一種醫用三波長黃綠光雷射器的製造方法
2023-10-06 06:35:14 2
一種醫用三波長黃綠光雷射器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種醫用三波長黃綠光雷射器，包括依次設置在光路上的泵浦光產生單元、光束整形單元、增益介質單元、標準具單元、非線性晶體單元，還包括一光學諧振腔單元，而所述的增益介質單元、標準具單元和非線性晶體單元均設置在光學諧振腔單元中。本發明利用增益介質單元實現了穩定的雙波長紅外雷射運轉，然後通過腔內倍頻與腔內和頻這兩種方法，實現三波長黃綠光雷射輸出，使得本發明所述的醫用三波長黃綠光雷射器能夠有效產生高效率、低閾值、高穩定性的三波長黃綠雷射，大大提升了醫用黃綠光雷射器的整體性能。
【專利說明】一種醫用三波長黃綠光雷射器
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種醫用三波長黃綠光雷射器，屬於光電子及雷射【技術領域】。
【背景技術】
[0003]近年來，由於應用領域廣泛，全固態黃綠光雷射器發展越來越迅速。黃綠光雷射器在雷射表演、雷射納導星、玻色愛因斯坦凝聚、雷射化學、原子冷卻與捕獲、雷射生物效應、雷射醫學等方面都有著重要的應用。尤其是在醫療方面，可以廣泛用於疾病的診斷和治療。首先，在疾病的診斷方面，黃綠光雷射器可以用於流式細胞儀和雷射共聚焦顯微鏡。黃綠光雷射激發螢光染料，經過聚焦整形後的光束垂直照射在細胞樣品流上，被螢光染色的細胞在雷射束的照射下產生散射光和激發螢光，從而對單細胞或生物顆粒進行多參數、快速定量分析；並可以進行在體成像，從而研究和分析活細胞結構、分子、離子的實時動態變化過程，組織和細胞的光學連續切片和三維重建等，從而實現對生理疾病的診斷。其次，在疾病的治療方面，由於血液對黃綠雷射有著很高的吸收係數，因此在眼科、血管外科、皮膚科等方面都有著重要的應用。
[0004]目前黃綠光雷射器的實現方法主要有以下五種:1)雙波長腔內和頻:採用兩種波長不同的振蕩光，通過腔內和頻的方式獲得黃光輸出，存在著模式競爭效應明顯、諧振腔膜系複雜、轉換效率低、光束質量和穩定性較差等缺點。2)光泵半導體垂直外腔面發射雷射器:利用半導體雷射泵浦半導體晶片，在諧振腔的約束下獲得高光束質量的近紅外基頻雷射，並通過腔內倍頻獲得高效率、高光束質量的黃光雷射輸出，這種結構自發輻射放大效應較為嚴重。3)拉曼雷射器倍頻:利用增益較大且容易獲得的雷射譜線，通過受激拉曼散射產生的一階斯託克斯波頻移至1070-l200 nm之間，再通過倍頻獲得黃光雷射輸出，但是其閾值較高，且非線性係數較小，因此常需要通過巨脈衝模式獲得較高的峰值功率密度，從而提高其轉換效率。4)拉曼光纖雷射/放大器:採用拉曼光纖雷射放大的方式，獲得高功率窄線寬基頻紅外雷射輸出；然後通過腔外倍頻，獲得較高功率、高效率的黃光雷射輸出，這種結構的黃光雷射器相位控制要求精度很高、系統比較複雜。5)晶體二次諧波產生:這是最為直接，並且成熟、高效的一種方式，其採用高質量的雷射介質，獲得高功率的1070-1200 nm基頻光振蕩；然後通過二次非線性效應，產生高功率的黃光雷射。
[0005]目前，醫用黃綠光雷射器主要存在著以下問題亟待解決，第一，輸出波長單一，器件的實用性差，難以滿足實際中多種應用的需求；第二，轉換效率低，光光轉換效率大多低於10%，較低的效率一方面造成了高的功耗，另一方面會造成較大的熱效應，從而嚴重影響醫用黃綠光雷射器的整體性能。
【發明內容】
[0006]為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種高效率、低閾值、高穩定性的醫用三波長黃綠光雷射器。
[0007]為達到上述目的，本發明是通過以下的技術方案來實現的:
一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，包括依次設置在光路上的將雷射介質中的Nd3+泵浦至雷射器的上能級的泵浦光產生單元、將泵浦光產生單元輸出的雷射束修飾成與雷射介質和光學諧振腔相匹配的泵浦光束的光束整形單元、通過受激躍遷產生1090-1140 nm光子的增益介質單元、通過透射率變化進行不同譜線增益調節的標準具單元、通過二階非線性變換產生54(T570 nm光子的非線性晶體單元，還包括一產生540~570nm雷射的光學諧振腔單元，而所述的增益介質單元、標準具單元和非線性晶體單元均設置在光學諧振腔單元中。
[0008]進一步，所述的泵浦光產生單元包括一雷射器，所述的雷射器的中心波長為400~1000 nm。
[0009]而所述的雷射器為半導體雷射器、氣體雷射器、光纖雷射器、半導體泵浦固體雷射器中的任一種。
[0010]所述的光束整形單元為幾何整形系統、光譜整形系統中的至少一種。
[0011]所述的光束整形單元包括透鏡、光柵、空間濾波器、多模光纖中的至少一種。
[0012]且所述的增益介質單元的形狀為圓柱形、六面體形、波導形、板條形、碟片形、光纖形中的任一種。且所述的增益介質單元為摻釹離子單晶或者陶瓷。
[0013]所述的標準具單元為單塊平面玻璃或兩塊平面玻璃。
[0014]所述的非線性晶體單元為三硼酸鋰、偏硼酸鋇、周期性極化鈮酸鋰、硼酸鉍、鈮酸鉀中的任一種。
[0015]所述的光學諧振腔單元為直線腔、V型腔、Z型腔、環形腔中的任一種。
[0016]且當所述的光學諧振腔單元為直線腔時，包括前諧振腔鏡和後諧振腔鏡兩個鏡片；當所述的光學諧振腔單元為V型腔時，包括前諧振腔鏡、摺疊鏡、後諧振腔鏡三個鏡片；當所述的光學諧振腔單元為Z型腔時，包括前諧振腔鏡、第一摺疊鏡、第二摺疊鏡、後諧振腔鏡四個鏡片；而當光學諧振腔單元為環形腔時，則包括前諧振腔鏡和後諧振腔鏡等四個、五個、十個等不定數目的鏡片。
[0017]此外，在前述的直線腔、V型腔、Z型腔、環形腔中還可以設置偏振片、空間濾波器、雙折射濾光片、體布拉格光柵中的N種附件，所述的O < N < 4。
[0018]其中，所述的如諧振fe鏡和後諧振fe鏡用於控制0.9 U m> 1.06 μ m和1.3 μ m譜線的反射透射率，為產生的1090~1140 nm和540~570 nm振蕩光子提供正反饋，通過往返於所述前諧振腔鏡和後諧振腔鏡之間，並從激活的增益介質中獲取能量，實現能量的積累和放大；所述空間濾波器用於控制光學諧振腔單元內雷射的橫模模式；所述偏振片用於控制光學諧振腔單元內雷射的偏振模式；所述雙折射濾光片用於控制光學諧振腔單元內雷射的縱模模式；所述體布拉格光柵則用於控制光學諧振腔單元內雷射的縱模模式，確保雷射束的高穩定度和高亮度輸出。
[0019]本發明的有益效果是:本發明利用增益介質單元實現了穩定的雙波長紅外雷射運轉，然後通過腔內倍頻與腔內和頻這兩種方法，實現三波長黃綠光雷射輸出，使得本發明所述的醫用三波長黃綠光雷射器能夠有效產生高效率、低閾值、高穩定性的三波長黃綠雷射，大大提升了醫用黃綠光雷射器的整體性能。[0020]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明一實施例的結構示意圖；
圖2為本發明所述的光學諧振腔單元的結構示意圖。
[0021]圖中主要標記含義如下:
1、泵浦光產生單元2、光束整形單元3、增益介質單元4、標準具單元5、非線性晶體單元6、光學諧振腔單元601、前諧振腔鏡603、空間濾波器604、偏振片605、雙折射濾光片606、體布拉格光柵602、後諧振腔鏡。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0023]圖1為本發明一實施例的結構示意圖；圖2為本發明所述的光學諧振腔單元的結構示意圖。
[0024]如圖1和圖2所示:以下所有實施例所述的醫用三波長黃綠光雷射器都具有如下所述的相同的結構:具體為，所述的醫用三波長黃綠光雷射器包括依次設置在光路上的將雷射介質中的Nd3+泵浦至雷射器的上能級的泵浦光產生單元1、將泵浦光產生單元輸出的雷射束修飾成與雷射介質和光學諧振腔相匹配的泵浦光束的光束整形單元2、通過受激躍遷產生1090-1140 nm光子的增益介質單元3、通過透射率變化進行不同譜線增益調節的標準具單元4、通過二階非線性變換產生540-570 nm光子的非線性晶體單元5，還包括一產生540-570 nm雷射的光學諧振腔單元6，而所述的增益介質單元3、標準具單元4和非線性晶體單元5均設置在光學諧振腔單元6中。
[0025]而具體的實施例為:
實施例1:所述的泵浦光產生單元I為一雷射器，所述的雷射器的工作模式為連續工作模式，中心波長為809nm，最大連續泵浦功率為30 W，且所述的雷射器為一半導體雷射器。
[0026]所述的光束整形單兀2包括一透鏡組和一多模光纖，其中所述的多模光纖的芯徑為200 μ m，數值孔徑NA=0.18，為一光譜整形系統，而所述的透鏡組為一準直聚焦透鏡組，且準直聚焦透鏡組由4片非球面透鏡組成，透鏡表面鍍有對809 nm透射率為99.5%的膜系，為一幾何整形系統，其能夠連續調節注入晶體內部的光束的束腰大小。
[0027]所述的增益介質單元3為一圓柱形Nd: YAG單晶，雷射增益介質採用側面散熱，被包裹在紫銅散熱器中，散熱器底部與熱電製冷器(TEC)上表面連接，TEC底面與散熱片連接，通過風扇的強制製冷將熱量攜帶走。
[0028]所述的標準具單元4為單塊平面玻璃，厚度為0.2 mm，直徑20 mm，有效孔徑>90%，材料為融石英玻璃，光潔度10/5，平行度〈3"，波前畸變〈λ/8。
[0029]所述的非線性晶體單元5為硼酸鉍。
[0030]而所述的光學諧振腔單元6為三波長黃綠光的光學諧振腔單元，且其為一簡單的直線腔，在直線腔中由前向後依次設置有前諧振腔鏡601、空間濾波器603、偏振片604、雙折射濾光片605、體布拉格光柵606和後諧振腔鏡602。在本實施例1中，附件為4個，當然也可以不設置附件，或設置其他數量的附件，如1、2或3個等。
[0031]其中，所述的前諧振腔鏡601為平面鏡，鍍有對809，946，1064 nm增透、對1110-1125 nm高反的膜系，其中對809 nm的透射率大於95%，並且該膜對1064nm譜線透射率大於90%，對946 nm的透射率大於60% ;而後諧振腔鏡602為凹面鏡，鍍有對1064 nm和1340 nm增透、對1110~1125 nm高反、對550~565 nm增透的膜系，其中對1064nm譜線透射率大於90%，對1340 nm的透射率大於80%，對1110~1125 nm反射率大於99.6%，對550~565nm的透射率大於90%。
[0032]在本實施例1中，更為優選的是雷射增益介質為雙端複合生長型Nd = YAG單晶，摻雜濃度為1.0at.%，尺寸為3X3X11 mm3，其中前後端為3mm長的非摻雜YAG晶體，摻雜區長度為5mm，前後端面都鍍有對波長為809~1340 nm光束的增透膜，其中對94(Tll25 nm的光束的透射率大於99%，809nm和1340nm的光束的透射率大於95%。
[0033]在本實施例1中，雷射器輸出的是三種波長的黃綠光，三種波長分別556 nm、559nm 和 561 nm。
[0034]實施例2:所述的泵浦光產生單元I為一雷射器，所述的雷射器的工作模式為連續工作模式，中心波長為885nm，最大連續泵浦功率為50 W，且所述的雷射器為一半導體雷射器。
[0035]所述的光束整形單元2包括一透鏡組和一多模光纖，其中所述的多模光纖的芯徑為400 μ m，數值孔徑NA=0.22，為一光譜整形系統，而所述的透鏡組為一準直聚焦透鏡組，且準直聚焦透鏡組由2片非球面透鏡組成，透鏡表面鍍有對885 nm透射率為99.5%的膜系，為一幾何整形系統，其能夠連續調節注入晶體內部的光束的束腰大小。
[0036]所述的增益介質單元3為一碟片型Nd = GGG單晶，雷射增益介質採用側面散熱，被包裹在紫銅散熱器中，散熱器底部與熱電製冷器(TEC)上表面連接，TEC底面與散熱片連接，通過風扇的強制製冷將熱量攜帶走。
[0037]所述的標準具單元4為兩塊平面玻璃。其中一塊厚度為0.15 _，另一塊厚度為
0.05 mm，兩塊平面玻璃間距為20 mm ;兩塊平面玻璃的直徑都是10 mm，有效孔徑均為90%，且材料均為融石英玻璃，光潔度均為10/5，平行度均〈3"，波前畸變均〈λ /8。
[0038]所述的非線性晶體單元5為三硼酸鋰。
[0039]而所述的光學諧振腔單元6為三波長黃綠光的光學諧振腔單元，且其為一 Z型腔，在Z型腔中由前向後依次設置有前諧振腔鏡、摺疊鏡、反射鏡和後諧振腔鏡四個鏡片，且在Z型腔中還設置有空間濾波器、偏振片、雙折射濾光片、體布拉格光柵4個附件，當然也可以不設置附件，或設置其他數量的附件，如1、2或3個等。
[0040]其中，所述的前諧振腔鏡601為平面鏡，鍍有對885，937，1064 nm增透、對1100-1120 nm高反的膜系，其中對885 nm的透射率大於95%，並且該膜對1064nm譜線透射率大於90%，對937 nm的透射率大於60% ;摺疊鏡為凹面鏡，鍍有對130(Tl340 nm增透、對1100-1120 nm高反的膜系，其中對130(Tl340 nm的透射率大於80% ;反射鏡為凹面鏡，鍍有對550~565 nm增透，對1100~1120 nm高反的膜系，其中對550~565 nm的透射率大於95% ；而後諧振腔鏡602為凹面鏡，鍍有對1110~1120 nm高反、對550~565 nm高反、對1300~1340nm增透的膜系，其中對1110~1120 nm譜線反射率大於99%，對550~565 nm的反射率大於99%，對1300~1340 nm的透射率大於80%。[0041]在本實施例2中，更為優選的是雷射增益介質為複合生長型碟片型Nd = GGG單晶，摻雜濃度為1.0at.%，厚度為0.5 mm，直徑為20 mm，其中摻雜區直徑3 mm ;前後端面都鍍有對波長為885~1335 nm光束的增透膜，其中對937~1120 nm的光束的透射率大於99%，885nm和1331nm的光束的透射率大於95%。
[0042]在本實施例2中，雷射器輸出的是三種波長的黃綠光，三種波長分別551 nm、553nm 和 555 nm。
[0043]實施例3:所述的泵浦光產生單元I為一雷射器，所述的雷射器的工作模式為連續工作模式，中心波長為940 nm，最大連續泵浦功率為50 W，且所述的雷射器為一光纖雷射器。
[0044]所述的光束整形單元2包括一透鏡組和一光柵，其中所述的光柵的刻線面為64X72 mm2，刻線密度1800條/mm，閃耀波長940 nm，為一光譜整形系統，而所述的透鏡組為一準直聚焦透鏡組，且準直聚焦透鏡組由2片非球面透鏡組成，透鏡表面鍍有對940 nm透射率為99.5%的膜系，為一幾何整形系統，其能夠連續調節注入晶體內部的光束的束腰大小。
[0045]所述的增益介質單元3為一六面體形Nd:YAP陶瓷，雷射增益介質採用側面散熱，被包裹在紫銅散熱器中，散熱器底部與熱電製冷器(TEC)上表面連接，TEC底面與散熱片連接，通過風扇的強制製冷將熱量攜帶走。
[0046]所述的標準具單元4為單塊平面玻璃,厚度為0.10 mm,直徑10 mm,有效孔徑為90%，材料為融石英玻璃，光潔度10/5，平行度〈3"，波前畸變〈λ /8。
[0047]所述的非線性晶體單元5為周期性極化鈮酸鋰。
[0048]而所述的光學諧振腔單元6為三波長黃綠光的光學諧振腔單元，且其為一 V型腔，在V型腔中由前向後依次設置有前諧振腔鏡、摺疊鏡和後諧振腔鏡三個鏡片，且在V型腔中空間濾波器、偏振片、雙折射濾光片、體布拉格光柵4個附件，當然也可以不設置附件，或設置其他數量的附件，如1、2或3個等。
[0049]其中，所述的前諧振腔鏡601為平面鏡，鍍有對940，937，1064 nm增透、對1090~1120 nm高反的膜系，其中對940 nm的透射率大於90%，並且該膜對1064nm譜線透射率大於90%，對937 nm的透射率大於80% ;摺疊鏡為凹面鏡，鍍有對540~560 nm增透、對1090^1120 nm高反的膜系，其中對540~560 nm的透射率大於95% ;而後諧振腔鏡602為凹面鏡，鍍有對1090~1120 nm高反、對540~565 nm高反、對1300~1340 nm增透的膜系，其中對1090~1120 nm譜線反射率大於99%，對540~560 nm的反射率大於99%，對1300~1340 nm的透射率大於80%。
[0050]在本實施例3中，更為優選的是雷射增益介質為雙端複合生長型NchYAP陶瓷，摻雜濃度為1.0at.%，尺寸為3X3X10 mm3，其中前後端為2mm長的非摻雜YAG晶體，摻雜區長度為6mm，前後端面都鍍有對波長為937~1335 nm光束的增透膜，其中對937~1120 nm的光束的透射率大於99%，1331nm的光束的透射率大於95%。
[0051]在本實施例3中，雷射器輸出的是三種波長的黃綠光,三種波長分別545 nm、549nm 和 553 nm。
[0052]本發明所述的醫用三波長黃綠光雷射器能夠有效產生高效率、低閾值、高穩定性的三波長黃綠雷射，並通過利用摻釹離子增益介質的在109(T1140 nm範圍內的兩條躍遷譜線(波長分別為λ 2，並滿足1090≤A1 < λ2< 1140)，通過控制譜線入2的相對增益，實現穩定的λ 1、λ 2雙波長紅外雷射運轉；然後通過腔內倍頻與腔內和頻這兩種方法，實現三波長黃綠光雷射輸出，其中的三波長分別Α、Β和C，並滿足如下關係:Α=λ /2，B= λ 2/2，C= λ j λ 2/ ( λ j+ λ 2) 0
[0053]本發明按照上述實施例進行了說明，應當理解，上述實施例不以任何形式限定本發明，凡採用等同替換或等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，包括依次設置在光路上的將雷射介質中的Nd3+泵浦至雷射器的上能級的泵浦光產生單元(I)、將泵浦光產生單元輸出的雷射束修飾成與雷射介質和光學諧振腔相匹配的泵浦光束的光束整形單元(2)、通過受激躍遷產生109(T1140 nm光子的增益介質單元(3)、通過透射率變化進行不同譜線增益調節的標準具單元(4)、通過二階非線性變換產生54(T570 nm光子的非線性晶體單元(5)，還包括一產生54(T570 nm雷射的光學諧振腔單元(6)，而所述的增益介質單元(3)、標準具單元(4)和非線性晶體單元(5)均設置在光學諧振腔單元(6)中。
2.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的泵浦光產生單元(I)包括一雷射器，所述的雷射器的中心波長為40(T1000 nm。
3.根據權利要求2所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的雷射器為半導體雷射器、氣體雷射器、光纖雷射器、半導體泵浦固體雷射器中的任一種。
4.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的光束整形單元(2)為幾何整形系統、光譜整形系統中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的光束整形單元(2)包括透鏡、光柵、空間濾波器、多模光纖中的至少一種。
6.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的增益介質單元(3)的形狀為圓柱形、六面體形、波導形、板條形、碟片形、光纖形中的任一種。
7.根據權利要求1或6所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的增益介質單元(3)為摻釹離子單晶或者陶瓷。
8.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的標準具單元(4)為單塊平面玻璃或兩塊平面玻璃。
9.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的非線性晶體單元(5)為三硼酸鋰、偏硼酸鋇、周期性極化鈮酸鋰、硼酸鉍、鈮酸鉀中的任一種。
10.根據權利要求1所述的一種醫用三波長黃綠光雷射器，其特徵在於，所述的光學諧振腔單元(6)為直線腔、V型腔、Z型腔、環形腔中的任一種。
【文檔編號】H01S3/13GK103457143SQ201310397223
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】高靜, 武曉東, 張龍 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所