CN113948949A - 一种皮秒激光器发射装置 - Google Patents

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张普
陈旭光
朱香平
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Dongguan Zhongke Atomic Precision Manufacturing Technology Co ltd
Guangdong Guangdong Hong Kong Macao Dawan District Hard Science And Technology Innovation Research Institute
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Abstract

本申请提供的皮秒激光器发射装置，包括：种子源(3)、扩束镜凹镜(4)、隔离器(5)、扩束镜凸镜(6)、45°反射镜(7)、第一1/2波片(8)、45°偏振片(9)、45°反射镜(10)、第一法拉第旋光器(11)、第一减反镜(12)、第一Nd:YAG晶体棒(13)、脉冲氙灯(14)、第二减反镜(15)、1/4波片(16)、0°反射镜(17)、38°反射镜(18)、第一KTP晶体(190)、第二KTP晶体(19)、窗口(20)、分光镜(21)、第二法拉第旋光器(22)、第三减反镜(23)、第二Nd:YAG晶体棒(24)、第四减反镜(25)、第二1/2波片(1)及56°偏振片(26)，所述脉冲氙灯(14)设置在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)之间。上述皮秒激光器发射装置，可提高系统的输出能量、稳定脉宽、优化系统的可靠性及稳定性。

Description

一种皮秒激光器发射装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种皮秒激光器发射装置。
背景技术
医疗美容所使用的皮秒固体激光器在皮肤科的诊断、治疗有着独特的贡献。例如祛斑、祛痣、祛痘、祛文身等应用。其作用时间短、热效应低，对周围正常的皮肤组织影响小，对病变组织针对性更强，正应为如此该项技术收到了医者、患者的追捧。
皮秒级固体激光器其普遍的做法为，利用种子光源产生基波脉冲，随后利用MOPA放大技术进行单程或者多程放大，使皮秒量级的脉冲种子光源所携带的能量被有效放大，最终满足使用要求。但是在此过程中该项技术有一些固有的缺陷，例如“热透镜效应”、退偏现象、自激振荡等问题。这些缺陷影响着最终放大的能量、脉宽、稳定性等参数。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种可靠性高及稳定性好的皮秒激光器发射装置。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
本申请提供了一种皮秒激光器发射装置，包括：种子源(3)、扩束镜凹镜(4)、隔离器(5)、扩束镜凸镜(6)、45°反射镜(7)、第一1/2波片(8)、45°偏振片(9)、45°反射镜(10)、第一法拉第旋光器(11)、第一减反镜(12)、第一Nd:YAG晶体棒(13)、脉冲氙灯(14)、第二减反镜(15)、1/4波片(16)、0°反射镜(17)、38°反射镜(18)、第一KTP晶体(190)、第二KTP晶体(19)、窗口(20)、分光镜(21)、第二法拉第旋光器(22)、第三减反镜(23)、第二Nd:YAG晶体棒(24)、第四减反镜(25)、第二1/2波片(1)及56°偏振片(26)，所述脉冲氙灯(14)设置在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)之间，其中：
所述脉冲氙灯(14)为所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)提供能量，并以光子的形式储存在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内，当所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)能量储存到最大值时，所述种子源产生与所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部储存能量相同波长的激光；
所述激光依次经所述扩束镜凹镜(4)、所述隔离器(5)及所述扩束镜凸镜(6)进入所述45°反射镜(7)、再经所述45°反射镜(7)反射后进入所述第一1/2波片(8)，再经所述45°偏振片(9)偏振后进入所述45°反射镜(10)，经所述45°反射镜(10)反射的激光再依次经所述第一法拉第旋光器(11)、所述第一减反镜(12)、所述第一Nd:YAG晶体棒(13)、所述第二减反镜(15)、所述1/4波片(16)及所述0°反射镜(17)后再按原路返回至所述45°反射镜(10)；
所述45°反射镜(10)将返回的激光再反射进入所述45°偏振片(9)，所述45°偏振片(9)再将所述激光反射并依次经所述第二法拉第旋光器(22)、所述第三减反镜(23)、所述第二Nd:YAG晶体棒(24)及所述第四减反镜(25)后进入所述第二1/2波片(1)；
当所述激光不通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光依次经所述56°偏振片(26)及所述分光镜(21)后由所述窗口(20)输出；
当所述激光通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光被所述56°偏振片(26)反射，再依次经所述第一KTP晶体(190)、所述38°反射镜(18)及所述第二KTP晶体(19)后进入所述分光镜(21)，再由所述窗口(20)输出。
在其中一些实施例中，所述第一法拉第旋光器(11)及所述第二法拉第旋光器(22)均为右旋，相位偏转90°。
在其中一些实施例中，所述第一减反镜(12)、所述第二减反镜(15)、所述第三减反镜(23)及所述第四减反镜(25)的材料为K9玻璃，两面均镀膜为HT@1064nm，呈小于5°角放置。
在其中一些实施例中，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)的切割角度为θ＝90°，φ＝23.5°，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)呈90°正交放置。
在其中一些实施例中，所述扩束镜凹镜(4)及所述扩束镜凸镜(6)的材料为K9玻璃，所述扩束镜凹镜(4)的凹镜曲率为R＝-50mm，所述扩束镜凸镜(6)的凸镜曲率为R＝200mm。
在其中一些实施例中，所述隔离器(5)适用波长为1064nm，通光空间为5mm。
在其中一些实施例中，所述分光镜(21)的一面镀膜为HR@532nm&AR@1064nm，另外一面镀膜AR@1064nm，材料为K9玻璃。
在其中一些实施例中，还包括舵机(2)，所述舵机(2)连接所述第二1/2波片(1)。
本申请采用上述技术方案具备下述效果：
本申请提供的皮秒激光器发射装置，所述脉冲氙灯(14)为所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)提供能量，并以光子的形式储存在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内，当所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)能量储存到最大值时，所述种子源产生与所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部储存能量相同波长的激光；所述激光依次经所述扩束镜凹镜(4)、所述隔离器(5)及所述扩束镜凸镜(6)进入所述45°反射镜(7)、再经所述45°反射镜(7)反射后进入所述第一1/2波片(8)，再经所述45°偏振片(9)偏振后进入所述45°反射镜(10)，经所述45°反射镜(10)反射的激光再依次经所述第一法拉第旋光器(11)、所述第一减反镜(12)、所述第一Nd:YAG晶体棒(13)、所述第二减反镜(15)、所述1/4波片(16)及所述0°反射镜(17)后再按原路返回至所述45°反射镜(10)；所述45°反射镜(10)将返回的激光再反射进入所述45°偏振片(9)，所述45°偏振片(9)再将所述激光反射并依次经所述第二法拉第旋光器(22)、所述第三减反镜(23)、所述第二Nd:YAG晶体棒(24)及所述第四减反镜(25)后进入所述第二1/2波片(1)；当所述激光不通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光依次经所述56°偏振片(26)及所述分光镜(21)后由所述窗口(20)输出；当所述激光通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光被所述56°偏振片(26)反射，再依次经所述第一KTP晶体(190)、所述38°反射镜(18)及所述第二KTP晶体(19)后进入所述分光镜(21)，再由所述窗口(20)输出。上述皮秒激光器发射装置，可提高系统的输出能量、稳定脉宽、优化系统的可靠性及稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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他的附图。
图1为本发明实施例提供的皮秒激光器发射装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的光路传输的偏振态的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的包括脉冲氙灯的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的包括38°反射镜的光路系统的结构示意图。
其中：种子源(3)、扩束镜凹镜(4)、隔离器(5)、扩束镜凸镜(6)、45°反射镜(7)、第一1/2波片(8)、45°偏振片(9)、45°反射镜(10)、第一法拉第旋光器(11)、第一减反镜(12)、第一Nd:YAG晶体棒(13)、脉冲氙灯(14)、第二减反镜(15)、1/4波片(16)、0°反射镜(17)、38°反射镜(18)、第一KTP晶体(190)、第二KTP晶体(19)、窗口(20)、分光镜(21)、第二法拉第旋光器(22)、第三减反镜(23)、第二Nd:YAG晶体棒(24)、第四减反镜(25)、第二1/2波片(1)、56°偏振片(26)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本申请提供的皮秒激光器发射装置的结构示意图，包括：种子源(3)、扩束镜凹镜(4)、隔离器(5)、扩束镜凸镜(6)、45°反射镜(7)、第一1/2波片(8)、45°偏振片(9)、45°反射镜(10)、第一法拉第旋光器(11)、第一减反镜(12)、第一Nd:YAG晶体棒(13)、脉冲氙灯(14)、第二减反镜(15)、1/4波片(16)、0°反射镜(17)、38°反射镜(18)、第一KTP晶体(190)、第二KTP晶体(19)、窗口(20)、分光镜(21)、第二法拉第旋光器(22)、第三减反镜(23)、第二Nd:YAG晶体棒(24)、第四减反镜(25)、第二1/2波片(1)及56°偏振片(26)，所述脉冲氙灯(14)设置在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)之间。
本申请提供的皮秒激光器发射装置，其工作方式如下：
所述脉冲氙灯(14)为所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)提供能量，并以光子的形式储存在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内，当所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)能量储存到最大值时，所述种子源产生与所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部储存能量相同波长的激光。
可以理解，脉冲氙灯(14)由电源供电并开始工作，氙灯发光为所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)提供能量，使其内部的Nd3+粒子，产生粒子数反转由基态变为激发态，产生能级的跃迁，并从低能极跃迁到高能极，随后由于高能级状态不稳定而再次发生能级的跃迁，从高能级跃迁到低能级，并且以光和热的形式向外释放能量。由于没有外部消耗，所以光能以光子的形式储存在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部，当该能量储存到最大值时，种子源(3)开始工作。
所述激光依次经所述扩束镜凹镜(4)、所述隔离器(5)及所述扩束镜凸镜(6)进入所述45°反射镜(7)、再经所述45°反射镜(7)反射后进入所述第一1/2波片(8)，再经所述45°偏振片(9)偏振后进入所述45°反射镜(10)，经所述45°反射镜(10)反射的激光再依次经所述第一法拉第旋光器(11)、所述第一减反镜(12)、所述第一Nd:YAG晶体棒(13)、所述第二减反镜(15)、所述1/4波片(16)及所述0°反射镜(17)后再按原路返回至所述45°反射镜(10)。
所述45°反射镜(10)将返回的激光再反射进入所述45°偏振片(9)，所述45°偏振片(9)再将所述激光反射并依次经所述第二法拉第旋光器(22)、所述第三减反镜(23)、所述第二Nd:YAG晶体棒(24)及所述第四减反镜(25)后进入所述第二1/2波片(1)。
可以理解，此时种子光被有效的放大了两次，由于经过了两次1/4波片其相位旋转了90°，被偏振片反射经过第二法拉第旋光器(22)、所述第三减反镜(23)、所述第二Nd:YAG晶体棒(24)及所述第四减反镜(25)，此时种子光再次被有效放大；再次过程中所述第二法拉第旋光器(22)能够重组被热透镜效应而影响的偏振态，从而提高偏振光的透射和反射效率，提高转换效率和能量利用率；而所述第四减反镜(25)的作用为减少晶体棒两端面形成激光震荡的可能性，提高透过率，避免了这种不包含种子光的有害震荡步进大量消耗晶体棒内部的能量储备，还会造成系统转换效率减低，光束质量变差等现象。
请参阅图2，为光路传输的偏振态，其中图2中(1)表示为种子光经过所述45°偏振片(9)后的偏振态、图2中(2)为种子光经过所述第一Nd:YAG晶体棒(13)后的偏振态，图2中(3)为种子光经过所述第一法拉第旋光器(11)后的偏振态。
当所述激光不通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光依次经所述56°偏振片(26)及所述分光镜(21)后由所述窗口(20)输出。
当所述激光通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光被所述56°偏振片(26)反射，再依次经所述第一KTP晶体(190)、所述38°反射镜(18)及所述第二KTP晶体(19)后进入所述分光镜(21)，再由所述窗口(20)输出。
请参阅图3，为包括脉冲氙灯的结构示意图。需要说明的是，脉冲氙灯(14)所发出的光谱范围很宽，其中能够被Nd:YAG晶体棒吸收并且产生能级跃迁转换为1064nm的光能量的效率很低，这就意味着大部分的能量以热的形式释放出来，这部分能量使所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)产生热应力，其受热不均匀中心强两边弱，最后产生“热透镜效应”，使经过所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)并且被放大的偏振光产生退偏现象。而法拉第旋光器的作用就是在最大程度上修复这种退偏现象，使其偏振态保持一致。这样可以提高偏振片的透射和反射效率，从而提高系统的整体效率，并且最大程度上抑制脉冲因此而发生的展宽现象。
可以理解，当所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部储能后，内部高能态粒子增多，并且极易形成震荡并且向外释放能量，这时我们需要抑制这种有害的震荡，因为这种过程不仅会消耗所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部的储存能量，降低种子光的放大效率，并且所产生的的激光光束质量会变差。所以在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)两端加入成一定角度放置的减反镜，因为减反镜成一定角度放置，所以不会形成有害震荡，并且会减少晶体棒两端的反射率，增加透射率，所以这种过程可以在最大程度上抑制自激振荡的产生，增加系统的放大效率，提高光束质量，增加系统的可靠性和稳定性。
可以理解，采用单片式1/2波片切换光路，能够使光学系统简化，减少系统的体积，增加空间及资源利用率。并且使用一片1/2波片实现起来简单、方便。对光路的位置，角度偏差不敏感。所输出的激光一致性好。
请参阅图4，为包括38°反射镜的光路系统的结构示意图。
可以理解，采用三片式光学系统折返光路，能够有效的减少系统体积，节省空间和资源，也减少了因为光学系统复杂而造成的光损耗，提高了效率。
在其中一些实施例中，所述第一法拉第旋光器(11)及所述第二法拉第旋光器(22)均为右旋，相位偏转90°。
在其中一些实施例中，所述第一减反镜(12)、所述第二减反镜(15)、所述第三减反镜(23)及所述第四减反镜(25)的材料为K9玻璃，两面均镀膜为HT@1064nm，呈小于5°角放置。
在其中一些实施例中，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)的切割角度为θ＝90°，φ＝23.5°，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)呈90°放置。
可以理解，由于KTP晶体属于各向异性的双折射晶体，当1064nm的激光经过该晶体时会产生满足折射定律的正常光分量o光，和不满足折射定律的非正常光e光。其所特有的双折射效应会带来的倍频效率降低、光束质量变差等现象。现利用两块KTP晶体相互垂直放置用来补偿双折射现象，提高倍频效率并提高光束质量。
在其中一些实施例中，所述种子源(3)的输出能量为300uJ，脉宽为300ps。
在其中一些实施例中，所述扩束镜凹镜(4)及所述扩束镜凸镜(6)的材料为K9玻璃，所述扩束镜凹镜(4)的凹镜曲率为R＝-50mm，所述扩束镜凸镜(6)的凸镜曲率为R＝200mm。
在其中一些实施例中，所述隔离器(5)适用波长为1064nm，通光空间为5mm。
在其中一些实施例中，所述分光镜(21)的一面镀膜为HR@532nm&AR@1064nm，另外一面镀膜AR@1064nm，材料为K9玻璃。
在其中一些实施例中，还包括舵机(2)，所述舵机(2)连接所述第二1/2波片(1)。
本申请上述实施例提供的皮秒激光器发射装置，克服了现有技术存在的“热透镜效应”、退偏现象、自激振荡等问题，有效提高系统的输出能量、稳定脉宽、优化系统的可靠性及稳定性。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种皮秒激光器发射装置，其特征在于，包括：种子源(3)、扩束镜凹镜(4)、隔离器(5)、扩束镜凸镜(6)、45°反射镜(7)、第一1/2波片(8)、45°偏振片(9)、45°反射镜(10)、第一法拉第旋光器(11)、第一减反镜(12)、第一Nd:YAG晶体棒(13)、脉冲氙灯(14)、第二减反镜(15)、1/4波片(16)、0°反射镜(17)、38°反射镜(18)、第一KTP晶体(190)、第二KTP晶体(19)、窗口(20)、分光镜(21)、第二法拉第旋光器(22)、第三减反镜(23)、第二Nd:YAG晶体棒(24)、第四减反镜(25)、第二1/2波片(1)及56°偏振片(26)，所述脉冲氙灯(14)设置在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)之间，其中：
所述脉冲氙灯(14)为所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)提供能量，并以光子的形式储存在所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内，当所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)能量储存到最大值时，所述种子源产生与所述第一Nd:YAG晶体棒(13)及所述第二Nd:YAG晶体棒(24)内部储存能量相同波长的激光；
所述激光依次经所述扩束镜凹镜(4)、所述隔离器(5)及所述扩束镜凸镜(6)进入所述45°反射镜(7)、再经所述45°反射镜(7)反射后进入所述第一1/2波片(8)，再经所述45°偏振片(9)偏振后进入所述45°反射镜(10)，经所述45°反射镜(10)反射的激光再依次经所述第一法拉第旋光器(11)、所述第一减反镜(12)、所述第一Nd:YAG晶体棒(13)、所述第二减反镜(15)、所述1/4波片(16)及所述0°反射镜(17)后再按原路返回至所述45°反射镜(10)；
所述45°反射镜(10)将返回的激光再反射进入所述45°偏振片(9)，所述45°偏振片(9)再将所述激光反射并依次经所述第二法拉第旋光器(22)、所述第三减反镜(23)、所述第二Nd:YAG晶体棒(24)及所述第四减反镜(25)后进入所述第二1/2波片(1)；
当所述激光不通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光依次经所述56°偏振片(26)及所述分光镜(21)后由所述窗口(20)输出；
当所述激光通过所述第二1/2波片(1)时，所述激光被所述56°偏振片(26)反射，再依次经所述第一KTP晶体(190)、所述38°反射镜(18)及所述第二KTP晶体(19)后进入所述分光镜(21)，再由所述窗口(20)输出。
2.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述第一法拉第旋光器(11)及所述第二法拉第旋光器(22)均为右旋，相位偏转90°。
3.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述第一减反镜(12)、所述第二减反镜(15)、所述第三减反镜(23)及所述第四减反镜(25)的材料包括但不限于K9玻璃，两面均镀膜为HT@1064nm，呈小于5°角放置。
4.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)的切割角度为θ＝90°，φ＝23.5°，所述第一KTP晶体(190)及第二KTP晶体(19)主光轴呈90°正交放置。
5.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述扩束镜凹镜(4)及所述扩束镜凸镜(6)的材料包括但不限于K9玻璃，所述扩束镜凹镜(4)的凹镜曲率为R＝-50mm，所述扩束镜凸镜(6)的凸镜曲率为R＝200mm。
6.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述隔离器(5)适用波长为1064nm，通光空间为5mm。
7.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，所述分光镜(21)的一面镀膜为HR@532nm&AR@1064nm，另外一面镀膜AR@1064nm，材料包括但不限于K9玻璃。
8.根据权利要求1所述的皮秒激光器发射装置，其特征在于，还包括舵机(2)，所述舵机(2)连接所述第二1/2波片(1)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115021062A (zh) * 2022-08-09 2022-09-06 北京国光领航科技有限公司 一种用于多脉宽多模式输出的激光器及激光治疗仪

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