CN101814692A

CN101814692A - 医用全固态黄光激光器

Info

Publication number: CN101814692A
Application number: CN 201010151649
Authority: CN
Inventors: 高静; 武晓东; 檀慧明; 位兵; 戴仙金
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明公开了一种医用全固态黄光激光器，其包括一泵浦源系统，所述泵浦源系统主要包括在一光路上依次安置的激光二极管LD、光纤以及一聚焦耦合透镜系统；其还包括一Z型谐振腔装置，所述Z型谐振腔装置包括在Z型腔内依次安置的尾镜、凹面折叠镜、黄光输出镜以及一全反镜，所述尾镜和凹面折叠镜之间放置有一激光增益介质，所述凹面折叠镜与黄光输出镜之间放置有一布儒斯特片，所述黄光输出镜和全反镜之间放置有一倍频晶体。进一步的，所述激光增益介质和倍频晶体都由制冷装置进行温度控制。本发明的医用全固态黄光激光器结构简单、体积小、功率/能量高、效率高和输出稳定性好，可获得医用561nm波段的激光输出。

Description

医用全固态黄光激光器

技术领域

本发明涉及一种医用激光器，具体的涉及一种医用全固态黄光激光器。

背景技术

已知的，黄光波段的激光在医疗领域有着广阔的应用。在诊断方面，它是全内反射荧光成像(TIRF)系统或流式细胞仪(flow cytometry)的理想选择；在治疗方面，可以对鲜红斑痣、毛细血管扩张和眼底黄斑病变等疾病进行有效治疗。

常用的黄光激光器有Kr离子激光(568nm)、染料激光(577nm)等激光器，但这些激光都存在着固有的缺点。Kr离子激光属于气体激光器，其体积重量都很大，而且由于效率低导致耗电量很大；染料激光器属于液体激光器，需要经常换染料，工作麻烦，染料的毒性对人体有害，不足以满足仪器使用要求。随着半导体激光器的研究进展和产品化逐渐成熟，大功率半导体激光器及半导体激光泵浦的固态激光器的研究与产品开发获得了迅速的发展。这些激光器已经成为激光器家族中一股重要的力量，且具有功率高、体积小，效率高，光束质量好和寿命长等优点。

目前，国内外已经有关于固体黄光激光器的报道。他们主要采取以下三种方式：一是采用较多的倍频拉曼光的方法，包括腔内倍频拉曼光(Efficientdiode-end-pumped actively Q-switched Nd:YAG/SrWO4/(KTP)yellow laser，《Optics Letters》，Vol.34，2009，2601-2612)和腔外倍频拉曼光(Low-threshold，diode end-pumped Nd3+:GdVO4 self-Raman laser，《OpticsMaterials》，Vol.29，2007，1817-1820)，腔外倍频拉曼光的方法由于功率密度较低导致倍频效率很低，因此黄光的输出功率和转换效率低；腔内倍频拉曼光的方法大多是采用声光调Q方式来提高基频光的功率密度，能够保证较高的平均输出功率，但是单脉冲能量很低，而且受温度变化的影响较大。二是采用两束光和频的方式(Intracavity sum-frequency generation of 3.23 Wcontinuous-wave yellow light in an Nd:YAG laser，《OpticsCommunications》，Vol.255，2005，248-252)，这种方法具有结构复杂，体积大，效率低等缺点。三是采用红外光腔外倍频的方式(Passively Q-switchedNd:YAG/(KTA)laser at 561nm，《Optics Communications》，Vol.281，2008，4088-4091)，这种方法结构简单，但是单脉冲能量和平均功率都较低，也不能获得高功率和高能量的黄光输出。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、功率/能量高、效率高和输出稳定性好的医用全固态黄光激光器，该激光器可获得医用561nm波段的激光输出。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的医用全固态黄光激光器通过如下技术方案实现：

一种医用全固态黄光激光器，其包括一泵浦源系统，所述泵浦源系统包括在一光路上依次安置的激光二极管LD、光纤以及一聚焦耦合透镜系统；

其还包括一Z型谐振腔装置，所述Z型谐振腔装置包括在Z型腔内依次安置的尾镜、凹面折叠镜、黄光输出镜以及一全反镜，所述尾镜和凹面折叠镜之间放置有一激光增益介质，所述凹面折叠镜与黄光输出镜之间放置有一布儒斯特片，所述黄光输出镜和全反镜之间放置有一倍频晶体。

进一步的，所述激光增益介质和倍频晶体都由制冷装置进行温度控制。

进一步的，所述激光增益介质采用的是Nd:YAG陶瓷。

优选的，所述的制冷装置可以是风冷装置，即将激光介质的热量通过各种方式转移到散热片，然后通过风扇的强制冷却，由空气将热量携带走；也可以是循环水制冷装置，即将激光介质放置于通过有冷却循环水的散热器中，热量通过散热器传导至循环水中，然后通过循环水将热量携带走。

本发明的医用全固态黄光激光器的工作流程如下：

所述激光二极管LD发出的泵浦光经过所述光纤传输，并通过所述聚焦耦合透镜系统整形聚焦，进入到所述激光增益介质中，所述激光增益介质通过受激发射，产生中心波长为1123nm的光子，产生的光子通过所述激光增益介质和所述Z型谐振腔装置的反馈放大，产生高功率密度的1123nm基频光驻波，基频光子通过所述倍频晶体的双程倍频，形成561nm黄光激光并由所述黄光输出镜输出。

本发明采用了新型的Nd:YAG陶瓷作为增益介质，并设计了对热透镜效应不灵敏的Z型腔，采用了腔内双程倍频的方式，获得了561nm黄光激光。本发明充分利用了腔内1123nm基频光的高功率密度，并采用Z型腔提高了倍频效率，实现了高功率和高能量的黄光激光输出，成功的解决了现有技术中激光器的缺点。与现有技术相比，本发明的医用全固态黄光激光器所采用的Z型腔的每个臂的长度和各腔镜的曲率半径可以根据不同设计进行优化选取，一方面可以实现在很大范围内的激光增益介质和倍频晶体中的模式变化很小，从而大大减小热透镜效应对于激光性能的影响；另一方面可以实现倍频晶体中较小的基频光光斑，从而实现较高的倍频效率。本发明的医用全固态黄光激光器具有更高的输出功率/能量，更高的光光转换效率，并且体积小、稳定性好、成本低。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明医用全固态黄光激光器的结构示意图。

图中标号说明：1.激光二极管LD，2.光纤，3.聚焦耦合透镜系统，4.尾镜，5.激光增益介质，6.凹面折叠镜，7.黄光输出镜，8.倍频晶体，9.全反镜，10.布儒斯特片，11.制冷装置，12.泵浦源系统，13.Z型腔，14.第一臂，15.第二臂，16.第三臂。

具体实施方式

实施例1：

参见图1所示，一种医用全固态黄光激光器，其包括一泵浦源系统12，所述泵浦源系统12主要包括在一光路上依次安置的激光二极管LD1、光纤2以及一聚焦耦合透镜系统3，所述泵浦源系统12的工作模式为连续工作模式，最大连续泵浦功率为30W，输出波长为808nm；

其还包括一Z型谐振腔装置，所述Z型谐振腔装置包括在Z型腔13内依次安置的尾镜4、凹面折叠镜6、黄光输出镜7以及一全反镜9，所述尾镜4和凹面折叠镜6之间放置有一激光增益介质5，所述凹面折叠镜6与黄光输出镜7之间放置有一布儒斯特片10，所述黄光输出镜7和全反镜9之间放置有一倍频晶体8。

进一步的，激光增益介质5和倍频晶体8由制冷装置11进行侧面散热。激光增益介质5和倍频晶体8的侧面分别被包裹在紫铜散热器中，散热器底部与热电制冷器(TEC)上表面连接，TEC底面与散热片连接，通过风扇的强制制冷将热量携带走。

优选的，激光增益介质5为双端复合生长型Nd:YAG陶瓷，掺杂浓度为1.1at.％，尺寸为3×3×5mm³，前后端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm的光束的透射率大于98％。

优选的，倍频晶体8选用砷酸钛氧钾(KTA)，尺寸为3×3×5mm³，晶体两端镀有1123nm和561nm的增透膜，透射率大于99.8％；匹配方式采用二类临界匹配，切割角度(θ，φ)为(90°，30.3°)。

优选的，布儒斯特片10选用石英玻璃，以布儒斯特角(56°)放置于腔内，表面镀有对水平偏振(p偏振)透射率大于98％的增透膜，并且该膜对垂直偏振(s偏振)的透射率小于2％，该片主要用作1123nm基频光子的起偏器。

优选的，尾镜4为平面镜，镀有对泵浦光大于95％的增透膜，并且该膜对1123nm谱线的反射率大于99.8％，对1064nm谱线透射率大于70％。

优选的，凹面折叠镜6的曲率半径为200mm，镀有对1123nm谱线反射率大于99.8％的反射膜，并且对1064nm谱线和1320nm谱线透射率大于70％。

优选的，黄光输出镜7的曲率半径为100mm，镀有对561nm谱线透射率大于95％的增透膜，并且对1123nm谱线反射率大于99.8％，对1064nm谱线的透射率大于50％。

优选的，全反镜9为平面镜，镀有对1123nm谱线和561nm谱线反射率大于99.8％的反射膜，并且对1064nm谱线的透射率大于50％。

优选的，Z型腔第一臂14的长度为11cm、第二臂15的长度为40cm，第三臂16的长度为6cm，共长57cm。

优选的，光纤2的芯径200μm，数值孔径0.18。

实施例2：

与实施例1大体相同，不同之处如下：

(1)激光增益介质5为单端复合生长型Nd:YAG陶瓷，尺寸为3×3×9mm³，其中前端为4mm长的非掺杂YAG陶瓷，掺杂区长度为5mm，浓度为1.1at.％，前后端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm光束的透射率大于98％。

(2)倍频晶体8选用三硼酸锂(LBO)，尺寸为3×3×10mm³，晶体两端镀有1123nm和561nm的增透膜，透射率大于99.8％；匹配方式采用一类临界匹配，切割角度(θ，φ)为(90°，7.6°)。

实施实例3：

与实施例1大体相同，不同之处如下：

(1)激光增益介质5为双端复合生长型Nd:YAG陶瓷，尺寸为3×3×11mm³，其中前后两端各为3mm长的非掺杂YAG陶瓷，掺杂区长度为5mm，浓度为1.1at.％，前后端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm的光束的透射率大于98％。

(2)倍频晶体8选用磷酸肽氧钾(KTP)，尺寸为3×3×6mm³，晶体两端镀有1123nm和561nm的增透膜，透射率大于99.8％；匹配方式采用二类临界匹配，切割角度(θ，φ)为(75.4°，0°)。

实施实例4：

与实施例1大体相同，不同之处如下：

(1)泵浦源系统12的工作模式为连续工作模式，最大连续泵浦功率为30W，输出波长为885nm。

(2)激光增益介质5为单端复合生长型Nd:YAG陶瓷，尺寸为3×3×9mm³，其中前端为4mm长的非掺杂YAG陶瓷，掺杂区长度5mm，浓度为3.0at.％，前端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm光束的透射率大于98％。后端面镀有为波长为1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的透射率大于99.8％，1320nm透射率大于98％，并且对808nm反射率大于80％。

实施实例5：

与实施例1大体相同，不同的有以下两点：

(1)泵浦源系统12的工作模式为连续工作模式，最大连续泵浦功率30W，输出波长为869nm。

(2)激光增益介质5为单端复合生长型Nd:YAG陶瓷，尺寸为3×3×10mm³，其中前端为4mm长的非掺杂YAG陶瓷，掺杂区长度为6mm，浓度为2.0at.％，前端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm透射率大于98％；后端面镀有对波长为1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，1320nm透射率大于98％，并且对808nm反射率大于80％。

实施实例6：

与实施例1大体相同，不同的之处如下：

(1)泵浦源系统12的工作模式为连续工作模式，最大连续泵浦功率30W，输出波长为946nm。

(2)激光增益介质5为单端复合型Nd:YAG陶瓷，尺寸为3×3×10mm³，其中前端为3mm长的非掺杂YAG陶瓷，掺杂区长度为7mm，浓度为4.0at.％，前端面都镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的光束的透射率大于99.8％，808nm和1320nm透射率大于98％；后端面镀有对波长为1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜，其中对1123nm和1064nm的透射率大于99.8％，1320nm透射率大于98％，并且对808nm反射率大于80％。

实施实例7：

与实施例1基本相同，只是泵浦源系统12的工作模式为长脉冲工作方式，脉冲宽度50μs-200ms，单脉冲能量1mJ-1000mJ。

实施实例8：

与实施例1基本相同，只是泵浦源系统12的工作模式为高峰值功率脉冲工作方式，峰值功率10W-8000W，重复频率1Hz-1000Hz。

Claims

1.一种医用全固态黄光激光器，包括一泵浦源系统(12)，所述泵浦源系统(12)包括在一光路上依次安置的激光二极管LD(1)、光纤(2)以及一聚焦耦合透镜系统(3)，其特征在于：

还包括一Z型谐振腔装置，所述Z型谐振腔装置包括在Z型腔(13)内依次安置的尾镜(4)、凹面折叠镜(6)、黄光输出镜(7)以及一全反镜(9)，所述尾镜(4)和凹面折叠镜(6)之间放置有一激光增益介质(5)，所述凹面折叠镜(6)与黄光输出镜(7)之间放置有一布儒斯特片(10)，所述黄光输出镜(7)和全反镜(9)之间放置有一倍频晶体(8)。

2.根据权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述激光增益介质(5)和倍频晶体(8)都由制冷装置(11)进行温度控制。

3.根据权利要求1或2所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述激光增益介质(5)为单端复合生长型Nd:YAG陶瓷或双端复合生长型Nd:YAG陶瓷。

4.根据权利要求1或2所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述的激光增益介质(5)两端镀有对波长为808nm、1064nm、1123nm和1320nm的光束的增透膜。

5.根据权利要求2所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述制冷装置(11)为风冷装置或循环水制冷装置。

6.根据权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述泵浦源系统(12)中的泵浦源激光二极管LD(1)为808nm泵浦源或885nm泵浦源或869nm泵浦源或946nm泵浦源。

7.根据权利要求1或6所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述泵浦源系统(12)为连续工作模式，或长脉冲工作模式，或高峰值功率脉冲工作模式。

8.根据权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述倍频晶体(8)为砷酸钛氧钾(KTA)，或三硼酸锂(LBO)，或磷酸肽氧钾(KTP)。

9.根据权利要求1或8所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述倍频晶体(8)的两端都镀有对波长为1123nm和561nm的光束的增透膜。

10.根据权利要求1所述的医用全固态黄光激光器，其特征在于：所述Z型腔(13)的第一臂(14)的长度为11cm、第二臂(15)的长度为40cm，第三臂(16)的长度为6cm。