用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器的製作方法

2023-09-17 18:17:50

專利名稱：用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，尤其涉及一種以雙結構的鈮酸鋰晶體為變頻晶體的全固態紫、紅雙色雷射器。
背景技術：
光動力療法〔Photodynamic therapy；PDT)是20世紀80年代初問世的一種不通過外科手術而是利用雷射識別和殺滅癌細胞、輕柔無痛的治療新技術。PDT的基本原理是施行療法時先將特定的光敏物質注入體內，光敏物會選擇性的滯留於腫瘤組織內，然後以藍(或紫)光照射，腫瘤內的光敏物質會產生螢光，可以協助腫瘤的診斷及尋找腫瘤的位置及範圍。再以紅光照射，光敏物吸收光能，藉由光化學反應將光能轉移給組織內的其他物質，產生細胞有毒性的自由基(free radicals)，或與組織細胞內的氧分子作用，形成對細胞有毒性的單一態氧(singlet Oxygen)，藉此達到選擇性使癌細胞組織凋亡，達到治療目的。光動力療法雖然起步不久，但其作用機理上具高度選擇性，能破壞腫瘤組織，而不傷害正常組織，因此它是一種極有潛在價值的局部治療法。2000年，美國食品與藥物管理局(FDA)與歐盟已核准光動力療法運用於癌症治療。此外，它也已經成功地用於動脈粥樣硬化、眼底老年性黃斑變性、類風溼性關節炎、皮膚良性病變如鮮紅斑痣等許多其他非腫瘤性的疾病治療與診斷，療效令人鼓舞。而本發明中設計的全固態紫、紅雙色雷射器非常適宜於上述的光動力療法，既可做診斷，又可做治療，一機兩用，具有重要的應用前景。相關的工作包括1992年7月，沈鴻元等人在J.Appl.Phys發表了″Nd∶YAlO3雙波長雷射器用LiIO3晶體倍頻、和頻產生413.7nm紫光相干輻射(Second-harmonicgeneration and sum-frequency mixing of double-wavelength Nd∶YAlO3laser to413.7nm violet coherent radiation in LiIO3crystal)″的文章，利用兩塊LiIO3晶體對固體Nd∶YAlO3雙波長雷射頻率變換獲得413.7nm紫色雷射，能量較小，只有500μJ。
2002年3月，Y.F.Chen等人在Opt.Lett發表了″雷射二極體泵浦的調Q Nd∶YVO4腔內倍頻黃光雷射器(Diode-pumped Q-switched Nd∶YVO4Yellow laser with intracavity sum-frequency mixing)″的文章，報導了用BBO做和頻晶體獲得黃光輸出，當泵浦功率12.5W時，獲得平均功率340mW黃光輸出，峰值功率2kW。
2003年12月3日，中國專利公開了CN1459896A號″「紅綠雙波長雷射器」專利申請，用LBO和KTP等非線性晶體將摻釹晶體1300nm和1000nm波段雙波長雷射倍頻成紅色和綠色雷射。
2003年12月31日，中國專利公開了CN1464602A號「可見波段雙波長固體雷射器」專利申請，此專利涉及固體雷射器設計領域。採用腔內放置兩塊非線性晶體同時進行倍頻與和頻的方案，利用紅外雷射泵浦，同時輸出可見波段的雙波長雷射。
2002年10月，Y.F.Chen等人在Opt.Lett發表了″雷射二極體泵浦Nd∶YVO4雙波長雷射器用PPLN單通和頻獲得高效的連續黃光產生(Efficient generation of cw yellow light by single-pass sum-frequency mixingof a diode pumped Nd∶YVO4dual-wavelength laser with periodically poledlithium niobate)″的文章，報導了用PPLN做和頻晶體獲得連續黃光輸出，在基波功率1.064nm為1.2W、1.342nm為1.0W時，獲得78mw的593nm連續黃光輸出。
綜上所述，這些研究與技術途徑均不涉及應用於光動力療法，到目前為止，尚未發現有專門用於光動力療法的紫、紅雙色雷射器的報導。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用摻Nd離子晶體激發雙波長雷射共振，特別是激發Nd∶YVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長雷射同時振蕩，獲得紫、紅雙色雷射輸出的用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器。
本發明的目的可通過如下技術措施來實現該用於光動力療法的紫、紅雙色全固態雷射器，包括由一半導體雷射器為泵浦光源，摻Nd離子晶體前後表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡與1.342μm雷射的平面輸出腔鏡、1.064μm雷射的平面輸出腔鏡分別組成1.342μm、1.064μm雙波長振蕩的雙波長雷射諧振腔，1.064μm雷射和1.342μm雷射以直腔方式同時振蕩並共線輸出，聲光開關置於腔內，再以一塊能同時實現1.342μm雷射倍頻和1.342μm與0.671μm雷射和頻的雙周期結構的PPLN晶體置於泵浦光路的控溫爐中，放置於腔外。
半導體雷射(LD)泵浦摻Nd離子晶體，從4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2能級躍遷的譜線中，選擇設計雙波長諧振腔，獲得雙波長基波同時輸出，即1.06μm和1.34μm的兩條譜線，然後針對此雙波長基波設計雙周期結構的介電晶體材料，該雙周期結構晶體對摻Nd離子晶體發射的較長雷射實現有效的倍頻得到一種紅光，再對該可見光與摻Nd離子晶體發射的較短的譜線進行和頻，得到另外一種紫光，完成雙色雷射的同時輸出。包括LD泵浦源，摻Nd離子雷射晶體，同時產生雙波長振蕩的雙波長諧振腔，以及能同時實現兩個非線性頻率變換過程(倍頻、和頻)的特定結構的變頻晶體。該雙結構PPLN可以對摻Nd離子雷射晶體發射的較長波長雷射實現有效的倍頻得到一種可見光；然後對該可見光和摻Nd離子雷射晶體發射的較短波長的譜線進行和頻，得到另一更短波長的可見光；於是得到雙色光同時輸出。利用Nd∶YVO4晶體的優異的雷射性能和它的兩條發射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2，設計雙波長諧振腔，獲得1.064μm和1.342μm雙波長基波同時輸出，然後針對此雙波長基波設計具有特定雙周期結構的PPLN。該雙周期結構PPLN可以對Nd∶YVO4發射的1.342μm雷射實現有效的倍頻得到紅光(0.671μm)；對0.671μm的紅光和Nd∶YVO4發射的1.064μm雷射實現有效的和頻，得到0.411μm的紫光。從而構造出能實現紫、紅雙色雷射同時輸出的小型全固態雷射器。1.064μm雷射和1.342μm雷射以直腔方式(通過說明書附圖可以看出，1.342μm雷射在3、6之間振蕩，1.064μm雷射在3、7之間振蕩)同時振蕩並共線輸出。腔內加入聲光開關使1.342μm和1.064μm雷射準連續輸出，提高峰值功率密度和轉換效率。雙周期結構PPLN置於控溫爐中，放置於腔外。
本發明的目的還可通過如下技術措施來實現本發明還可以採用不同基質的摻Nd離子雷射晶體、選擇不同的發射譜線同時諧振、使用不同的雙周期結構變頻材料、不同的變頻材料結構參數實現兩種可見光同時輸出。
對摻Nd離子晶體發射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線雷射實現有效的倍頻得到紅光，對該紅光與摻Nd離子晶體發射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線雷射實現和頻得到紫光的能實現紫、紅雙色雷射輸出的全固態紫、紅雙色雷射器。
摻Nd離子晶體激發4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，所說的雙波長同時振蕩包括其它摻Nd離子晶體發射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2參與的雙波長同時振蕩，由雙結構的周期電場極化的介電晶體同時實現兩個頻率變換過程，同時輸出雙波長可見光的全固態紫、紅雙色雷射器。不同基質的摻Nd離子雷射晶體，對應的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發射譜線的受激發射截面和對應波長與Nd∶YVO4有所不同，這意味著，對其它摻Nd晶體，適當調整平衡雙波長共振損耗，也可以實現雙波長共振，相應修改雙結構變頻材料的結構參數，它們也適用於本發明，只是產生的紫、紅雙色雷射的波長會略有不同。如Nd∶YAP(Nd∶YAlO3)晶體，對應的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發射譜線波長為1.079μm和1.341μm，採用本發明的方法可以獲得波長為0.6705μm紅光、0.4135μm紫光。
用雙周期結構的PPLN晶體，實現1.342μm雷射的倍頻，同時實現1.064μm雷射與0.671μm雷射的和頻0.411μm產生過程，所用材料是指LiNbO3、LiTaO3、KTP、RTP等非線性光學材料。由於它們的折射率及色散關係不同，因此雙周期結構設計的參數也有所不同。通常情況下，周期的光學超晶格材料只能用於倍頻、和頻或差頻等單個非線性頻率變換過程。要實現上述紫、紅雙色雷射輸出，PPLN晶體必須提供匹配λ1＝1.342μm倍頻(產生λ2＝0.671μm紅光)的倒格矢，匹配λ3＝1.064μm基波光與λ2＝0.671μm紅光的和頻(產生λ4＝0.411μm紫光)的倒格矢。如果分別由兩塊具有周期結構的LiNbO3來提供，對應的周期分別為Λ1、Λ2，滿足如下準位相匹配條件21[2n(2,T)-2n(1,T)]=21---(1)]]>2[n(4,T)4-n(2,T)2-n(3,T)3]=22---(2)]]>其中λ1，λ2，λ3，λ4分別對應於1.342μm，0.671μm，1.064μm和0.411μm的光波長。
本發明採用雙周期結構設計的方法，即在同一片LiNbO3晶體上極化出前後兩個周期結構，周期分別對應於Λ1、Λ2，分別提供實現1.342μm倍頻的倒格矢與0.671μm和1.064μm和頻的倒格矢。於是倍頻與和頻在一塊晶片上實現，結構緊湊，調節方便，利於系統的小型化。設定溫度為100℃；按照如下的sellmeier方程計算折射率ne(,T)=a1+b1*f(T)+a2+b2*f(T)2-[a3+b3*f(T)]2+a4+b4*f(T)2-a52-a6*2---(3)]]>其中參數a1＝5.35583，a2＝0.1004/3，a3＝0.20692，a4＝100，a5＝11.34927，a6＝1.5334*10-2，b1＝4.629*10-7b2＝3.862*10-8，b3＝-0.89*10-8，b4＝2.657*10-5f(T)＝(T-24.5)*(T+570.82)T為攝氏溫度。
針對摻Nd離子晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷，匹配兩個頻率變換過程產生紫、紅兩種可見光同時輸出，改變結構參數和匹配溫度，以準位相匹配方式同時產生紫、紅雷射及其各種顏色組合雷射輸出的所有全固態紫、紅雙色雷射器。
本發明的優越性1.首次提出全固態Nd∶YVO4/PPLN 0.671μm和0.411μm紫、紅雙波長雷射器，非常適合於醫學上光動力療法診斷和治療對雷射波長的特殊要求，紫光用於診斷，紅光用於治療，一機兩用。
2.本發明採用的諧振腔結構可以同時產生1.064μm和1.342μm的雷射振蕩，直腔的結構簡單，易於調節；而三鏡腔結構易於抑制因雙波長增益競爭而產生的輸出功率不穩定性，改善雙波共振脈衝的同步特性(時間重疊)。
3.本發明採用的雙結構PPLN是一種特定的周期結構。可以根據需要，分別設計前後兩個結構的周期，有效地提供兩個倒格矢，匹配兩個非線性頻率變換過程，且對變頻材料和入射基波都沒有特殊限制。其結構易於得到和製備，具有很大的靈活性和實用性。
4、Nd∶YVO4晶體具有優異的雷射性能，如吸收係數大，吸收帶寬，受激發射截面大，輸出為線偏振等。該晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷都具有較大的發射截面，它們發射截面的比值也易於實現雙波長同時振蕩，獲得高效的1.064μm和1.342μm雷射同時輸出。
全固態紫、紅雙色雷射器，同時激發摻Nd離子雷射晶體雙波長雷射共振，用一塊雙結構的周期電場極化的鈮酸鋰晶體PPLN(Periodically PoledLithium Niobate)實現倍頻、和頻的非線性頻率轉換過程，得到紫、紅雙色雷射同時輸出。紫光用於診斷，紅光用於治療，一機兩用，器件結構緊湊，降低了器件製造、維護、調整的複雜性，也降低了製造和維護成本，提高了運轉的穩定性和可靠性，具有重要的醫學應用價值。


圖1是本發明實施例的示意圖。
其中1-半導體二極體雷射器(LD)，2-光纖耦合和聚焦準直系統，3-輸入鏡，4-Nd∶YVO4晶體，5-聲光開關，6-輸出腔鏡7-輸出腔鏡；8-會聚透鏡，9-控溫爐，10-雙周期結構PPLN晶體。
具體實施例方式下面參照圖1對本發明做進一步說明。
實施實例1製作一臺用於光動力療法的雙周期結構PPLN全固態紫、紅雙色雷射器。以一半導體二極體雷射器(LD)1為泵浦源，輸出波長為0.808μm，最大輸出功率為15W，Nd∶YVO4晶體4前後表面鍍上1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡3對1.064μm和1.342μm雙波長均高反，對0.808μm高透，與輸出腔鏡6組成1.342μm雷射諧振腔，與輸出腔鏡7組成1.064μm雷射諧振腔，聲光開關5置於腔內，獲得準連續的1.064μm和1.342μm雷射，一塊雙周期結構PPLN 10(長約2cm)置於控溫爐9中，放於腔外，調節溫度，在匹配溫度處得到紫、紅雙色雷射的同時輸出。
實施實例2製作一臺用於光動力療法的雙周期結構PPLN全固態紫、紅雙色雷射器，與實例1中不同的是，PPLN 10兩端都鍍以1.064μm和1.342μm減反膜及可見光減反膜，輸入鏡3鍍以1.064μm、1.342μm和可見光高反膜，輸出腔鏡6對1.342μm鍍以高反膜、對1.064μm和可見光鍍以高透膜，輸出腔鏡7對1.064μm鍍以高反膜、對可見光鍍以高透膜。無需聲光開關。將雙周期結構PPLN置於輸入鏡3和雷射輸出腔鏡6所組成的諧振腔內，實現腔內頻率轉換得到紫、紅雙色連續波雷射同時輸出。
權利要求
1.用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，包括由一半導體雷射器為泵浦光源，其特徵在於摻Nd離子晶體(4)前後表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡(3)與腔鏡(6)、腔鏡(7)分別組成1.342μm、1.064μm雷射諧振腔，1.064μm雷射和1.342μm雷射以直腔方式同時振蕩並共線輸出，聲光開關(5)置於腔內，再以一塊雙周期結構的周期電場極化的介電晶體(10)置於控溫爐(9)中，放置於腔外。
2.根據權利要求1所述的用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，其特徵在於對摻Nd離子晶體(4)發射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線雷射實現有效的倍頻得到紅光，對該紅光與摻Nd離子晶體發射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線雷射實現和頻得到紫光的能實現紫、紅雙色雷射輸出的全固態紫、紅雙色雷射器。
3.根據權利要求1所述的用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，其特徵在於摻Nd離子晶體(4)激發4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，由雙周期結構的PPLN晶體(10)同時實現兩個頻率變換過程，同時輸出雙波長可見光的全固態紫、紅雙色雷射器。
4.根據權利要求3所述的用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，其特徵在於用雙周期結構的PPLN晶體(10)，實現1.342μm雷射的倍頻，同時實現1.064μm雷射與0.671μm雷射的和頻0.411μm產生過程，所用材料是指LiNbO3、LiTaO3、KTP、RTP非線性光學材料。
5.根據權利要求1所述的用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，其特徵在於針對摻Nd離子晶體(4)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷，匹配兩個頻率變換過程產生紫、紅兩種可見光同時輸出，改變結構參數和匹配溫度，以準位相匹配方式同時產生紫、紅雷射及其各種顏色組合雷射輸出的所有全固態紫、紅雙色雷射器。
全文摘要
本發明提供一種用於光動力療法的全固態紫、紅雙色雷射器，包括由一半導體雷射器為泵浦光源，摻Nd離子晶體前後表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡與腔鏡(6)、腔鏡(7)分別組成1.342μm、1.064μm雷射諧振腔，1.064μm雷射和1.342μm雷射以直腔方式同時振蕩並共線輸出，聲光調製器置於腔內，再以一塊雙周期結構的PPLN晶體置於控溫爐中，放置於腔外。實際醫療應用中，紫光用於診斷，紅光用於治療，一機兩用。
文檔編號H01S3/08GK1618481SQ20041003646
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月8日 優先權日2004年12月8日
發明者何京良, 劉傑, 韓可楨, 範秀偉, 王慧田, 祝世寧, 朱永元 申請人:山東師範大學