CN113228228A - 激光维持等离子体及内窥镜光源 - Google Patents

Abstract

照明源包括被配置为发射等离子体维持光束的激光驱动器单元。入射准直器接收等离子体维持光束并产生准直的入射光束。聚焦光学器件接收准直的入射光束并产生聚焦的维持光束。密封灯室包含可电离介质，该可电离介质一旦被点燃，就会形成腰尺寸小于150微米的高强度的发光等离子体。密封灯室还包括被配置为接收聚焦的维持光束的入射窗和被配置为发射高强度光的出射窗。点火源被配置为点燃可电离介质，并且出口光纤被配置为接收和传送高强度光。高强度光是具有黑体光谱的白光，出口光纤的直径在200微米至500微米范围内。

Description

激光维持等离子体及内窥镜光源

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月6日提交题为“Laser Sustained Plasma andEndoscopy Light Source(激光维持等离子体和内窥镜光源)”的美国临时专利申请No.62/776,006的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及照明装置，并且更具体地，涉及高强度弧光灯。

背景技术

高强度弧光灯是发射高强度电磁辐射束的装置。所述弧光灯通常包括含气室，例如带有阳极和阴极的玻璃灯泡，所述阳极和阴极用于激发含气室内的气体(可电离介质)。在阳极和阴极之间产生放电以向被激发的(例如电离的)气体提供电力以在光源工作期间维持由电离气体发射的光。

图1示出了现有技术中的低瓦数抛物面氙气灯100的示意图和横截面。该氙气灯通常由金属和陶瓷构成。填充气体氙气是惰性且无毒的。灯的子组件可以采用高温钎焊架设在固定装置中，其严格限制组件的尺寸公差。图2示出了钎焊后的这些灯的子组件和固定装置中的一些。

参考图1和图2，现有技术中的灯100中具有三个主要子组件：阴极，阳极和反射器。阴极组件3a包含灯阴极3b、将阴极3b固定到窗口法兰3c的多个支柱、窗3d和吸气器3e。灯阴极3b是例如由钍钨制成的小的铅笔形状的部件。在操作期间，阴极3b发射电子，这些电子穿过灯的弧隙并撞击阳极3g。电子从阴极3b热发射，因此阴极尖端必须保持高温和低电子发射才能正常工作。

阴极支柱3c将阴极3b牢牢固定到位并将电流传导至阴极3b。灯窗3d可以是研磨和抛光的单晶蓝宝石(AlO₂)。蓝宝石使得窗3d的热膨胀与法兰3c的法兰热膨胀相匹配，从而在很宽的工作温度范围内保持密封。蓝宝石的导热性将热量传输到灯的法兰3c，并使热量均匀分布以避免窗3d开裂。吸气器3e包裹阴极3b并放置在支柱上。吸气器3e吸收工作期间在灯中产生的污染气体，并通过防止污染物污染阴极3b且将不需要的材料输送到反射器3k和窗3d上来延长灯的寿命。阳极组件3f由阳极3g、底座3h和板3i组成。阳极3g通常由纯钨构成并且其形状比阴极3b钝得多。这种形状主要是由于使电弧在其正电连接点处扩散的放电物理性质的结果。电弧的形状通常有点圆锥形，圆锥的尖端接触阴极3b，圆锥的底部靠在阳极3g上。阳极3g大于阴极3b，以传导更多热量。灯中大约80％的传导废热通过阳极3g传导出去，20％通过阴极3b传导。阳极通常被配置为具有到灯的散热器的较低热阻路径，因此灯的底座3h相对重。底座3h由铁或其他导热材料构成以传导来自灯的阳极3g的热负荷。板3i是用于抽空灯100并用氙气填充的端口。在填充之后，板3i被密封，例如，用液压工具挤压或冷焊，因此灯100同时被密封并从填充和加工站切断。反射器组件3j包括反射器3k和两个套筒3l。反射器3k可以是几乎纯的多晶氧化铝体，其用高温材料上釉以给反射器镜面，然后将反射器3k密封到它的套筒3l上并且将反射涂层涂到上釉的内表面上。

图3A示出了现有技术的圆柱形灯300的第一视角。两个臂345、346从密封腔室320向外伸出。臂345、346容置电极对390、391，电极对向内突出进入密封腔室320中，并且提供用于点燃腔室320内的可电离介质的电场。在臂345、346的端部提供用于电极390、391的电连接。

腔室320具有入射窗326，来自激光源(未示出)的激光可在此进入腔室320。类似地，腔室320具有出射窗328，来自被给予能量的等离子体的高强度光可在此离开腔室320。来自激光器的光被聚焦在激发气体(等离子体)上以提供持续的能量。可以使用受控高压阀398将已电离介质添加到腔室或从腔室移除。

图3B示出了通过将图3A的视图垂直旋转九十度得到的圆柱形灯300的第二视角。受控高压阀398基本上位于观察窗310的对面。图3C示出了通过将图3B的视图垂直旋转九十度得到的圆柱形灯300的第二视角。通常，腔室320的内部轮廓与腔室320的外部轮廓相匹配。

内窥镜是发光的光学器件，通常是细长的管状仪器(管道镜型)，用于深入查看身体并用于称为内窥镜的过程中。它用于检查喉咙或食道等内部器官。专用仪器以其目标器官命名。例如膀胱镜(膀胱)、肾镜(肾)、支气管镜(支气管)、关节镜(关节)、结肠镜(结肠)，以及腹腔镜(腹部或骨盆)。它们可用于视觉检查和诊断，或用于协助手术，例如关节镜检查等。内窥镜光产生源通常远离照明目标附近的发光孔。光经由诸如光纤的光导从光源传送到发射孔。

微创内窥镜和机器人手术由光纤光源驱动。光纤的直径通常在3.0毫米至4.8毫米的范围内。然而，当前的光源会经历辐射损失，这在例如在内窥镜和机器人手术实践领域中可能是有问题的。此外，在同一光纤束中需要成像通道和在某些情况下的工具活动通道的环境中，引导光的光纤的直径越来越令人望而却步。目前的趋势是从可用空间中寻找更多信息，这导致光纤直径减小。例如，更小的光纤束可以实现当前方法和设备无法实现的过程。现有的光源没有足够的光展量来在直径小于3毫米的光纤中耦合显著水平的光，这导致相机的光线不足，无法呈现足够无噪声的图像。因此，需要解决上述一个或多个缺点。

发明内容

本发明的实施例提供了一种激光维持等离子体和内窥镜光源。简而言之，本发明涉及通过小于1mm的小直径光导或光纤传送高亮度或高辐照度的应用，因此更多空间可用于成像光纤和/或激光传送光纤。

通过检查以下附图和具体实施例，本发明的其他系统、方法和特征对于本领域普通技术人员将是显而易见的。旨在将所有这些附加系统、方法和特征包括在本说明书中、在本发明的范围内并由所附权利要求保护。

附图说明

附图用以提供对本发明的进一步理解，且被并入说明书中并构成本说明书的一部分。附图中的组件不一定按比例绘制，而是强调清楚地说明本发明的原理。附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术的高强度灯的分解示意图。

图2是图1中现有技术的高强度灯的横切面示意图。

图3A是现有技术的圆柱激光驱动密封光束灯的示意图。

图3B是图3A的圆柱激光驱动密封光束灯的第二视角示意图。

图3C是图3A的圆柱激光驱动密封光束灯的第三视角示意图。

图4是具有圆柱面等离子体灯室的灯的示例性第一实施例的示意图。

图5是具有抛物面等离子体灯室的灯的示例性第二实施例的示意图。

图6是用于产生耦合到小直径导光器的高强度光的方法的示例性实施例的流程图。

图7是图4的第一实施例的灯电极的示意图细节。

附图说明

以下限定可用于解释应用于本文公开的实施例的特征的术语，且仅旨在限定本公开内的元素。

如在本公开中使用的，“黑体”是指能够吸收落在其上的所有电磁辐射的物体。保持恒定温度的黑体是在该温度下的完全的辐射体，这是因为到达和离开它的辐射必须处于平衡状态。黑体光谱是指黑体能够发射的电磁波的光谱。

如在本公开中使用的，准直光是指光线基本平行的光，因此在其传播时光线扩散最小。

如在本公开中使用的，“基本上”意味着“非常接近”或在正常制造公差内。例如，基本上平坦的窗户虽然在设计上是想要平坦的，但可能会因制造的差异而与完全平坦的情况不同。

现在将详细参考本发明的实施例，其示例在附图中进行了说明。在可能的情况下，在附图和说明书中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

如背景部分所述，微创手术和机器人手术通常使用直径在3.0毫米至4.8毫米范围内的光纤光源。本发明的以下示例性实施例描述了内窥镜光源，其被配置为将具有黑体光谱的白光提供到200微米至500微米的光纤直径中。

在如图4所示的内窥镜光源400的第一实施例下，组合激光源420可以包括多个激光驱动器单元102-104。每个激光驱动器单元102-104可以发射不同波长/不同波段和/或不同强度的光。来自激光驱动器单元102-104的光在光导管401(例如光纤)中组合并经由光学扩展器105发射。组合激光源420的出射光学器件可以针对替选实施例而被不同地配置。类似地，在可替代的实施例中，组合激光源420可以包括多于三个驱动器单元或少于三个驱动器单元。

第一激光驱动器单元102提供光束405的一部分。光束405经由入射准直器106准直并且例如经由聚焦光学器件107聚焦成等离子体维持光束407。等离子体维持光束407经由入射窗109进入灯108的密封的圆柱形室。例如，灯108可以是圆柱形灯。灯108的密封室包含可电离介质425，例如氙、氪或氙和氪的混合物。可电离介质425一旦被点燃，就形成发射高强度光410的等离子体430。等离子体430经由等离子体维持光束407由来自第一激光驱动器单元102的能量来维持。等离子体430可以被电子点火模块114，例如电极790、791(图7)点燃(电离)。电子点火模块114可以通过灯108的臂745、746(图7)中的电连接向电极790、791提供电力。或者，可以省略电子点火模块114，且等离子体可以在没有电极的情况下被点燃，例如通过第一激光驱动器单元102的自动点火。

高强度出射光410经由出射窗110离开灯108的室并且光学耦合到出口光纤113。例如，高强度出射光410可以基本上是白色的并且可以通过出射准直光学器件111被准直成准直光束411，然后通过出射聚焦光学器件112聚焦到出口光纤113的入射表面413。例如，准直光学器件111可以像单个正透镜，基于正、负透镜组件的多透镜扩束器，或抛物面镜或抛物面镜与正、负透镜组合的组合一样简单。光在出射表面414处发射，例如，出射表面位于照明目标附近的内窥镜的远端。出口光纤113具有在例如200微米至500微米范围内的光纤直径415。

第一激光驱动器单元102，例如，低功率(150瓦)的979nm的第一激光驱动器单元102，可以在灯108内从10bar到50bar的压力下在氙、氪或混合惰性气体中产生等离子体，等离子体的等离子腰尺寸(waist size)为150微米或小于150微米，可以有效地耦合到出口光纤113的直径中，这对于标准内窥镜光源例如氙气短弧溶液或非激光固态灯光源是不可能的。

第二激光驱动器单元104具有与第一激光驱动器单元102的波长不同的波长。例如，第二激光驱动器单元104可以产生803nm(或其他波长)的10mW至100mW的光束，该光束可以与第一激光驱动器单元102产生的等离子体维持光束混合用于基于荧光的诊断。优选地，来自第二激光驱动器单元104的光在灯108的输出处与可见光混合以激发用于荧光技术的染料。可选地，由第二激光驱动器单元104产生的荧光激发光束可以在灯108的输出处与高强度光混合。例如，可以使用反射一个波长并通过另一个波长的45度下的二向色涂层镜来混合光束，其中要混合的两个光束是正交的，而混合镜在45度下。可选地，可以使用具有相同功能的混合立方体。立方体的斜对角是混合表面，而光束进入(正交)的小平面可以涂有特定的涂层以形成所述光束的特性。

第一激光驱动器单元102，例如150W激光二极管堆，例如通过光束校正光学器件(未示出)耦合到光导管401中。这里所描述和需要的光束校正光学器件或整形光学器件用于将在水平和垂直平面中具有不同发散度的升高的二极管堆的光输出整形为在所有方向上具有基本相等发散度的更对称的光束图案。光导管401可以是例如200微米的激光光纤，例如在0.15的数值孔径(NA)中保持95％的功率，但其他NA范围也是可行的，例如，在0.2的NA中保持90％的功率NA，或者甚至在0.3NA的中保持80％的功率。后两个示例将显示较低的系统输出，但对于某些应用这可能仍然足够。

由于第一激光驱动器单元102产生人眼不可见的光束，所以产生可见光，例如5mW下的低功率红色激光，的第三激光驱动器单元103可以与第一激光驱动器单元102和/或第二激光驱动器单元104的输出混合，因此所有光学部件105、106、107、111、112和灯108的光学对准可以使用可见光而不是使用诸如IR转换器以使979nm波长光束的位置可视化的其他手段来执行。

光导管401的输出可以端接到光纤连接器(未示出)，允许采用模块化方法来更换激光驱动器单元102、103、104。光纤连接器耦合到光束调节光学器件，例如，光学扩展器105、入射准直器106，例如准直透镜，和入射聚焦光学器件107，例如聚焦透镜。光学扩展器105将激光的束腰形成在焦点处。优选地，入射聚焦光学器件107的NA在0.4-0.6的范围内。

所述激光驱动系统的包括等离子体维持光束407的聚焦输出经由入射窗109传送到灯108、208中。在第一实施例中，灯可以被配置为圆柱形密封腔灯108，如图4所示的，其具有用于激光进入的蓝宝石入射窗109和用于高强度可见出射光的蓝宝石出射窗110。圆柱形密封腔灯108产生具有0.4-0.6的NA的扩展光束410。出口准直光学器件111接收并准直扩展光束410以产生准直的高强度光束411，并且在灯108的输出处的出射聚焦光学器件112将准直光411聚焦成被引入出口光纤113的聚焦输出光412。

图5中示出了内窥镜光源500的第二示例性实施例。组合激光源420、灯的入射光学器件106和107、出射聚焦光学器件112和出口光纤113基本上如图4所示的第一实施例中所述。

在第二示例性实施例500下，灯可以被配置为抛物面反射腔设计灯208，其具有用于激光进入的蓝宝石入射窗109和用于高强度可见出射光的蓝宝石出射窗110。灯的入射光学器件106、107将等离子体维持光束407聚焦到抛物面反射腔设计灯208的灯聚焦区域530，因此由等离子体维持光束407给予能量的等离子体430位于灯聚焦区域530处。抛物面反射腔设计灯208反射由等离子体430产生的高强度光以产生准直光束511，其光束尺寸受出射窗110的直径和可配置的发散度限制。应该注意的是，由于抛物面反射器的发散度由抛物面镜的直径(或孔径)(假设抛物面镜被扩展光完全填充)除以例如使用150微米数量级的点的大小的光源(等离子体)点的大小来决定，发散度比用于内窥镜的典型氙灯小约七倍，从而与先前的技术相比，将更多光耦合到出口光纤113中。在灯208的输出处的出射聚焦光学器件112将准直光束511聚焦成被引入到出口光纤113的聚焦输出光512。

图6是用于产生耦合到小直径光导器件的高强度光的方法的示例性实施例的流程图。应该注意的是，流程图中的任何流程描述或框都应理解为表示模块、段、代码部分或步骤，所述框、段、代码部分或步骤包括用于实现处理中的特定逻辑功能的一个或多个指令，并且如本发明领域的合理技术人员所理解的，替选的实现方式包括在本发明的范围内，其中，功能可以与所示或所讨论的顺序执行，包括根据所涉及的功能基本上同时执行或以相反的顺序执行。所述方法是参见图4和图6所描述。

例如，如框610所示的由第一激光驱动器单元102产生功率等于或低于150W的等离子体维持光束407。一个或多个其他光源可以混合到等离子体维持激光束中，一个或多个其他光源例如为产生与第一激光驱动器单元102的波长不同的波长的第二激光驱动器单元104的输出，例如803nm的10mW至30mW激光±15nm，和/或产生可见光例如低功率红色激光的第三激光驱动器单元103的输出。优选地，第二激光驱动器单元104产生5mW至10mW的等效功率。

如框620所示，可电离介质425在灯108的密封室内被点燃以形成等离子体430。例如，可电离介质425可以是氙、氪或氙和氪的混合物等。可电离介质425可以例如使用延伸到灯108的室中的电极对790、791(图7)通过第一激光驱动器单元102和/或通过非电极点火剂(未示出)而被点燃。如框630所示，等离子体维持光束407经由入射窗109被引入到灯108的密封室中，并且等离子体维持光束407提供能量以维持等离子体430。

如框640所示，等离子体430维持在灯108的室内，等离子体的腰尺寸为150微米或小于150微米。例如，腰尺寸可以通过第一激光驱动器单元102的功率水平和/或通过灯的入射光学器件105、106、107来控制。等离子体430发射高强度光410，例如呈现黑匣子光谱的可见光。如框650所示，灯108的室通过腔室出射窗110发射由等离子体430产生的高强度光410。高强度光410可经由出射准直光学器件111准直成准直光束411，然后经聚焦以形成聚焦输出光412。如框660所示，聚焦输出光412耦合到具有500μm或小于500μm，例如200微米至500微米，的直径的出口光纤113中。

对本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明的结构进行各种修改和变化。综上所述，本发明旨在涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (16)

1.一种照明源，包括：

入射激光源，包括被配置为发射等离子体维持光束的第一激光驱动器单元(102)；

入射准直器(106)，被配置为接收所述等离子体维持光束并产生准直的入射光束(406)；

入射聚焦光学器件(107)，被配置为接收所述准直的入射光束并产生聚焦的维持光束；

包含可电离介质的密封灯室(108)，所述可电离介质一旦被点燃，会形成具有小于150微米的腰尺寸的高强度发光等离子体(410、411)，所述密封灯室进一步包括：

入射窗(109)，被配置为接收所述聚焦的维持光束；以及

出射窗(110)，被配置为发射由所述等离子体产生的高强度光(410)；

点火源，被配置为点燃所述可电离介质；以及

出口光纤(113)，被配置为接收和传送所述高强度光，

其中，所述高强度光包括具有黑体光谱的白光，并且所述出口光纤的直径在200微米至500微米的范围内。

2.如权利要求1所述的照明源，其中，所述点火源还包括电极对(790、791)。

3.如权利要求1所述的照明源，其中，所述点火源还包括所述第一激光驱动器单元。

4.如权利要求1所述的照明源，其中，所述可电离介质包括氙和/或氪。

5.如权利要求1所述的照明源，其中，所述等离子体维持激光在150W的数量级上。

6.如权利要求1所述的照明源，其中，所述入射激光源还包括第二激光驱动器单元(104)，所述第二激光驱动器单元被配置为产生与所述等离子体维持光束混合的在10mW至30mW范围内的第二波长。

7.如权利要求6所述的照明源，其中，所述入射激光源还包括第三激光驱动器单元(103)，所述第三激光驱动器单元被配置为产生与所述等离子体维持光束和所述第二波长混合的可见光束。

8.如权利要求1所述的照明源，其中，所述第一激光驱动器单元还包括150W的激光二极管堆，所述150W的激光二极管堆通过光束校正光学器件耦合到数值孔径(NA)范围为0.15-0.3的200微米激光光纤中。

9.如权利要求1所述的照明源，其中，所述入射激光源还包括第三激光驱动器单元(103)，其被配置为产生与所述等离子体维持光束和所述第二波长混合的可见光束。

10.如权利要求9所述的照明源，其中，所述第三激光驱动器单元包括功率水平小于5mW的红色激光。

11.如权利要求9所述的照明源，其中，所述入射激光源还包括输出光纤组件，所述输出光纤组件被配置为接收和混合来自所述第一激光驱动器单元、所述第二激光驱动器单元和所述第三激光驱动器单元的光，并且所述输出光纤组件端接到耦接至光学扩展器(105)的连接器。

12.如权利要求11所述的照明源，其中，所述光学扩展器被配置为在聚焦点处对所述激光的束腰进行整形，且所述入射聚焦光学器件的数值孔径(NA)在0.4-0.6的范围内。

13.如权利要求1所述的照明源，其中，所述密封灯室被配置为由密封圆柱形腔和抛物面反射器腔组成的组中的一个。

14.一种用于产生耦合到小直径光导的高强度光的方法，包括以下步骤：

在密封的灯室内点燃可电离介质以形成等离子体；

产生功率等于或低于150W的等离子体维持激光束；

用所述等离子体维持激光束为等所述离子体提供能量；

维持所述室内的所述等离子体具有150微米或小于150微米的等离子体腰尺寸；

通过所述室的出射窗发射由所述等离子体产生的高强度光；以及

将所述高强度光耦合到直径为500微米或小于500微米的出口光纤中。

15.如权利要求14所述的方法，还包括将所述等离子体维持激光束与10mW至30mW范围内的第二激光束混合。

16.如权利要求14所述的方法，还包括将所述等离子体维持激光束与可见激光束混合。

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