CN113067240A - 高重频自锁模金绿宝石激光器及在甲状旁腺辨识中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高重频自锁模金绿宝石激光器及在甲状旁腺辨识中的应用，包括泵浦源，聚焦系统，输入腔镜，激光晶体，波长调谐元件，输出腔镜和望远镜系统，沿光路依次排列；所述泵浦源为红光或蓝光激光二极管激光器；所述激光晶体为金绿宝石晶体；所述激光器的重复频率在3～20GHz、脉冲宽度在100～500fs，波长在700～800nm区域可调谐；所述激光器在甲状旁腺观测中的应用，是将其发出的光经望远镜系统调节后，照射于甲状旁腺位置，利用其高重复频率特点，实现不同脉冲间激发甲状旁腺发射荧光的强度叠加，从而实现甲状旁腺观测和辨识。本发明的激光器在甲状旁腺检测时具有高荧光分辨率且不造成损伤，并可通过波长调谐选择最优波长，且结构简单紧凑、成本低。

Description

高重频自锁模金绿宝石激光器及在甲状旁腺辨识中的应用
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种高重频自锁模金绿宝石激光器及在甲状旁腺辨识中的应用。
背景技术
甲状旁腺是位于甲状腺后面比较小的内分泌腺，其分泌的甲状旁腺激素在调节机体内血钙、血磷的代谢方面有非常重要的功能。近几年随着更多的甲状旁腺功能异常的病人被发现，甲状旁腺也因此得到了重视。目前甲状旁腺和甲状腺疾病通常通过手术手段治疗，传统的甲状腺或甲状旁腺手术是对患病腺体进行细致的解剖和切除，而使正常腺体保持完整。但在甲状腺和甲状旁腺切除术中，由于甲状旁腺的大小和外观通常与淋巴结、脂肪和偶尔的甲状腺组织相似，因此在手术过程中很难在视觉上区分，其误伤或误切的可能性较大，2011年的数据显示其发生率高达8％～19％。在切除过程中甲状旁腺意外受损或不慎误切，可能会导致严重的并发症，如术后低血钙和甲状旁腺功能低下，这会对钙稳态产生终身有害的后果。因此目前的一个主要挑战是在甲状腺切除术和甲状旁腺切除术中对甲状旁腺进行术中观测和辨识。
2011年Paras等人发现当使用波长为785nm的激光照射甲状旁腺时，甲状旁腺可在820nm左右的波段内产生自发荧光，通过与周围组织的自发荧光强度的差别实现辨认，据现有技术所知，激发光波长在650～810nm能有效激发甲状旁腺产生荧光。目前，近红外激光二极管激光器(LD)和钛宝石锁模激光器常被用以激发甲状旁腺，但二者在实际应用中各有不足。前者一般以连续激光运转，其在低功率工作时会导致甲状旁腺的荧光信号较弱而不易分辨，而高功率运转则会带来严重的热效应；后者作为脉冲光源，虽可以利用脉冲间隔时间有效散热，但其脉冲的重复频率较低，一般在兆赫兹量级，因此在激发甲状旁腺自荧光时不能持续有效的连续激发，从而难以获得足够高的荧光分辨率，并且其高峰值功率(kW量级)使得相关组织容易灼伤，附以其复杂庞大的装置，限制了其广泛应用。
因此，如何提供一种结构简单紧凑、利用其高重复频率实现不同脉冲间激发甲状旁腺发射荧光的强度叠加的高重频自锁模金绿宝石激光器，实现术中甲状旁腺的观测和辨识是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高重频自锁模可调谐脉冲激光器作为甲状旁腺自发荧光的激发光源，利用其高重复频率实现不同脉冲间激发甲状旁腺发射荧光的强度叠加，利用两超短脉冲间隔时间进行有效散热，使其产生高分辨率荧光且不造成损伤，并通过调谐元件选择适合不同病人的最优激发波长，从而实现术中甲状旁腺的观测和辨识，且结构简单紧凑、成本低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高重频自锁模金绿宝石激光器，包括：作为激光光源的泵浦源，沿激光传播方向依次设置的聚焦系统、输入腔镜、激光晶体、波长调谐元件、输出腔镜和望远镜系统；其中，
所述泵浦源为激光二极管激光器，输出泵浦光束；
所述聚焦系统将泵浦光束聚焦于激光晶体上；
所述激光晶体是金绿宝石晶体；
所述波长调谐元件用以选择激光输出波长；
所述输入腔镜和输出腔镜构成激光谐振腔，并获得700～800nm波段调谐激光输出；
所述望远镜系统用以调节输出激光光斑大小。
优选的，所述泵浦源是红光激光二极管激光器或蓝光激光二极管激光器，采用端面泵浦方式。
优选的，所述聚焦系统是下列中的一种:
具有确定聚焦比例的光学耦合系统，或，
平凸透镜与非球面镜、平凸柱面镜、平凹柱面镜的组合。
优选的，所述激光晶体通光面抛光且镀有对泵浦光和振荡光增加透过的介质膜或不镀膜，通光方向为结晶学c轴方向。
优选的，所述输入腔镜为平面镜，镀有对泵浦激光高透过且对发射激光高反射的介质膜A或B或C，介质膜A至少440～450nm波段透过率大于80％且700～800nm波段反射率大于99％，介质膜B至少630～660nm波段透过率大于80％且700～800nm波段反射率大于99％，介质膜C至少550-665nm波段透过率大于80％且700-900nm波段波段反射率大于99％；所述输出腔镜是平凹镜，镀有对发射激光部分透过的介质膜D，介质膜D至少要对700～800nm波段部分透过。
优选的，利用激光晶体的克尔效应，在所述输入腔镜和输出腔镜所构成的激光谐振腔中，通过控制激光晶体和输出腔镜之间的距离，使其构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔，实现一阶或高阶克尔透镜自锁模。
本发明还提出了一种高重频自锁模金绿宝石激光器在甲状旁腺辨识中的应用，将所述高重频自锁模金绿宝石激光器输出的激光照射于甲状旁腺，用于甲状旁腺的辨识。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明面向甲状旁腺观测的急需，激光器采用LD直接泵浦，谐振腔结构紧凑，有效提高了重频效果，此外还利用克尔透镜锁模技术和法布里-珀罗谐振腔效应，实现了频率倍增，进一步基于金绿宝石晶体，实现GHz飞秒脉冲激光输出。该激光器具有重复频率高、结构简单紧凑、成本低等优势，在甲状旁腺检测时可实现不同脉冲间激发甲状旁腺发射荧光的强度叠加，具有高荧光分辨率且不造成损伤的特点，此外针对人体的各异性可通过波长调谐手段选择适合病人的最优波长，因此在医学检测中具有广阔的应用前景。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
图1为本发明实施例提供的高重频自锁模金绿宝石激光器的光路结构示意图；
图2为本发明实施例1中自锁模输出功率随吸收泵浦功率变化的示意图；
图3为本发明实施例1和2中用示波器测得的自锁模脉冲序列示意图；
图4为本发明实施例1和2中用频谱仪测得的自锁模脉冲频谱信号示意图；
图5为本发明实施例1和2中用光谱仪测得的自锁模激光光谱信号示意图；
图6为本发明实施例1和2中用强度自相关仪测得的自锁模脉冲宽度信号示意图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例第一方面公开了一种高重频自锁模金绿宝石激光器。在本实施例中对部分术语限定的范围进行说明如下：
“聚焦比例”是指聚焦前激光光斑的直径与聚焦后激光光斑直径的比值。
“高反射”是指对特定波长或波段入射光的反射率大于99％。
“高透过”是指对特定波长或波段光的透过率大于80％。
“增加透过”是指对特定波长或波段光的透过率大于99％。
“部分透过”指对特定波长或波段入射光的透过率在1％-80％。
本发明实施例公开了一种高重频自锁模金绿宝石激光器及其在甲状旁腺观测和辨识中的应用，包括：作为激光光源的泵浦源1，沿激光传播方向依次设置的聚焦系统2、输入腔镜3、激光晶体4、波长调谐元件5、输出腔镜6和望远镜系统7。
泵浦源1，为光纤耦合输出的中心波长为658nm LD，最高输出功率为15W，光纤芯径200μm，数值孔径0.22。
在一个实施例中，泵浦源1还可以为非光纤耦合输出的LD。
聚焦系统2，针对光纤耦合泵浦源采用聚焦比例为2:1的光学耦合系统，焦距为2.5cm，用于将泵浦光束聚焦到激光晶体内，泵浦光束经聚焦系统聚焦后的光斑直径约为100μm。
在一个实施例中，聚焦系统2针对非光纤耦合泵浦源可以采用平凸透镜与非球面镜、平凸柱面镜、平凹柱面镜的组合，上述光学镜的排列顺序为按照激光传播方向进行排列。
输入腔镜3，为平面镜，针对蓝光LD，输入腔镜3镀有440～450nm波段高透过且700～800nm波段高反射的介质膜A；针对红光LD，输入腔镜3镀有对630～660nm波段高透过且700～800nm波段高反射的介质膜B或镀有对550-665nm波段高透过且对700-900nm波段高反射的介质膜C。
激光晶体4，是沿结晶学c轴切割，铬离子掺杂浓度为0.2at.％的金绿宝石晶体，晶体通光面尺寸为3mm×3mm(a×b)，经抛光后镀有对658nm和750nm波长增加透过的介质膜，通光方向长度为10mm，置于输入腔镜与输出腔镜之间、聚焦系统的焦点处，并将其用铟箔包裹放置在铜块上，通以循环水，考虑到金绿宝石晶体特殊的温度特性以及热效应，将水温设置为25℃。
波长调谐元件5，为石英双折射滤波片，以布儒斯特角放置于谐振腔中，通过旋转双折射滤波片可调谐激光输出波长。
输出腔镜6，是平凹镜，曲率半径为30mm，镀有对700-900nm波段部分透过的介质膜，其透过率为2％。
在一个实施例中，输出腔镜6镀有介质膜D，介质膜D对700～800nm波段的透过率为1％-80％。
望远镜系统7，为伽利略式望远镜系统，由负镜和正镜组成，用于调节激光输出的光斑大小。
本实施例提供的高重频自锁模金绿宝石激光器的重复频率在3～20GHz、脉冲宽度在100～500fs，波长在700～800nm区域可调谐。
本发明第一方面实施例公开的高重频自锁模金绿宝石激光器的具体实施过程如下：
实施例1：本发明采用附图1所述的装置，以经光纤耦合输出的658nm LD为泵浦源，采用聚焦比例为2:1的光学耦合系统，其输入腔镜镀有介质膜C。在实际操作中使金绿宝石晶体(4)尽可能靠近输入腔镜(3)，以保证晶体中的激光模斑尺寸尽可能的小，双折射滤波片(5)在谐振腔中以布儒斯特角放置以减小插入损耗，优化激光谐振腔长为31mm时，仔细调节输出腔镜(6)，并不断增加泵浦功率超过其阈值，实现了稳定的一阶自锁模脉冲激光。锁模激光输出功率随吸收泵浦功率曲线如图2所示，自锁模的吸收泵浦功率阈值约为5.34W，最大平均输出功率为380mW，对应于7.23W的吸收泵浦功率。用示波器监测到的不同时间尺度的锁模脉冲信号如图3(a)所示，脉冲序列可长时间保持稳定。锁模脉冲频谱信号如图4(a)所示，重复频率为3.6GHz。其光谱如图5(a)所示，激光发射中心波长为752.8nm。由强度自相关仪测得的脉冲信号如图6(a)所示，利用双曲正割函数拟合得到脉冲宽度为237fs。
实施例2：在实施例1的基础上，调整金绿宝石晶体角度，使金绿宝石晶体与输出腔镜之间构成法布里-珀罗谐振腔；调节晶体后端面与输出腔镜之间的距离与谐振腔总的光学长度比值为1/2，通过微调晶体和输出腔镜，实现了稳定的二阶自锁模脉冲激光输出。其不同时间尺度的锁模脉冲信号如图3(b)所示，锁模脉冲序列可长时间保持稳定。其频谱信号如图4(b)所示，重复频率为7.5GHz。其光谱如图5(b)所示，激光发射中心波长为753.7nm。二阶自锁模脉冲自相关曲线如图6(b)所示，利用双曲正割函数拟合脉冲宽度为201fs。
实施例3：在实施例2的基础上，继续调节谐振腔腔长，并控制晶体后端面与输出腔镜之间的距离与谐振腔总的光学长度比值为1/4时，通过微调晶体和输出腔镜，可实现四阶自锁模脉冲激光输出，其脉冲重复频率理论上可达23GHz，但由于用来探测脉冲信号的光电探测器带宽窄于脉冲的重复频率，故未能获得其相应的频谱信号。
本发明另一方面公开了第一方面所述激光器在甲状旁腺辨识中的应用。具体实施例过程如下：
术中甲状旁腺显露后，于不同时间点进行甲状旁腺自体荧光显像。在寻找和发现可疑甲状旁腺时，术者手持激光器发射探头，发射探头射出光束为从望远镜系统发射出的激光束，垂直于术野距离待测目标10cm左右的甲状旁腺进行检测，发射探头输出的激光束照射后，甲状旁腺会产生自发荧光，从而被图像采集系统采集然后可观测。通过图像采集系统显示圆形或椭圆形符合甲状旁腺形态且明显高于周围组织的高亮信号区，即为甲状旁腺位置。
以上对本发明所提供的高重频自锁模金绿宝石激光器及在甲状旁腺辨识中的应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，包括：作为激光光源的泵浦源(1)，沿激光传播方向依次设置的聚焦系统(2)、输入腔镜(3)、激光晶体(4)、波长调谐元件(5)、输出腔镜(6)和望远镜系统(7)；其中，
所述泵浦源(1)为激光二极管激光器，输出泵浦光束；
所述聚焦系统(2)将泵浦光束聚焦于激光晶体(4)上；
所述激光晶体(4)是金绿宝石晶体；
所述波长调谐元件(5)用以选择激光输出波长；
所述输入腔镜(3)和输出腔镜(6)构成激光谐振腔，并获得700～800nm波段调谐激光输出；
所述望远镜系统(7)用以调节输出激光光斑大小。
2.根据权利要求1所述的高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)是红光激光二极管激光器或蓝光激光二极管激光器，采用端面泵浦方式。
3.根据权利要求1所述的高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，所述聚焦系统(2)是下列中的一种:
具有确定聚焦比例的光学耦合系统，或，
平凸透镜与非球面镜、平凸柱面镜、平凹柱面镜组合。
4.根据权利要求1所述的高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)通光面抛光且镀有对泵浦光和振荡光增加透过的介质膜或不镀膜，透过率大于99％，通光方向为结晶学c轴方向。
5.根据权利要求1所述的高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，所述输入腔镜(3)为平面镜，镀有对泵浦激光高透过且对发射激光高反射的介质膜A或B或C，介质膜A至少440～450nm波段透过率大于80％且700～800nm波段反射率大于99％，介质膜B至少630～660nm波段透过率大于80％且700～800nm波段反射率大于99％，介质膜C至少550-665nm波段透过率大于80％且700-900nm波段波段反射率大于99％；所述输出腔镜(6)是平凹镜，镀有对发射激光部分透过的介质膜D，介质膜D至少在700～800nm波段的透过率在1％-80％。
6.根据权利要求1所述的高重频自锁模金绿宝石激光器，其特征在于，利用激光晶体(4)的克尔效应，在所述输入腔镜(3)和输出腔镜(6)所构成的激光谐振腔中，通过控制激光晶体(4)和输出腔镜(6)之间的距离，使其构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔，实现一阶或高阶克尔透镜自锁模。
7.一种高重频自锁模金绿宝石激光器在甲状旁腺辨识中的应用，其特征在于，将权利要求1～6中任一项所述高重频自锁模金绿宝石激光器输出的激光照射于甲状旁腺，用于甲状旁腺的辨识。
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