白皮书：周期性极化铌µm锂（PPLN）在医用激光器中的应用

激光在医学中的应用

美国食品药品监督管理局 (FDA) 网站指出：“医用激光器是利用精确聚焦的光源来治疗或切除组织的医疗设备。” ^¹近年来，激光已被用于诊断和治疗越来越多的µm。医疗机构和商业公司对激光疗法的持续研究不断涌现，为传统的治疗方案提供了新型、有效且对患者友好的替代方案。此外，基于光子学的微型芯片有望在未来 10 到 15 年内彻底改变病理检测领域。

根据 Research and Markets 发布的 2022 年报告，2021 年全球医用激光市场价值达到 37 亿美元，预计到 2027 年将增长至 70.1 亿美元。2^该cto价值的增长凸显了激光技术在治疗新疾病和新疗法方面取得的成功和成本效益。

在英国，国民医疗服务体系（NHS）目前在病理实验室雇佣了25000名员工，所有这些实验室都使用基于光子学的µm来检测患者样本。这每年花费NHS 20亿美元，相当于其预算的4%。.³

激光诊断和治疗的疾病

激光可用于多种医疗程序，因为激光光束本身非常小且精确，使外科医生能够安全有效地治疗组织，而不会损伤周围区域。.

美容皮肤科医生使用激光有效去除或治疗纹身、疤痕、妊娠纹、晒斑、皱纹、胎记、蜘蛛痣和多余毛发。近年来，其他美容领域的专家也开始使用激光，例如用于牙齿美白。.

除了美容市场，激光技术在医疗领域的应用也日益广泛。自20世纪80年代末以来，眼科医生就开始使用激光进行眼科手术，利用这项技术治疗包括屈光不正、后囊膜混浊、青光眼、糖尿病视网膜病变和视网膜裂孔在内的多种眼部疾病。其他外科领域也成功地利用激光辅助治疗某些疾病，例如，µm和前列腺切除术等，现在通常都采用激光手术进行。.

与传统外科手术相比，激光治疗具有µm优势。激光治疗与开放手术存在相同的风险，包括疼痛、出血和疤痕，但患者的恢复时间以及医院的后续费用都大大缩短。此外，激光束不会像其他治疗方法（例如放射疗法）那样对患者或医疗团队造成健康风险。.

激光在医学领域的未来

随着全球许多国家人口老龄化加剧，传统的中心病理实验室既难以负担又难以持续。预计到2035年，随着集成光子学的进步，利用微型芯片即可在全科诊所或床旁进行即时检测。据估计，到2025年，即时检测市场规模将达到310亿美元，从而减少多达四分之一的病理实验室检测需求。.⁴

激光在医学领域的应用为未来提供了许多其他潜在应用，例如，利用光谱学监测血糖，通过微创手术进行高度局部照射的光激活癌症治疗，以及其他众多目前正在使用或正在进行试验的诊断和治疗方法。.^{5, 6}

确保这些医疗保健领域的先驱者拥有正确的波长和其他激光特性，以满足医疗应用的不断发展，是激光和医疗设备制造商的重要关注领域。.

利用非线性光学晶体进行波长工程

非线性光学 (NLO) 晶体为利用现有现成激光光源产生新的波长提供了一种极其灵活的解决方案。尽管市面上已有种类繁多的激光光源覆盖了µm，但并非所有应用都能找到直接或经济高效的光源。在这些
无法直接使用实用光源的情况下，利用高效非线性光学晶体进行波长转换便成为一种强有力的解决方案。

在考虑非线性光学晶体材料时，铌酸µm(LiNbO3)因其极高的非线性系数而成为一种极具吸引力的选择µm 具有高效率、可进行周期极化以及宽光学传输等优点，使其成为产生400nm至5μm波长的理想解决方案。

医疗应用所需波长示例

激光在眼科的应用比任何其他医学专科都更为广泛。眼睛的透明特性（约1µm使得无需内窥镜或单独手术即可靶向治疗眼内结构。常用的波长包括用于光动力疗法（PDT）的689纳米激光。PDT是一种利用光敏药物和光源破坏异常细胞的治疗方法。PDT用于治疗年龄相关性黄斑变性（AMD）^⁷。810纳米激光用于经瞳孔温热疗法（TTT），这是治疗眼部黑色素瘤最常用的激光疗法。TTT利用红外光加热并杀死约1µm或 ⁸</sup>

流式细胞术是生物医学研究中广泛应用的方法，并且在临床诊断中的应用也日益广泛。^⁹它是一种强大而快速的技术，用于分析悬浮在液体中并沿狭窄路径穿过激光束的单个细胞或颗粒的物理和化学性质。荧光和散射的激光随后被过滤、检测和分析。除了分析之外，许多流式细胞仪还可以根据已鉴定的细胞或颗粒特性，对目标细胞群进行分选和纯化，以便进行后续分析。由于激光具有高功率、均匀且聚焦的µm光束特性，因此是流式细胞术的专用光源。多种单色激光波长可与多种不同的荧光标记物配合使用，从而实现多参数检测。生物科学中最常用的抗体标记物在以下波长处发出荧光：405、445、488、532、561、633、640、660 和 810 nm。<sup> ¹⁰

在这两个例子中，感兴趣的波长都覆盖了可见光和近红外光谱区域µm 。非线性波长转换提供了一种利用红外激光源产生可见光波长的有效方法，因此可以用来“填补”直接激光源之间存在的波长空白。.

可见波长生成

波长覆盖可见光波段（ µm的光波可以通过二次谐波产生（SHG）或S µm频率产生（SFG）产生。通过选择合适的p µm激光器，可以产生固定波长或可调谐波长的输出。.

二次谐波产生（SHG），或称倍频，是最常用的二阶非线性过程。在SHG中，两个波长相同的输入µm波长均为λP _）通过非线性过程组合，产生第三个波长为_λSHG的，其中_λSHG = λP _/ 2（或用频率表示为_fSHG = 2fP _） 。

MgO:PPLN SHG 晶体可以制成与 976nm 至 2100nm 范围内各种商用 p µm p 激光波长配合使用，从而产生 488nm 至 1050nm 之间的倍频光。.

例如：使用 PPLN 高效 SHG 1064nm 光可以产生瓦级功率的 532nm 光，适用于皮肤治疗，包括去除葡萄酒色斑、胎记、黑色素瘤、纹身和脱毛。.

二次µm _P 和λ _{_S的}两个输入光子组合起来，产生波长为λ _{_SFG的}，其中λ _{_SFG} = (1/λ _P</sub> + 1/λ _{_S} )^-1（或用频率表示为f _{_SHG = f _P} + f _{_S} ）。通过结合现有的固定波长（例如1550nm）和可调谐波长（例如780/810nm）的微米µm激光源，MgO:PPLN SFG晶体可以提供500-700nm范围内的可调谐输出光。

例如：使用 PPLN 的高效 SFG 可以结合可调谐的 1560nm 和固定的 1064nm 光源，产生 633nm 附近的光，用于流式细胞术。.

易用性

MgO:PPLN 可轻松制成从体晶体到波导等多种形式，从而提供广泛的应用范围和更高的转换效率。波长转换芯片，无论是采用体晶体还是波导形式，都可以轻松封装，并带有光纤耦合的输入和输出，从而提高易用性。光纤耦合封装与高精度温度控制器相结合，可提供即插即用的波长转换解决方案，适用于台式应用或 OEM 集成。.

S µm mary

总之，PPLN 的应用为产生医疗应用中至关重要的各种波长提供了一种切实可行的解决方案。它为现有的昂贵激光源提供了一种替代方案，并为直接激光源难以获得的波长提供了一种解决方案。这种高效材料可以封装成组件，以便集成到 OEM 激光器和医疗设备中。.

作为领先的PPLN波长转换产品供应商，Covesion能够为客户量身定制解决方案，并提供安装、使用和优化方面的技术支持。凭借丰富的商用现货产品组合以及定制设计能力，Covesion完全有能力支持各种波长转换应用。.

参考

1. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/surgical-and-therapeutic-products/medical-lasers
2. https://www.researchandmarkets.com/reports/5615173/medical-lasers-market-global-industry-trends?gclid=EAIaIQobCh MI9Nztl9nW_gIVieDtCh2HAQ13EAAYAiAAEgIYnPD
3. https://photonicsuk.org/wp-content/uploads/2021/10/Photonics_2035_Vision_Web_1.0.pdf
4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7349820/
5. https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2146
6. M. Houe 等人，《应用物理学杂志D辑》，28:1747–1763，1995
7. 光动力疗法治疗年龄相关性黄斑变性 | 约翰·霍普金斯医学
8. B. Faisting 等人，《医学激光应用》，µm25 卷，第 4 期，2010 年 11 月，第 214-222 页
9. 流式细胞仪的工作原理 | 赛默飞世尔科技 – 英国
10. 流式细胞仪激光器的发展趋势需要更多的新波长 | 激光聚焦世界