CN111600182A - 一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，包括自锁模光纤振荡器、第一布拉格光栅、放大单元、第二布拉格光栅、成像单元、控制单元和数据分析处理单元，所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成谐振器，本发明提供的激光频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，能够根据图像信息来调整脉冲激光束的频率，实现不同能量要求的全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与电路安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器及其工作方法。
背景技术
激光脉冲的效应在眼组织内是其参数的高度非线性函数，包括眼前段区域、眼中段区域、眼后段区域等等。因而，具有相同能量/脉冲但是脉冲持续时间不同的激光会在手术中得到不同的结果，需要精确确定眼组织每一个点的数据信息，及时反馈控制单元，调整眼组织每一个点的激光脉冲能量，减轻在手术之前和期间的眼组织形状改变信息带来的手术问题。不同的眼组织需要不同能量即频率的激光，快速根据不同眼组织图像信息经过数据分析处理得到所需频率的激光精确进行手术是亟待解决的问题。同时，激光脉冲能量过高会导致电路温度过高，容易烧坏增益光纤，甚至烧坏全部光路器件，急需解决因激光脉冲能量过高造成的电路安全问题。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够根据图像信息来调整脉冲激光束的频率，实现不同能量要求的全光纤飞秒激光输出的飞秒激光器。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，包括：自锁模光纤振荡器、第一布拉格光栅、放大单元、第二布拉格光栅、成像单元、控制单元和数据分析处理单元，所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成谐振器；其中：
所述自锁模光纤振荡器输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅，所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元，所述放大单元接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅，并经所述第一布拉格光栅压缩持续时间并输出；
经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，所述自锁模光纤振荡器产生并输出频率飞秒脉冲激光束。
在其中一些实施例中，所述放大单元包括通过有源光纤依次熔融拼接的偏振隔离器、偏振器、侧面泵浦放大器和色散补偿器，所述偏振隔离器用于接收所述第一布拉格光栅展宽的飞秒种子脉冲激光束，所述偏振器接受展宽后的飞秒种子脉冲激光束并将展宽后的飞秒种子脉冲激光束定向为朝向所述侧面泵浦放大器，所述侧面泵浦放大器放大增益展宽的飞秒种子脉冲激光束并将该飞秒种子脉冲激光束输出至所述述色散补偿器，所述色散补偿器用于降低放大后的展宽的飞秒种子脉冲激光束的色散，所述偏振隔离器还用于接收来自所述侧面泵浦放大器放大后的飞秒种子脉冲激光束并向所述第一布拉格光栅输出。
在其中一些实施例中，所述有源光纤内均掺有增益离子。
在其中一些实施例中，所述增益离子为钕、镱、铒、铥、钬、镝或镨中的一种或多种。
在其中一些实施例中，所述有源光纤纤芯直径为6.2±0.5μm，模场直径为9.2±0.5μm。
在其中一些实施例中，所述第一布拉格光栅的反射率等于或高于所述第二布拉格光栅。
在其中一些实施例中，所述光纤传输线路为单模场光子晶体光纤，长度为10～20cm，模场直径为4.2±0.5μm。
在其中一些实施例中，飞秒种子脉冲激光束的波长为1030nm±5nm，脉冲宽度小于500fs，脉冲频率120kHz，脉冲能量10-40μJ，光束直径3±1μm，光束质量M2<1.2，脉冲能量稳定性<2％RMS，平均功率为2.5W，峰值功率为>40MW。
此外，本发明还提供了一种所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，包括下述步骤：
所述自锁模光纤振荡器输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅；
所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元；
所述放大单元接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅，并经所述第一布拉格光栅压缩持续时间并输出；
经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，所述自锁模光纤振荡器产生并输出第一频率飞秒脉冲激光束。
在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
当聚焦在第二靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元根据所述第二靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，产生并输出第二频率飞秒脉冲激光束。
在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
当聚焦在第三靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元根据所述第三靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，产生并输出第三频率飞秒脉冲激光束。
在其中一些实施例中，所述第一靶区域为角膜区域，所述第二靶区域为晶状体和白内障区域中的至少一个，所述第三靶区域为视网膜和黄斑病变区域中的至少一个，所述第一频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz，所述第二频率飞秒脉冲激光束的频率为100～200kHz，所述第三频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，所述自锁模光纤振荡器输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅，所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元，所述放大单元接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅，并经所述第一布拉格光栅压缩持续时间并输出，经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，所述自锁模光纤振荡器产生并输出频率飞秒脉冲激光束，本发明提供的频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器能够根据图像信息来调整脉冲激光束的频率，实现不同能量要求的全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与电路安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明提供的放大单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，为本发明提供的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的结构示意图，包括：自锁模光纤振荡器110、第一布拉格光栅120、放大单元130、第二布拉格光栅140、成像单元150、控制单元160和数据分析处理单元170，所述第一布拉格光栅120和所述第二布拉格光栅140形成谐振器121。
上述频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作原理如下：
所述自锁模光纤振荡器110输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅120，所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器121中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器121并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元130，所述放大单元130接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅120，并经所述第一布拉格光栅120压缩持续时间并输出。
经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元150采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元160根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器110的频率，所述自锁模光纤振荡器110产生并输出频率飞秒脉冲激光束。
可以理解，上述频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器输出的频率飞秒脉冲激光束，还可以利用上述光路结构输出第二频率的飞秒脉冲激光束和/或第三频率的飞秒脉冲激光束，对于频率飞秒脉冲激光束、第二频率的飞秒脉冲激光束和第三频率的飞秒脉冲激光束，输出的激光脉冲持续时间小于500fs。
请参阅图2，为本发明实施例提供的放大单元的结构示意图，所述放大单元130包括通过有源光纤依次熔融拼接的偏振隔离器131、偏振器132、侧面泵浦放大器133和色散补偿器134，所述偏振隔离器131用于接收所述第一布拉格光栅120展宽的飞秒种子脉冲激光束，所述偏振器132接受展宽后的飞秒种子脉冲激光束并将展宽后的飞秒种子脉冲激光束定向为朝向所述侧面泵浦放大器133，所述侧面泵浦放大器133放大增益展宽的飞秒种子脉冲激光束并将该飞秒种子脉冲激光束输出至所述述色散补偿器134，所述色散补偿器134用于降低放大后的展宽的飞秒种子脉冲激光束的色散，所述偏振隔离器131还用于接收来自所述侧面泵浦放大器133放大后的飞秒种子脉冲激光束并向所述第一布拉格光栅120输出，从而实现了脉冲功率的放大，提高了飞秒脉冲激光器输出的脉冲激光的平均功率，降低色散，提高光束质量。
可以理解，本发明采用以种子/泵浦光纤耦合器，通过有源光纤135依次熔融拼接的偏振隔离器131、偏振器132、侧面泵浦放大器133和色散补偿器134组成的放大单元130，通过外泵浦光的作用，在光纤内形成高功率密度，从纤芯输出激光，对种子飞秒脉冲进行高增益，无畸变放大。
进一步地，由于飞秒光纤振荡器110与侧面泵浦放大器133相结合融合了光纤激光器与全固体激光器两者的综合特性，具有结构紧凑、高稳定性、单脉冲能量高等特点。
在其中一些实施例中，所述有源光纤135内均掺有增益离子，所述增益离子为钕、镱、铒、铥、钬、镝或镨中的一种或多种，所述有源光纤135纤芯直径为6.2±0.5μm，模场直径为9.2±0.5μm；有源光纤135产生新的光波或放大光信号，在窄线宽、单频、连续或者脉冲激光中实现了一系列的激光输出。
可以理解，有源光纤和第一布拉格光栅120及/或第二布拉格光栅140的结合可以起到传感器的作用，可以同时测量温度和张力，一旦传感器温度过高，功率放大级中产生较强的激光自生振荡，会自动传至控制系统断开整个光路系统，不会烧坏增益光纤，更不会烧坏全部光路器件，提高了整个飞秒激光器的安全性。
在其中一些实施例中，所述第一布拉格光栅120的反射率等于或高于所述第二布拉格光栅140。
可以理解，所述第一布拉格光栅120和第二布拉格光栅140构成的谐振器能够接收、循环和放大飞秒种子脉冲激光束，泵浦光在所述有源光纤和谐振器中会变成种子激光。
在其中一些实施例中，所述光纤传输线路为单模场光子晶体光纤，长度为10～20cm，模场直径为4.2±0.5μm；且由于采用单模场光子晶体光纤可有效降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，缩小激光器体积，减少空间光器件的使用，提高飞秒脉冲激光器的长期稳定性。
在其中一些实施例中，飞秒种子脉冲激光束的波长为1030nm±5nm，脉冲宽度小于500fs，脉冲频率120kHz，脉冲能量10-40μJ，光束直径3±1μm，光束质量M2<1.2，脉冲能量稳定性<2％RMS，平均功率为2.5W，峰值功率为>40MW。
可以理解，上述参数可根据实际需要进行调整。
本发明上述实施例提供的激光频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，能够根据图像信息来调整脉冲激光束的频率，实现不同能量要求的全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与电路安全性。
实施例2
本发明还提供了一种实施例1所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，包括下述步骤：
步骤S110：所述自锁模光纤振荡器110输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅120。
步骤S120：所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器121中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器121并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元130。
步骤S130：所述放大单元130接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅120，并经所述第一布拉格光栅120压缩持续时间并输出。
步骤S140：经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元150采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元160根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器110的频率，所述自锁模光纤振荡器110产生并输出频率飞秒脉冲激光束。
在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
步骤S150：当聚焦在第二靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元160根据所述第二靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器110的频率，产生并输出第二频率飞秒脉冲激光束，以对相应的眼部区域进行手术。
在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
步骤S160：当聚焦在第三靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元160根据所述第三靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器110的频率，产生并输出第三频率飞秒脉冲激光束，以对相应的眼部区域进行手术。
在其中一些实施例中，所述第一靶区域为角膜区域，所述第二靶区域为晶状体和白内障区域中的至少一个，所述第三靶区域为视网膜和黄斑病变区域中的至少一个，所述第一频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz，所述第二频率飞秒脉冲激光束的频率为100～200kHz，所述第三频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz。
本发明上述实施例提供的激光频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，能够根据图像信息来调整脉冲激光束的频率，实现不同能量要求的全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与电路安全性。
当然本发明的频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (12)
1.一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，包括：自锁模光纤振荡器、第一布拉格光栅、放大单元、第二布拉格光栅、成像单元、控制单元和数据分析处理单元，所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成谐振器；其中：
所述自锁模光纤振荡器输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅，所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元，所述放大单元接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅，并经所述第一布拉格光栅压缩持续时间并输出；
经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，所述自锁模光纤振荡器产生并输出频率飞秒脉冲激光束。
2.如权利要求1所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述放大单元包括通过有源光纤依次熔融拼接的偏振隔离器、偏振器、侧面泵浦放大器和色散补偿器，所述偏振隔离器用于接收所述第一布拉格光栅展宽的飞秒种子脉冲激光束，所述偏振器接受展宽后的飞秒种子脉冲激光束并将展宽后的飞秒种子脉冲激光束定向为朝向所述侧面泵浦放大器，所述侧面泵浦放大器放大增益展宽的飞秒种子脉冲激光束并将该飞秒种子脉冲激光束输出至所述述色散补偿器，所述色散补偿器用于降低放大后的展宽的飞秒种子脉冲激光束的色散，所述偏振隔离器还用于接收来自所述侧面泵浦放大器放大后的飞秒种子脉冲激光束并向所述第一布拉格光栅输出。
3.如权利要求2所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述有源光纤内均掺有增益离子。
4.如权利要求3所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述增益离子为钕、镱、铒、铥、钬、镝或镨中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述有源光纤纤芯直径为6.2±0.5μm，模场直径为9.2±0.5μm。
6.如权利要求1所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第一布拉格光栅的反射率等于或高于所述第二布拉格光栅。
7.如权利要求1所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述光纤传输线路为单模场光子晶体光纤，长度为10～20cm，模场直径为4.2±0.5μm。
8.如权利要求1所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器，其特征在于，飞秒种子脉冲激光束的波长为1030nm±5nm，脉冲宽度小于500fs，脉冲频率120kHz，脉冲能量10-40μJ，光束直径3±1μm，光束质量M2<1.2，脉冲能量稳定性<2％RMS，平均功率为2.5W，峰值功率为>40MW。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，其特征在于，包括下述步骤：
所述自锁模光纤振荡器输出的飞秒种子脉冲激光束通过光纤传输线路进入所述第一布拉格光栅；
所述飞秒种子脉冲激光束在所述谐振器中形成第二飞秒脉冲激光束，所述谐振器并展宽所述第二飞秒脉冲激光的持续时间并输出至所述放大单元；
所述放大单元接收所述第二飞秒脉冲激光并进行幅度放大形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束返回至所述第一布拉格光栅，并经所述第一布拉格光栅压缩持续时间并输出；
经压缩后的所述第三飞秒脉冲激光束通过光纤传输线路聚焦在第一靶区域中，所述成像单元采集所述第一靶区域的图像信息并传输至所述数据分析处理单元进行图像信息的分析处理，所述控制单元根据所述第一靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，所述自锁模光纤振荡器产生并输出第一频率飞秒脉冲激光束。
10.如权利要求9所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，其特征在于，还包括下述步骤：
当聚焦在第二靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元根据所述第二靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，产生并输出第二频率飞秒脉冲激光束。
11.如权利要求10所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，其特征在于，还包括下述步骤：
当聚焦在第三靶区域时，重复上述步骤，所述控制单元根据所述第三靶区域的实时图像信息调整所述自锁模光纤振荡器的频率，产生并输出第三频率飞秒脉冲激光束。
12.如权利要求10所述的一种频率根据图像信息可调的飞秒光纤激光器的工作方法，其特征在于，所述第一靶区域为角膜区域，所述第二靶区域为晶状体和白内障区域中的至少一个，所述第三靶区域为视网膜和黄斑病变区域中的至少一个，所述第一频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz，所述第二频率飞秒脉冲激光束的频率为100～200kHz，所述第三频率飞秒脉冲激光束的频率为50～100kHz。
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