瓦级长波红外飞秒激光与牙釉质共振烧蚀的突破性研究

    长波红外飞秒激光因其覆盖7-14微米“指纹波段”，能够精准匹配分子弯曲与伸缩共振吸收线，在分子高光谱成像、强场光物质相互作用及微创组织消融等领域具有不可替代的应用潜力。近年来，高功率长波红外飞秒激光器的功率逐步从毫瓦级提升至数百毫瓦级，但瓦级水平、且可匹配生物组织关键共振峰的光源尚未实现，极大限制了其在先进微创医疗等领域的应用拓展。针对这一技术瓶颈，四川大学梁厚昆教授团队开展了系统性研究，成功实现瓦级宽带可调谐长波红外飞秒激光输出，并完成牙釉质共振烧蚀的概念验证，相关成果发表于国际权威期刊《Laser&PhotonicsReviews》。

    一、实验装置设计与核心技术突破
    研究团队设计并搭建了一套结构简洁、高效稳定的实验系统，核心由高功率飞秒掺镱啁啾脉冲放大激光系统与两级光学参量放大器组成，实现了从泵浦光源到长波红外激光的高效转化。
    在泵浦光源方面，团队研发了基于薄方棒Yb:YAG晶体的啁啾脉冲放大系统，通过优化晶体结构与热管理设计，解决了高功率放大过程中的增益窄化与热效应难题。该系统以定制光纤激光放大器为种子源，配备两级水冷薄方棒Yb:YAG功率放大器与脉冲压缩器，在500千赫兹重复频率下，成功输出平均功率110瓦、脉冲宽度274飞秒、中心波长1030纳米的激光脉冲。经表征，该泵浦光源长期稳定性优异，4小时内标准偏差仅为0.3%，光束质量因子接近理想值，为后续长波红外激光的高效产生提供了可靠支撑。
    以该高功率泵浦光源为基础，团队采用LiGaS₂与BaGa₄S₇两种宽禁带非线性晶体，搭建两级光学参量放大器，实现了6-12微米宽带可调谐长波红外飞秒激光辐射。其中，在7.5微米波长处输出功率达2.4瓦，9.5微米波长处输出功率达1.5瓦，创下7-14微米“指纹波段”长波红外飞秒激光的功率新纪录。为拓展特定波长功率，团队将二级光学参量放大器中的LiGaS₂晶体替换为BaGa₄S₇晶体，其在9-12微米波长范围表现更优，尤其在9.5微米处实现1.5瓦稳定输出，精准匹配牙釉质中羟基磷灰石的共振吸收峰。

    二、牙釉质共振烧蚀的实验验证与优势
    为验证该长波红外飞秒激光的实际应用价值，研究团队以牙釉质为研究对象，开展了磷酸盐共振波长下的消融实验。通过傅里叶变换红外光谱测量，确定牙釉质在9.5微米处存在显著共振峰，对应磷酸盐中磷酸根基团的反伸缩振动，这一波长为牙釉质高效、微创消融提供了理想靶点。
    实验中，团队将长波红外飞秒激光调谐至9.5微米，聚焦于无龋病牛牙切片表面，采用扫描方式进行消融。经三维表面轮廓仪表征，烧蚀凹槽深度达200-240微米，实现了高效的牙釉质消融，这也是全球首次在羟基磷灰石振动共振波长处完成的飞秒激光牙釉质消融实验。为凸显共振消融的优势，团队同时采用3微米波长附近的飞秒与微秒激光进行对比实验，结果显示，9.5微米长波红外飞秒激光所需的激光强度仅为非共振飞秒激光的百分之一，有效避免了组织电离，兼具卓越的生物安全性与加工精度。
    此外，研究团队利用该激光系统，在牙釉质表面成功加工出孔洞、网格等微结构，可有效增加牙齿表面粗糙度，显著提升正畸托槽与牙釉质之间的粘接强度，为口腔正畸治疗提供了新的技术支撑。

    三、研究意义与未来展望
    该研究的突破具有重要的学术价值与应用前景。在技术层面，薄方棒Yb:YAG放大器的设计的实现了高功率、短脉冲激光的简单高效输出，其热管理能力可与传统薄棒放大器媲美，且结构更为简洁，为高功率长波红外飞秒激光系统的小型化、实用化奠定了基础；瓦级宽带可调谐长波红外激光的实现，填补了“指纹波段”瓦级光源的技术空白，推动了长波红外激光在多个领域的应用拓展。
    在应用层面，9.5微米波长的共振烧蚀技术为口腔医疗提供了全新路径，可广泛应用于龋齿清除、牙冠预备、充填预备等牙科治疗场景，有望替代传统涡轮钻头，减少患者治疗过程中的不适感，提升治疗精度与安全性。同时，该瓦级宽带可调谐光源还可延伸至其他临床领域，如选择性胰腺肿瘤消融、动脉粥样硬化斑块消融等，为微创医疗技术的发展注入新动力。

    展望未来，研究团队表示，可通过进一步优化晶体结构与泵浦功率，将长波红外激光功率提升至5瓦以上，满足常规牙科钻孔等临床需求；随着LiGaS₂、BaGa₄S₇等非线性晶体技术的不断进步，有望实现6-16微米范围的高功率长波红外脉冲输出，进一步拓展其在远距离分子传感、太赫兹产生、高次谐波产生等领域的应用，为相关学科的发展提供重要技术支撑。
    综上，梁厚昆教授团队的研究成功突破了瓦级长波红外飞秒激光的技术瓶颈，实现了高效、安全的牙釉质共振烧蚀，不仅丰富了长波红外激光的技术体系，更为口腔医疗及相关领域的技术革新提供了全新可能，具有重要的推广价值与应用前景。