CN105140760A - 一种医用6微米波段光参量激光器 - Google Patents

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王礼
胡舒武
王金涛
邢廷伦
杨经纬
崔庆哲
程庭清
吴先友
江海河
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Abstract

本发明涉及一种医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于包括：泵浦源铒激光器、OPO谐振腔、红外非线性晶体和滤光片，所述OPO谐振腔由镀膜后的输入和输出镜构成；沿泵浦源激光器输出激光方向依次放置输入镜、红外非线性晶体、输出镜，所述输入镜、输出镜和非线性晶体通光面均相互平行，且各通光面垂直于泵浦源铒激光器输出光束，滤光片45°放置；利用泵浦源铒激光器泵浦置于OPO谐振腔内的红外非线性晶体,利用红外非线性晶体的非线性变频产生6微米波段的激光，一片45°放置的滤光片用于滤除不需要的波长。本发明能够输出毫焦级脉冲能量、纳秒级脉冲长度的中红外激光。具有光束能量分布均匀、输出能量稳定等特性。

Description

一种医用6微米波段光参量激光器
技术领域
本发明涉及一种医用6微米波段的光参量激光器。
背景技术
在医疗领域，红外激光由于其光子能量低，能够有效避免因高光子能量对DNA链造成损失的风险，因而具有比紫外激光更高的安全性。6微米激光波段内有水、蛋白质、DNA等重要生物组织成分的吸收峰，如6.1波长的中红外激光，位于蛋白质和水的吸收峰，已经被证明是高精度生物软组织切削的最佳激光源，具有其他波段激光无可比拟的优势，是脑外科、神经、眼角膜、真皮组织等高精度手术的最佳工具。同时，利用该波段激光对各气体分子的特征吸收谱线，还能将其用于呼出气体的医疗诊断。
在高精度软组织切削的外科手术中，6.1微米激光因同时位于蛋白质和水的吸收峰而具有适合的穿透深度，能够很好的控制切削精度。组织切削需要有足够的激光能量才能达到切削阈值，需要研制高脉冲能量的6微米激光源满足应用需求。该波段毫焦级能量的纳秒激光脉冲既能保证较高的切削效率又可避免热扩散对组织造成的热损伤，不会因过高的高峰值功率密度引起不必要的非线性效应，或造成DNA键的断裂，具有高的安全性。在对比实验中已经被证明具有高的切削效率。因此，研制6微米波段高脉冲能量中红外激光对于生物领域的研究和临床应用具有重要意义。但是目前6微米波段的激光主要是通过自由电子激光器和量子级联激光器产生，这些激光器庞大的体积和昂贵的价格限制了它的广泛应用。利用光参量振荡器(OpticalParametricOscillator，OPO)产生中红外激光因其结构紧凑、成本低、输出能量较大等优点而被广泛采用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：解决现有技术的不足，提出一种能够产生6微米波段波长可调谐的医用光参量激光器，能够输出毫焦级脉冲能量、纳秒级脉冲长度的中红外激光。具有光束能量分布均匀、输出能量稳定等特性。
本发明采用的技术方案为：一种医用6微米波段的光参量激光器，包括：泵浦源铒激光器、OPO谐振腔、红外非线性晶体和滤光片，所述OPO谐振腔由镀膜后的输入和输出镜构成；沿泵浦源激光器输出激光方向依次放置输入镜、红外非线性晶体、输出镜，所述输入镜、输出镜和红外非线性晶体通光面均相互平行，且各通光面垂直于泵浦源铒激光器输出光束，滤光片45°放置；利用泵浦源铒激光器泵浦置于OPO谐振腔内的红外非线性晶体,利用红外非线性晶体的非线性变频产生6微米波段的激光，一片45°放置的滤光片用于滤除不需要的波长。
所述OPO泵浦源的激光波长2.7-3微米，脉冲宽度10-300ns，输出激光偏振态为线偏振，重复频率1-100kHz。
所述OPO泵浦源采用调Q输出的Cr,Er:YSGG激光器，激光波长2.79微米，脉冲宽度10-300ns，输出激光偏振态为线偏振，重复频率1-2kHz。OPO泵浦源激光器也可采用波长2.79微米的Er:YSGG激光器、波长2.94微米的Er:YAG、Er:YLF等激光器。
所述红外非线性晶体采用磷锗锌(ZnGeP2，ZGP)晶体，设计为长方体，晶体两通光面抛光且平行，并镀有对波长2.7-7微米的增透膜。红外非线性晶体也可以采用硒镓钡(BaGa4Se7)、硫铟锂(LiInS2)、硫镓银(AgGaS)、硒化镉(CdSe)等在该波段内具有高透过率的晶体材料。
所述OPO谐振腔由镀膜后的氟化钙(CaF2)镜片构成，输入镜镀有对波长2.7-3微米的增透膜、3-7微米的高反射膜(大于等于99.9％的)，输出镜镀有对波长2.7-7微米反射率为1-99％的介质膜。镜片材料还可以采用氟化镁(MgF2)、锗(Ge)、硅(Si)、硒化锌(ZnSe)等材料。
所述滤光片的材料为氟化钙(CaF2)，在一面镀有2.7-5.7微米45°高反射膜(反射率大于等于99.9％)，另一面镀有5.8-7微米增透膜。镜片材料还可以采用氟化镁(MgF2)、锗(Ge)、硅(Si)、硒化锌(ZnSe)等材料。
本发明相对于现有技术的益处是：
(1)采用6微米波段的参量激光器进行组织切削具有比更短波长激光器更高的安全性、更高的切削精度以及对周围组织更小的损失；
(2)采用3微米波段的铒激光作为泵浦源产生6微米波段的激光，具有比采用1微米等短波长激光泵浦更高的光子转换效率，理论效率约为1微米激光的3倍；
(3)利用光参量振荡器获取6微米波段的激光，相比于量子级联激光器和自由电子激光器，具有体积小、成本低、结构简单、效率高等优点，有利于该医用激光器的广泛普及。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
如图1所示，本发明由泵浦源铒激光器1、输入镜2、红外非线性晶体3、输出镜4和滤光片5组成。沿泵浦源激光器1输出激光方向依次放置输入镜2、红外非线性晶体3、输出镜4，所述输入输出镜和红外非线性晶体通光面均相互平行，且各通光面垂直于泵浦源激光器1输出光束。
2.79微米的泵浦激光入射到红外非线性晶体3上，由于泵浦光具有高的峰值功率密度，因非线性光参量效应而产生两个输出波长，分别为4.9微米和6.4微米，三个波长之间满足能量守恒和动量守恒关系。由于输入镜2对3-7微米高反射，输出镜对3-7微米部分反射，两束激光在谐振腔内进行振荡并放大，从输出镜4耦合输出。
泵浦光束的偏振方向垂直于光束传播方向和红外非线性晶体光轴构成的面，通过在该平面内旋转红外非线性晶体3改变其光轴与入射光束的夹角，可以实现输出波长的调谐，可实现5.8-7微米波段内任意波长激光输出。从输出镜4输出的激光有三个波长，即剩余的3微米波段的泵浦光、产生的两个波长的参量激光，三个激光频率(波长)满足能量守恒关系。通过采用滤光片5进行滤光，使得所需要的6微米波段的激光从滤光片5高透过，其他两个波长被滤光片45°反射后偏离光路。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：包括泵浦源铒激光器、OPO谐振腔、红外非线性晶体和滤光片，所述OPO谐振腔由镀膜后的输入和输出镜构成；沿泵浦源激光器输出激光方向依次放置输入镜、红外非线性晶体、输出镜，所述输入镜、输出镜和红外非线性晶体通光面均相互平行，且各通光面垂直于泵浦源铒激光器输出光束，滤光片45°放置；利用泵浦源铒激光器泵浦置于OPO谐振腔内的红外非线性晶体,利用红外非线性晶体的非线性变频产生6微米波段的激光，一片45°放置的滤光片用于滤除不需要的波长。
2.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述OPO泵浦源的激光波长2.7-3微米，脉冲宽度10-300ns，输出激光偏振态为线偏振，重复频率1-100kHz。
3.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述OPO泵浦源采用调Q输出的波长2.79微米的Cr,Er:YSGG激光器、波长2.79微米的Er:YSGG激光器、波长2.94微米的Er:YAG或波长2.94微米的Er:YLF激光器。
4.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述红外非线性晶体采用磷锗锌(ZnGeP2，ZGP)、硒镓钡(BaGa4Se7)、硫铟锂(LiInS2)、硫镓银(AgGaS)或硒化镉(CdSe)晶体，设计为长方体，晶体两通光面抛光且平行，并镀有对波长2.7-7微米的增透膜。
5.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述输入镜镀有对波长2.7-3微米的增透膜、3-7微米的大于等于99.9％的高反射膜。
6.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述输出镜镀有对波长2.7-7微米反射率为1-99％的介质膜。
7.根据权利要求6所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述输入和输出镜的镜片材料采用氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)、锗(Ge)、硅(Si)或硒化锌(ZnSe)材料。
8.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述滤光片的一面镀有2.7-5.7微米45°大于等于99.9％的高反射膜，另一面镀有5.8-7微米增透膜。
9.根据权利要求1所述的医用6微米波段的光参量激光器，其特征在于：所述滤光片的材料为氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)、锗(Ge)、硅(Si)、硒化锌(ZnSe)。
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