CN102810811A

CN102810811A - 一种医用蓝光激光器

Info

Publication number: CN102810811A
Application number: CN2012102365190A
Authority: CN
Inventors: 高静; 戴仙金; 张龙; 武晓东
Original assignee: SUZHOU KEYI-SKY SEMICONDUCTOR TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: SUZHOU KEYI-SKY SEMICONDUCTOR TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明涉及一种医用蓝光激光器，其特征在于，包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至准三能级激光器的上能级的偏振泵浦光产生单元、将偏振泵浦光产生单元输出的激光束修饰成与激光介质和光学谐振腔相匹配的泵浦光束的光束整形单元、通过受激跃迁产生916nm光子的增益介质单元和通过二阶非线性变换产生458nm光子的倍频晶体单元，还包括一产生458nm激光的光学谐振腔单元，而所述的增益介质单元和倍频晶体单元均设置在光学谐振腔单元中。本发明能够有效产生高效率、低阈值、高稳定度的458nm激光，大大提高激光介质对泵浦光的吸收效率，显著提高458nm激光器的光光转换效率。

Description

一种医用蓝光激光器

技术领域

本发明涉及一种医用蓝光激光器，属于光电子及激光技术领域。

背景技术

近年来，由于应用领域广泛，全固态蓝光激光器发展越来越迅速。蓝光激光在高密度数据存储，RGB全色显示，生物医学，高分辨率打印，水下通信和拉曼光谱等方面有着广泛的用途。尤其是在医疗方面，可以广泛用于疾病的诊断和治疗。首先，在疾病的诊断方面，蓝光激光器可以用于流式细胞仪和激光共聚焦显微镜。蓝光激光激发荧光染料，经过聚焦整形后的光束垂直照射在细胞样品流上,被荧光染色的细胞在激光束的照射下产生散射光和激发荧光，从而对单细胞或生物颗粒进行多参数、快速定量分析；并可以进行在体成像，从而研究和分析活细胞结构、分子、离子的实时动态变化过程，组织和细胞的光学连续切片和三维重建等，从而实现对生理疾病的诊断。其次，在疾病的治疗方面，由于血液对蓝光激光有着很高的吸收系数，因此在眼科、皮肤科、血管外科等方面都有着重要的应用。

1987年，斯坦福大学的Fan和Byer建立了准三能级激光器的理论模型，阐明了准三能级激光系统中独特的再吸收机制，并采用808 nm LD抽运Nd:YAG棒，首次在室温下获得了473 nm的连续激光输出，这是第一台二极管泵浦的全固态蓝光激光器。此后，随着中高功率半导体激光器的发展成熟，性能优良的新型激光介质的不断涌现，0.9 μm准三能级激光器呈现出蓬勃发展局面。而0.9 μm激光通过倍频便可以获得0.45 μm蓝光输出，在蓝光激光产生方面，已经被证实是一种行之有效的途径。掺钕钒酸盐具有吸收截面和吸收线宽较大，0.9 μm跃迁的受激发射截面大，能够产生偏振光等优异的光学性能和热导率高、热膨胀系数较小、硬度大，晶体质量好等良好的物理性能，这一类晶体已经逐渐成为0.9 μm准三能级激光器和蓝光激光器中的首选激光介质。目前，采用掺钕钒酸盐晶体作为激光介质的准三能级激光器成为0.45 μm激光器研究和寻求突破的重点。从本质上来讲，由于共用激光上能级，0.9 μm谱线需要与1.06 μm和1.3 μm 谱线进行模式竞争，而前者的受激发射截面仅为1.06 μm的1/10左右；再加上0.9 μm谱线的受激发射截面仅为10^-20cm²量级，相同的反转粒子数密度下获得的净增益较小，因此对于激光晶体的选取、谐振腔设计和镀膜要求都很苛刻，实现起来困难重重。掺钕钒酸镥晶体（Nd:LuVO₄）是由俄罗斯和日本专家于1995年合作生长出的一种晶体，具有优良的光学和物理特性，利用它的916 nm准三能级谱线跃迁，通过二阶非线性效应，就可以获得458 nm蓝光激光输出。

目前，458 nm医用蓝光激光器主要存在着以下问题亟待解决。第一，输出功率低；目前最大输出功率仅为5.9 W，属于中低功率激光器。第二，转换效率低，光光转换效率大多低于20％；较低的效率一方面造成了高的功耗，另一方面会造成较大的热效应，从而严重影响458 nm激光器的整体性能。第三，输出功率的稳定性差，很难达到医用要求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高效率、低阈值、高稳定度的医用蓝光激光器。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种医用蓝光激光器，其特征在于，包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至准三能级激光器的上能级的偏振泵浦光产生单元、将偏振泵浦光产生单元输出的激光束修饰成与激光介质和光学谐振腔相匹配的泵浦光束的光束整形单元、通过受激跃迁产生916 nm光子的增益介质单元和通过二阶非线性变换产生458 nm光子的倍频晶体单元，还包括一产生458 nm激光的光学谐振腔单元，而所述的增益介质单元和倍频晶体单元均设置在光学谐振腔单元中。

进一步，所述的偏振泵浦光产生单元包括一激光器，所述的激光器的中心波长为400～900 nm，激光器输出的激光的偏振度大于或等于0.8。

其中，所述的激光器可以为偏振式激光器，也可以为非偏振式激光器，在为非偏振式激光器时，所述的偏振泵浦光产生单元还包括一起偏器，所述的起偏器与所述的激光器连通。

而所述的激光器还可以为半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或半导体泵浦固体激光器中的任一种。

进一步，所述的光束整形单元为几何整形系统、光谱整形系统中的至少一种。且所述的光束整形单元还包括透镜、光栅、空间滤波器、多模光纤中的至少一种。

进一步，所述的增益介质单元为圆柱形、六面体形、碟片形、光纤形中的任一种。且所述的增益介质单元为掺钕钒酸盐单晶或者陶瓷。

进一步，所述的倍频晶体单元为三硼酸锂、偏硼酸钡、硼酸铋、铌酸钾中的任一种。

更进一步，所述的光学谐振腔单元为直线腔、V型腔、Z型腔、环形腔中的任一种。

当所述的光学谐振腔单元为直线腔时，包括前谐振腔镜和后谐振腔镜两个镜片；当所述的光学谐振腔单元为V型腔时，包括前谐振腔镜、折叠镜、后谐振腔镜三个镜片；当所述的光学谐振腔单元为Z型腔时，包括前谐振腔镜、第一折叠镜、第二折叠镜、后谐振腔镜四个镜片；而当光学谐振腔单元为环形腔时，则包括前谐振腔镜和后谐振腔镜等四个、五个、十个等不定数目的镜片。

此外，在前述的直线腔、V型腔、Z型腔、环形腔中还可以设置空间滤波器、偏振片、双折射滤光片、F-P标准具、体布拉格光栅中的N种附件，所述的0≤N≤5。

其中，所述的前谐振腔镜和后谐振腔镜用于控制0.9 μm 、1.06 μm和1.3 μm 谱线的反射透射率，为产生的0.9 μm和458 nm振荡光子提供正反馈，通过往返于所述前谐振腔镜和后谐振腔镜之间，并从激活的增益介质中获取能量，实现能量的积累和放大；所述空间滤波器用于控制光学谐振腔单元内激光的横模模式；所述偏振片用于控制光学谐振腔单元内激光的偏振模式；所述双折射滤光片用于控制光学谐振腔单元内激光的纵模模式；所述的F-P标准具用于控制光学谐振腔单元内激光的纵模模式；而体布拉格光栅则用于控制光学谐振腔单元内激光的纵模模式，确保激光束的高稳定度和高亮度输出。

本发明的有益效果是：本发明所述的医用蓝光激光器能够有效产生高效率、低阈值、高稳定度的458 nm激光，并通过采用偏振的激光作为泵浦光、利用掺钕钒酸盐单晶或者陶瓷激光介质的偏振吸收特性，在保证916 nm准三能级激光谱线率先起振的情况下，大大提高激光介质对泵浦光的吸收效率，并通过高效的腔内倍频，从而显著提高458 nm激光器的光光转换效率，具体为：采用偏振泵浦光产生单元，能够有效提高增益介质对泵浦光的吸收率，可以大大降低激光器的阈值功率，从而大大提高激光器的光光转换效率；而阈值功率的显著降低，可以减轻激光介质的热效应，有利于实现高稳定度和高亮度的458 nm激光输出；此外，对泵浦光的有效吸收，可以解决由于未吸收泵浦光过多带来的附加热效应问题，能够提高458 nm激光器的稳定度。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明所述的光学谐振腔单元的结构示意图。

图中主要标记含义如下：

1、偏振泵浦光产生单元 2、光束整形单元 3、增益介质单元

4、倍频晶体单元 5、光学谐振腔单元 501、前谐振腔镜

503、空间滤波器 504、偏振片 505、双折射滤光片

506、F-P标准具 507、体布拉格光栅 502、后谐振腔镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

图1为本发明一实施例的结构示意图；图2为本发明所述的光学谐振腔单元的结构示意图。

如图1和图2所示：以下所有实施例所述的医用蓝光激光器都具有如下所述的相同的结构：具体为，所述的医用蓝光激光器包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至准三能级激光器的上能级的偏振泵浦光产生单元1、将偏振泵浦光产生单元1输出的激光束修饰成与激光介质和光学谐振腔相匹配的泵浦光束的光束整形单元2、通过受激跃迁产生916 nm光子的增益介质单元3和通过二阶非线性变换产生458 nm光子的倍频晶体单元4，还包括一产生458 nm激光的光学谐振腔单元5，而所述的增益介质单元3和倍频晶体单元4均设置在光学谐振腔单元5中。

而具体的实施例为：

实施例1：所述的偏振泵浦光产生单元1为一激光器，所述的激光器的工作模式为连续工作模式，中心波长为809nm，偏振度为0.8，最大连续泵浦功率为30 W，且其为一偏振式激光器，且所述的偏振式激光器为一偏振式的半导体激光器。

所述的光束整形单元2包括一透镜组和一多模光纤，其中所述的多模光纤的芯径为200 μm，数值孔径NA=0.18，为一光谱整形系统，而所述的透镜组为一准直聚焦透镜组，且准直聚焦透镜组由4片非球面透镜组成，透镜表面镀有对809 nm透射率为99.5%的膜系，为一几何整形系统，其能够连续调节注入晶体内部的光束的束腰大小。

所述的增益介质单元3为一圆柱形掺钕钒酸盐单晶，激光增益介质采用侧面散热，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。

所述的倍频晶体单元4为偏硼酸钡。

而所述的光学谐振腔单元5为916 nm的光学谐振腔单元，且其为一简单的直线腔，在直线腔中由前向后依次设置有前谐振腔镜501、空间滤波器503、偏振片504、双折射滤光片505、F-P标准具506、体布拉格光栅507和后谐振腔镜502。在本实施例1中，附件为5个，当然也可以不设置附件，或设置其他数量的附件，如1、2、3或4个等。

其中，所述的前谐振腔镜501为平面镜，镀有对809 nm和1066 nm增透、对916 nm高反的膜系，其中对809 nm的透射率大于95%，并且该膜对1066nm谱线透射率大于90%，对916 nm的反射率大于99.8%；而后谐振腔镜502为凹面镜，镀有对1066 nm和1343 nm增透、对916 nm全反、对458 nm增透的膜系，其中对1066nm谱线透射率大于90%，对1343 nm的透射率大于80%，对916 nm反射率大于99.6%，对458 nm的透射率大于80%。

在本实施例1中，更为优选的是激光增益介质为单端复合生长型Nd:LuVO₄单晶，掺杂浓度为0.2at.%，尺寸为3×3×7 mm³，其中前端为4mm长的非掺杂LuVO₄晶体，掺杂区长度为5mm，前后端面都镀有对波长为809nm、916nm、1066nm和1343nm的光束的增透膜，其中对916nm和1066nm的光束的透射率大于99.8%，809nm和1343nm的光束的透射率大于98%。

实施例2：所述的偏振泵浦光产生单元1为一激光器，所述的激光器的工作模式为连续工作模式，中心波长为880 nm，偏振度为0.8，最大连续泵浦功率为50W，且其为一非偏振式激光器，且所述的非偏振式激光器为一非偏振式的半导体激光器，所述的偏振泵浦光产生单元1还包括一起偏器，起偏器对于p波透射率为95%，对s波透射率2%，且所述的起偏器将非偏振式半导体激光器出射的激光调制成偏振光。

所述的光束整形单元2包括一透镜组和一多模光纤，其中所述的多模光纤的芯径为200 μm，数值孔径NA=0.18，为一光谱整形系统，而所述的透镜组为一准直聚焦透镜组，且准直聚焦透镜组由4片非球面透镜组成，透镜表面镀有对880 nm透射率为99.5%的膜系，为一几何整形系统，其能够连续调节注入晶体内部的光束的束腰大小。

所述的增益介质单元3为一六面体形Nd:LuVO₄单晶，激光增益介质采用侧面散热，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。

所述的倍频晶体单元4为硼酸铋。

而所述的光学谐振腔单元5为916 nm的光学谐振腔单元，且其为一Z型腔在Z型腔中设置有前谐振腔镜、第一折叠镜、第二折叠镜和后谐振腔镜四个镜片，且在Z型腔中由前向后依次设置有偏振片、双折射滤光片、F-P标准具3个附件，当然也可以不设置附件，或设置其他数量的附件，如1、2、4或5个等。

其中，所述的前谐振腔镜501为平面镜，镀有对880 nm和1066 nm增透、对916 nm高反的膜系，其中对880 nm的透射率大于95%，并且该膜对1066nm谱线透射率大于90%，对916 nm的反射率大于99.8%；而后谐振腔镜502为凹面镜，镀有对1066 nm和1343 nm增透、对916 nm全反、对458 nm增透的膜系，其中对1066nm谱线透射率大于90%，对1343 nm的透射率大于80%，对916 nm反射率大于99.6%，对458 nm的透射率大于80%。

在本实施例2中，激光增益介质为传统Nd:LuVO₄单晶，掺杂浓度为0.2at.%，尺寸为3×3×5 mm³，前后端面都镀有对波长为880 nm、916 nm、1066 nm和1343 nm的的光束的增透膜，其中对916nm和1066nm的光束的透射率大于99.8%，880 nm和1343 nm的光束的透射率大于98%。

实施例3：所述的偏振泵浦光产生单元1为一激光器，所述的激光器的工作模式为连续工作模式，中心波长为534 nm，偏振度为0.9，最大连续泵浦功率为10 W，且其为一偏振式激光器，且所述的偏振式激光器为一偏振式的半导体泵浦固体激光器。

所述的光束整形单元2包括一透镜组和一空间滤波器，其中所述的空间滤波器由一个焦距100 mm的物镜和一个直径10 μm的针孔构成，为一光谱整形系统，而所述的透镜组为一准直聚焦透镜组，且准直聚焦透镜组由2片非球面透镜组成，透镜表面镀有对534 nm透射率为99.5%的膜系，为一几何整形系统，其能够连续调节注入晶体内部的光束的束腰大小。

所述的增益介质单元3为一传统碟片形Nd:LuVO₄陶瓷，激光增益介质采用侧面散热，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。

所述的倍频晶体单元4为三硼酸锂。

而所述的光学谐振腔单元5为916 nm的光学谐振腔单元，且其为一V型腔，在V型腔中由前向后依次设置有前谐振腔镜、折叠镜和后谐振腔镜三个镜片，且在V型腔中空间滤波器、偏振片、双折射滤光片、F-P标准具、体布拉格光栅5个附件，当然也可以不设置附件，或设置其他数量的附件，如1、2、3或4个等。

在本实施例3中，激光增益介质为传统Nd:LuVO₄陶，其掺杂浓度为0.2at.%，尺寸为3×3×5 mm³，前后端面都镀有对波长为880nm、916nm、1066nm和1343nm的的光束的增透膜，其中对916nm和1066nm的光束的透射率大于99.8%，880nm和1343nm的光束的透射率大于98%。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种医用蓝光激光器，其特征在于，包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至准三能级激光器的上能级的偏振泵浦光产生单元（1）、将偏振泵浦光产生单元输出的激光束修饰成与激光介质和光学谐振腔相匹配的泵浦光束的光束整形单元（2）、通过受激跃迁产生916 nm光子的增益介质单元（3）和通过二阶非线性变换产生458 nm光子的倍频晶体单元（4），还包括一产生458 nm激光的光学谐振腔单元（5），而所述的增益介质单元（3）和倍频晶体单元（4）均设置在光学谐振腔单元（5）中。

2.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的偏振泵浦光产生单元（1）包括一激光器，所述的激光器的中心波长为400～900nm，激光器输出的激光的偏振度大于或等于0.8。

3.根据权利要求2所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的激光器为偏振式激光器。

4.根据权利要求2所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的偏振泵浦光产生单元（1）还包括一起偏器，所述的起偏器与所述的激光器连通，且所述的激光器为非偏振式激光器。

5.根据权利要求2所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的激光器为半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或半导体泵浦固体激光器中的任一种。

6.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的光束整形单元（2）为几何整形系统、光谱整形系统中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的光束整形单元（2）包括透镜、光栅、空间滤波器、多模光纤中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的增益介质单元（3）为圆柱形、六面体形、碟片形、光纤形中的任一种。

9.根据权利要求1或8所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的增益介质单元（3）为掺钕钒酸盐单晶或者陶瓷。

10.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的倍频晶体单元（4）为三硼酸锂、偏硼酸钡、硼酸铋、铌酸钾中的任一种。

11.根据权利要求1所述的一种医用蓝光激光器，其特征在于，所述的光学谐振腔单元（5）为直线腔、V型腔、Z型腔、环形腔中的任一种。