2 被动调Q 复合单晶光纤激光器
• 4.3 本章小结
• 5 光子晶体光纤的研究
• 5.1 光子晶体光纤的制备方法
• 5.2 光子晶体光纤的特性
• 5.3 光子晶体光纤数值计算方法
• 5.4 光子晶体光纤的应用
• 6 良性前列腺增生（BPH）激光切除术研究
• 6.1 激光的生物效应
• 6.2 激光汽化生物组织的理论模型
• 6.3 三种激光气化生物组织的实验与分析
• 6.4 实验结论
• 6.5 激光治疗BPH
• 6.6 结论
• 7 高功率绿色光纤KTP 倍频激光器
• 7.1 引言
• 7.2 几种典型的绿激光器
• 7.3 基于大模场光纤放大器的KTP 倍频激光器设计
• 7.4 理论分析
• 7.5 小结
• 8 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录