CN114839784A - 匀光器及激光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光脉冲的匀光器及激光设备，匀光器包括本体以及反射层，所述本体设有用于透入激光脉冲的中空通道，所述反射层覆盖于中空通道的内壁，所述中空通道的内径不小于输入的激光光斑的直径。本体设有输入端面和输出端面，所述输入端面用于接收激光脉冲，所述输出端面用于传输经匀光后的激光脉冲。中空通道的一端口位于输入端面，另一端端口位于输出端面。采用本发明所述的匀光器，可以使激光脉冲激发两种以上高阶模，实现光束横截面的光强度均匀化，增大光斑面积并提高光斑能量分布的均匀性，同时破坏了激光脉冲的相干性，降低高能激光脉冲对光纤产生的损伤，本发明所述的匀光器结构简单，便于使用。

Description

匀光器及激光设备

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种匀光器及激光设备。

背景技术

随着激光科学的发展和进步，激光设备在医学上的应用越来越广泛，其中激光消融技术以操作简便，安全性高的特点受到业界的广泛关注和应用。激光消融技术是一种将激光脉冲经光纤束引导至血管内病变组织处进行消融的技术，该技术虽然安全可靠，但仍然存在一些问题，例如高能激光脉冲容易使石英光纤产生损伤，其损伤机理可分为两方面，一方面是激光脉冲从激光器耦合到光纤束时，由于光的能量密度超过石英玻璃损伤阈值而造成对光纤端面的损伤；另一方面是激光脉冲在光纤中传导时，由于相干作用引起的自干涉现象在光纤内部产生损伤。又如易出现光斑面积小，光斑能量分布的不均匀等问题，影响了激光消融技术在医学的应用。而且现有的匀光技术不够成熟，匀光效果不能满足现在激光技术的需要，依然存在光斑能量分布不均匀问题，且通常情况下，容易出现紫外波段激光损伤波导材料等问题。

因此，如何增大光斑面积，提高光斑能量分布的均匀性，或降低高能激光脉冲对光纤产生的损伤等，已成为此领域中亟待解决的问题。

发明内容

基于此，针对上述问题，本发明提供了一种能增大光斑面积并提高光斑能量分布均匀性，以及降低激光脉冲对光纤损伤的匀光器及激光设备。

一种匀光器，其特征在于，包括本体以及反射层，所述本体设有用于透入激光脉冲的中空通道，所述反射层覆盖于所述中空通道的内壁，所述中空通道的内径不小于输入的激光光斑的直径。

在其中一个实施例中，所述本体设有输入端面和输出端面，所述输入端面用于接收激光脉冲，所述输出端面用于传输经匀光后的激光脉冲；所述中空通道的一端口位于所述输入端面，另一端口位于所述输出端面。

在其中一个实施例中，所述中空通道填满有氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、水蒸气及二氧化碳中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述反射层为反射率不低于85％的涂层。

在其中一个实施例中，所述涂层包括铝涂层和银涂层的任意一种。

在其中一个实施例中，所述中空通道的内腔截面呈圆形或正六边形。

在其中一个实施例中，一种激光设备，包括前述的匀光器。

在其中一个实施例中，一种激光设备，还包括激光发生器、散射模块和聚焦模块，所述激光发生器用于产生激光脉冲，所述散射模块用于发散所述激光脉冲，所述聚焦模块用于将发散后的激光脉冲聚焦并传输至所述匀光器。

在其中一个实施例中，所述散射模块包括散射镜片或散射镜片陈列。

在其中一个实施例中，所述激光设备进一步包括激光导管，所述激光导管与所述匀光器连接。

通过匀光器本体中设一中空通道并使反射层覆盖于中空通道内壁，从而使匀光器能够激发两种以上高阶模，实现光束横截面的光强度更加均匀化，更能增大激光光斑面积并提高激光光斑能量分布的均匀性，同时破坏了激光脉冲的相干性，降低高能激光脉冲对光纤产生的损伤。再者，采用空气作为传输介质传输激光脉冲，不会由于聚焦的激光脉冲产生耦合端面损伤，且在传输过程中不容易损伤波导器件。同时，所述匀光器结构简单，操作方便，便于使用，大大提高了效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的激光设备的结构示意图；

图2为图1中的匀光器的立体示意图；

图3为图2中的匀光器的局部示意图；

图4为本发明另一个实施例的激光设备的结构示意图；

图5为图2中的匀光器的局部示意图。

附图标记：10、激光设备；20、激光发生器；30、散射模块；40、聚焦模块；50、匀光器；51、本体；511、输入端面；512、输出端面；513、中空通道；52、反射层；60、激光导管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本发明提供一种激光设备10，参阅图1，图1示出了本发明一实施例的激光设备10的结构示意图，主要包含激光发生器20、散射模块30、聚焦模块40和匀光器50。

其中，激光发生器20用于产生激光脉冲，散射模块30用于接收激光脉冲，并对激光脉冲进行发散，将发散后的激光脉冲传输至所述聚焦模块40，聚焦模块40对发散后的激光脉冲进行聚焦，将聚焦后的激光脉冲传输至匀光器50，匀光器50对聚焦后的激光脉冲进行匀光，提高光斑能量分布的均匀性。

本发明提供一种匀光器50，如图2所示，图2为图1中的匀光器50的立体示意图，包括本体51以及反射层52，所述本体51设有用于透入激光脉冲的中空通道513，所述反射层52覆盖于中空通道513的内壁，所述中空通道513的内径不小于输入的激光光斑的直径。

其中，中空通道513的内径是指连接中空通道513内腔截面的两点，并通过中空通道513内腔截面中心点的线段。所述内腔截面为垂直于中空通道513连通方向的内腔截面。激光光斑的直径具有多种定义方式，在这里并无特别限制，一般地，激光器输出激光脉冲的激光光斑接近高斯分布，高斯分布的光斑中心光强，以光强降至高斯分布峰值的1/e²位置时的直径作为光斑直径。一般地，进入匀光器50的激光光斑(即匀光器50所接收的激光光斑，亦称输入的激光光斑)的直径例如但不限于为6毫米，所述中空通道513的内径不小于6毫米，又如输入的激光光斑的直径为7毫米，中空通道513的内径不小于7毫米；又如输入的激光光斑的直径为8毫米，中空通道513的内径不小于8毫米；再如，输入的激光光斑的直径为9毫米，中空通道513的内径不小于9毫米等；一般地，激光光斑的直径为一范围时，中空通道513的内径不小于激光光斑直径范围的最大值，例如输入激光光斑的直径为6毫米至9毫米之间，中空通道513的内径不小于9毫米。

其中，本体51设有输入端面511和输出端面512，输入端面511用于接收激光脉冲，输出端面512用于传输经匀光后的激光脉冲。

其中，中空通道513的一端口位于输入端面511，另一端口位于输出端面512。

其中，反射层52完全覆盖于中空通道513的内壁，且反射层52对激光脉冲具有极高反射率，其中，反射层52为反射率不低于85％的涂层。所述反射率例如但不限于85％、87％、90％、92％、95％、98％、99％等。其中，涂层包括铝涂层和银涂层的任意一种。具体地，以波长为355纳米的激光脉冲为例，反射层52为对该激光脉冲的反射率达到90％的铝涂层，此外，铝涂层还可以防止激光脉冲泄露。又如，在一个实施例中，反射层52为银涂层，银涂层对波长为532纳米波长的激光脉冲效果较好。

在一个实施例中，匀光器50可以使激光脉冲激发两种以上高阶模。

一般而言，激发的高阶模种类越多，激发的高阶模式越多，就越有利于改善光束质量，使光束横截面的光强度更加均匀化，实现增大光斑面积并提高光斑能量分布均匀性的效果就越好，同时破坏了激光脉冲的相干性，降低高能激光脉冲对光纤产生的损伤。

具体地，所述高阶模是指LP02模以上的横模，高阶模的模式成分不低于90％。所述的LP02模式是LP模式的其中一种模式，LP模式是指采用弱波导近似时径向对称的折射率分布光纤中的模式，LP02模具有良好的负散值和能量分布。所述横模是指在垂直于激光传播方向上的横截面上的场型分布，描述的是激光光斑上能量分布的情况，可以通过激光束横截面上的光强度进行表征，表现为光斑形状的分布。一般而言，横模越是高阶，光斑也就越大，表明光束横截面的光强度分布更均匀。

具体地，不同频率的一系列电磁波(亦可称为激光脉冲)可以有相同的相速度，对于给定的频率不能简单的期望只有一个相速度，因为对于这些波可以在同一频率下具有不同的相速度；在任何频率下，速度最小的称之为基阶模式，稍微比基阶速度大一点的，称之为一阶模式等等；所有对于相速度高于几阶模式的相速度者，统称为高阶模式。

具体地，高阶模例如但不限于一阶横模、二阶横模、三阶横模、四阶横模等。匀光器50可以激发两种以上任意组合的高阶模，例如但不限于是一阶横模和二阶横模的组合，亦可以是二阶横模和四阶横模的组合，也可以是一阶横模、二阶横模以及三阶横模的组合，或者一阶横模、二阶横模、三阶横模以及四阶横模的组合，亦或是一阶横模和五阶模的组合等。

具体地，所述的LP02模以上的横模并没有特别限制，例如但不限于LP03模、LP04模、LP011模、LP12模、LP13模、LP21模、LP23模、LP31模、LP32模、LP41模、LP42模、LP51模等的横模。

具体地，在一个实施例中，激光脉冲进入匀光器50后，通过反射层52的反射使其在中空通道513内改变光线方位，导致激光脉冲在中空通道513内传播紊乱，此时由于中空通道513能够支持较多的光场模式，从而激发了较多的高阶模式，进而激发两种以上高阶模，从而增大激光光斑面积并提高激光光斑能量分布均匀性，即相较于输入的激光光斑，经匀光器50后的激光光斑的面积增大且光斑能量分布更为均匀，同时破坏了激光脉冲的相干性，降低高能激光脉冲对光纤损伤的效果。

在一个实施例中，中空通道513的内腔截面呈圆形或正六边形。具体地，如图3所示，图3为图2中的匀光器的局部示意图。其中，中空通道513的内腔截面为圆形，反射层52为铝涂层，当激光脉冲通过中空通道513并经反射层52反射时，激光脉冲被激发成两种以上高阶模，从而实现增大光斑面积并提高光斑能量分布均匀性，降低了高能激光脉冲对光纤产生的损伤。

特别地，在另一实施例中，如图5所示，图5为图2中的匀光器50局部示意图，其中，中空通道513的内腔截面为六边形，反射层52为铝涂层，当激光脉冲通过中空通道513并经反射层52反射时，激光脉冲被激发成多种高阶模，极大增大了光斑面积并使光斑能量分布更为均匀，极大降低了高能激光脉冲对光纤产生的损伤。所述效果是发明人预料不到的，其原因可能是激光脉冲在内腔截面为六边形的中空通道513内反射时方位改变更为剧烈，从而使效果达到最佳。

其中，中空通道513内填充有氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、水蒸气及二氧化碳中的至少一种。例如中空通道内填充空气(即氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、水蒸气及二氧化碳的混合物)，当激光脉冲进入中空通道513内部时，通过空气作为传输介质，可以使波导构件不易产生损伤的同时又不会由于聚焦的激光脉冲产生耦合端面损伤。

具体地，本发明所提供的匀光器50是通过中空通道513和反射层52的共同作用下实现极佳的匀光效果，使经过匀光器50后的激光光斑增大了光斑面积以及能量分布更为均匀，其关键是在于具有一中空通道513并具有高反射率的涂层，使其激发出了多种高阶横模，同时，通过空气作为激光脉冲的传输截止，使波导构件不易产生损伤，而且匀光器50结构简单，便于使用。

具体地，在一个实施例中，激光脉冲通过输入端面511进入中空通道513并由反射层52反射后，激光脉冲被激发成两种以上高阶模，对激光脉冲的横截面的光强度进行均匀化，然后经空气传输至输出端面512。

其中，本体51的形状并不特别限制，例如但不限于圆柱状、长方体柱状、正方体等，本体并不特别限制，例如但不限于本体为石英套管、玻璃套管等。

上述实施例对匀光器50进行了说明，其中，激光设备10包括前述的匀光器50。现以一个实施例对激光设备10进行说明。其中，所述激光发生器20可以包括但不限于准分子激光器、三次谐波的光纤激光器和三次谐波的Nd:YAG激光器等。所述的三次谐波的Nd:YAG激光器中Nd:YAG表示掺钕钇铝石榴石。

在一个实施例中，所述激光脉冲并无特别限制，例如但不限于波长介于300纳米至400纳米之间的紫外波段的激光脉冲，又如500纳米至600纳米的激光脉冲，波长例如但不限于300纳米、310纳米、320纳米、330纳米、340纳米、350纳米、355纳米、360纳米、370纳米、380纳米、390纳米、400纳米、532纳米、550纳米、600纳米等。

其中，所述散射模块30包括一个散射镜片，也可以包括多个散射镜片组成的阵列。所述散射模块30通过发散激光脉冲，从而降低激光脉的空间相干性。具体地，所述散射镜片或散射镜片这列包括透光面和散光面，其中，所述透光面用于接收激光脉冲，所述散光面用于对激光脉冲进行散射。所述散光面的规格没有特别限制，例如但不限于包括100目至1500目之间，例如但不限于100目、200目、220目、250目、300目、350目、400目、450目、500目、550目、600目、650目、700目、750目、800目、850目、900目、1000目、1300目及1500目等等。

其中，所述聚焦模块40包括一个透镜，也可以包括多个透镜组成的阵列。具体地，聚焦模块40所使用的透镜并没有特别限制，例如但不限于塑胶透镜、玻璃透镜、双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜等；具体地，聚焦模块40所使用的透镜阵列并没有特别限制，其阵列例如但不限于圆形阵列、正方形阵列、长方形阵列、菱形阵列、椭圆形阵列等。

具体地，如图1所示，以激光发生器20产生波长为355纳米的激光脉冲为例，散射模块30的透光面可以在接收到多个波长为355纳米的激光脉冲后，通过散射模块30的散光面对多个波长为355纳米的激光脉冲进行发散并传输至聚焦模块40，聚焦模块40在接收到发散后的多个波长为355纳米的激光脉冲后，对发散后的多个波长为355纳米的激光脉冲进行聚焦，使其在匀光器50的输入端面511上聚焦为一个激光光斑，然后激光光斑进入匀光器50进行匀光，经匀光器后的激光光斑面积增大且能量分布均匀。

在一个实施例中，如图4所示，图4为另一个实施例中激光设备10的结构示意图，所述激光设备10除了匀光器50、激光发生器20、散射模块30、聚焦模块40外，还可以包括激光导管60。

其中，激光导管60用于将匀光后的激光脉冲引导至病灶位置。

其中，激光导管60与匀光器50紧密连接。匀光器50与激光导管60通过紧密连接可以减少激光脉冲能量的损失。

具体地，激光导管60与匀光器50的连接可以采用不同的方式进行连接，例如但不限于可以使用熔融的方式连接，具体地，在一个实施例中，匀光器50的输出端面512与激光导管60输入端(即光纤束的输入端)进行熔融连接。又例如可以通过插拔的方式连接，具体地，在一个实施例中，匀光器50的输出端面512与激光导管60输入端(即所述光纤束的输入端)设置可进行插拔连接的插口，可以通过插口将匀光器50与激光导管60连接。

其中，激光导管60包裹着由多根光纤构成的光纤束，光纤束的排布方式根据匀光器50的中空通道513的内腔截面的形状进行排列。具体地，在一个实施例中，光纤束的排布方式为圆环式排布。在另一个实施例中，如图4所示，光纤束的排布方式为蜂窝式均匀紧密排布。

具体地，在一个实施例中，所述匀光器50的输出端面512的面积可以等于所述激光导管60输入端面511的面积(即光纤束的输入端平面的面积)。

具体地，在一个实施例中，聚焦模块40将激光发生器20产生的激光脉冲进行聚焦，将激光脉冲聚焦于匀光器50输入端面511上，并通过匀光器50将聚焦后的激光脉冲进行均匀分布后，将匀光后的激光脉冲耦合进激光导管60中，进而使激光导管60的光纤束接收到的激光脉冲的能量相等。

具体地，以激光发生器20产生波长为355纳米的激光脉冲为例，散射模块30的透光面可以在接收到多个波长为355纳米的激光脉冲后，通过散射模块30的散光面对多个波长为355纳米的激光脉冲进行发散并传输至聚焦模块40，聚焦模块40在接收到发散后的多个波长为355纳米的激光脉冲后，对发散后的多个波长为355纳米的激光脉冲进行聚焦，使其在匀光器50的输入端面511上聚焦为一个激光光斑，此时，所述光斑的能量分布接近为高斯分布，所述高斯分布为光斑的中心最亮，越靠近光斑的边界，亮度逐渐减弱。

为了确保聚焦后的激光脉冲可以传输至匀光器50，匀光器50的输入面积应大于聚焦后的激光脉冲的光斑直径，现以一个实施例进行说明，其中，匀光器50的输入端面511的直径大于或等于聚焦后的激光脉冲的光斑的直径。

具体地，为了得到光斑能量均匀的激光脉冲，需要将符合高斯分布的激光脉冲转换为符合平顶分布的激光脉冲，即聚焦的光斑通过匀光器50的输入端面511进入到中空通道513进行匀光，匀光后的激光脉冲在匀光器50的输出端面512体现为亮度均匀分布的光斑，其中，中空通道513的内腔截面优选六边形。然后将匀光后的激光脉冲传输至所述的激光导管60。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种匀光器，其特征在于，包括本体以及反射层，所述本体设有用于透入激光脉冲的中空通道，所述反射层覆盖于所述中空通道的内壁，所述中空通道的内径不小于输入的激光光斑的直径。

2.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述本体设有输入端面及输出端面，所述输入端面用于接收激光脉冲，所述输出端面用于传输经匀光后的激光脉冲；所述中空通道的一端口位于所述输入端面，另一端口位于所述输出端面。

3.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述中空通道填充有氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、水蒸气及二氧化碳中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述反射层为反射率不低于85％的涂层。

5.根据权利要求4所述的匀光器，其特征在于，所述涂层包括铝涂层和银涂层的任意一种。

6.根据权利要求1所述的匀光器，其特征在于，所述中空通道的内腔截面呈圆形或正六边形。

7.一种激光设备，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的匀光器。

8.根据权利要求7所示的激光设备，其特征在于，所述激光设备还包括激光发生器、散射模块及聚焦模块，所述激光发生器用于产生激光脉冲，所述散射模块用于发散所述激光脉冲，所述聚焦模块用于将发散后的所述激光脉冲聚焦并传输至所述匀光器。

9.根据权利要求8所述的激光设备，其特征在于，所述散射模块包括散射镜片或散射镜片阵列。

10.根据权利要求8所述的激光设备，其特征在于，所述激光设备还包括激光导管，所述激光导管与所述匀光器连接。

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