CN108075347A - 一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器 - Google Patents

一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器 Download PDF

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Abstract

一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器，其包括在激光输出路径依次设置的泵浦激光二极管、会聚透镜、激光晶体、啁啾镜、半导体可饱和吸收镜、棱镜、端面镜，其中棱镜为放置在电动平移台上能调整相对位置的棱镜对，其中飞秒激光振荡器的激光腔中同时包括用于色散补偿的一个啁啾镜和一对棱镜对。本发明还涉及上述飞秒激光器用于钢铁样品成分检测或激光眼科手术的用途。本发明可以实现一款激光脉宽从200飞秒到1000飞秒连续变化的新的飞秒激光眼科手术用飞秒激光器的光源，从而可以实现在飞秒激光烧蚀角膜过程中激光脉宽随激光在角膜中位置变化而变化以利于得到最好的激光烧蚀效果。

Description

一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器
技术领域
本发明涉及可方便调节激光脉宽的飞秒激光器及其作为激光诱导等离子体光谱分析设备(LIBS)光源用于钢铁样品成分检测，尤其对钢铁样品成分的实时在线检测，或用于激光眼科手术，尤其飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术的用途。
背景技术
一方面，激光诱导等离子体光谱技术(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)也称作激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)，是一种以激光作为激发源诱导产生激光等离子体的原子发射光谱分析方法，是基于激光与物质相互作用物理学和光谱学的元素成分和浓度分析技术。LIPS是通过将一束高能量短脉冲的激光束聚焦到待检测的样品上，进而产生高温高密度并且由自由电子、离子和原子组成的激光等离子体，最后对该等离子体辐射光谱进行分析的一个过程。该方法具有许多独特的优点，如操作容易、样品处理简单、检测对象多元化(固体、液体、气体、气溶胶等)、可多元素同时分析、近似于无损检测的特性、能够检测元素周期表上绝大部分的元素、具有较高的灵敏度、无需与样品接触的纯光学方法、能远距离检测的能力等。
目前，激光诱导光源脉宽为固定飞秒数值的激光诱导等离子体光谱分析设备已经出现，但是以单一脉宽的激光器作为激光诱导光源，无法系统的分析激光诱导光源脉宽变化对产生激光诱导等离子体效果的影响，尤其对于钢水的在线检测，难以实现准确地测量。
另一方面，飞秒激光眼科手术在临床应用中包括飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。为了取得最好的手术效果，手术中使用的飞秒激光脉冲能量需要尽可能的接近而略高于角膜激光切削阈值。不论是在飞秒激光角膜移植手术还是在飞秒激光原位角膜磨镶术中，都需要飞秒激光对角膜不同深度进行烧蚀。在飞秒激光角膜移植手术中，飞秒激光需要从下到上贯穿角膜进行烧蚀，在飞秒激光原位角膜磨镶术中，开角膜瓣的飞秒激光也需要从角膜内部从表面算起100到120微米处至角膜表面进行烧蚀。角膜对飞秒激光烧蚀的阈值随深度不同而变化，而且角膜的飞秒激光烧蚀阈值直接和激光脉宽相关，因此精确的实时调整飞秒激光脉宽对于手术应用就具有非常迫切的应用需求。
而现阶段临床应用的飞秒激光器在手术中激光脉宽都是固定值，在不同角膜深度作用的激光脉宽都是同一值，这样无法保证在不同角膜深度都取得最好的激光烧蚀效果，如果激光脉宽能随激光在角膜内作用深度的变化而变化，可以取得更好的手术效果。
发明内容
由于现有的测量方法和现有的手术方法有以上的不足之处，为了探索不同脉宽的飞秒超短脉冲激光对钢铁样品检测结果的影响和为了在飞秒激光眼科手术中取得更好的激光烧蚀效果，我们研发了一种新的观测钢铁样品成分的激光诱导等离子体光谱分析设备的光源或一种新的飞秒激光眼科手术用飞秒激光器的光源。本发明是在现有全固态飞秒激光振荡器中加入一个啁啾镜并把棱镜对放置在位置可调的调整平台上，通过调节棱镜对引入的啁啾数值来实现激光脉宽在飞秒范围从200飞秒到1000飞秒连续变化。
一般的飞秒激光振荡器只包括啁啾镜或者棱镜对进行色散补偿，已经可以稳定的输出飞秒激光脉冲，但是输出的飞秒激光脉冲脉宽是固定值，不可以调整。常用的飞秒激光啁啾脉冲放大系统，展宽器和压缩器要根据群速度色散精心计算和布置位置来达到最好的激光光束效果，虽然通过调节展宽器和压缩器可以连续改变最终输出飞秒激光的脉宽，但是光束质量会受到影响。本发明在振荡器里通过调整棱镜对的相对位置就可以连续改变激光脉宽，而且由于激光束在振荡器里往返多次才会形成激光输出并且在往返中激光束的质量会自行调整，所以输出激光束的质量不会受到激光脉宽改变的影响，这样的激光束经过啁啾脉冲放大系统，可以实现最终输出激光脉宽变化而光束质量不变化。
为了克服现有的测量方法和现有的手术方法的不足之处，也为了探索不同脉宽的飞秒超短脉冲激光对钢铁样品检测结果的影响和为了在飞秒激光眼科手术中取得更好的激光烧蚀效果，本发明提供一种新的可以用作激光诱导等离子体光谱分析设备(LIBS)光源的或者可以用作激光原位角膜磨镶术(LASIK)光源的可以方便调节激光脉宽的飞秒激光器，其包括泵浦激光二极管、会聚透镜、激光晶体、啁啾镜、棱镜、端面镜和半导体可饱和吸收镜，其中棱镜为放置在电动平移台上可以调整相对位置的棱镜对，其中飞秒激光振荡器的激光腔中同时包括用于色散补偿的一个啁啾镜和一对棱镜对。
为实现上述目的，在本发明中采取的技术方案如下：
一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器，其包括在激光输出路径依次设置的泵浦激光二极管、会聚透镜、激光晶体、啁啾镜、半导体可饱和吸收镜、棱镜、端面镜，其中棱镜为放置在电动平移台上能调整相对位置的棱镜对，其中飞秒激光振荡器的激光腔中同时包括用于色散补偿的一个啁啾镜和一对棱镜对。本发明可以用于任何合适的飞秒激光器，只要泵浦激光二极管和激光晶体相匹配就可以得到相应的激光输出波长。
棱镜对包括第一棱镜和第二棱镜，其相对位置的调整范围以输出激光不受影响为边界，也就是说在调整棱镜对相对位置时要通过自相关仪同时监测输出激光的脉宽，同时微调棱镜的位置，可以前后左右调整，要保证可以看到自相关仪上有激光脉宽的波形，不能出现自相关仪上激光波形丢失的情况。
优选地，通过调节棱镜对的相对位置，从而调整啁啾数值来实现激光脉宽从200飞秒到1000飞秒的连续变化。
优选地，所述飞秒激光器为端面泵浦的全固态飞秒激光器。
优选地，所述激光晶体本身的一个平面为激光腔的一个端面，另一端面为端面镜，优选的，所述端面镜是透过率为5％的端面输出镜。
优选地，所述半导体可饱和吸收镜用来产生飞秒光信号。
优选地，所述啁啾镜用于色散补偿。
优选地，所述泵浦激光二极管是泵浦源。
优选地，所述会聚透镜用于泵浦激光和激光晶体上光束截面的模式耦合。
优选地，所述泵浦激光二极管波长是980纳米，输出激光的波长是1030纳米。
优选地，所述激光晶体是Yb:KYW。
本发明的飞秒激光器在飞秒激光振荡器中使用啁啾镜和棱镜对，在振荡器里通过调整棱镜对的相对位置就可以连续改变激光脉宽，而且由于激光束在振荡器里往返多次才会形成激光输出并且在往返中激光束的质量会自行调整，所以输出激光束的质量不会受到激光脉宽改变的影响，这样的激光束经过啁啾脉冲放大系统，可以实现最终输出激光脉宽变化而光束质量不变化。采用该振荡器的啁啾脉冲放大飞秒激光器可以实现激光脉宽的连续可调和光束质量的稳定。
本发明的另一个方面提供了上述飞秒激光器作为激光诱导等离子体光谱分析设备(LIBS)光源用于钢铁样品成分检测，尤其对钢铁样品成分的实时在线检测的用途。
本发明的再一个方面提供了上述飞秒激光器用于激光眼科手术，尤其飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术的用途。
发明的有益效果
本发明的益处在于可以实现一款激光脉宽从200飞秒到1000飞秒连续变化的激光诱导等离子体光谱分析设备的光源，从而为系统的分析激光诱导光源脉宽变化对产生激光诱导等离子体效果的影响打下良好的基础。本发明的益处还在于可以实现一款激光脉宽从200飞秒到1000飞秒连续变化的新的飞秒激光眼科手术用飞秒激光器的光源，从而可以实现在飞秒激光烧蚀角膜过程中激光脉宽随激光在角膜中位置变化而变化以利于得到最好的激光烧蚀效果。能产生这样益处的原因就在于把啁啾镜和棱镜对同时应用于飞秒激光振荡器，通过调节棱镜对的相对位置就可以调整啁啾数值来实现激光脉宽从200飞秒到1000飞秒的连续变化，从而实现一款激光脉宽从200飞秒到1000飞秒可以连续变化的激光诱导等离子体光谱分析设备的光源和实现一款激光脉宽从200飞秒到100飞秒可以连续变化的眼科手术用飞秒激光系统的光源。
附图说明
图1是本发明激光系统的结构示意图。
1为泵浦激光二极管；
2为会聚透镜；
3为激光晶体；
4为啁啾镜；
5为棱镜；
6为端面镜；
7为半导体可饱和吸收镜。
图2是本发明一个实施例的测量结果图，显示了随着棱镜对位置的相对变化，最终从振荡器输出的飞秒激光脉宽从200飞秒变到1000飞秒，图中激光脉冲宽的单位是飞秒。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施方式来说明本发明，本领域技术人员能够领会，该说明仅用于示例的目的，不构成对本发明范围的任何限制。
如图1所示，本发明涉及一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器，其包括在激光输出路径依次设置的泵浦激光二极管1、会聚透镜2、激光晶体3、啁啾镜4、半导体可饱和吸收镜7、棱镜5、端面镜6，其中棱镜5为放置在电动平移台上能调整相对位置的棱镜对，其中飞秒激光振荡器的激光腔中同时包括用于色散补偿的一个啁啾镜4和一对棱镜5。
棱镜对包括第一棱镜和第二棱镜，其相对位置的调整范围以输出激光不受影响为边界，也就是说在调整棱镜对相对位置时要通过自相关仪同时监测输出激光的脉宽，同时微调棱镜的位置，可以前后左右调整，要保证可以看到自相关仪上有激光脉宽的波形，不能出现自相关仪上激光波形丢失的情况。
本发明在飞秒激光振荡器的激光腔里通过调整棱镜对的相对位置就可以连续改变激光脉宽，而且由于激光束在振荡器里往返多次才会形成激光输出并且在往返中激光束的质量会自行调整，所以输出激光束的质量不会受到激光脉宽改变的影响，这样的激光束经过啁啾脉冲放大系统，可以实现最终输出激光脉宽从200飞秒到1000飞秒的变化而光束质量不变化，从而实现激光脉宽的连续可调和光束质量的稳定。更进一步的，本发明可以用于任何合适的飞秒激光器，只要泵浦激光二极管和激光晶体相匹配就可以得到相应的激光输出波长。
本发明的飞秒激光器可以用于钢铁样品成分检测，尤其对钢铁样品成分的实时在线检测的用途。由于本发明的飞秒激光器可以实现最终输出激光脉宽从200飞秒到1000飞秒的连续变化而光束质量不变化，从而系统的分析激光诱导光源脉宽变化对产生激光诱导等离子体效果的影响，用于钢水样品测量，可以得到更强的光谱信号，实现更精确的测量。
另外，本发明的飞秒激光器可以用于激光眼科手术，尤其飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术的用途。
本发明的飞秒激光器可以作为一款激光脉宽从200飞秒到1000飞秒连续变化的新的飞秒激光眼科手术用飞秒激光器的光源，从而可以实现在飞秒激光烧蚀角膜过程中激光脉宽随激光在角膜中位置变化而变化以利于得到最好的激光烧蚀效果。能产生这样益处的原因就在于把啁啾镜和棱镜对同时应用于飞秒激光振荡器，通过调节棱镜对的相对位置就可以调整啁啾数值来实现激光脉宽从200飞秒到1000飞秒连续变化，从而实现一款激光脉宽从200飞秒到100飞秒可以连续变化的眼科手术用飞秒激光系统的光源。
飞秒激光眼科手术在临床应用中包括飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术。为了取得最好的手术效果，手术中使用的飞秒激光脉冲能量需要尽可能的接近而略高于角膜激光切削阈值。不论是在飞秒激光角膜移植手术还是在飞秒激光原位角膜磨镶术中，都需要飞秒激光对角膜不同深度进行烧蚀。在飞秒激光角膜移植手术中，飞秒激光需要从下到上贯穿角膜进行烧蚀，在飞秒激光原位角膜磨镶术中，开角膜瓣的飞秒激光也需要从角膜内部从表面算起100到120微米处至角膜表面进行烧蚀。角膜对飞秒激光烧蚀的阈值随深度不同而变化，而且角膜的飞秒激光烧蚀阈值直接和激光脉宽相关，因此精确的实时调整飞秒激光脉宽对于手术应用就具有非常迫切的应用需求。而现阶段临床应用的飞秒激光器在手术中激光脉宽都是固定值，在不同角膜深度作用的激光脉宽都是同一值，这样无法保证在不同角膜深度都取得最好的激光烧蚀效果，如果激光脉宽能随激光在角膜内作用深度的变化而变化，可以取得更好的手术效果。
发明人根据本发明搭建了实验装置进行了实验验证，实验验证结果如图2所示，显示了随着棱镜对位置的相对变化，最终从振荡器输出的飞秒激光脉宽从200飞秒变到1000飞秒，图中激光脉冲宽的单位是飞秒。

Claims (10)

1.一种可方便调节激光脉宽的飞秒激光器，其包括在激光输出路径依次设置的泵浦激光二极管、会聚透镜、激光晶体、啁啾镜、半导体可饱和吸收镜、棱镜、端面镜，其中棱镜为放置在电动平移台上能调整相对位置的棱镜对，其中飞秒激光振荡器的激光腔中同时包括用于色散补偿的一个啁啾镜和一对棱镜对；
棱镜对包括第一棱镜和第二棱镜，其相对位置的调整范围以输出激光不受影响为边界。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其中，通过调节棱镜对的相对位置，从而调整啁啾数值来实现激光脉宽从200飞秒到1000飞秒的连续变化。
3.根据权利要求1或2所述的飞秒激光器，其中，所述飞秒激光器为端面泵浦的全固态飞秒激光器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的飞秒激光器，其中，所述激光晶体本身的一个平面为激光腔的一个端面，另一端面为端面镜，优选的，所述端面镜是透过率为5％的端面输出镜。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的飞秒激光器，其中，所述半导体可饱和吸收镜用来产生飞秒光信号。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的飞秒激光器，其中，所述啁啾镜用于色散补偿，和/或，所述泵浦激光二极管是泵浦源。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的飞秒激光器，其中，所述会聚透镜用于泵浦激光和激光晶体上光束截面的模式耦合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的飞秒激光器，其中，所述泵浦激光二极管波长是980纳米，输出激光的波长是1030纳米；和/或
所述激光晶体是Yb:KYW。
9.权利要求1-8的任一项所述的飞秒激光器作为激光诱导等离子体光谱分析设备(LIBS)光源用于钢铁样品成分检测，尤其对钢铁样品成分的实时在线检测的用途。
10.根据权利要求1-8的任一项所述的飞秒激光器用于激光眼科手术，尤其飞秒激光角膜移植手术和飞秒激光原位角膜磨镶术的用途。
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