处于人眼安全波段的中红外激光在水中被很强的吸收,因此在激光手术中具有组织穿透深度浅,损伤区域小,手术精度高等优点,可广泛应用于骨科、消化科及泌尿科等领域,是理想的医用激光光源。目前,国外铥、钬等医用中红外激光的研究已取得很大发展,得到广泛应用。与国外相比国内的研究远远不够,特别在医疗应用方面基本是空白。对中红外激光的研究,特别是针对医疗应用的研究对促进国内激光医疗的发展具有重要意义。中红外激光在医疗应用中主要是利用光热效应达到治疗或消融病变组织的目的。临床研究表明:脉冲能量、脉冲宽度、辐射持续时间等激光参数直接影响到手术效果的好坏。对激光与组织相互作用的研究特别是对作用过程中各种影响因素的定量分析不仅对选择合适的激光参数具有指导意义,更能发现激光在新的医疗领域中的作用,拓宽激光在医疗上的应用范围,推动激光医疗的发展。本文对1.444μm和2.1μm医用中红外固体激光器及中红外激光与生物硬组织的作用进行了研究,主要工作集中在以下几点:(1)分析了Nd:YAG激光器实现1.444μm激光输出的条件,介绍了实现抑制寄生振荡的方法。首次考虑多波长竞争建立了1.444μm Nd:YAG激光器的理论模型。研究了谐振腔镜镀膜要求及寄生振荡、放大的自发辐射等对激光输出的影响,并进行了相应的试验研究。该模型更能准确的反映激光器实际运转规律,对激光器的研制开发有较强的指导意义。试验中在4kW电功率输入情况下得到47W的激光输出,可以满足临床医学应用,对医疗激光器的发展具有重要意义。(2)详细分析了2.1μm Cr,Tm,Ho:YAG激光器的吸收光谱、能量转移及工作特点,考虑Tm、Ho离子多个低能级之间能量转移过程建立了自由脉冲及调Q Cr,Tm,Ho:YAG激光器的理论模型。在理论指导下对激光器设计进行分析,并进行试验研究。模拟输出结果与试验结果相吻合,表明理论模型符合激光器实际运转情况,对激光器的设计有很强的指导意义。试验过程中在频率1Hz的情况下,得到最大单脉冲激光输出能量4.5 J,在频率为10Hz的情况下,平均输入功率为1800W时,得到平均功率27W的激光输出,达到国外先进激光医疗设备水平,对国内激光医疗设备的发展具有推动作用。(3)在中红外激光医疗领域的典型应用——铒激光牙组织蚀除和钬激光碎石过程中,组织表面的水在激光辐射下的热致微爆对组织蚀除起了重要的作用。本文首次利用多物质Euler法建立了水在激光辐射下热致微爆的数值模型,对激光热致微爆在组织表面产生的高压冲击及热量沉积进行了定量计算,并分析了高压冲击受激光功率密度、水膜厚度等参数的综合影响。弥补了以往试验研究对过程分析的不足。计算结果表明高能量、窄脉冲激光可在组织表面产生很高的冲击压力,这与相关试验研究相吻合,表明微爆模型在激光医疗应用中具有一定的实用意义。