一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置及方法
2023-05-20 15:13:46 3
一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置及方法，至少包括脈衝延遲控制器、紅外雷射器、Nd:YAG雷射器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機，在紅外雷射器和Nd:YAG雷射器的雷射線路上分別設有分束鏡A和分束鏡B，兩雷射器所發射的雷射經分束鏡透射後均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位於液體環境中的被消融目標，被消融目標的一側設有用於捕捉其消融狀態的高速相機，所述的脈衝延遲控制器通過信號線分別與紅外雷射器、Nd:YAG雷射器以及高速相機連接並進行控制。本發明解決了現有技術中的不足，能夠提高消融效率和切割精度，並且減小對被消融目標所帶來的損傷。
【專利說明】一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置及方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明提供了一種在利用紅外脈衝雷射對被消融目標進行消融的進程中，提高消融效率的一種裝置，本發明同時還提供了一種相對應的提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的方法，屬於雷射應用領域。【背景技術】
[0002]紅外脈衝雷射例如波長為2.12 μ m欽雷射，2.013 μ m銩雷射，2.79 μ m/2.94 μ m鉺雷射，由於能被生物組織中主要成分即水大量吸收，例如2.94 μ m的鉺雷射吸收係數高達1666001^1,並且能在低0H_石英光纖或特種光纖中低損耗傳輸,所以紅外脈衝雷射已經被廣泛運用在生物醫學領域和雷射液體環境條件下微機械加工領域。紅外脈衝雷射操作在液體環境條件(水、尿液、血液或混合體)下時，大部分的雷射能量被消耗於汽化效應，所以作用於靶材的有效能量將會降低，結果消融效率變低，因此液體的熱動力學性質直接影響雷射與物質相互作用的機理。光汽化效應進程中產生的汽化泡會經歷多個周期的動態諧振，並且汽化泡閉合時輻射振蕩波信號。汽化泡的形態、尺寸、壽命決定於雷射的脈寬、能量和吸收係數。由ns級、μ s級脈衝雷射誘導的汽化泡閉合時向外輻射衝擊波信號壓力強度為上千個標準大氣壓，這些衝擊波足以能擊碎腎結石和膽結石。但這些衝擊波同時對細胞級和亞細胞級的生物組織造成不同程度的結構和功能損傷，還可以使得液體環境條件下微機械加工時靶材表面變性、出現裂紋等。此外，在雷射液體環境條件下微機械加工領域，人們期待通過液體環境條件下提高消融效率和消融表面質量。因此，有必要採用新的方法來提高紅外脈衝雷射液體環境條件下的消融效率並減小副作用。
【發明內容】
[0003]本發明提供了一種提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的裝置及方法，解決了【背景技術】中的不足，該方法能夠提高消融效率和切割精度，並且會減小對被消融目標所帶來的損傷。
[0004]實現本發明上述目的所採用的技術方案為:
[0005]一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，至少包括脈衝延遲控制器、紅外雷射器、Nd = YAG雷射器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機，在紅外雷射器和Nd = YAG雷射器的雷射線路上分別設有分束鏡A和分束鏡B，兩雷射器所發射的雷射經分束鏡透射後均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位於液體環境中的被消融目標，被消融目標的一側設有用於捕捉其消融狀態的高速相機，所述的脈衝延遲控制器通過信號線分別與紅外雷射器、Nd: YAG雷射器以及高速相機連接並進行控制。
[0006]被消融目標的另一側還設有LED照明燈，所述的LED照明燈與高速相機同軸設置。
[0007]還設有監控單元，所述的監控單元至少包括探測器Α、探測器B以及示波器，示波器與脈衝延遲控制器連接，其中探測器A和探測器B分別與分束鏡A和分束鏡B相對應，檢測分束鏡A和分束鏡B所反射的雷射，並將雷射信號轉換為電信號，探測器A與探測器B均通過信號線與示波器連接。
[0008]所述的被消融目標的下方還設有濾波片，所述的濾波片對1.064 波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小於90%，濾波片的下方設有探測器C，探測器C用於檢測透射過濾波片的雷射光線並將光信號轉換為電信號，探測器C通過信號線與示波器連接。
[0009]所述的濾波片與探測器C之間還設有紅外雷射凸透鏡。
[0010]所述的被消融目標的一側還設有針式水聽器，所述的針式水聽器通過信號線與示波器連接。
[0011]所述的紅外雷射器為欽雷射器、銩雷射器或鉺雷射器。
[0012]本發明還提供了一種提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的方法，包括以下步驟:
[0013]首先脈衝延遲控制器控制Nd = YAG雷射器和高速相機開啟，Nd = YAG雷射器發射Nd: YAG雷射作為前置脈衝，Nd: YAG雷射經過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導後到達被消融目標，由於被消融目標處於液體環境中，Nd:YAG雷射首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標的表面之間的間隙處產生一汽化泡，當高速相機監控到汽化泡的體積達到最大時，脈衝延遲控制器控制紅外雷射器開啟，紅外雷射器發射紅外雷射經過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導後，穿透汽化泡直接輻射於大芯徑光纖端面下方的被消融目標表面進行消融，從而提聞消融效率。
[0014]本發明所提供的技術方案與現有技術相比有以下優點:Nd:YAG雷射作為前置脈衝提供一個能形成於光纖端面和生物組織表面間的體積大、壽命長的汽化泡，汽化泡相當於打開了一個「通道」，由於汽化泡對紅外雷射脈衝的吸收係數遠低於同等條件下的被消融目標對紅外雷射脈衝的吸收係數，因此，紅外雷射脈衝能以較小的能量損耗到達被消融目標表面或其它靶材，從而簡化了到達目標靶材的途徑，提高了消融效率。
[0015]此外，Nd:YAG雷射和紅外脈衝雷射分別誘導的汽化泡中心不一致、形狀不規則、體積大小不同、諧振步調不同，所以在汽化泡閉合時輻射的聲波信號有多個且強度不高，從而可降低雷射誘導聲學損傷效應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明提供的提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的裝置的結構框圖；
[0017]圖中:1-脈衝延遲控制器，2-紅外雷射器，3_Nd:YAG雷射器，4-分束鏡A，5_分束鏡B，6-耦合器，7-大芯徑光纖，8-玻璃水槽，9-高速相機，10-LED照明燈，11-濾波片，12-紅外雷射凸透鏡，13-探測器A，14-探測器B，15-探測器C，16-示波器，17-針式水聽器。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及具體實施例對本發明做詳細具體的說明。
[0019]本發明所提供的提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的裝置的結構如圖1所示，包括脈衝延遲控制器1、紅外雷射器2、Nd:YAG雷射器3、耦合器6、大芯徑光纖7以及高速相機9，所述的紅外雷射器2為欽雷射器、銩雷射器或鉺雷射器。
[0020]在紅外雷射器2和Nd = YAG雷射器3的雷射線路上分別設有分束鏡A4和分束鏡B5,兩雷射器所發射的雷射經分束鏡透射後均射向稱合器6,所述的稱合器6與大芯徑光纖7的一端連接，大芯徑光纖7的另一端通向被消融目標,被消融目標位於盛有水的玻璃水槽8中，處於液體環境下。
[0021]被消融目標的一側設有用於捕捉其消融狀態的高速相機9，被消融目標的另一側還設有LED照明燈10，所述的LED照明燈10與高速相機9同軸設置。
[0022]脈衝延遲控制器I通過信號線分別與紅外雷射器2、Nd: YAG雷射器3以及高速相機9連接並進行控制。 [0023]監控單元包括探測器A13、探測器B14、探測器C15以及示波器16，示波器16與脈衝延遲控制器I連接，其中探測器A13和探測器B14分別與分束鏡A4和分束鏡B5相對應，檢測分束鏡A4和分束鏡B5所反射的雷射，並將雷射信號轉換為電信號，探測器A13與探測器B14均通過信號線與示波器16連接，將電信號輸入示波器16的CH3和CH4通道。監控單元主要作用是準確記錄兩種紅外脈衝雷射作用時間延遲及記錄消融性紅外脈衝雷射透過汽泡能量大小。
[0024]所述的被消融目標的一側附近還設有針式水聽器17，針式水聽器17距離大芯徑光纖7端面2mm以上，所述的針式水聽器17通過信號線與示波器16連接，針式水聽器17探測汽化泡膨脹和閉合時輻射的衝擊波信號然後將電信號輸入示波器CH2通道。
[0025]所述的被消融目標的下方還設有濾波片11，所述的濾波片11對1.064 μ m波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小於90%，濾波片11上的入射光束與濾波片11的入射角為45°。探測器C15位於濾波片11的下方並通過信號線與示波器16連接，所述的濾波片11與探測器C15之間還設有紅外雷射凸透鏡12。透射過濾光片的紅外雷射經紅外雷射凸透鏡匯聚於探測器C15上，並被轉換成電信號輸入示波器16的CHl通道。
[0026]本實施例所提供的裝置用於提高紅外脈衝雷射在液體環境下的消融效率的方法如下:首先脈衝延遲控制器控制Nd: YAG雷射器和高速相機開啟，Nd: YAG雷射器發射Nd: YAG雷射作為前置脈衝，Nd:YAG雷射經過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導後到達被消融目標，由於被消融目標處於液體環境中，Nd:YAG雷射首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標的表面之間的間隙處產生一汽化泡，當高速相機監控到汽化泡的體積達到最大時，脈衝延遲控制器控制紅外雷射器開啟，紅外雷射器發射紅外雷射經過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導後，穿透汽化泡直接輻射於大芯徑光纖端面下方的被消融目標表面進行消融，從而提高消融效率。
【權利要求】
1.一種提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:至少包括脈衝延遲控制器、紅外雷射器、Nd: YAG雷射器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機，在紅外雷射器和Nd = YAG雷射器的雷射線路上分別設有分束鏡A和分束鏡B，兩雷射器所發射的雷射經分束鏡透射後均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位於液體環境中的被消融目標，被消融目標的一側設有用於捕捉其消融狀態的高速相機，所述的脈衝延遲控制器通過信號線分別與紅外雷射器、Nd:YAG雷射器以及高速相機連接並進行控制。
2.根據權利要求1所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:被消融目標的另一側還設有LED照明燈，所述的LED照明燈與高速相機同軸設置。
3.根據權利要求1所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:還設有監控單元，所述的監控單元至少包括探測器A、探測器B以及示波器，示波器與脈衝延遲控制器連接，其中探測器A和探測器B分別與分束鏡A和分束鏡B相對應，檢測分束鏡A和分束鏡B所反射的雷射，並將雷射信號轉換為電信號，探測器A與探測器B均通過信號線與示波器連接。
4.根據權利要求3所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:所述的被消融目標的下方還設有濾波片，所述的濾波片對1.064i!m波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小於90%，濾波片的下方設有探測器C，探測器C用於檢測透射過濾波片的雷射光線並將光信號轉換為電信號，探測器C通過信號線與示波器連接。
5.根據權利要求4所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:所述的濾波片與探測器C之間還設有紅外雷射凸透鏡。
6.根據權利要求3所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:所述的被消融目標的一側還設有針式水聽器，所述的針式水聽器通過信號線與示波器連接。
7.根據權利要求1所述的提高紅外脈衝雷射消融效率的裝置，其特徵在於:所述的紅外雷射器為欽雷射器、銩雷射器或鉺雷射器。
8.一種採用權利要求1所述裝置提高紅外脈衝雷射消融效率的方法，其特徵在於包括以下步驟:首先脈衝延遲控制器控制Nd: YAG雷射器和高速相機開啟，Nd: YAG雷射器發射NdiYAG雷射作為前置脈衝，NdiYAG雷射經過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導後到達被消融目標，由於被消融目標處於液體環境中，Nd:YAG雷射首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標的表面之間的間隙處產生一汽化泡，當高速相機監控到汽化泡的體積達到最大時，脈衝延遲控制器控制紅外雷射器開啟，紅外雷射器發射紅外雷射經過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導後，穿透汽化泡直接輻射於大芯徑光纖端面下方的被消融目標表面進行消融，從而提聞消融效率。
【文檔編號】A61B18/20GK103584916SQ201310601433
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月23日 優先權日:2013年11月23日
【發明者】呂濤, 陳昉, 張偉 申請人:中國地質大學（武漢）