CN103584916B - 一种提高红外脉冲激光消融效率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高红外脉冲激光消融效率的装置及方法，至少包括脉冲延迟控制器、红外激光器、Nd:YAG激光器、耦合器、大芯径光纤以及高速相机，在红外激光器和Nd:YAG激光器的激光线路上分别设有分束镜A和分束镜B，两激光器所发射的激光经分束镜透射后均射向耦合器，所述的耦合器与大芯径光纤的一端连接，大芯径光纤的另一端通向位于液体环境中的被消融目标，被消融目标的一侧设有用于捕捉其消融状态的高速相机，所述的脉冲延迟控制器通过信号线分别与红外激光器、Nd:YAG激光器以及高速相机连接并进行控制。本发明解决了现有技术中的不足，能够提高消融效率和切割精度，并且减小对被消融目标所带来的损伤。

Description

一种提高红外脉冲激光消融效率的装置及方法
技术领域
本发明提供了一种在利用红外脉冲激光对被消融目标进行消融的进程中，提高消融效率的一种装置，本发明同时还提供了一种相对应的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的方法，属于激光应用领域。
背景技术
红外脉冲激光例如波长为2.12μm钬激光，2.013μm铥激光，2.79μm/2.94μm铒激光，由于能被生物组织中主要成分即水大量吸收，例如2.94μm的铒激光吸收系数高达16660cm-1，并且能在低OH-石英光纤或特种光纤中低损耗传输，所以红外脉冲激光已经被广泛运用在生物医学领域和激光液体环境条件下微机械加工领域。红外脉冲激光操作在液体环境条件（水、尿液、血液或混合体）下时，大部分的激光能量被消耗于汽化效应，所以作用于靶材的有效能量将会降低，结果消融效率变低，因此液体的热动力学性质直接影响激光与物质相互作用的机理。光汽化效应进程中产生的汽化泡会经历多个周期的动态谐振，并且汽化泡闭合时辐射振荡波信号。汽化泡的形态、尺寸、寿命决定于激光的脉宽、能量和吸收系数。由ns级、μs级脉冲激光诱导的汽化泡闭合时向外辐射冲击波信号压力强度为上千个标准大气压，这些冲击波足以能击碎肾结石和胆结石。但这些冲击波同时对细胞级和亚细胞级的生物组织造成不同程度的结构和功能损伤，还可以使得液体环境条件下微机械加工时靶材表面变性、出现裂纹等。此外，在激光液体环境条件下微机械加工领域，人们期待通过液体环境条件下提高消融效率和消融表面质量。因此，有必要采用新的方法来提高红外脉冲激光液体环境条件下的消融效率并减小副作用。
发明内容
本发明提供了一种提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置及方法，解决了背景技术中的不足，该方法能够提高消融效率和切割精度，并且会减小对被消融目标所带来的损伤。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种提高红外脉冲激光消融效率的装置，至少包括脉冲延迟控制器、红外激光器、Nd:YAG激光器、耦合器、大芯径光纤以及高速相机，在红外激光器和Nd:YAG激光器的激光线路上分别设有分束镜A和分束镜B，两激光器所发射的激光经分束镜透射后均射向耦合器，所述的耦合器与大芯径光纤的一端连接，大芯径光纤的另一端通向位于液体环境中的被消融目标，被消融目标的一侧设有用于捕捉其消融状态的高速相机，所述的脉冲延迟控制器通过信号线分别与红外激光器、Nd:YAG激光器以及高速相机连接并进行控制。
被消融目标的另一侧还设有LED照明灯，所述的LED照明灯与高速相机同轴设置。
还设有监控单元，所述的监控单元至少包括探测器A、探测器B以及示波器，示波器与脉冲延迟控制器连接，其中探测器A和探测器B分别与分束镜A和分束镜B相对应，检测分束镜A和分束镜B所反射的激光，并将激光信号转换为电信号，探测器A与探测器B均通过信号线与示波器连接。
所述的被消融目标的下方还设有滤波片，所述的滤波片对1.064μm波长的光线全反射，对红外波长全透射，反射率与透射率均不小于90%，滤波片的下方设有探测器C，探测器C用于检测透射过滤波片的激光光线并将光信号转换为电信号，探测器C通过信号线与示波器连接。
所述的滤波片与探测器C之间还设有红外激光凸透镜。
所述的被消融目标的一侧还设有针式水听器，所述的针式水听器通过信号线与示波器连接。
所述的红外激光器为钬激光器、铥激光器或铒激光器。
本发明还提供了一种提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的方法，包括以下步骤：
首先脉冲延迟控制器控制Nd:YAG激光器和高速相机开启，Nd:YAG激光器发射Nd:YAG激光作为前置脉冲，Nd:YAG激光经过分束镜B透射、大芯径光纤传导后到达被消融目标，由于被消融目标处于液体环境中，Nd:YAG激光首先在大芯径光纤的端面与被消融目标的表面之间的间隙处产生一汽化泡，当高速相机监控到汽化泡的体积达到最大时，脉冲延迟控制器控制红外激光器开启，红外激光器发射红外激光经过分束镜A透射、大芯径光纤传导后，穿透汽化泡直接辐射于大芯径光纤端面下方的被消融目标表面进行消融，从而提高消融效率。
本发明所提供的技术方案与现有技术相比有以下优点：Nd:YAG激光作为前置脉冲提供一个能形成于光纤端面和生物组织表面间的体积大、寿命长的汽化泡，汽化泡相当于打开了一个“通道”，由于汽化泡对红外激光脉冲的吸收系数远低于同等条件下的被消融目标对红外激光脉冲的吸收系数，因此，红外激光脉冲能以较小的能量损耗到达被消融目标表面或其它靶材，从而简化了到达目标靶材的途径，提高了消融效率。
此外，Nd:YAG激光和红外脉冲激光分别诱导的汽化泡中心不一致、形状不规则、体积大小不同、谐振步调不同，所以在汽化泡闭合时辐射的声波信号有多个且强度不高，从而可降低激光诱导声学损伤效应。
附图说明
图1为本发明提供的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置的结构框图；
图中：1-脉冲延迟控制器，2-红外激光器，3-Nd:YAG激光器，4-分束镜A，5-分束镜B，6-耦合器，7-大芯径光纤，8-玻璃水槽，9-高速相机，10-LED照明灯，11-滤波片，12-红外激光凸透镜，13-探测器A，14-探测器B，15-探测器C，16-示波器，17-针式水听器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。
本发明所提供的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置的结构如图1所示，包括脉冲延迟控制器1、红外激光器2、Nd:YAG激光器3、耦合器6、大芯径光纤7以及高速相机9，所述的红外激光器2为钬激光器、铥激光器或铒激光器。
在红外激光器2和Nd:YAG激光器3的激光线路上分别设有分束镜A4和分束镜B5，两激光器所发射的激光经分束镜透射后均射向耦合器6，所述的耦合器6与大芯径光纤7的一端连接，大芯径光纤7的另一端通向被消融目标，被消融目标位于盛有水的玻璃水槽8中，处于液体环境下。
被消融目标的一侧设有用于捕捉其消融状态的高速相机9，被消融目标的另一侧还设有LED照明灯10，所述的LED照明灯10与高速相机9同轴设置。
脉冲延迟控制器1通过信号线分别与红外激光器2、Nd:YAG激光器3以及高速相机9连接并进行控制。
监控单元包括探测器A13、探测器B14、探测器C15以及示波器16，示波器16与脉冲延迟控制器1连接，其中探测器A13和探测器B14分别与分束镜A4和分束镜B5相对应，检测分束镜A4和分束镜B5所反射的激光，并将激光信号转换为电信号，探测器A13与探测器B14均通过信号线与示波器16连接，将电信号输入示波器16的CH3和CH4通道。监控单元主要作用是准确记录两种红外脉冲激光作用时间延迟及记录消融性红外脉冲激光透过汽泡能量大小。
所述的被消融目标的一侧附近还设有针式水听器17，针式水听器17距离大芯径光纤7端面2mm以上，所述的针式水听器17通过信号线与示波器16连接，针式水听器17探测汽化泡膨胀和闭合时辐射的冲击波信号然后将电信号输入示波器CH2通道。
所述的被消融目标的下方还设有滤波片11，所述的滤波片11对1.064μm波长的光线全反射，对红外波长全透射，反射率与透射率均不小于90%，滤波片11上的入射光束与滤波片11的入射角为45°。探测器C15位于滤波片11的下方并通过信号线与示波器16连接，所述的滤波片11与探测器C15之间还设有红外激光凸透镜12。透射过滤光片的红外激光经红外激光凸透镜汇聚于探测器C15上，并被转换成电信号输入示波器16的CH1通道。
本实施例所提供的装置用于提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的方法如下：首先脉冲延迟控制器控制Nd:YAG激光器和高速相机开启，Nd:YAG激光器发射Nd:YAG激光作为前置脉冲，Nd:YAG激光经过分束镜B透射、大芯径光纤传导后到达被消融目标，由于被消融目标处于液体环境中，Nd:YAG激光首先在大芯径光纤的端面与被消融目标的表面之间的间隙处产生一汽化泡，当高速相机监控到汽化泡的体积达到最大时，脉冲延迟控制器控制红外激光器开启，红外激光器发射红外激光经过分束镜A透射、大芯径光纤传导后，穿透汽化泡直接辐射于大芯径光纤端面下方的被消融目标表面进行消融，从而提高消融效率。

Claims (5)

1.一种提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置，其特征在于：至少包括脉冲延迟控制器、红外激光器、Nd:YAG激光器、耦合器、大芯径光纤以及高速相机，在红外激光器和Nd:YAG激光器的激光线路上分别设有分束镜A和分束镜B，两激光器所发射的激光经分束镜透射后均射向耦合器，所述的耦合器与大芯径光纤的一端连接，大芯径光纤的另一端通向位于液体环境中的被消融目标，被消融目标的一侧设有用于捕捉其消融状态的高速相机，所述的脉冲延迟控制器通过信号线分别与红外激光器、Nd:YAG激光器以及高速相机连接并进行控制；还设有监控单元，所述的监控单元至少包括探测器A、探测器B以及示波器，示波器与脉冲延迟控制器连接，其中探测器A和探测器B分别与分束镜A和分束镜B相对应，检测分束镜A和分束镜B所反射的激光，并将激光信号转换为电信号，探测器A与探测器B均通过信号线与示波器连接；所述的被消融目标的下方还设有滤波片，所述的滤波片对1.064μm波长的光线全反射，对红外波长全透射，反射率与透射率均不小于90％，滤波片的下方设有探测器C，探测器C用于检测透射过滤波片的激光光线并将光信号转换为电信号，探测器C通过信号线与示波器连接。
2.根据权利要求1所述的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置，其特征在于：被消融目标的另一侧还设有LED照明灯，所述的LED照明灯与高速相机同轴设置。
3.根据权利要求1所述的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置，其特征在于：所述的滤波片与探测器C之间还设有红外激光凸透镜。
4.根据权利要求1所述的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置，其特征在于：所述的被消融目标的一侧还设有针式水听器，所述的针式水听器通过信号线与示波器连接。
5.根据权利要求1所述的提高红外脉冲激光在液体环境下的消融效率的装置，其特征在于：所述的红外激光器为钬激光器、铥激光器或铒激光器。
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