CN109381292A - 激光光束耦合输出装置和耦合输出方法 - Google Patents

激光光束耦合输出装置和耦合输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光光束耦合技术领域，特别涉及激光光束耦合输出装置和多波长多光束激光的耦合输出方法。所述激光光束耦合输出装置包括：激光发射装置、巩膜镜片、光闸和光纤耦合器模组，所述激光发射装置用于发出多束不同波长的激光并使多束激光汇聚为一条光束，所述光闸设置在巩膜镜片和光纤耦合器模组之间，所述光纤耦合器模组用于对来自所述光闸的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束。本发明提供的激光光束耦合输出装置能够对多束不同波长的激光进行耦合，形成一束含有多种波长的激光的激光束，缩小了输出光斑的束腰直径，实现了多种不同波长的激光在单光纤中同轴输出。

Description

激光光束耦合输出装置和耦合输出方法
技术领域
本发明涉及激光光束耦合技术领域，特别涉及激光光束耦合输出装置和耦合输出方法。
背景技术
激光是一种方向性强、单色性能好和能高度集中的相干光束，利用透镜能聚焦成非常小的光点，在光点上起能量密度非常高，并且能够在几个微秒或几个毫秒内发生作用，激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米，因而在治疗时可以精确地选择病变部位。激光手术具有术中出血少，细菌感染低等优点。激光技术与在现代医学中的作用越来越重要，能够治疗内科、外壳、眼科、皮肤科、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。
目前，随着激光手术类临床应用的不断扩展和深入，就有了对激光多种波长的灵活切换、工作光斑连续可调的要求。但是在实际应用中，对于多种波长的光束的应用主要有两种：一种是采用各种不同波长的独立输出，手动更换输出开口的方式，此方式不能满足组合输出的要求，并且单波长手动更换输出口也十分繁琐；另一种方式是合束，将多根小芯径捆绑进入到一根大芯径的光纤里实现合束，使得输出光斑变大。但是，不同的波长的激光的光斑不能同轴，不能满足高精确度手术的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光光束耦合输出装置和耦合输出方法，该装置能够将多束不同波长的激光光束进行同轴耦合，实现多种波长光束自由切换以及光斑连续可调的要求。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种激光光束耦合输出装置，该装置包括：激光发射装置、巩膜镜片、光闸和光纤耦合器模组，所述激光发射装置用于发出多束不同波长的激光并使多束激光汇聚为一条光束，所述巩膜镜片用于矫正汇聚的光束的平行度，所述光闸设置在巩膜镜片和光纤耦合器模组之间，来自所述巩膜镜片的光束通过所述光闸进入所述光纤耦合器模组，所述光纤耦合器模组用于对来自所述光闸的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束。
优选的，所述激光发射装置包括指示激光发射单元和至少两个工作激光发射单元，通过所述指示激光发射单元发出指示光并确定汇聚的光束的光路，通过所述至少两个工作激光发射单元发出不同波长的激光，并与所述指示光汇聚为一条光束。
优选的，所述指示激光单元包括指示激光光源和用于光束发射角调节的第一准直镜片。
优选的，每个所述工作激光发射单元包括工作激光光源、用于光束发射角调节的第二准直镜片以及相应的增透-反射镜片，所述增透-反射镜片包括正面镀膜和背面镀膜，在每个工作激光发射单元中，来自所述第二准直镜片的激光通过增透-反射镜片的正面镀膜进行反射，来自其他激光发射单元的激光从所述增透-反射镜片的背面镀膜透过。
优选的，所述工作激光发射单元的个数为n，且沿着光路方向上依次设置，其中，第1个工作激光发射单元包括激光光源LD1、准直镜片C1和增透-反射镜片M1，第2个工作激光发射单元包括激光光源LD2、准直镜片C2和增透-反射镜片M2，第n个工作激光发射单元包括激光光源LDn、准直镜片Cn和增透-反射镜片Mn，所述激光光源LD1、LD2、……LDn发出的激光分别通过准直镜片C1、C2、……Cn进行准直，准直后的激光分别通过增透-反射镜片M1、M2、……Mn的正面进行反射，来自所述指示激光单元的激光透过所述增透-反射镜片M1并与通过所述增透-反射镜片M1反射出的激光汇聚为一束光束L1，光束L1再透过所述增透-反射镜片M2并与通过所述增透-反射镜片M2反射出的激光汇聚为一束光束L2，光束L2再透过后续的增透-反射镜片并与通过后续增透-反射镜片反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束Ln，光束Ln射向后续的巩膜镜片，其中，n为3-10。
优选的，在每个所述工作激光发射单元中，来自所述第二准直镜片的激光以30-60°角进入到所述增透-反射镜片，优选以45°角进入到所述增透-反射镜片。
优选地，所述增透-反射镜片的正面镀膜对正面射入的激光全反射。
优选的，所述巩膜镜片为至少2片，且这些巩膜镜片的中心孔位置以及中心孔尺寸均一致。
优选的，激光光源的输出光斑的束腰直径≤0.17mm，光束发散度<20mrad。
优选的，准直镜片的输出参数满足：输出光斑的束腰直径≤1.8mm，光束发散度≤1.4mrad。
优选的，所述装置还包括输出光纤，所述输出光纤用于输出来自所述光纤耦合器模组的含有多种波长的光束。
优选地，所述输出光纤为单50μm以上芯径光纤，优选为单50-100μm芯径光纤。
本发明另一方面还提供一种激光光束的耦合输出方法，该方法包括以下步骤：
指示激光发射单元发射出指示光并确定光路方向；
多个工作激光发射单元分别发出多束不同波长的激光，并使该多束不同波长的激光与指示光汇聚为一条光束；
通过至少两个巩膜镜片矫正汇聚的光束的平行度；
使来自所述巩膜镜片的光束通过光闸进入光纤耦合器模组，通过所述光纤耦合器模组对来自所述光闸的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束；以及通过单50μm以上芯径的输出光纤输出所述含有多种波长的光束。
通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的激光光束耦合输出装置能够对多束不同波长的激光进行耦合，形成一束含有多种波长的激光的激光束，缩小了输出光斑的束腰直径，并且实现了多种不同波长的激光在单光纤(特别是小芯径50um光纤)中同轴输出，满足手术的精确要求；同时还能够实现光斑尺寸的连续可调，满足多种临床的多种应用。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的激光光束耦合输出装置的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式的激光光束耦合输出装置的工作激光发射单元的结构示意图；
图3是根据本发明一种实施方式的三种不同波长的激光光束耦合输出装置的结构示意图；
图4是根据本发明一种实施方式的四种不同波长的激光光束耦合输出装置的结构示意图；
图5是根据本发明一种实施方式的光纤耦合器模组的爆炸结构示意图。
附图标记说明
1 激光发射装置 11 指示激光发射单元
111 指示激光光源 112 第一准直镜片
12 工作激光发射单元 121 工作激光光源
122 第二准直镜片 123 增透-反射镜片
2 巩膜镜片 3 光闸
4 光纤耦合器模组 5 输出光纤
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
图1示出了根据本发明一种实施方式的激光光束耦合输出装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种激光光束耦合输出装置，该装置包括：激光发射装置1、巩膜镜片2、光闸3和光纤耦合器模组4，所述激光发射装置1用于发出多束不同波长的激光并使多束激光汇聚为一条光束，所述巩膜镜片2用于矫正汇聚的光束的平行度，所述光闸3设置在巩膜镜片2和光纤耦合器模组4之间，来自所述巩膜镜片2的光束通过所述光闸3进入所述光纤耦合器模组4，所述光纤耦合器模组4用于对来自所述光闸3的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述激光发射装置1包括指示激光发射单元11和至少两个工作激光发射单元12，通过所述指示激光发射单元11发出指示光并确定汇聚的光束的光路，通过所述至少两个工作激光发射单元12发出不同波长的激光，并与所述指示光汇聚为一条光束。
进一步优选的，所述指示激光单元11包括指示激光光源111和用于光束发射角调节的第一准直镜片112，通过指示激光光源111发射出激光光束，接着第一准直镜片112对该激光光束进行准直，调节其发射角，形成指定光路。
图2是根据本发明一种实施方式的激光光束耦合输出装置的工作激光发射单元的结构示意图。如图2所示，每个所述工作激光发射单元12包括工作激光光源121、用于光束发射角调节的第二准直镜片122以及相应的增透-反射镜片123，所述增透-反射镜片123包括正面镀膜和背面镀膜，在每个工作激光发射单元中，来自所述第二准直镜片122的激光通过增透-反射镜片123的正面镀膜进行反射，来自其他激光发射单元的激光从所述增透-反射镜片123的背面镀膜透过。
优选地，所述工作激光发射单元12的个数为n，且沿着光路方向上依次设置，其中，第1个工作激光发射单元包括激光光源LD1、准直镜片C1和增透-反射镜片M1，第2个工作激光发射单元包括激光光源LD2、准直镜片C2和增透-反射镜片M2，第n个工作激光发射单元包括激光光源LDn、准直镜片Cn和增透-反射镜片Mn，所述激光光源LD1、LD2、……LDn发出的激光分别通过准直镜片C1、C2、……Cn进行准直，准直后的激光分别通过增透-反射镜片M1、M2、……Mn的正面进行反射，来自所述指示激光单元(11)的激光透过所述增透-反射镜片M1并与通过所述增透-反射镜片M1反射出的激光汇聚为一束光束L1，光束L1再透过所述增透-反射镜片M2并与通过所述增透-反射镜片M2反射出的激光汇聚为一束光束L2，光束L2再透过后续的增透-反射镜片并与通过后续增透-反射镜片反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束Ln，光束Ln射向后续的巩膜镜片2，其中，n为3-10。
优选地，在每个所述工作激光发射单元12中，来自所述第二准直镜片122的激光以一定的入射角度进入到所述增透-反射镜片123，本发明对入射角度的度数没有特殊的要求，只要能够对工作激光发射单元12发射出的激光进行反射，并且反射后的光束能够与透过所述增透-反射镜片的光束汇聚成一束光束即可，例如所述入射角的度数范围可以为30-60°，优选为45°。
优选地，所述增透-反射镜片123的正面镀膜对正面射入的激光全反射，例如，增透-反射镜片M1的正面镀膜对激光光源LD1发射出的激光全反射；增透-反射镜片M2的正面镀膜对激光光源LD2发射出的激光全反射；增透-反射镜片M3的正面镀膜对激光光源LD3发射出的激光全反射；增透-反射镜片Mn的正面镀膜对激光光源LDn发射出的激光全反射。
本发明中，巩膜镜片2用于矫正汇聚的光束的平行度，优选的，所述巩膜镜片2为至少2片(例如可以为3片、4片或者更多)，且这些巩膜镜片的中心孔位置以及中心孔尺寸均一致。
对于激光，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。表征激光光束光斑大小的主要参数是束腰直径和光束发散度。束腰直径是指激光光束最小有效直径，是指以高斯光束的束腰横截面考察，以最大振幅处为原点，振幅下降到原点处的1/e倍的地方形成的圆的直径，也就是光斑在此横截面的直径。高斯光束的传输特性，是在远处沿传播方向成特定角度扩散，该角度即是光束的远场发散角，也就是一对渐近线的夹角，它与波长成正比，与其束腰直径成反比，故而，束腰直径越小，光斑发散越快；束腰直径越大，光斑发散越慢。优选的，所述指示激光光源111的输出光斑的束腰直径≤0.17mm，光束发散度<20mrad。所述工作激光光源121的输出光斑的束腰直径≤0.17mm，光束发散度<20mrad。
准直镜片用于激光光束的准直，矫正激光光束的平行度，优选的，第一准直镜片112的输出参数满足：输出光斑的束腰直径≤1.8mm，光束发散度≤1.4mrad。第二准直镜片122的输出参数满足：输出光斑的束腰直径≤1.8mm，光束发散度≤1.4mrad。
优选地，所述装置还包括输出光纤5，所述输出光纤5用于输出来自所述光纤耦合器模组4的含有多种波长的光束。所述输出光纤5的芯径可以根据经光纤耦合器模组4耦合的含有多种波长的光束的光斑尺寸进行调整，优选地，所述输出光纤为单50μm以上芯径光纤。输出光纤的芯径越大越容易实现，在本发明所述的激光光束耦合输出装置中，所述输出光纤的芯径最小可以达到50μm。在具体的实施方式中，所述输出光纤的芯径可以为50-1000μm。
本发明另一方面还提供一种多波长多光束激光的耦合输出方法，该方法包括以下步骤：
指示激光光源发射出指示光并确定光路方向；
多个工作激光发射单元分别发出多束不同波长的激光，并使该多束不同波长的激光与指示光汇聚为一条光束；
通过至少两个巩膜镜片矫正汇聚的光束的平行度；
使来自所述巩膜镜片的光束通过光闸进入光纤耦合器模组，通过所述光纤耦合器模组对来自所述光闸的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束；以及
通过单50μm以上(如50-1000μm)芯径的输出光纤输出所述含有多种波长的光束。
图3是根据本发明一种实施方式的三种不同波长的激光光束耦合输出装置的结构示意图；如图3所示，在本发明的一个的实施方式中，所述激光光束耦合输出装置沿光路方向包括：指示激光发射单元11、三个工作激光发射单元12(三个工作激光发射单元沿着光路方向依次设置)、两个巩膜镜片2、光闸3、光纤耦合器模组4和输出光纤5。其中，第1个工作激光发射单元包括激光光源LD1、准直镜片C1和增透-反射镜片M1，第2个工作激光发射单元包括激光光源LD2、准直镜片C2和增透-反射镜片M2，第3个工作激光发射单元包括激光光源LD3、准直镜片C3和增透-反射镜片M3。
采用上述装置进行多波长多光束激光的耦合输出方法为：
指示激光光源LD0发射出指示光束L0，准直镜C0对指示光束L0进行准直并确定指示光束L0的光路方向；
所述激光光源LD1、LD2、LD3发出的多束不同波长的激光分别通过准直镜片C1、C2、C3进行准直，准直后的激光分别通过增透-反射镜片M1、M2、M3的正面进行反射(反射角度为45°)，指示光束L0与通过所述增透-反射镜片M1反射出的激光汇聚为一束光束L1，光束L1再透过所述增透-反射镜片M2并与通过所述增透-反射镜片M2反射出的激光汇聚为一束光束L2，光束L2再透过后续的增透-反射镜片M3并与通过后续增透-反射镜片M3反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束L3，光束L3射向后续的巩膜镜片2，进行平行度的矫正，矫正后的平行光束L3由巩膜镜片2射出，通过光闸3后进入光纤耦合器模组4，纤耦合器模组4对平行光束L3进行波长耦合形成一束含有3种波长的光束L4，L4由输出光纤5(SAM905，芯径为50μm)输出，其中，L4的束腰直径<1.8mm。
图4是根据本发明一种实施方式的四种不同波长的激光光束耦合输出装置的结构示意图；如图4所示，在本发明的另一个的实施方式中，所述激光光束耦合输出装置沿光路方向包括：指示激光发射单元11、四个工作激光发射单元12(三个工作激光发射单元沿着光路方向依次设置)、两个巩膜镜片2、光闸3、光纤耦合器模组4和输出光纤5。其中，第1个工作激光发射单元包括激光光源LD1、准直镜片C1和增透-反射镜片M1，第2个工作激光发射单元包括激光光源LD2、准直镜片C2和增透-反射镜片M2，第3个工作激光发射单元包括激光光源LD3、准直镜片C3和增透-反射镜片M3，第4个工作激光发射单元包括激光光源LD4、准直镜片C4和增透-反射镜片M4。
采用上述装置进行多波长多光束激光的耦合输出方法为：
首先，指示激光光源LD0发射出指示光束L0，准直镜C0对指示光束L0进行准直并确定指示光束L0的光路方向；
所述激光光源LD1、LD2、LD3、LD4发出的多束不同波长的激光分别通过准直镜片C1、C2、C3、C4进行准直，准直后的激光分别通过增透-反射镜片M1、M2、M3、M4的正面进行反射(反射角度为45°)，指示光束L0与通过所述增透-反射镜片M1反射出的激光汇聚为一束光束L1，光束L1再透过所述增透-反射镜片M2并与通过所述增透-反射镜片M2反射出的激光汇聚为一束光束L2，光束L2再透过后续的增透-反射镜片M3并与通过后续增透-反射镜片M3反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束L3，光束L3再透过后续的增透-反射镜片M4并与通过后续增透-反射镜片M4反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束L4，光束L4射向后续的巩膜镜片2，进行平行度的矫正，矫正后的平行光束L4由巩膜镜片2射出，通过光闸3后进入光纤耦合器模组4，纤耦合器模组4对平行光束L4进行波长耦合形成一束含有4种波长的光束L5，L5由输出光纤5(SAM905，芯径为50μm)输出，其中，L5的束腰直径≤50μm。
在本发明中，对所述光纤耦合器模组4的结构没有特殊的限定，只要能够实现多种不同波长的光束的耦合即可。根据本发明一种优选实施方式，所述光纤耦合器模组的结构如图5所示(爆炸结构示意图)，具体地，所述光纤耦合器模组包括接口主体、磁透镜单元、倾斜片、光纤连接器口、夹板片、自由度调整螺钉和固定螺钉。在具体的实施方式中，本发明采用THORLAS公司的型号为PAF-SMA-11-A的光纤耦合器。
本发明对光纤耦合器的参数没有特殊的要求，只要能够实现多种不同波长的光束的耦合即可，优选条件下，本发明采用的光纤耦合器的参数设置如表1所示。
表1
本发明提供的激光光束耦合输出装置能够对多束不同波长的激光进行耦合，形成一束含有多种波长的激光的激光束，缩小了输出光斑的束腰直径，并且实现了多种不同波长的激光在单光纤中同轴输出，满足手术的精确要求；同时还能够实现光斑尺寸的连续可调，满足多种临床的多种应用，例如可用于眼科类激光手术、面部激光手术。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光光束耦合输出装置，其特征在于，该装置包括：激光发射装置(1)、巩膜镜片(2)、光闸(3)和光纤耦合器模组(4)，所述激光发射装置(1)用于发出多束不同波长的激光并使多束激光汇聚为一条光束，所述巩膜镜片(2)用于矫正汇聚的光束的平行度，所述光闸(3)设置在巩膜镜片(2)和光纤耦合器模组(4)之间，来自所述巩膜镜片(2)的光束通过所述光闸(3)进入所述光纤耦合器模组(4)，所述光纤耦合器模组(4)用于对来自所述光闸(3)的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发射装置(1)包括指示激光发射单元(11)和至少两个工作激光发射单元(12)，通过所述指示激光发射单元(11)发出指示光并确定汇聚的光束的光路，通过所述至少两个工作激光发射单元(12)发出不同波长的激光，并与所述指示光汇聚为一条光束。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述指示激光单元(11)包括指示激光光源(111)和用于光束发射角调节的第一准直镜片(112)。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个所述工作激光发射单元(12)包括工作激光光源(121)、用于光束发射角调节的第二准直镜片(122)以及相应的增透-反射镜片(123)，所述增透-反射镜片(123)包括正面镀膜和背面镀膜，在每个工作激光发射单元中，来自所述第二准直镜片(122)的激光通过增透-反射镜片(123)的正面镀膜进行反射，来自其他激光发射单元的激光从所述增透-反射镜片(123)的背面镀膜透过。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述工作激光发射单元(12)的个数为n，且沿着光路方向上依次设置，其中，第1个工作激光发射单元包括激光光源LD1、准直镜片C1和增透-反射镜片M1，第2个工作激光发射单元包括激光光源LD2、准直镜片C2和增透-反射镜片M2，第n个工作激光发射单元包括激光光源LDn、准直镜片Cn和增透-反射镜片Mn，所述激光光源LD1、LD2、……LDn发出的激光分别通过准直镜片C1、C2、……Cn进行准直，准直后的激光分别通过增透-反射镜片M1、M2、……Mn的正面进行反射，来自所述指示激光单元(11)的激光透过所述增透-反射镜片M1并与通过所述增透-反射镜片M1反射出的激光汇聚为一束光束L1，光束L1再透过所述增透-反射镜片M2并与通过所述增透-反射镜片M2反射出的激光汇聚为一束光束L2，光束L2再透过后续的增透-反射镜片并与通过后续增透-反射镜片反射出的激光汇聚为一束光束，直至汇聚形成光束Ln，光束Ln射向后续的巩膜镜片(2)，其中，n为3-10。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，在每个所述工作激光发射单元(12)中，来自所述第二准直镜片(122)的激光以30-60°角进入到所述增透-反射镜片(123)，优选以45°角进入到所述增透-反射镜片(123)；
优选地，所述增透-反射镜片(123)的正面镀膜对正面射入的激光全反射。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述巩膜镜片(2)为至少2片，且这些巩膜镜片的中心孔位置以及中心孔尺寸均一致。
8.根据权利要求3-5中任意一项所述的装置，其特征在于，激光光源的输出光斑的束腰直径≤0.17mm，光束发散度<20mrad；和/或
准直镜片的输出参数满足：输出光斑的束腰直径≤1.8mm，光束发散度≤1.4mrad。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括输出光纤(5)，所述输出光纤(5)用于输出来自所述光纤耦合器模组(4)的含有多种波长的光束；
优选地，所述输出光纤为单50μm以上芯径光纤。
10.一种激光光束的耦合输出方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
指示激光发射单元发射出指示光并确定光路方向；
多个工作激光发射单元分别发出多束不同波长的激光，并使该多束不同波长的激光与指示光汇聚为一条光束；
通过至少两个巩膜镜片矫正汇聚的光束的平行度；
使来自所述巩膜镜片的光束通过光闸进入光纤耦合器模组，通过所述光纤耦合器模组对来自所述光闸的光束进行波长耦合以形成一束含有多种波长的光束；以及
通过单50μm以上芯径的输出光纤输出所述含有多种波长的光束。
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