铥激光光纤：中红外医疗与工业应用的新一代光源核心

在激光技术飞速发展的今天，不同波长的激光器因其独特的物理特性被广泛应用于通信、制造、科研和医疗等领域。其中，铥（Thulium,Tm）掺杂光纤激光器凭借其发射波长位于1.9–2.1微米的中红外波段，恰好处于水的强吸收峰附近，使其在精准医疗、材料加工、遥感探测及国防安全等方向展现出不可替代的优势。而作为该类激光器的核心增益介质——铥激光光纤，其材料设计、掺杂工艺与光学性能直接决定了整机系统的效率、稳定性和应用潜力。

一、工作原理

铥激光光纤是一种以石英或氟化物玻璃为基质、掺入三价铥离子（Tm³⁺）的特种有源光纤。当受到泵浦光源（通常为790 nm或1550–1600 nm激光二极管）激发时，Tm³⁺离子经历复杂的能级跃迁过程，最终实现~2μm波段的受激辐射。

其中代表性的泵浦机制是“交叉弛豫（Cross Relaxation）”过程：一个被激发至³H₄能级的Tm³⁺离子，可将部分能量转移给邻近的基态Tm³⁺离子，使两者分别跃迁至³F₄能级。这一过程理论上可实现量子效率接近200%，即一个泵浦光子产生两个激光光子，极大提升了能量转换效率。因此，铥光纤激光器在1.9–2.1μm波段可实现高功率、高光束质量的连续或脉冲输出。

二、关键技术特点

1.波长优势：水吸收峰值匹配

水在1.94μm处具有吸收系数（约30 cm⁻¹），远高于传统1.06μm Nd:YAG激光。这意味着铥激光在生物组织中穿透深度浅（通常<0.5 mm），热损伤区域小，止血效果好，特别适合精细软组织切割与汽化。

2.光纤结构设计

铥激光光纤通常采用双包层结构：纤芯掺Tm³⁺，用于激光产生；内包层为大数值孔径（NA）的聚合物或低折射率玻璃，用于高效耦合多模泵浦光。近年来，光子晶体光纤（PCF）和微结构光纤也被用于优化模式控制与非线性抑制。

3.共掺杂技术提升性能

为提高泵浦吸收效率和抑制上转换损耗，常在光纤中共掺铝（Al）、锗（Ge）或钬（Ho）。例如，Al³⁺可拓宽Tm³⁺的吸收带宽，使790 nm泵浦更高效；而Tm-Ho共掺则可将激光波长延伸至2.1μm，适用于更深层组织治疗或大气窗口通信。

4.高功率与散热管理

随着千瓦级铥光纤激光器的出现，光纤的热管理成为关键。通过优化纤芯/包层比例、采用低光子暗化（photodarkening）玻璃组分及强制冷却封装，可有效提升长期运行稳定性。

三、典型应用场景

1.医疗领域：微创手术的“黄金波长”

铥激光已成为泌尿外科（如前列腺剜除术、膀胱肿瘤切除）、耳鼻喉科、妇科及牙科手术的主流工具。相比传统电刀或CO₂激光，铥激光具有：

切割精准、炭化少；

同步止血，术野清晰；

可通过柔性石英光纤传输，兼容内窥镜系统，实现经自然腔道的无创介入。

临床数据显示，铥激光前列腺手术（ThuLEP）的住院时间更短、并发症更低，正逐步取代钬激光和等离子电切。

2.工业加工：高分子与复合材料的理想光源

2μm激光对聚碳酸酯、PMMA、碳纤维复合材料等有机物具有高吸收率，可用于精密打标、切割和焊接，且热影响区小、边缘无毛刺。此外，在激光雷达（LIDAR）和气体传感中，该波段处于“大气窗口”，适用于远程甲烷、水蒸气等气体检测。

3.科研与国防

铥光纤激光器还可作为光参量振荡器（OPO）的泵浦源，进一步拓展至3–5μm中红外波段，用于红外对抗、环境监测和基础物理研究。

铥激光光纤作为2μm波段高功率激光的核心载体，不仅推动了激光医学的革命性进步，也为先进制造和光电探测开辟了新路径。其独特的波长优势、高效的能量转换机制与光纤平台的天然兼容性，使其成为中红外激光领域前景的技术方向之一。