在凝胶中“切丝”的超快光纤激光
【新加坡科技研究局和南洋理工大学联合团队】

 

经过60年的发展,激光从原来的实验室“奇光”已经成为社会生活和生产中随处可见的重要工具。激光被誉为“最快的刀、最亮的光、最准的尺”,在材料光谱学、远距离遥感、强场物理学、精密材料加工等方面都发挥着重要的作用。

其中,光纤激光具有散热要求低、操作方便、光斑质量好等优势,因此在过去十多年中既是科研的热点,也是工业的新宠。由于光纤特殊的几何形状,其表面与体积的比例很大,所以基于光纤的激光系统具有出色的散热性能,能够免受热光效应的影响。同时,光纤中光束质量由光纤纤芯设计决定,所以很大程度上与功率无关。并且,增益光纤能够有效地吸收泵浦光,表现出非常高的单程增益和低泵浦阈值。除此之外,光纤激光器的固有紧凑性和长期稳定性,更有利于系统的构建。

随着光纤激光在各种细分应用中的普及,研究光与物质的相互作用,为特殊材料定制激光参数成为很多激光技术研究小组的工作重点。新加坡科技研究局制造技术研究所余霞教授和南洋理工大学王岐捷教授在多年的合作中,一直致力于高功率中红外光纤激光技术的研究。他们结合啁啾脉冲放大和大模场掺铥光子晶体光纤技术,实现了高能量的2 μm稳定皮秒脉冲输出,如图1所示。

图1 高能量脉冲光纤激光器系统示意图,包括振荡器、预放大器、主放大器和脉冲压缩器

为什么研究2 μm波长的光纤激光器呢?

因为2 μm光谱区在医学、环境科学和工业上具有应用潜力。在这个特定波长,激光容易被水分子,也就是人体组织的主要成分吸收。在高精度手术领域,它们可用于在操作过程中针对目标水分子,并且可在非常小的组织区域进行切口操作而不穿透太深。更重要的是,激光的能量可以使血液凝结在伤口上,将2 μm光纤激光器用作外科手术可以实现快速止血,避免手术对人体组织结构的损伤。已发表的文献中已经有不少关于用2 μm光纤激光器进行前列腺手术、肺癌微创手术、脊柱微创手术的报道,但是使用的主要是连续光输出的激光器。

2 μm超快光纤激光经过高功率红外镀膜的扫描振镜和f-theta透镜输出,形成了激光精密加工的操作系统。将特种光纤激光器用于活体动物实验之前,课题组选择医用水凝胶作为激光精密制备的实验样品。水凝胶是以水为分散介质的凝胶,它的质地与人体组织(例如皮肤)高度相似。与长脉冲或连续激光相比,具有短脉冲持续时间的超快激光产生的热量更少,更有助于加工这些温度敏感材料。研究人员分别在湿胶和干胶的样品上进行了实验,不仅可以刻写清晰的微槽结构,而且还能刻出立体的“细丝”结构。立体结构的尺寸能够控制在100 μm左右,和毛细血管尺寸接近。如果光子通量过高,会在样品表面产生一层白色的泡沫,泡沫形成的原因是激光诱导膨胀引起水分子的爆炸烧蚀,如图2所示。

图2 (a) 掺铥光纤激光器用于水凝胶精密加工的实验示意图 ;
(b)优化光通量实现精细光滑的凝胶三维“细丝”的样品图

该科研结果不仅展示了2 μm脉冲光纤激光器在水凝胶材料中实现精密结构加工的优势,也为特种波长光纤激光在生物材料加工甚至活体微创手术中的应用做了初步的探索。

研究团队简介

在新加坡科技研究局制造技术研究所工作期间,余霞教授研究组致力于特种光纤及光纤激光器的研究。加入北京航空航天大学后,余霞教授课题组在光纤激光技术的基础上,将激光光学与电磁学相结合,进行仪器和设备平台的研究,用于深脑刺激、探测及成像。

相关论文

Lee E, Sun B, Luo J Q, Singh S, Choudhury D et al. Compact pulsed thulium-doped fiber laser for topographical patterning of hydrogels. Opto-Electron Adv 3, 190039 (2020).

DOI:10.29026/oea.2020.190039