CN103227409A - 一种医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器 - Google Patents
一种医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，包括：全反腔片、调Q晶体、起偏器、氙灯、激光棒、聚光腔、波片、输出腔片、激光电源和激光水冷系统；激光棒和氙灯并行安装在所述聚光腔内与水冷系统连接；水冷系统对聚光腔及腔内的激光棒和氙灯进行冷却；激光电源为所述氙灯提供电能量，具有控制氙灯、电光Q开关和水冷系统等协调工作的作用；电源内的调Q电源控制电光Q开关打开的时间，还提供调Q高压与调Q晶体两电极相连，两电极位于晶体的两侧，紧贴晶体Y-Z面表面并且平行于激光振荡光路；电光Q开关由起偏器和电光调Q晶体组成；调Q晶体为硅酸镓镧晶体（LGS）；激光棒为Cr,Er:YSGG激光晶体；波片为1/4波片。本发明同时具有输出功率稳定，光斑强度分布均匀特点。
Description
技术领域
本发明涉及医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG（掺铒,铬钇钪镓石榴石Erbium,Chromium∶Yttrium-Scandium-Gallium-Garnet）激光器。
背景技术
2.79μm波长的YSGG铒激光在生物医疗、科研、军事等领域有着重要的应用。由于水和羟基磷灰石对该波长激光的有效吸收，可将其用于眼角膜、牙齿和骨骼等组织的精准切削或消融，纳秒级的窄脉冲能极大地减小激光对周围组织的热损伤，并提高切削精度，是一种精准切削或消融的理想医用激光源。此外，高峰值功率、高脉冲能量的2.79μm脉冲激光还能用作光学参量振荡器的泵浦源，以获得足够强的3-12μm的中红外激光，在远距离大气探测、毒气检测、光电对抗等领域有着重要的应用。因此，发展2.79μm窄脉冲、高能量的激光技术和激光器具有重要的应用价值。
纳秒脉冲激光需要通过调Q技术来实现，2.79μm波长激光调Q主要有电光调Q、声光调Q、FTIR调Q、饱和吸收体调Q等方法。在精确操控和探测应用领域的高能量激光器中，电光Q开关凭借其效率高、开关速度快、稳定可控等优势发挥着不可替代的作用。合适的红外电光晶体是电光Q开关的关键，优良的电光Q开关晶体在工作波长应该具有透光性好、损伤阈值高、物化性能稳定、不易潮解等特点。科学家已经研制出几种优良性能2-3μm近红外电光晶体，例如LN，RTP等。但是，研究发现RTP在2.8μm附近存在吸收峰，不能用作该波段的调Q晶体。目前已成功应用于2.79μm波段较高能量激光的电光晶体只有LN，不过LN低的损伤阈值限制了输出能量的提高，并且该电光晶体的压电效应对电光Q开关工作效率有一定的影响。
1993年，F 等人（F.
M.Frenz,V.Romano,M.Forrer,H.P.Weber,A.V.Kharkovsky,and S.I.Khomenko,Opt.Commun.103,398(1993).）利用LN制作的电光Q开关，在灯泵Cr,Er:YSGG激光器中获得了脉冲能量26.9mJ，脉宽28ns的激光输出，峰值功率0.96MW。1995年，DM Rines等人（D.M.Rines,G.A.Rines,and P.F.Moulton,in Advanced Solid State Lasers,B.Chai and S.Payne,eds.,Vol.24of OSA Proceedings Series(Optical Society of America,1995),paper PO7.）在高功率密度泵浦OPO研究中，采用LN制作的电光Q开关， 在灯泵Cr,Er:YSGG激光器中获得了脉冲能量26mJ，脉宽35ns的2.79μm激光输出。2008年，国内刘金生等人（Jin-Sheng L,Jing-Jiao L.Chinese Physics Letters,2008,25(4):1293.）利用LN制作的电光Q开关，在灯泵Cr,Er:YSGG激光器中获得了脉冲能量72.3mJ，脉宽31.9ns的2.79μm激光输出。随后，2.79μm波段调Q激光由于红外电光晶体低损伤阈值限制，该波段激光能量和峰值功率难以大幅度提高。因此迫切需要寻找适合于2.79μm波长的具有高损伤阈值的电光晶体。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术中的不足，提供一种具有高能量脉冲、纳秒级脉宽的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器。该激光器具有输出功率稳定，光斑强度分布均匀等特点。
本发明采用的技术方案为：一种医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器包括：全反腔片、电光Q开关、氙灯、激光棒、聚光腔、波片、输出腔片、退压调Q电路板、激光电源和激光水冷系统，所述激光棒和氙灯并行安装在所述聚光腔内与水冷系统连接，氙灯发出的光称为泵浦光，通过聚光腔将泵浦光最大程度地汇聚到激光棒作为泵浦能量；水冷系统对聚光腔及腔内的激光棒和氙灯进行冷却；所述激光电源为所述氙灯提供电能量，控制氙灯、电光Q开关和水冷系统协调工作；电源内的调Q电源控制电光Q开关打开的时间，提供调Q高压，并通过高压线调Q晶体两电极相连，两电极位于晶体的两侧，紧贴晶体Y-Z面表面；所述全反腔片和所述输出腔片平行于激光棒两端面放置，电光Q开关置于全反腔片与激光棒端面之间；所述电光Q开关由起偏器和电光调Q晶体组成；所述调Q晶体为硅酸镓镧晶体（LGS）；所述激光棒为Cr,Er:YSGG激光晶体；所述波片为1/4波片。
激光电源给氙灯提供电能使其发光，通过聚光腔漫发射使氙灯发出的光最大限度的进入激光棒中，激光水冷系统与聚光腔内部连接，通过去离子水给激光棒和氙灯进行恒温冷却，激光晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过起偏器后，变成线偏振光。调Q电源和退压调Q电路板共同提供电压，并控制调Q电压的脉冲时间。产生的高压施加在调Q晶体上，电光Q开关处于“关闭”状态，阻断激光振荡的形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去调Q晶体上的电压，光沿光轴方向通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反腔片反射后，再次（无变化的）通过调Q晶体和起偏器，电光Q开关处于“打开”状态，使激光器瞬间处于高Q值状态，于是产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个调Q脉冲激光。由于使用氙灯泵浦激光棒，会出现严重的热退偏效应，因此在输出腔片和激光棒之间加入1/4波片，补偿热退偏损耗。
所述全反腔片和输出腔片均为白宝石(Al2O3)镜片，其中全反腔片单面镀2.79μm全反膜， 输出腔片双面分别镀2.79μm增透膜和20%～90%反射膜。全反腔片和输出腔片材料还可以使用YSGG晶体、YAG晶体、氟化钙（CaF2）、氟化镁(MgF2)等材料替代白宝石(Al2O3)。
所述硅酸镓镧晶体（LGS）是单轴旋光晶体，能运用横向电光效应，折射率n=1.85562.79μm，损伤阈值高达750MW/cm2，且不潮解，LGS介电常数比LN更小，更低的介电常数使得电光Q开关的电容更小，这能使电光Q开关打开时间更短，有利于获得更窄的脉宽。
所述硅酸镓镧晶体（LGS）沿X-Y-Z方向切割设计为方柱状，X轴方向加电场，两Y-Z面镀金作为电极，保证电场的均匀性；沿Z轴方向通光，双X-Y面对称平行，镀2.79μm增透膜；X轴方向施加的电场由调Q电源提供。
所述1/4波片，由氟化镁(MgF2)制成，通光口径12mm，双面镀2.79μm增透膜，垂直于光路，光轴方向平行于偏振方向，置于输出腔片与激光棒之间，以补偿在高能量泵浦时出现的热退偏效应造成的损耗，从而获得均匀的光斑和较高的输出能量。波片材料还可以使用YSGG晶体、YAG晶体、氟化钙（CaF2）、白宝石（Al2O3）等材料替代氟化镁(MgF2)。
所述起偏器由布儒斯特角59.8°放置的2～5片白宝石(Al2O3)片堆构成，每片镜片尺寸相同，双面加工要求光学Ⅱ级且不镀膜。制作起偏器材料还可以使用YSGG晶体、YAG晶体、氟化钙（CaF2）、氟化镁(MgF2)等材料替代白宝石(Al2O3)，镜片放置角度为各自材料在2.79μm波长的布儒斯特角。
所述聚光腔其内表面为高反射率漫反射面的陶瓷聚光腔，这种聚光腔能在长时间高能量泵浦时保持良好的稳定性。聚光腔还可以采用镀金腔、镀银玻璃聚光腔替代陶瓷聚光腔使用。
所述的激光电源的工作频率为1～50Hz。
所述水冷却部件的循环回路中串接有去离子净化过滤器。
本发明的调Q原理，通过使用调Q技术改变激光器的阈值来使上能级粒子数大量积累。当积累到最大值时突然使腔的损耗减小，激光振荡迅速建立，上能级反转粒子数被迅速消耗，从而获得峰值功率很高的巨脉冲。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
（1）本发明采用氙灯泵浦Cr,Er:YSGG晶体，产生脉冲激光。利用灯泵系统有利于在调Q模式下获得高能量、窄脉宽的调Q激光。泵浦源也可以采用LD泵浦，可以有效的减小激光器的热效应问题，使得输出激光更稳定。
（2）本发明采用退压式电光Q开关，调Q晶体选用硅酸镓镧(LGS)晶体，该晶体不潮解、物理化学性能稳定，在2.79μm波长的透光性好，损伤阈值高，具有其它调Q晶体无法比拟的优势，保证中红外脉冲激光器输出能量大、脉冲短、光束质量好，长期工作稳定可靠。
（3）本发明调Q晶体采用硅酸镓镧晶体，为减小1/4波长电压，将X-Y-Z方向切割的LGS电光调Q晶体设计为长方体，在晶体X轴方向加横向电场（电场方向与光路垂直），两Y-Z面镀金作为电极保证了电场的均匀性，沿Z轴方向通光，双X-Y面镀2.79μm增透膜，体积小，结构简单可靠。
（4）本发明激光器使用波片补偿热退偏技术，解决了高能量泵浦时热退偏问题，使得输出的激光光斑模式好，能量分布均匀。
（5）本发明的聚光腔选为内表面为漫反射面的陶瓷聚光腔，这种聚光腔反射率高，能在长时间高能量泵浦时保持良好的稳定性。为激光器的高效和稳定的输出奠定了良好的基础。聚光腔也可以使用镀金腔或镀银玻璃腔替代陶瓷聚光腔使用，也会获得良好的输出效果。
（6）本发明中硅酸镓镧晶体的加电场的Y-Z两对应平行侧面上镀有金膜，使其上加有的横向电场更均匀，调Q的效果也更佳。
（7）本发明中水冷系统的循环回路中优选串接去离子净化过滤器，保证了水冷却部件冷却温度的稳定性。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明的退压调Q电路板结构示意图；
图3为本发明输出能量与脉宽随泵浦能量的变化曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明由全反腔片1、调Q晶体2、起偏器3、氙灯4、激光棒5、聚光腔6、波片7、输出腔片8、退压调Q电路板9、激光电源10和激光水冷系统11构成。
激光棒5下面平行放置氙灯4，激光棒和氙灯同时安装在聚光腔6内，氙灯通过激光电源10提供能量发光，产生的光通过聚光腔漫反射最大限度的进入激光棒内对激光棒进行泵浦；激光水冷系统11与聚光腔6内部相连接，为激光棒提供恒温冷却作用；波片7采用1/4波片，用于补偿高泵浦功率下的热退偏问题；起偏器3采用布儒斯特角放置的2～5片白宝石(Al2O3)等材料制成的镜片堆组成，用于产生线偏光；调Q晶体2和起偏器串联组成电光Q开关，调Q晶体2为硅酸镓镧晶体，X-Y-Z方向切割的长方体LGS电光调Q晶体，晶体X轴方向加电场，沿Z轴方向通光；由调Q电源和退压调Q电路板9共同提供1/4波长电压形成所述电场，并控制调Q电压的脉冲时间；调Q电源安装在激光电源10内部；激光电源为脉冲氙灯提供能量并同时控制水冷系统、电光Q开关等进行协调工作。
全反腔片1和输出腔片8平行于激光棒端面放置，全反腔片和输出腔片的基片材料均为白宝石(Al2O3)等材料制作的镜片，其中全反腔片的单面镀2.79μm全反膜，输出腔片的双面 分别镀2.79μm增透膜和20%反射膜。激光棒采用Cr,Er:YSGG激光晶体，激光棒的两端面镀2.79μm增透膜。调Q晶体硅酸镓镧晶体(LGS)沿X-Y-Z方向切割设计为方柱状，调Q晶体的X轴方向加电场，调Q晶体的两Y-Z面镀金作为电极保证了电场的均匀性，沿调Q晶体的Z轴方向通光，调Q晶体的双X-Y面镀2.79μm增透膜。而电光Q开关工作需要线偏振光，但该波段介质膜起偏器还不成熟，于是本发明创新性的采用布儒斯特角放置的2～5片白宝石(Al2O3)等材料制成的镜片堆作为起偏器，使用2～5片白宝石(Al2O3)等材料组成的介质堆起偏器可以在聚光腔内获得很好的起偏效果。激光器使用氙灯进行泵浦，氙灯放电回路是由电容和电感构成的单回路RLC电路。氙灯和激光棒平行置于聚光腔内用恒温循环水进行冷却，激光水冷系统设计采用较大的水流量以保证有较高冷却效率。但在灯泵激光器中，激光棒内仍然会有热沉积，这将导致谐振腔内线偏振光的热退偏效应，于是采用氟化镁(MgF2)等材料制作的波片置于输出腔片与激光棒之间，波片的光轴方向平行于偏振光的偏振方向，以补偿热退偏效应造成的损耗，从而获得均匀的光斑和较高的输出能量。
根据LGS电光系数小(γ11=2.3pm/V)的特性，电光Q开关设计为退压方式工作。本发明设计的退压调Q板的电路原理图如图2所示。当激光电源提供的触发信号为0时，冷阴极匝流管Q1不能导通，此时调Q晶体2两端加载高压（HV），Q开关处于“关门”状态；当激光电源11提供触发信号后，通过高压模块产生高压脉冲，触发冷阴极闸流管Q1使其导通，此时调Q晶体被瞬间短路，加载在两端的电压为0，此时Q开关处于“开门”状态，其中冷阴极匝流管Q1也可以由MOSFET场效应管、雪崩晶体管等开关元件替换。
对上述优化后，本发明可以在1-50Hz重复频率下工作，实现短脉冲、高能量的激光输出。在3Hz时获得激光输出的脉冲能量和脉宽随泵浦能量的变化曲线图如图3所示，随着泵浦能量的增加，脉宽变窄。在泵浦能量151J、重复率3Hz时获得脉冲能量216mJ，脉宽14.36ns的调Q巨脉冲输出。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于包括：全反腔片、电光Q开关、氙灯、激光棒、聚光腔、波片、输出腔片、退压调Q电路板、激光电源和激光水冷系统；所述激光棒和氙灯并行安装在所述聚光腔内与水冷系统连接，氙灯发出的光称为泵浦光，通过聚光腔将泵浦光最大程度地汇聚到激光棒作为泵浦能量；水冷系统对聚光腔及腔内的激光棒和氙灯进行冷却；所述激光电源为所述氙灯提供电能量，控制氙灯、电光Q开关和水冷系统协调工作；电源内的调Q电源控制电光Q开关打开的时间，提供调Q高压，并通过高压线与调Q晶体两电极相连，两电极位于晶体的两侧，紧贴晶体Y-Z面表面；所述全反腔片和所述输出腔片平行于激光棒两端面放置，电光Q开关置于全反腔片与激光棒端面之间；所述电光Q开关由起偏器和电光调Q晶体组成；所述调Q晶体为硅酸镓镧晶体（LGS）；所述激光棒为Cr,Er:YSGG激光晶体；所述波片为1/4波片。
2.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述硅酸镓镧晶体（LGS）是单轴旋光晶体，能运用横向电光效应，折射率n=1.85562.79μm，损伤阈值高达750MW/cm2，且不潮解。
3.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述硅酸镓镧晶体（LGS）沿X-Y-Z方向切割设计为长方体，X轴方向加电场，两Y-Z面对称平行镀金作为电极，保证电场的均匀性；沿Z轴方向通光，双X-Y面镀2.79μm增透膜；X轴方向施加的电场由调Q电源提供。
4.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述1/4波片由氟化镁(MgF2)、YSGG晶体、YAG晶体、氟化钙（CaF2）或白宝石(Al2O3)等材料加工制成，通光口径12mm，双面镀2.79μm增透膜，垂直于光路，光轴方向平行于偏振方向，置于输出腔片与激光棒之间。
5.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述起偏器由2～5片白宝石(Al2O3)、YSGG晶体、YAG晶体、氟化镁(MgF2)或氟化钙（CaF2）等材料制成的镜片堆构成，每片尺寸相同，双面加工要求光学Ⅱ级而且不镀膜，放置角度为各自材料在2.79μm波长的布儒斯特角。
6.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述全反腔片和输出腔片均为白宝石(Al2O3)、YSGG晶体、YAG晶体、氟化钙（CaF2）或氟化镁(MgF2)镜片，其中全反腔片单面镀2.79μm全反膜，输出腔片双面分别镀2.79μm增透膜和20%～90%反射膜。
7.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述聚光腔为漫反射陶瓷聚光腔、采用镀金腔或镀银玻璃聚光腔。
8.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述激光电源的工作频率为1～50Hz。
9.根据权利要求1所述的医用2.79μm电光调Q Cr,Er:YSGG激光器，其特征在于：所述水冷却部件的循环回路中串接有去离子净化过滤器。
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