CN101820132A - 全固态医用双共振腔内和频黄光激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，包括：第一子腔、第二子腔和一第一子腔与第二子腔共用的公用腔；第一子腔用于产生波长为λ1的光束；第二子腔用于产生波长为λ2的光束；公用腔用于聚合波长分别为λ1和λ2的光束，然后将聚合后的光束传播到公用腔的和频晶体内产生波长为λ3的光束，所述波长为λ3的光束从输出耦合镜输出。本发明是一种可获得578nm波长的薄片式结构与腔内和频相结合的全固态黄光激光器，可用于替代染料激光器在医疗领域中的应用，克服了现有技术的不足，达到了实用化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体的涉及一种全固态医用双共振腔内和频黄光激光器。
背景技术
已知的，以577nm作为吸收峰的黄光波段处于人体氧合血红蛋白的一个吸收峰上。该吸收峰与短波方向的绿光和蓝光另两个吸收峰相比，对人体皮肤的黑色素和人眼黄斑区的叶黄素都具有较低的吸收系数，因此是更有应用价值的激光波段。由于该波段对黑色素吸收系数低，使得黄光吸收峰可以穿透较深的皮肤，是深皮肤下血管性疾病治疗的合适波段。由于对叶黄素吸收系数低，黄光波长能够将激光能量集中在糖尿病、视网膜病和湿性黄斑病变所影响的视网膜组织中，是治疗黄斑病变的最佳波长。同时，黄光波段还是光动力疗法用光敏剂的吸收峰，是治疗鲜红斑痣的光动力疗法的主要波长。
目前在激光医疗领域主要使用染料脉冲577nm波长的黄光激光器，但是染料激光器具有安全性差、染料退化并有毒性、能量消耗高、稳定性差等一系列问题，因此急需相应波段的固体激光器满足市场需求。随着半导体激光器的研究进展，近年来已有对Nd:YAG的1121nm波长进行倍频获得的561nm半导体激光泵浦全固态黄光激光器，并将其用于治疗眼底黄斑的激光治疗仪中。但561nm的波长距577nm的氧合血红蛋白吸收峰较远，治疗效果比577nm的波长要差。由于目前还没有发现在1154nm波长附近具有激光跃迁的晶体，因此不能通过对激光晶体发射谱线的倍频技术获得577nm波长。美国相关公司曾报道了通过生长具有1154nm波长跃迁的半导体量子阱材料作为激光增益介质，通过半导体激光泵浦、利用倍频技术获得的577nm波长激光器。但制备半导体量子阱材料需要贵重的设备，长期的技术积累和复杂的制备工艺，因此半导体材料的成本也比固体激光材料贵很多。
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全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，该激光器可获得医用578nm波段的激光输出，达到实用化的目的。
为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器通过如下技术方案实现：
一种全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其包括：第一子腔、第二子腔(2)和一第一子腔与第二子腔共用的公用腔；
所述第一子腔，包括：在第一光路上依次安置的泵浦源I、第一输入腔镜、第一增益介质、和束镜，和频晶体和输出耦合镜用于产生波长为λ1的光束；
所述泵浦源I，包括：第一半导体激光器和第一光学耦合系统；
所述第二子腔，包括：在第二光路上依次安置的泵浦源II、第二增益介质、第二输入腔镜、和束镜，和频晶体和输出耦合镜，用于产生波长为λ2的光束；
所述泵浦源II，包括：第二半导体激光器和第二光学耦合系统；
所述公用腔，包括：在第三光路即第一光路与第二光路的重合部分上依次安置的和束镜、和频晶体和输出耦合镜，所述和束镜用于聚合所述波长分别为λ1和λ2的光束，然后将聚合后的光束传射到和频晶体内产生波长为λ3的光束，所述波长为λ3的光束从输出耦合镜输出。
优选的，所述第二增益介质通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统，其作用是对所述第二增益介质冷却。
进一步的，第一光学耦合系统的膜系制备要求对第一半导体激光器发出的泵浦光波长具有高透过率；第一增益介质端面上的第一输入腔镜的膜系制备要求对波长λ1具有高反射率，同时对第一半导体激光器发出的泵浦光波长具有高透过率；第一增益介质的另一个端面上的膜系制备要求对波长λ1具有高透射率；第二光学耦合系统的两个反射镜的膜系制备要求对第二半导体激光器发出的泵浦光波长具有高反射率；第二增益介质的一个端面上的第二输入腔镜的膜系制备要求对波长λ2具有高反射率，同时对第二半导体激光器发出的泵浦光波长也具有高反射率，第二增益介质的另一个端面上的膜系制备要求对第二半导体激光器发射泵浦光具有高透射率，同时对波长λ1也具有高透射率；输出耦合镜的膜系制备要求对波长λ1和λ2的基频光具有高反射率，同时对和频光的波长λ3具有高透过率；和束镜的左端面膜系制备要求在倾角方向上对λ1具有高透过率，其右端面膜系要求在倾角方向上对λ1具有高透过率，同时对λ2具有高反射率。
其中，所述波长λ1、λ2和λ3满足和频关系1/λ3＝1/λ2+1/λ1；所述和频晶体按波长λ2和λ1的和频位相匹配的方向切割，使波长λ2和波长λ1在和频晶体中共线传播时满足位相匹配关系n3/λ3＝n2/λ2+n1/λ1，其中，n3、n2和n1分别是波长λ3、λ2和λ1在和频晶体中传播时的折射率。
本发明的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器工作时：作为泵浦光源的第一半导体激光器发出泵浦光，通过第一光学耦合系统透射聚焦到第一增益介质内；当第一半导体激光器发出的泵浦光功率超过谐振腔对波长λ1的振荡阈值功率时，第一激光增益介质产生了波长λ1的基频光，在第一增益介质端面上的第一输入腔镜和输出耦合镜之间通过和束镜透射后传播振荡，在第一激光增益介质内循环放大；第二半导体激光器发出的泵浦光，通过第二光学耦合系统的两个反射镜反射聚焦到第二增益介质内，耦合过程是第二半导体激光器发出的泵浦光首先被第二光学耦合系统的第二反射镜反射聚焦到第二增益介质内，由第二输入腔镜反射后再次通过第二增益介质，两次通过第二增益介质后，未被吸收的由第二半导体激光器发出的泵浦光由第二光学耦合系统的第一反射镜再次反射聚焦到第二增益介质，然后再由第二输入腔镜再次反射后通过第二增益介质，由第二半导体激光器发射的泵浦光总共四次通过第二增益介质；微通道水冷系统对第二增益介质致冷，使该介质的温度尽量低；当第二半导体激光器发出的泵浦光功率超过谐振腔对波长λ2的振荡阈值功率时，第二增益介质产生了波长λ2的基频光，在第二增益介质端面上的第二输入腔镜和输出耦合镜之间通过和束镜反射后传播振荡，在第二增益介质内循环放大；当波长为λ1和波长为λ2的两束基频光通过和频晶体时，通过非线性光学和频相互作用，产生了不同于波长λ1和λ2的第三个波长为λ3的和频光通过输出耦合镜输出到激光谐振腔外。
采用本发明的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器应用于激光医疗领域，是一种可获得578nm波长的薄片式结构与腔内和频相结合的全固态黄光激光器，可用于替代染料激光器在医疗领域中的应用，克服了现有技术的不足，达到了实用化的目的。
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是本发明全固态医用双共振腔内和频黄光激光器实施例1、2的结构示意图。
图2是本发明全固态医用双共振腔内和频黄光激光器实施例3、4的结构示意图。
图中标号说明：1.第一子腔，2.第二子腔，3.公用腔，4.第一光路，5.第二光路，6.第三光路，11.第一半导体激光器，12.第一光学耦合系统，13.第一增益介质，14.和束镜，15.和频晶体，16.输出耦合镜，17.第一输入腔镜，21第二半导体激光器，22.微通道水冷系统，23.第二增益介质，24.第一反射镜，25.第二反射镜，26.第二输入腔镜，27.平面反射镜，28.第三反射镜，29.第四反射镜。
具体实施方式
实施例1：
参见图1所示，一种全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其包括：第一子腔1、第二子腔2和一第一子腔1与第二子腔2共用的公用腔3；
第一子腔1，包括：在第一光路4上依次安置的泵浦源I、第一输入腔镜17、第一增益介质13、和束镜14、和频晶体15和输出耦合镜16，用于产生波长为λ1的光束；
泵浦源I，包括：第一半导体激光器11和第一光学耦合系统12；
第二子腔2，包括：在第二光路5上依次安置的泵浦源II、第二增益介质23、第二输入腔镜26、和束镜14、和频晶体15和输出耦合镜16，用于产生波长为λ2的光束；
泵浦源II，包括：第二半导体激光器21和第二光学耦合系统；
公用腔3，包括：在第三光路6即第一光路与第二光路的重合部分上依次安置的和束镜14、和频晶体15和输出耦合镜16，所述和束镜14用于聚合波长为λ1和λ2的光束，然后将聚合后的光束传射到和频晶体15上产生波长为λ3光束，所述波长为λ3的光束从输出耦合镜16输出。
优选的，所述第二增益介质23通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统22，其作用是对所述第二增益介质23冷却。
第一半导体激光器11采用输出波长为808nm的半导体激光器列阵或单管半导体激光器，第一光学耦合系统12通常由球面镜、非球面镜、柱面镜、自聚焦透镜、光纤、棱镜或二元光学透镜等组成；
第一增益介质13为Nd:YAG激光晶体，所用激光跃迁波长为1319nm，对应的能级跃迁为4F3/2到4I13/2；Nd:YAG端面上的第一输入腔镜17的膜系制备要求对1319nm反射率大于99.8％，对808nm透过率大于80％；Nd:YAG的另一端面制备1319nm的增透膜，透过率大于99.5％；
第二半导体激光器21采用输出波长940nm的半导体激光器列阵或单管半导体激光器；
第二光学耦合系统的第一反射镜24和第二反射镜25采用凹面镜，其凹面制备940nm的高反膜，反射率大于99％；
第二增益介质23采用Yb:YAG晶体，其端面上的第二输入腔镜26制备对940nm和1030nm双波长高反膜，反射率大于99.5％，另一端面制备940nm和1030nm双波长增透膜，透过率大于99.5％；第二增益介质23采用微通道水冷系统22制冷；
和束镜14的一个面制备1319nm的增透膜，另一面制备对1319nm增透和对1030nm高反射率的多层介质膜；
和频晶体15为KTP、LBO、BiBO或其它非线性晶体，其中LBO或BiBO按波长1319nm与波长1030nm的和频I类位相匹配方向切割，KTP按波长1319nm与波长1030nm的和频II类位相匹配方向切割，和频晶体15的两个通光面都制备对1319nm、1030nm和578.3nm的三个波长的增透膜，透过率大于99.5％；
输出耦合镜16的和频光入射面制备对波长1319nm和1030nm的高反膜，反射率均大于99.5％，对1064nm增透，透过率大于70％，且对波长578.3nm增透，透过率大于90％，输出耦合镜16的另一面制备对波长578.3nm的透过率大于99％的增透膜。
当第一半导体激光器11和第二半导体激光器21同时工作时，随着泵浦功率的增加，分别在激光增益介质Nd:YAG和Yb:YAG内产生1319nm和1030nm的两个波长的基频光，并分别在两个子谐振腔内振荡，通过公共腔内的和频晶体15KTP、LBO、Bi BO或其它非线性晶体时，产生578.3nm的黄色激光，由输出耦合镜16输出。
实施例2：
实施例2与实施例1类似，其中半导体激光器11采用输出波长为808nm的半导体激光器列阵或单管半导体激光器；
光学耦合系统12通常由球面镜、非球面镜、柱面镜、自聚焦透镜、光纤、棱镜或二元光学透镜等组成；
第一增益介质13改为Nd:YVO4激光晶体，所用激光跃迁波长为1342nm，对应的能级跃迁为4F3/2到4I13/2，其端面第一输入腔镜17制备多层介质膜，要求对1342nm反射率大于99.8％，对808nm透过率大于80％，Nd:YVO4激光晶体的另一通光面制备1342nm的增透膜，透过率大于99.5％；
第二半导体激光器21采用输出波长940nm的半导体激光列阵或单管半导体激光器
第二光学耦合系统的第一反射镜24和第二反射镜25的凹面制备940nm的高反膜，反射率大于99％；
第二增益介质23采用Yb:YAG晶体，其端面上的第二输入腔镜26制备对940nm和1030nm双波长高反膜，反射率大于99.5％，另一端面制备940nm和1030nm双波长增透膜，透过率大于99.5％；第二增益介质23采用微通道水冷系统22制冷；
和束镜14的一个面制备1342nm的增透膜，另一面制备对1342nm增透和对1030nm高反射率的多层介质膜；
和频晶体15为KTP、LBO、BiBO或其它非线性晶体，其中LBO或BiBO按波长1342nm与波长1030nm的和频I类位相匹配方向切割，KTP按波长1342nm与波长1030nm的和频II类位相匹配方向切割，和频晶体15的两个通光面都制备对1342nm、1030nm和582.7nm的三个波长的透过率大于99.5％的增透膜；
输出耦合镜16的和频光入射面制备对波长1342nm和1030nm的高反膜，反射率均大于99.5％，对1064nm增透，透过率大于70％，且对波长582.7nm增透，透过率大于90％；输出耦合镜16的另一面制备对波长582.7nm的透过率大于99％的增透膜。
当第一半导体激光器11和第二半导体激光器21同时工作时，随着泵浦功率的增加，分别在激光增益介质Nd:YVO4和Yb:YAG内产生1342nm和1030nm的两个波长的基频光，并分别在两个子谐振腔内振荡，通过公共腔的非线性晶体KTP、LBO、BiBO或其它非线性晶体时，产生582.7nm的黄色激光，由输出耦合镜16输出。
实施例3：
本发明实施例3如图2所示，与实施例1相似：为了使泵浦光更充分的吸收，第二耦合光学系统增加了平面反射镜27、第三反射镜28和第四反射镜29，平面反射镜27的反射面、第三反射镜28和第四反射镜29的凹面均制备940nm高反膜，反射率大于99％；940nm泵浦光由第二半导体激光器21发射后，首先由第二耦合光学系统的第二反射镜25反射聚焦到Yb:YAG，由Yb:YAG端面上的第二输入腔镜26反射后再次通过Yb:YAG，两次通过Yb:YAG后，未被吸收的940nm的泵浦光再次由第二光学耦合系统的第一反射镜24反射到平面镜27，然后被平面镜27反射到第三反射镜28，由第三反射镜28反射聚焦到Yb:YAG，然后再由Yb:YAG上的第二输入腔镜26反射后再次通过Yb:YAG，未被吸收的940nm泵浦光，被第四反射镜29接收并反射聚焦回Yb:YAG，再由第二输入腔镜26反射后再次通过Yb:YAG后反射到第三反射镜28，被第三反射镜28接收后未被吸收的940nm泵浦光再次反射到平面镜27，然后由反射镜27反射到第一反射镜24，再由第一反射镜24反射到Yb:YAG，再由第二输入腔镜26反射通过Yb:YAG，这样940nm泵浦光共8次通过Yb:YAG，完成了8次对940nm泵浦光的吸收。
第一激光增益介质13为Nd:YAG，第二激光增益介质23采用Yb:YAG晶体，输出波长为578.3nm的黄色激光。
实施例4：
实施例4的结构实施例3类似，镀膜要求与实施例2类似，第一激光增益介质13为Nd:YVO4，第二激光增益介质23仍采用Yb:YAG晶体，输出波长为582.7nm的黄色激光。
Claims (10)
1.一种全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，包括：第一子腔(1)、第二子腔(2)和一第一子腔(1)与第二子腔(2)共用的公用腔(3)；
所述第一子腔(1)，包括：在第一光路(4)上依次安置的泵浦源I、第一输入腔镜(17)、第一增益介质(13)、和束镜(14)，和频晶体(15)和输出耦合镜(16)用于产生波长为λ1的光束；
所述泵浦源I，包括：第一半导体激光器(11)和第一光学耦合系统(12)；
所述第二子腔(2)，包括：在第二光路(5)上依次安置的泵浦源II、第二增益介质(23)、第二输入腔镜(26)、和束镜(14)，和频晶体(15)和输出耦合镜(16)，用于产生波长为λ2的光束；
所述泵浦源II，包括：第二半导体激光器(21)和第二光学耦合系统；
所述公用腔(3)，包括：在第三光路(6)即第一光路(4)与第二光路(5)的重合部分上依次安置的和束镜(14)、和频晶体(15)和输出耦合镜(16)，所述和束镜(14)用于聚合所述波长分别为λ1和λ2的光束，然后将聚合后的光束传射到和频晶体(15)内产生波长为λ3的光束，所述波长为λ3的光束从输出耦合镜(16)输出。
2.根据权利要求1所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第一光学耦合系统(12)由球面镜、非球面镜、柱面镜、自聚焦透镜、光纤、棱镜或二元光学透镜组成；所述第二光学耦合系统由第一反射镜(24)和第二反射镜(25)组成，所述第一反射镜(24)和第二反射镜(25)采用凹面镜。
3.根据权利要求1所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第一光学耦合系统(12)由球面镜、非球面镜、柱面镜、自聚焦透镜、光纤、棱镜或二元光学透镜组成；所述第二光学耦合系统由第一反射镜(24)、第二反射镜(25)、第三反射镜(28)、第四反射镜(29)和一平面反射镜(27)组成，所述第一反射镜(24)、第二反射镜(25)、第三反射镜(28)和第四反射镜(29)采用凹面镜。
4.根据权利要求1或2或3所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第一半导体激光器(11)采用输出波长为808nm的半导体激光器列阵或单管半导体激光器；所述第二半导体激光器(21)采用输出波长940nm的半导体列阵或单管半导体激光器；所述第二增益介质(23)采用Yb:YAG晶体，其一端面上制备对940nm和1030nm双波长的光束的高反膜，作为第二输入腔镜(26)，反射率大于99.5％，另一端面上制备对940nm和1030nm双波长的光束的增透膜，透过率大于99.5％。
5.根据权利要求4所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第一增益介质(13)为Nd:YAG激光晶体，所用激光跃迁波长为1319nm，对应的能级跃迁为4F3/2到4I13/2，其一端面上的第一输入腔镜(17)的膜系制备对1319nm的反射率大于99.8％，对808nm透过率大于80％，对1064nm的透过率大于70％，其另一端面制备1319nm的增透膜，透过率大于99.5％；
所述和束镜(14)的一个面制备1319nm的增透膜，另一面制备对1319nm增透和对1030nm高反射率的多层介质膜；
所述和频晶体(15)为KTP、LBO或BiBO非线性晶体，其中LBO或BiBO按波长1319nm与波长1030nm的和频I类位相匹配方向切割，KTP按波长1319nm与波长1030nm的和频II类位相匹配方向切割，所述和频晶体(15)的两个通光面都制备对1319nm、1030nm和578.3nm的三个波长的光束的增透膜，透过率大于99.5％；
所述输出耦合镜(16)的和频光入射面制备对波长1319nm和1030nm的高反膜，反射率均大于99.5％，对1064nm增透，透过率大于70％，且对波长578.3nm的光束增透，透过率大于90％，所述输出耦合镜(16)的另一面制备对波长578.3nm的光束的透过率大于99％的增透膜。
6.根据权利要求4所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第一增益介质(13)为Nd:YVO4激光晶体，所用激光跃迁波长为1342nm，对应的能级跃迁为4F3/2到4I13/2，其一端面的第一输入腔镜(17)制备多层介质膜，要求对1342nm反射率大于99.8％，对808nm透过率大于80％，对1064nm的透过率大于70％，其另一通光面制备对波长为1342nm的光束的增透膜，透过率大于99.5％；
所述和束镜(14)的一个面制备对波长为1342nm的光束的增透膜，另一面制备对波长为1342nm的光束增透和对波长为1030nm的光束高反射率的多层介质膜；
所述和频晶体(15)为KTP、LBO或BiBO非线性晶体，其中KTP、LBO或BiBO按波长1342nm与波长1030nm的和频I类位相匹配方向切割，KTP按波长1342nm与波长1030nm的和频II类位相匹配方向切割，所述和频晶体(15)的两个通光面都制备对1342nm、1030nm和582.7nm的三个波长的光束的增透膜；
所述输出耦合镜(16)的和频光入射面制备对波长为1342nm和1030nm的高反膜，反射率均大于99.5％，对1064nm增透，透过率大于70％，且对波长为582.7nm的光束增透，透过率大于90％，所述输出耦合镜(16)的另一面制备对波长为582.7nm的光束的透过率大于99％的增透膜。
7.根据权利要求1或2或3所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第二增益介质(23)通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统(22)。
8.根据权利要求4所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第二增益介质(23)通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统(22)。
9.根据权利要求5所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第二增益介质(23)通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统(22)。
10.根据权利要求6所述的全固态医用双共振腔内和频黄光激光器，其特征在于，所述第二增益介质(23)通过金属焊接工艺焊接有一微通道水冷系统(22)。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100901 |