CN103457143A - 一种医用三波长黄绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用三波长黄绿光激光器，包括依次设置在光路上的泵浦光产生单元、光束整形单元、增益介质单元、标准具单元、非线性晶体单元，还包括一光学谐振腔单元，而所述的增益介质单元、标准具单元和非线性晶体单元均设置在光学谐振腔单元中。本发明利用增益介质单元实现了稳定的双波长红外激光运转，然后通过腔内倍频与腔内和频这两种方法，实现三波长黄绿光激光输出，使得本发明所述的医用三波长黄绿光激光器能够有效产生高效率、低阈值、高稳定性的三波长黄绿激光，大大提升了医用黄绿光激光器的整体性能。

Description

一种医用三波长黄绿光激光器

 

技术领域

本发明涉及一种医用三波长黄绿光激光器，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，全固态黄绿光激光器发展越来越迅速。黄绿光激光器在激光表演、激光纳导星、玻色爱因斯坦凝聚、激光化学、原子冷却与捕获、激光生物效应、激光医学等方面都有着重要的应用。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，黄绿光激光器可以用于流式细胞仪和激光共聚焦显微镜。黄绿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，由于血液对黄绿激光有着很高的吸收系数，因此在眼科、血管外科、皮肤科等方面都有着重要的应用。

目前黄绿光激光器的实现方法主要有以下五种：1) 双波长腔内和频：采用两种波长不同的振荡光，通过腔内和频的方式获得黄光输出，存在着模式竞争效应明显、谐振腔膜系复杂、转换效率低、光束质量和稳定性较差等缺点。2) 光泵半导体垂直外腔面发射激光器：利用半导体激光泵浦半导体芯片，在谐振腔的约束下获得高光束质量的近红外基频激光，并通过腔内倍频获得高效率、高光束质量的黄光激光输出，这种结构自发辐射放大效应较为严重。3) 拉曼激光器倍频：利用增益较大且容易获得的激光谱线，通过受激拉曼散射产生的一阶斯托克斯波频移至1070~1200 nm 之间，再通过倍频获得黄光激光输出，但是其阈值较高，且非线性系数较小，因此常需要通过巨脉冲模式获得较高的峰值功率密度，从而提高其转换效率。4) 拉曼光纤激光/放大器：采用拉曼光纤激光放大的方式，获得高功率窄线宽基频红外激光输出；然后通过腔外倍频，获得较高功率、高效率的黄光激光输出，这种结构的黄光激光器相位控制要求精度很高、系统比较复杂。5) 晶体二次谐波产生：这是最为直接，并且成熟、高效的一种方式，其采用高质量的激光介质，获得高功率的1070~1200 nm 基频光振荡；然后通过二次非线性效应，产生高功率的黄光激光。

目前，医用黄绿光激光器主要存在着以下问题亟待解决，第一，输出波长单一，器件的实用性差，难以满足实际中多种应用的需求；第二，转换效率低，光光转换效率大多低于10%，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，从而严重影响医用黄绿光激光器的整体性能。

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、高稳定性的医用三波长黄绿光激光器。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至激光器的上能级的泵浦光产生单元、将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1090~1140 nm光子的增益介质单元、通过透射率变化进行不同谱线增益调节的标准具单元、通过二阶非线性变换产生540~570 nm光子的非线性晶体单元，还包括一产生540~570 nm激光的光学谐振腔单元，而所述的增益介质单元、标准具单元和非线性晶体单元均设置在光学谐振腔单元中。

进一步，所述的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400~1000 nm。

而所述的激光器为半导体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体泵浦固体激光器中的任一种。

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。

所述的光束整形单元包括透镜、光栅、空间滤波器、多模光纤中的至少一种。

且所述的增益介质单元的形状为圆柱形、六面体形、波导形、板条形、碟片形、光纤形中的任一种。且所述的增益介质单元为掺钕离子单晶或者陶瓷。

所述的标准具单元为单块平面玻璃或两块平面玻璃。

所述的非线性晶体单元为三硼酸锂、偏硼酸钡、周期性极化铌酸锂、硼酸铋、铌酸钾中的任一种。

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。

且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偏振片、空间滤波器、双折射滤光片、体布拉格光栅中的N种附件，所述的0≤N≤4。

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1090~1140 nm和540~570 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：本发明利用增益介质单元实现了稳定的双波长红外激光运转，然后通过腔内倍频与腔内和频这两种方法，实现三波长黄绿光激光输出，使得本发明所述的医用三波长黄绿光激光器能够有效产生高效率、低阈值、高稳定性的三波长黄绿激光，大大提升了医用黄绿光激光器的整体性能。

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、泵浦光产生单元          2、光束整形单元      3、增益介质单元

4、标准具单元              5、非线性晶体单元    6、光学谐振腔单元601、前谐振腔镜            603、空间滤波器      604、偏振片

605、双折射滤光片          606、体布拉格光栅    602、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三波长黄绿光激光器都具有如下所述的相同的结构：具体为，所述的医用三波长黄绿光激光器包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至激光器的上能级的泵浦光产生单元1、将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1090~1140 nm光子的增益介质单元3、通过透射率变化进行不同谱线增益调节的标准具单元4、通过二阶非线性变换产生540~570 nm光子的非线性晶体单元5，还包括一产生540~570 nm激光的光学谐振腔单元6，而所述的增益介质单元3、标准具单元4和非线性晶体单元5均设置在光学谐振腔单元6中。

而具体的实施例为：

实施例1：所述的泵浦光产生单元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，最大连续泵浦功率为30 W，且所述的激光器为一半导体激光器。

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Nd:YAG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。

所述的标准具单元4为单块平面玻璃，厚度为0.2 mm，直径20 mm，有效孔径>90%，材料为融石英玻璃，光洁度10/5，平行度<3″，波前畸变<λ/8。

所述的非线性晶体单元5为硼酸铋。

而所述的光学谐振腔单元6为三波长黄绿光的光学谐振腔单元，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601、空间滤波器603、偏振片604、双折射滤光片605、体布拉格光栅606和后谐振腔镜602。在本实施例1中，附件为4个，当然也可以不设置附件，或设置其他数量的附件，如1、2或3个等。

其中，所述的前谐振腔镜601为平面镜，镀有对809, 946, 1064 nm增透、对1110~1125 nm高反的膜系，其中对809 nm的透射率大于95%，并且该膜对1064nm谱线透射率大于90%，对946 nm的透射率大于60%；而后谐振腔镜602为凹面镜，镀有对1064 nm和1340 nm增透、对1110~1125 nm高反、对550~565 nm增透的膜系，其中对1064nm谱线透射率大于90%，对1340 nm的透射率大于80%，对1110~1125 nm反射率大于99.6%，对550~565 nm的透射率大于90%。

在本实施例1中，更为优选的是激光增益介质为双端复合生长型Nd:YAG单晶，掺杂浓度为1.0at.%，尺寸为3×3×11 mm³，其中前后端为3mm长的非掺杂YAG晶体，掺杂区长度为5mm，前后端面都镀有对波长为809~1340 nm光束的增透膜，其中对940~1125 nm的光束的透射率大于99%，809nm和1340nm的光束的透射率大于95%。

在本实施例1中，激光器输出的是三种波长的黄绿光，三种波长分别556 nm、559 nm和561 nm。

 

实施例2：所述的泵浦光产生单元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885nm，最大连续泵浦功率为50 W，且所述的激光器为一半导体激光器。

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400 μm，数值孔径NA=0.22，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885 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为一碟片型Nd:GGG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。

所述的标准具单元4为两块平面玻璃。其中一块厚度为0.15 mm，另一块厚度为0.05 mm，两块平面玻璃间距为20 mm；两块平面玻璃的直径都是10 mm，有效孔径均为90%，且材料均为融石英玻璃，光洁度均为10/5，平行度均<3″，波前畸变均<λ/8。

所述的非线性晶体单元5为三硼酸锂。

而所述的光学谐振腔单元6为三波长黄绿光的光学谐振腔单元，且其为一Z型腔，在Z型腔中由前向后依次设置有前谐振腔镜、折叠镜、反射镜和后谐振腔镜四个镜片，且在Z型腔中还设置有空间滤波器、偏振片、双折射滤光片、体布拉格光栅4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或3个等。

其中，所述的前谐振腔镜601为平面镜，镀有对885, 937, 1064 nm增透、对1100~1120 nm高反的膜系，其中对885 nm的透射率大于95%，并且该膜对1064nm谱线透射率大于90%，对937 nm的透射率大于60%；折叠镜为凹面镜，镀有对1300~1340 nm增透、对1100~1120 nm高反的膜系，其中对1300~1340 nm的透射率大于80%；反射镜为凹面镜，镀有对550~565 nm增透，对1100~1120 nm高反的膜系，其中对550~565 nm的透射率大于95%；而后谐振腔镜602为凹面镜，镀有对1110~1120 nm高反、对550~565 nm高反、对1300~1340 nm增透的膜系，其中对1110~1120 nm谱线反射率大于99%，对550~565 nm的反射率大于99%，对1300~1340 nm的透射率大于80%。

在本实施例2中，更为优选的是激光增益介质为复合生长型碟片型Nd:GGG单晶，掺杂浓度为1.0at.%，厚度为0.5 mm，直径为20 mm，其中掺杂区直径3 mm；前后端面都镀有对波长为885~1335 nm光束的增透膜，其中对937~1120 nm的光束的透射率大于99%，885nm和1331nm的光束的透射率大于95%。

在本实施例2中，激光器输出的是三种波长的黄绿光，三种波长分别551 nm、553 nm和555 nm。

 

实施例3：所述的泵浦光产生单元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940 nm，最大连续泵浦功率为50 W，且所述的激光器为一光纤激光器。

所述的光束整形单元2包括一透镜组和一光栅，其中所述的光栅的刻线面为64×72 mm²，刻线密度1800条/mm，闪耀波长940 nm，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940 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:YAP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。

所述的标准具单元4为单块平面玻璃，厚度为0.10 mm，直径10 mm，有效孔径为90%，材料为融石英玻璃，光洁度10/5，平行度<3″，波前畸变<λ/8。

所述的非线性晶体单元5为周期性极化铌酸锂。

而所述的光学谐振腔单元6为三波长黄绿光的光学谐振腔单元，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、体布拉格光栅4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或3个等。

其中，所述的前谐振腔镜601为平面镜，镀有对940, 937, 1064 nm增透、对1090~1120 nm高反的膜系，其中对940 nm的透射率大于90%，并且该膜对1064nm谱线透射率大于90%，对937 nm的透射率大于80%；折叠镜为凹面镜，镀有对540~560 nm增透、对1090~1120 nm高反的膜系，其中对540~560 nm的透射率大于95%；而后谐振腔镜602为凹面镜，镀有对1090~1120 nm高反、对540~565 nm高反、对1300~1340 nm增透的膜系，其中对1090~1120 nm谱线反射率大于99%，对540~560 nm的反射率大于99%，对1300~1340 nm的透射率大于80%。

在本实施例3中，更为优选的是激光增益介质为双端复合生长型Nd:YAP陶瓷，掺杂浓度为1.0at.%，尺寸为3×3×10 mm³，其中前后端为2mm长的非掺杂YAG晶体，掺杂区长度为6mm，前后端面都镀有对波长为937~1335 nm光束的增透膜，其中对937~1120 nm的光束的透射率大于99%，1331nm的光束的透射率大于95%。

在本实施例3中，激光器输出的是三种波长的黄绿光，三种波长分别545 nm、549 nm和553 nm。

本发明所述的医用三波长黄绿光激光器能够有效产生高效率、低阈值、高稳定性的三波长黄绿激光，并通过利用掺钕离子增益介质的在1090~1140 nm范围内的两条跃迁谱线（波长分别为λ₁、λ₂，并满足1090≤λ₁＜λ₂≤1140），通过控制谱线λ₁和λ₂的相对增益，实现稳定的λ₁、λ₂双波长红外激光运转；然后通过腔内倍频与腔内和频这两种方法，实现三波长黄绿光激光输出，其中的三波长分别A、B和C，并满足如下关系：A=λ₁/2, B=λ₂/2, C=λ₁λ₂/(λ₁+λ₂)。

本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，包括依次设置在光路上的将激光介质中的Nd³⁺泵浦至激光器的上能级的泵浦光产生单元（1）、将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1090~1140 nm光子的增益介质单元（3）、通过透射率变化进行不同谱线增益调节的标准具单元（4）、通过二阶非线性变换产生540~570 nm光子的非线性晶体单元（5），还包括一产生540~570 nm激光的光学谐振腔单元（6），而所述的增益介质单元（3）、标准具单元（4）和非线性晶体单元（5）均设置在光学谐振腔单元（6）中。

2.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的泵浦光产生单元（1）包括一激光器，所述的激光器的中心波长为400~1000 nm。

3.根据权利要求2所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的激光器为半导体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体泵浦固体激光器中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，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。

5.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，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。

6.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的增益介质单元（3）的形状为圆柱形、六面体形、波导形、板条形、碟片形、光纤形中的任一种。

7.根据权利要求1或6所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的增益介质单元（3）为掺钕离子单晶或者陶瓷。

8.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的标准具单元（4）为单块平面玻璃或两块平面玻璃。

9.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的非线性晶体单元（5）为三硼酸锂、偏硼酸钡、周期性极化铌酸锂、硼酸铋、铌酸钾中的任一种。

10.根据权利要求1所述的一种医用三波长黄绿光激光器，其特征在于，所述的光学谐振腔单元（6）为直线腔、V型腔、Z型腔、环形腔中的任一种。

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