CN109950781A - 1940nm掺铥全光纤激光器及基于该激光器的医疗装置 - Google Patents

Abstract

1940nm掺铥全光纤激光器及基于该激光器的医疗装置，涉及光纤医疗技术领域，为解决现有装置2μm波长效果差、输出功率低、体积大、稳定性差及散热性不佳的问题，激光器包括半导体激光器、合束器、高反光栅、两段掺铥光纤、低反光栅、反向合束器、反向泵浦激光器、包层光剥离器、第一光纤输出头、光纤水冷盘和冷媒制冷设备，通过良好的制冷散热结构与高质量的光纤熔接技术，达到了300W的高功率激光输出；医疗装置包括上述激光器，还包括驱动设备、电源转换模块、第二光纤输出头、光纤耦合连接装置和医疗光纤，激光器与医疗光纤之间采用直接耦合方式，达到较高的耦合效率；本发明用于医疗中进行碎石和切割组织。

Description

1940nm掺铥全光纤激光器及基于该激光器的医疗装置

技术领域

本发明涉及光纤医疗技术领域，特别是涉及激光切割及碎石技术。

背景技术

2μm波长的激光在国防、医疗及生物学研究等领域有着广泛的应用，在激光切割及碎石领域地位。

中国发明专利CN109259859A于2019年01月25日公开了基于全光纤2μm波长激光器的治疗设备，治疗设备包括控制箱、冷却系统、全光纤2μm波长激光器和光耦合，所述冷却系统由冷水机和冷却水路组成，控制箱的输出端分别连接冷却系统的冷水机和全光纤2μm波长激光器的激光产生器；该发明通过全光纤2μm波长激光器连续输出波长约为2μm的铥激光进行组织切割；

该装置具有如下缺陷：1.2μm波长人体吸收不好；2.采用直接方式泵浦，光的转换效率低；3.输出耦合为透镜耦合，结构复杂不便于移动和操作，且耦合效率低；4.运行为一种模式，具有局限性；5.冷却系统为水冷系统，散热不佳；6.输出功率为5W～150W，输出功率低；7.全光纤2μm波长激光器没有固定装置，稍有其它应力就会损坏光纤，装置连接不稳定，移动不方便；

中国实用新型专利CN207545202U于2018年06月29日公开了同时具备体内碎石和软组织切除的2微米激光医疗装置，装置包括：高平均功率和大能量双模式运转的2微米激光源、控制及显示器、光开关和内窥镜，所述高平均功率和大能量双模式运转的2微米激光源包括：光学谐振腔、驱动电源、控制电路、位于光学谐振腔内的半导体激光器、掺铥离子激光晶体和温度自动精密调控与匹配水冷器。

该装置具有如下缺陷：1.2μm波长人体吸收不好；2.装置采用固体激光器，固体激光器体积大稳定性较差，同时固体激光器不仅波长不是最好的水吸收峰，且在经过一段时间使用后，镜片位置的改变都会影响输出效果，使得装置的耐性用低；3.冷却系统为水冷系统，散热不佳；固体激光器可得到2μm的大能量脉冲，但固体激光的体积和稳定性一直是激光领域难以攻克的课题，所以该项技术在医疗领域推进缓慢；

但2μm的波长不是最好的水吸收峰，在手术过程中作用时间长，因此造成不仅医疗的目标位置得到激光的作用，附近的其它组织也容易造成激光的伤害；

而1940nm波长较2μm波长具有如下优势：

1940nm波长恰好位于人体水吸收峰上，如图5所示，从图可以看出1940nm波长在水吸收能力上较2μm波长要更强，这一优点使得组织切割精准，且同时不会对其它组织产生伤害；

1940nm波长在组织中穿透深度较浅，如图6所示，2μm波长的穿透深0.4mm左右，而1940nm波长穿透深度仅0.1mm-0.2mm，这一优势使得用于医疗中造成的创伤小，对人体伤害低；

然而目前医疗用1940nm激光器无法解决高平均功率与脉冲大能量的技术壁垒，造成基本没有1940nm波长的激光器在激光切割及碎石等医疗领域有所应用。

因此现有的激光医疗切割及碎石设备存在如下问题：

1、多为2μm波长，2μm波长人体吸收效果不佳；

2、输出功率低，现有医疗装置最高输出功率仅为150W；

3、装置包含组合透镜，导致装置连接不稳定；

4、装置体积大，稳定性较差，耐用性低；

5、散热性不佳。

发明内容

本发明旨在解决现有用于医疗切割及碎石的激光器几乎均为2μm波长，但2μm波长人体吸收效果不佳，容易对其它组织产生伤害；输出功率低；装置由于包含各种透镜组合导致装置连接不稳定；装置体积大、稳定性差，耐用性低以及现有装置散热性不佳的问题。

为解决上述问题，技术方案如下：

本发明提供了1940nm掺铥全光纤激光器，包括半导体激光器3-1、合束器3-2、高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2、低反光栅3-5、反向合束器3-6、反向泵浦激光器3-7、包层光剥离器3-8、第一光纤输出头、光纤水冷盘2和冷媒制冷设备，

半导体激光器3-1的中心波长为790±3nm，

半导体激光器3-1的出射光经合束器3-2入射至高反光栅3-3中，

高反光栅3-3为1.94μm高反光栅，

高反光栅3-3的出射光经第一掺铥光纤3-4-1入射至低反光栅3-5中，

低反光栅3-5为1.94μm低反光栅；

低反光栅3-5的出射光经第二掺铥光纤3-4-2入射至反向合束器3-6中，

高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2和低反光栅3-5组成谐振腔，

反向泵浦激光器3-7为谐振腔提供激励能源，反向泵浦激光器3-7的中心波长为790±3nm，

反向泵浦激光器3-7的出射光经反向合束器3-6入射至谐振腔中，

谐振腔的出射光通过反向合束器3-6入射至包层光剥离器3-8中，

包层光剥离器3-8的出射光经无源光纤出射，无源光纤的光出射端固定于第一光纤输出头内；

光纤水冷盘2用于为第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2散热，

冷媒制冷设备用于为光纤水冷盘2、合束器3-2、高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2、低反光栅3-5、反向合束器3-6、半导体激光器3-1和反向泵浦激光器3-7散热。

基于1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，包括驱动设备、电源转换模块、第二光纤输出头、光纤耦合连接装置4和医疗光纤，

驱动设备的驱动信号输出端同时与半导体激光器3-1的驱动信号输入端和反向泵浦激光器3-7的驱动信号输入端连接，

电源转换模块的电压输入端与市电电源接通，

电源转换模块的电压输出端同时与半导体激光器3-1的电压输入端和反向泵浦激光器3-7的电压输入端连接，

医疗光纤的光入射端置于第二光纤输出头内，第二光纤输出头置于光纤耦合连接装置4的耦合端，

光纤耦合连接装置4用于将1940nm掺铥全光纤激光器3的出射光耦合进医疗光纤中。

本申请具有如下优势：

1、激光器出光的中心波长为1940nm，该波长恰好位于人体水吸收峰上，使得医疗装置切割精准，不会对其它组织产生伤害；

1940nm波长在组织中穿透深度浅，仅0.1mm-0.2mm，使得医疗装置切割创伤小，止血效果好，对人体伤害低；

2、通过本激光器的全新结构使得输出功率的最高可达300W，具有较高的输出功率；

使得医疗装置对于组织切除有作用快、手术时间短、出血风险低、手术风险低和恢复时间短的优势；且碎石效果显著提升；现有光纤碎石设备仅具有150W的输出功率，本申请功率提高一倍，手术时间减少50％；

3、医疗装置采用直接耦合的光纤系统，将激光出射光纤与进入人体的医疗光纤直接耦合，耦合效率高，实现耦合效率90％以上，体积小，便于移动和操作；

4、本申请采用冷媒制冷设备制冷，温度更稳定，体积更小，将所有需要散热的系统均被制冷管包围，良好的温度控制可以使出光更加稳定，效果更加明显；

5、本申请的泵浦光吸收效率超过96％。

附图说明

图1为1940nm掺铥全光纤激光器的原理图；

图2为基于1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置原理图；

图3为光纤耦合连接装置的结构示意图；

图4为光纤水冷盘及其局部放大结构图，其中A表示环形槽的局部放大图，B表示固定孔的局部放大图；

图5为400nm-2013nm波长激光的水吸收系数曲线图；

图6为532nm、790nm-980nm、2090nm和1940nm波长的激光在组织中穿透深度示意图；

图中：1.半导体激光器控制箱；2.光纤水冷盘；3.1940nm掺铥全光纤激光器；3-1.半导体激光器；3-2.合束器；3-3.高反光栅；3-4.掺铥光纤；3-4-1.第一掺铥光纤；3-4-2.第二掺铥光纤；3-5.低反光栅；3-6.反向合束器；3-7.反向泵浦激光器；3-8.包层光剥离器；4.光纤耦合连接装置；5.制冷压缩机。

具体实施方式

应当理解到，尽管在下文中详细的说明了本发明的实施方式的示例性实现方案，但是所公开的组成可以使用当前已知或者尚未存在的任何其它合适的技术来实现。因此，本发明绝不应当仅限于在下文中描述的示例性实施方案，而是可以在随附权利要求及其等同方案的范围内进行适当修改。现在将参照附图更加完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施方式。但是，本发明可按照更多不同的形式实现，并且不应该被理解为限制于这里阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开变得彻底和完整，并将本发明的构思完全传递给本领域技术人员。

具体实施方式一、下面结合图1和图4说明本实施方式：

本实施方式提供了1940nm掺铥全光纤激光器，包括半导体激光器3-1、合束器3-2、高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2、低反光栅3-5、反向合束器3-6、反向泵浦激光器3-7、包层光剥离器3-8、第一光纤输出头、光纤水冷盘2和冷媒制冷设备，

半导体激光器3-1的中心波长为790±3nm，

半导体激光器3-1的出射光经合束器3-2入射至高反光栅3-3中，

高反光栅3-3为1.94μm高反光栅，

高反光栅3-3的出射光经第一掺铥光纤3-4-1入射至低反光栅3-5中，

低反光栅3-5为1.94μm低反光栅；

低反光栅3-5的出射光经第二掺铥光纤3-4-2入射至反向合束器3-6中，

高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2和低反光栅3-5组成谐振腔，

反向泵浦激光器3-7为谐振腔提供激励能源，反向泵浦激光器3-7的中心波长为790±3nm，

反向泵浦激光器3-7的出射光经反向合束器3-6入射至谐振腔中，

谐振腔的出射光通过反向合束器3-6入射至包层光剥离器3-8中，

包层光剥离器3-8的出射光经无源光纤出射，无源光纤的光出射端固定于第一光纤输出头内；

光纤水冷盘2用于为第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2散热，

冷媒制冷设备用于为光纤水冷盘2、合束器3-2、高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2、低反光栅3-5、反向合束器3-6、半导体激光器3-1和反向泵浦激光器3-7散热；

高反光栅3-3对1940nm光的反射率为99％；

低反光栅3-5对1940nm光的反射率为10％；

光纤水冷盘2上表面刻有多个直径不等的环形槽，且多个环形槽同心设置，

第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2逐一均匀盘绕于环形槽内，

且环形槽内光纤不重叠，

环形槽内注满导热介质，

光纤水冷盘2下表面均匀分布有冷媒制冷设备的制冷管；

光纤水冷盘2上表面尺寸为400mm*400mm，

环形槽的槽深为1mm，槽宽为1mm，其中，槽宽为环形槽的内外径之差，

导热介质为导热硅脂；

合束器3-2、高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2、低反光栅3-5、反向合束器3-6和包层光剥离器3-8均固定于光纤水冷盘2上表面；

冷媒制冷设备为制冷压缩机5；

制冷压缩机5的制冷管为铜管；

本实施方式的冷媒制冷设备不限于制冷压缩机5，能够达到相同效果或实现相同功能的设备，均应在保护范围之内；

通过美国Vytran熔接机对激光器的各个器件进行熔接；

1940nm掺铥全光纤激光器3原理图如图1所示，将低反光栅3-5放置在两段掺铥光纤3-4即第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2之间，使得掺铥光纤3-4能够更好的吸收半导体激光器3-1发出的光，再由低反光栅3-5对光路进行微扰，使更多的半导体激光器3-1发出的光转换成1940nm的激光，出射光功率范围为5W至300W；实现96％的高效输出和目前最高的300W的1940nm激光输出；

工作过程及原理：

半导体激光器3-1通过电源供电，通过驱动设备驱动出光，驱动设备为现有技术中的激光器驱动设备，

半导体激光器3-1发出的六束光通过合束器3-2合并成一束光，

合束器3-2的出射光经过高反光栅3-3熔接进入第一掺铥光纤3-4-1中，高反光栅3-3对1940nm光的反射率为99％；

掺铥光纤3-4吸收高反光栅3-3的出射光，

第一掺铥光纤3-4-1的出射光通过低反光栅3-5，低反光栅3-5对1940nm光的反射率为10％，

低反光栅3-5的出射光经第二掺铥光纤3-4-2入射至反向合束器3-6中，高反光栅3-3和低反光栅3-5为选波长器件，

高反光栅3-3、第一掺铥光纤3-4-1、第二掺铥光纤3-4-2和低反光栅3-5组成谐振腔，

反向泵浦激光器3-7为谐振腔提供激励能源，反向泵浦激光器3-7的中心波长为790±3nm，

反向半导体激光器3-7同样通过电源供电，通过驱动设备驱动输出，反向泵浦激光器3-7的出射光经反向合束器3-6入射至谐振腔中，对激光进行放大，

谐振腔的出射光通过反向合束器3-6入射至包层光剥离器3-8滤除包层中的干扰光，

包层光剥离器3-8的出射光经无源光纤出射，无源光纤的光出射端固定于第一光纤输出头内，第一光纤输出头承载无源光纤的光出射端输出激光；

光纤水冷盘2上刻有多个不同直径用于放置掺铥光纤3-4的同心圆环状的环形槽，

两段掺铥光纤3-4盘绕置于环形槽内，

缠绕在环形槽内的掺铥光纤3-4尽量不重叠，不覆盖，重叠覆盖在激光器功率高的时候导致烧毁的概率也比较高，

其中，环形槽的形状也不固定，也可为椭圆等可实现与本实施方式相同效果的槽的形状，均应在本申请的保护范围之内；

环形槽内注满导热硅脂，导热硅脂仅为提供了一种实施方式，但不限于此，任何能够为两段掺铥光纤3-4进行导热的现有技术中的导热介质都应在本申请的保护范围之内；

光纤水冷盘2底部均匀分布有制冷压缩机5的制冷管；

光纤水冷盘2顶面横截面尺寸为400mm*400mm，环形槽的槽深为1mm，槽宽为1mm；本实施方式中给出的光纤水冷盘2的尺寸和环形槽的尺寸仅为为了说明本实施方式的实施过程和原理，其尺寸不仅限于此，能达到相同效果的尺寸或者仅对水冷盘和环形槽的形状进行了变化和加工，都应视为受本申请的启发，均应在本申请的保护范围之内；

本实施方式中制冷压缩机5的输出端为铜管，

本实施方式中的制冷压缩机5仅为本申请提供了一种实施方式，可以持续稳定的为装置制冷的现有技术中的装置均可以进行替换，采用同等效果的装置进行替换或进行较小的改动都应在本申请的保护范围之内；

制冷压缩机5通电开始工作，制冷压缩机5为半导体激光器3-1和反向泵浦激光器3-7制冷且散热，

制冷压缩机5和光纤水冷盘2为合束器3-2、高反光栅3-3、掺铥光纤3-4、低反光栅3-5、反向合束器3-6和包层光剥离器3-8这些器件制冷散热，良好的散热为高功率输出提供了有力保障，

最终得到300W的高输出功率的1940nm激光；

本实施方式的特点：

其他的光纤激光器基本上只有一段掺铥光纤3-4，本实施方式中的掺铥光纤3-4为两段即第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2，我们把半导体激光器3-1发出的光称为泵浦光，泵浦光注入掺铥光纤3-4中，泵浦光越强输出的1940nm激光越强，但是会在这个过程中产生很大的热量，这是导致光纤激光器无法达到高功率的主要原因之一；

本实施方式中的1940nm掺铥全光纤激光器3将低反光栅3-5放置在两段掺铥光纤3-4中间，掺铥光纤3-4能够更好的吸收半导体激光器3-1发出的光，经由低反光栅3-5对光路进行微扰，使更多的半导体激光器3-1发出的光转换成1940nm的激光，反向泵浦激光器3-7对1940nm激光进行放大，将很稳定的1940nm激光放大到想要的功率，利用反向半导体激光器3-7泵浦和低反光栅3-5的特殊位置，使进入谐振腔内的泵浦光在转换为1940nm激光时热量分布更均匀，相当于进入的光越高得到的激光功率越高，但是产生的热量也非常均匀，通常情况下泵浦光的吸收效率越高越好，吸收效率高，热量少，出来的激光功率高，本实施方式泵浦吸收效率达到96％；

掺铥光纤3-4在吸收790nm的半导体激光器3-1出射光的过程中会产生大量的热，光纤水冷盘2结构如图4所示，整个装置俯视图呈正方形结构，尺寸为400mm*400mm，图4中A为环形槽的局部放大效果，就是通过机械加工出很多小槽，因为决定光纤激光器所承受的功率的主要原因之一就是掺杂光纤3-4所产生的热量怎样来有效控制和散去，本实施方式中的光纤水冷盘2上的环形槽里注满导热硅脂，将掺铥光纤3-4全部盘绕于环形槽内，最好掺铥光纤3-4不要相互重叠，重叠容易在功率高时导致激光器烧毁，只要能将掺铥光纤3-4盘绕置于环形槽内，将掺铥光纤3-4的侧面的四周与导热介质接触，接触越多散热效果越好，并且放置光纤的环形槽下方正好是制冷压缩机5的制冷铜管通过的位置，导热硅脂和制冷管的共同作用使得掺铥光纤3-4得到了非常好的散热，与其他结构的光纤激光器比，出光更稳定，功率更高；图4中B为光纤盘上固定孔的局部放大图，本实施方式中给出的固定孔为螺纹孔；光纤水冷盘2上均匀的阵列了M2.5的螺纹孔，可以将1940nm光纤激光器上所有器件都固定在光纤水冷盘2上，螺纹孔使得结构简单，方便移动，其他光纤激光器虽然达到了出光的效果，但是移动困难，稍微有其他应力就会损坏光纤，所以功率很难达到更高，本实施方式中的光纤水冷盘2直接将所有光纤连接部分及掺铥光纤3-4固定，不仅方便移动，而且十分稳定，仅输入和输出的无源光纤外置，使得装置具有较高的稳定性；

光纤水冷盘2底部盘有制冷压缩机5制冷的铜管，所有的掺铥光纤3-4和需要散热的器件均由制冷压缩机5进行制冷-散热；该装置制作简单、可操作性强、对掺铥光纤3-4的散热效果良好，且由于特殊的环形槽封装技术，掺铥光纤3-4的盘绕具有很大的灵活性，通过应力将第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2盘绕在环形槽内，使得光纤在同一个圆形面上，有效控制了大模场光纤输出激光的光束质量，光纤水冷盘2的特殊封装也保证了导热硅脂的导热效果长期可靠性，使高功率光纤激光器具有较高的稳定性和可靠性；良好的散热光纤水冷盘2和制冷压缩机5的搭配使用为装置提供了优良的制冷功能，为高功率输出提供了保障；最终得到300W的高输出功率的1940nm激光；

其他结构的1940m光纤激光器由于结构和散热的限制，很难达高功率输出；

本实施方式中低反光栅3-5位置的设计、高质量的熔接和合理的散热光纤水冷盘2与冷媒制冷设备，使本实施方式中的1940nm掺铥全光纤激光器3与其他结构的光纤激光器相比，具有输出功率高、转换效率高、使用方便、能量集中，可以将半导体激光器3-1发出中心波长为790±3nm的光转换成1940nm的激光，并且热量分布均匀，具有高稳定性，低热效应，波长稳定，高转换效率，转换效率超过60％，峰值功率高等特点，使本实施方式具有5W—300W高功率输出；实现96％的高效输出和目前最高的300W的1940nm激光输出；解决了其他结构光纤激光器熔点烧毁，器件烧毁，出光功率不高，波长不稳定等问题；

若将该激光器用于医疗应用中，不需要繁琐和体积庞大的激光光源就可以获得非常高的功率和良好的碎石，切除组织的效果。

具体实施方式二、与具体实施方式一不同的是，光纤水冷盘2上表面刻有一个环形槽，

第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2均盘绕于环形槽内，

环形槽内注满导热介质，

光纤水冷盘2下表面均匀分布有冷媒制冷设备的制冷管；

其余激光器的结构与连接关系均与具体实施方式一相同，

本是实施方式仅给出一种操作和实现过程中的可能性，第一掺铥光纤3-4-1和第二掺铥光纤3-4-2共同组成掺铥光纤3-4，掺铥光纤3-4盘绕于环形槽中可以有光纤相互重叠的部分，

从散热效果来看，显然掺铥光纤3-4不重叠置于环形槽时散热效果更佳，

本实施方式仅给出一种实施的可能，掺铥光纤3-4重叠的情况下也激光器也可实现，

工作原理和过程与具体实施方式一相同，

同时环形槽的形状也不固定，也可为椭圆等，只要能将掺铥光纤3-4均匀固定，实现与本实施方式相同效果的槽的形状均应在本申请的保护范围之内。

具体实施方式三、下面结合图2和图3说明本实施方式：

本实施方式提供了基于1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，包括驱动设备、电源转换模块、第二光纤输出头、光纤耦合连接装置4和医疗光纤，

驱动设备的驱动信号输出端同时与半导体激光器3-1的驱动信号输入端和反向泵浦激光器3-7的驱动信号输入端连接，驱动设备为现有技术的激光器驱动设备，

电源转换模块的电压输入端与市电电源接通，

电源转换模块的电压输出端同时与半导体激光器3-1的电压输入端和反向泵浦激光器3-7的电压输入端连接，

医疗光纤的光入射端置于第二光纤输出头内，第二光纤输出头置于光纤耦合连接装置4的耦合端，

光纤耦合连接装置4用于将1940nm掺铥全光纤激光器3的出射光耦合进医疗光纤中；

半导体激光器3-1、反向泵浦激光器3-7、驱动设备、电源转换模块及冷媒制冷设备的制冷管同时置于半导体激光器控制箱1内；

其中，封装在半导体激光器控制箱1内冷媒制冷设备为半导体激光器3-1、反向泵浦激光器3-7、驱动设备和电源转换模块，并不是冷媒制冷设备的所有制冷管均封装在半导体激光器控制箱1内，还有一部分为1940nm掺铥全光纤激光器3，

光纤耦合连接装置4包括两组连接件，

每组连接件分别包括一个三维调整架和一个固定架，

固定架包括两块相互垂直的板，

一块板设置有沿厚度方向穿透的夹持孔，

另一块板与三维调整架的被调节端连接，

两组连接件呈镜像对称设置，两三维调整架的被调节端相邻，且两个夹持孔正对，

第一夹持孔夹持第一光纤输出头，无源光纤光出射端的光纤端面方向指向第二夹持孔，

第二夹持孔夹持第二光纤输出头，医疗光纤光入射端的光纤端面方向指向第一夹持孔，

且医疗光纤与无源光纤的两光纤端面交错相对，医疗光纤的延长线与无源光纤的延长线呈斜8°放置；

医疗光纤光入射端面和无源光纤光出射端面之间的距离为L≤0.2mm，

医疗光纤的纤芯直径为200μm，包层直径为220μm；医疗光纤的参数给出仅为提供一种是实施方式，但不限于仅为此种型号的医疗光纤，通过本装置的结构或原理实现的医疗装置均应在保护范围之内；

其中，固定架为“L”字型固定架，本实施例仅给出了“L”字型固定板的一种实施方式，任何能够达到相同效果的现有技术的替换均应在本申请的保护范围之内；

光纤耦合连接装置4给出的结构仅给出了一种实施方式，能达到相同效果的现有技术均应在本申请的保护范围之内；

本实施方式采用医疗光纤与无源光纤耦合处，医疗光纤的延长线与无源光纤的延长线呈斜8°放置，医疗光纤的光出射端面放置的原因是为了防止激光反馈，但只要保证医疗光纤和掺铥全光纤激光器3的出射光纤不正对达到防止激光反馈的目的即可，任何能够达到相同效果的光纤的位置关系，均应在本申请的保护范围之内；

医疗光纤的纤芯直径为200μm，包层直径为220μm；采用200/220μm(200/220μm为光纤技术中的常用参数表达方式，表示光纤的纤芯直径为200μm，包层直径为220μm)大数值孔径的输出，保证输出功率的稳定，每次碎石结束后会消耗2cm—3cm的光纤；

1940nm掺铥全光纤激光器3结构和优势如具体实施方式一所述，结构图如图1所示，

工作原理及过程说明：

常见的半导体激光器3-1和反向泵浦激光器3-7的中心波长在790nm附近，误差范围约为3nm，本实施方式过程中采用的中心波长为792nm或793nm；工作过程和原理均相同；

1940nm掺铥全光纤激光器3的工作原理如具体实施方式一所述；

本实施方式的医疗装置主要应用在击碎结石或切割组织中，故需将1940nm掺铥全光纤激光器3的出射光耦合进入200/220μm的医疗光纤中，通过200/220μm的医疗光纤进行碎石，其他现有医疗装置通常为透镜耦合方式，需要使用2至4个的聚焦镜才能将激光聚焦到200μm的医疗光纤里，且需要固定多个透镜，应用不方便，很容易在使用及运输中改变耦合之后的输出功率，导致装置体积大，结构复杂；

本实施方式中采用直接耦合不加入透镜的方法，通过光纤耦合连接装置4将1940nm掺铥全光纤激光器3的出射光耦合进入200/220μm的医疗光纤中，耦合装置结构如图3所示，两个SM905光纤输出头固定在“L”字型固定架上，两个光纤输出头一个为第一光纤输出头，另一个为固定医疗光纤的第二光纤输出头，无源光纤的纤芯直径为25μm，数值孔径为NA＝0.1，医疗光纤的纤芯直径为200μm，数值孔径为NA＝0.22，通过试验可知需要将两根光纤端面贴近距离L≤0.2mm时才能够完全的将1940nm的激光耦合进入医疗光纤中；通过用手调节三维调整架的旋钮，三维调整架具有三维调整的作用，即在三维调整架自身的X轴、Y轴和Z轴三个方向做出调整，分别为三维调整架的前后、左右与上下方向，使两根光纤分别沿着三维调整架的调整方向即X轴、Y轴或Z轴三个方向任意移动，将两根光纤的上下左右均对齐，但是两个光纤端面具有倾角不正对，在相距0.2mm时耦合效率达到最高，效率大于90％，无源光纤和医疗光纤的位置固定，不再移动；

位置调整好后通过医疗光纤的输出就可以进行医疗碎石或切割组织的工作；

医疗装置具有两种模式的输出，通过半导体激光控制箱1上的模式控制键选择模式，进而通过驱动设备实现对1940nm掺铥全光纤激光器3出射光的模式进行调节，分为连续和脉冲两种模式，输出的1940nm激光通过光纤耦合连接装置4进行耦合，耦合进入200/220μm的进入人体的医疗光纤，实现的耦合效率大于90％；

当医疗装置出射光的出光模式为连续光时，出光功率高达300W，重频1000HZ，对组织的切除用时短，出血少，解决了其他结构激光器的重频低，峰值功率不高的缺陷；

当医疗装置出射光的出光模式为脉冲光时，重频50HZ，可以对不同结石进行很好的击碎，与其他结构的激光器相比大大降低了热效应，降低了设备的复杂性，包括制冷设备，驱动电源，对实际应用带来了便利性；

本装置的优势及效果说明：

本实施方式的医疗装置采用全光纤化结构设计解决了稳定性和体积的问题，在医疗领域尤其是激光碎石与软组织切除方面有着跨时代的意义；

本医疗装置通过1940nm高功率连续激光对组织进行切割，由于1940nm属于水吸收波段，对于组织切除有着作用快，止血效果好等特点，同时该波段对于碎石方面也有特别的效果，对比市面大量应用的钬激光碎石有着：手术时间短、出血风险低、恢复时间短、手术风险低等优势；

所以本医疗装置切割损伤小，切割时间短，通过对半导体激光器3-1的控制实现1940nm高功率的脉冲输出实现碎石的效果，粉末化更好，时间更短，两种模式一键切换，使用方便；

其他结构的1940m光纤激光器由于结构和散热的限制，很难达到如此高的功率，

本实施方式通过全新设计激光器结构，输出功率300W的1940nm激光为首创，本实施方式将低反光栅3-5放置在两段掺铥光纤3-4中间，反向泵浦激光器3-7对1940nm激光进行放大，可以将多束半导体激光转换成1940nm的激光，实现稳定的1940nm激光输出；

通过美国Vytran熔接机对光纤激光器的各个器件进行熔接，高质量的熔接和光纤水冷盘2以及低反光栅3-5位置的设计，使本装置具有5W—300W的连续或脉冲激光输出，最大功率可达300W，结构稳定，低热效应，能量集中，波长稳定，可达到60％以上的高转换效率，使用方便，解决了其他结构光纤激光器熔点烧毁，器件烧毁，出光功率不高，波长不稳定等问题；使其在医疗应用中不需要繁琐和体积庞大的激光光源就可以获得非常高的功率和良好的碎石，切除组织的效果；

本实施方式中的医疗装置在耦合过程中可以实现直接耦合，完全不加透镜，达到90％以上的高耦合效率，与其他的耦合方式比，结构简单、体积小、便于移动和操作、减少了镜架改变对耦合的影响，维修和使用均非常方便；

本实施方式为制冷压缩机5铜管制冷，相较于水冷，温度更稳定，体积更小；本实施方式中所有需要散热的系统均被铜管包围，良好的温度控制可以使出光更加稳定，效果更加明显；并且水冷需要更换水箱，水管，在经过长时间使用后会对金属和塑料产生腐蚀，体积大且使用复杂。

因此，本发明绝不应当仅限于在上文中描述的具体实施方式，而是可以在随附权利要求及其等同方案的范围内进行适当修改；

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：包括半导体激光器(3-1)、合束器(3-2)、高反光栅(3-3)、第一掺铥光纤(3-4-1)、第二掺铥光纤(3-4-2)、低反光栅(3-5)、反向合束器(3-6)、反向泵浦激光器(3-7)、包层光剥离器(3-8)、第一光纤输出头、光纤水冷盘(2)和冷媒制冷设备，

半导体激光器(3-1)的中心波长为790±3nm，

半导体激光器(3-1)的出射光经合束器(3-2)入射至高反光栅(3-3)中，

高反光栅(3-3)为1.94μm高反光栅，

高反光栅(3-3)的出射光经第一掺铥光纤(3-4-1)入射至低反光栅(3-5)中，

低反光栅(3-5)为1.94μm低反光栅；

低反光栅(3-5)的出射光经第二掺铥光纤(3-4-2)入射至反向合束器(3-6)中，

高反光栅(3-3)、第一掺铥光纤(3-4-1)、第二掺铥光纤(3-4-2)和低反光栅(3-5)组成谐振腔，

反向泵浦激光器(3-7)为谐振腔提供激励能源，反向泵浦激光器(3-7)的中心波长为790±3nm，

反向泵浦激光器(3-7)的出射光经反向合束器(3-6)入射至谐振腔中，

谐振腔的出射光通过反向合束器(3-6)入射至包层光剥离器(3-8)中，

包层光剥离器(3-8)的出射光经无源光纤出射，无源光纤的光出射端固定于第一光纤输出头内；

光纤水冷盘(2)用于为第一掺铥光纤(3-4-1)和第二掺铥光纤(3-4-2)散热，

冷媒制冷设备用于为光纤水冷盘(2)、合束器(3-2)、高反光栅(3-3)、第一掺铥光纤(3-4-1)、第二掺铥光纤(3-4-2)、低反光栅(3-5)、反向合束器(3-6)、半导体激光器(3-1)和反向泵浦激光器(3-7)散热。

2.根据权利要求1所述的1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：光纤水冷盘(2)上表面刻有多个直径不等的环形槽，且多个环形槽同心设置，

第一掺铥光纤(3-4-1)和第二掺铥光纤(3-4-2)逐一均匀盘绕于环形槽内，

且环形槽内光纤不重叠，

环形槽内注满导热介质，

光纤水冷盘(2)下表面均匀分布有冷媒制冷设备的制冷管。

3.根据权利要求1所述的1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：光纤水冷盘(2)上表面刻有一个环形槽，

第一掺铥光纤(3-4-1)和第二掺铥光纤(3-4-2)均盘绕于环形槽内，

环形槽内注满导热介质，

光纤水冷盘(2)下表面均匀分布有冷媒制冷设备的制冷管。

4.根据权利要求2或3所述的1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：光纤水冷盘(2)上表面尺寸为400mm*400mm，

环形槽的槽深为1mm，槽宽为1mm。

5.根据权利要求1、2或3所述的1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：合束器(3-2)、高反光栅(3-3)、第一掺铥光纤(3-4-1)、第二掺铥光纤(3-4-2)、低反光栅(3-5)、反向合束器(3-6)和包层光剥离器(3-8)均固定于光纤水冷盘(2)上表面。

6.根据权利要求4所述的1940nm掺铥全光纤激光器，其特征在于：冷媒制冷设备为制冷压缩机(5)。

7.基于权利要求1、2、3或6所述的1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，其特征在于：包括驱动设备、电源转换模块、第二光纤输出头、光纤耦合连接装置(4)和医疗光纤，

驱动设备的驱动信号输出端同时与半导体激光器(3-1)的驱动信号输入端和反向泵浦激光器(3-7)的驱动信号输入端连接，

电源转换模块的电压输入端与市电电源接通，

电源转换模块的电压输出端同时与半导体激光器(3-1)的电压输入端和反向泵浦激光器(3-7)的电压输入端连接，

医疗光纤的光入射端置于第二光纤输出头内，第二光纤输出头置于光纤耦合连接装置(4)的耦合端，

光纤耦合连接装置(4)用于将1940nm掺铥全光纤激光器(3)的出射光耦合进医疗光纤中。

8.根据权利要求7所述的基于1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，其特征在于：半导体激光器(3-1)、反向泵浦激光器(3-7)、驱动设备、电源转换模块和冷媒制冷设备的制冷管同时置于半导体激光器控制箱(1)内。

9.根据权利要求8所述的1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，其特征在于：光纤耦合连接装置(4)包括两组连接件，

每组连接件分别包括一个三维调整架和一个固定架，

固定架包括两块相互垂直的板，

一块板设置有沿厚度方向穿透的夹持孔，

另一块板与三维调整架的被调节端连接，

两组连接件呈镜像对称设置，两三维调整架的被调节端相邻，且两个夹持孔正对，第一夹持孔夹持第一光纤输出头，无源光纤光出射端的光纤端面方向指向第二夹持孔，第二夹持孔夹持第二光纤输出头，医疗光纤光入射端的光纤端面方向指向第一夹持孔，且医疗光纤与无源光纤的两光纤端面交错相对。

10.根据权利要求9所述的基于1940nm掺铥全光纤激光器的医疗装置，其特征在于：医疗光纤光入射端面和无源光纤光出射端面之间的距离为L≤0.2mm，医疗光纤的纤芯直径为200μm，包层直径为220μm。