中红外3 μm激光器的波长在水的吸收峰与红外光谱指纹区内,在生物医疗、科研以及军事等领域有着广泛的应用,已经成为激光器领域的研究热点与重点之一。调Q技术是获得窄脉冲宽度、高峰值功率的脉冲激光输出的主要技术手段。其中Er:YSGG激光晶体具有较长的上能级寿命以及较高的上转换效率,具有更低的阈值与更高的斜率效率,是获得调Q 2.79μm激光的主要激光晶体之一。目前高重频2.79μm声光调Q激光器存在两个主要问题:一是缺乏同时具有高热导系数、高损伤阈值、低振荡阈值的高质量激光晶体,在泵浦过程中产生的热透镜效应与热致双折射效应严重影响着光斑质量与脉冲能量;二是缺乏低插入损耗、高损伤阈值以及高衍射效率的声光调Q器件。同时,静态与调Q铒激光在人牙硬组织消融过程中的安全性有待进一步实验验证。针对以上问题,本论文开展了高重复频率声光调QEr:YSGG2.79μm激光器的研制,并进行了激光消融人牙硬组织的实验研究。本论文的具体研究内容如下:1.通过对激光器谐振腔进行腔形设计,使具有强热透镜效应的LD侧泵Er:YSGG激光器工作在稳定区内,同时提高腔内模体积以增加激光器的输出能量。选用TeO2晶体制成的声光调Q开关,可以有效对腔内损耗进行周期性调制,从而输出调Q激光脉冲。在重复频率100Hz的工作条件下获得了脉宽76ns、脉冲能量1mJ的调Q激光输出,获得了2.79μm高峰值功率高重复频率调Q激光光源。2.利用Abaqus软件对不同脉冲宽度激光牙硬组织消融温度场以及应力场分布进行了计算仿真,计算使用了基于改变有限元单元物理参数的生死单元技术,得到了消融区不同位置处温度与热应力随时间的变化曲线。发现通过缩短激光的脉冲宽度,可以有效控制热损伤范围,调Q激光在消融安全性方面具有优势。激光在消融过程中产生的热效应,在消融区会有热应力的产生,存在着机械损伤的潜在风险。在临床应用中尤其在治疗患牙时应控制激光的脉冲能量以减小消融过程中产生的应力。3.通过实验探究了铒激光牙硬组织消融特性。利用静态铒激光器研究了激光脉冲宽度对消融阈值以及消融后牙硬组织微结构的影响,观察到激光对人牙本质的消融阈值随着激光脉冲宽度的增加呈现逐渐增大的趋势,同时还观察到高能量密度消融实验中牙小管封闭以及牙本质熔融现象。4.利用调Q铒激光器研究了水雾对调Q激光消融阈值与消融形貌的影响,实验结果表明,随着水雾流量的增加,调Q激光对人牙本质的消融阈值与损伤阈值呈现逐渐升高趋势。牙小管在有水雾冷却条件下更易开放。5.利用高重频调Q铒激光器在调Q和静态激光模式下辐照人离体牙齿,证明了高重频调Q激光在提高消融效率与形貌方面具有优势。通过热电偶测量消融过程中牙髓腔温度,结果表明与静态激光相比,调Q激光消融过程中的牙髓腔的温度低于42℃,保证了牙髓组织的生物活性。