CN115133390A - 一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器 - Google Patents

一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，包括泵浦源、聚焦系统、激光谐振腔、激光增益介质和滤波片，所述聚焦系统为由两个凸透镜组成的组合透镜；所述激光增益介质位于激光谐振腔内；所述激光谐振腔为线型谐振腔、三镜V型谐振腔和四镜X型谐振腔的任一种，泵浦源发出的激光光束经过聚焦系统后进入激光谐振腔，由激光谐振腔输出后再经过滤光片输出，其优点在于，操作简单、成本较低，当实现2.3μm连续激光运转之后，只需增加泵浦功率即可实现输出激光功率的提高，波长调谐元件的引入可以实现宽带可调谐的2.3μm波段激光输出，提高无创血糖检测的精度。

Description

一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器。
背景技术
糖尿病及其并发症已经成为严重威胁人类健康甚至生命安全且无法根治的全球性疾病。安全、及时和持续的血糖监测，对于患者预防并发症、提高生活质量、延长自身寿命尤为重要。目前，无创血糖检测的方法多种多样，如反离子渗透法、超声法、生物电阻抗法、电磁传感法、微波法、拉曼光谱法、红外光谱法等。其中，红外光谱法因具有灵敏度高、成本低、精度高、效率高、快速、无需试剂和可多组分同时测量等特点，成为目前无创血糖检测的主要手段。中红外2.3μm波段激光覆盖了葡萄糖的特征吸收峰（2.0μm-2.5μm），且位于水的弱吸收区，能以较低的损耗透过人体组织，大大减少对人体组织的损伤，可以达到无创检测的目的。因此，2.3μm中红外波段激光是开展无创血糖检测的首选光源。目前产生2.3μm波段激光的主要方法有四种：第一种方法为利用非线性光学频率变换过程，通过拉曼频移的手段获得，但是该技术手段所需装置复杂，激光效率低下，而且主要以脉冲激光输出为主，暂未有连续激光输出；第二种方法为利用二价过渡金属离子Cr2+或Fe2+掺杂的II-VI族化合物材料（如Cr2+:ZnSe，Cr2+:ZnS，Cr2+:CdSe，Fe2+:ZnS和Fe2+:ZnSe）获得，但是该类激光器的发展受限于高质量的晶体或陶瓷和高性价比的1.5μm-2μm泵浦源；第三种方法为利用GaInAsSb/AlGaAsSb和InP，GaSb半导体的垂直腔面发射激光器（VCSELs）获得，但是该类激光器的激光效率低下，且受限于价格昂贵的半导体材料；第四种方法是利用Tm3+掺杂的激光晶体材料中的3H4→3H5跃迁获得，该方法可以由商用AlGaAs半导体激光器（LD）直接泵浦，是获得2.3μm波段激光的新手段。Tm3+中的3H4→3H5跃迁为典型的准四能级激光系统，无再吸收，温度效应弱，可在室温下实现激光运转，具有重要的研究价值。因此，将热机械性能好、光谱特性优良且物化性能稳定的Tm3+掺杂激光晶体材料应用于固体激光器中并产生2.3μm激光，对于实现无创血糖检测意义重大。
发明内容
针对现有血糖检测技术的不足，本发明提供一种Tm3+掺杂的中红外2.3μm固体激光器，利用Tm3+中3H4→3H5能级间的跃迁产生2.3μm激光，可通过波长调谐元件对输出激光的中心波长进行调谐，为无创血糖检测提供光源。其技术方案为
一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，包括泵浦源、聚焦系统、激光谐振腔、激光增益介质和滤波片，所述聚焦系统为由两个凸透镜组成的组合透镜，所述激光增益介质位于激光谐振腔内，所述激光谐振腔为线型谐振腔、三镜V型谐振腔和四镜X型谐振腔的任一种，泵浦源发出的激光光束经过聚焦系统后进入激光谐振腔，由激光谐振腔输出后再经过滤光片输出。
优选的，所述激光谐振腔为线型谐振腔时，包括平平输入腔镜和平平输出腔镜，在平平输入腔镜上镀有介质膜A，在平平输出腔镜上镀有介质膜B，所述激光增益介质位于平平输入腔镜和平平输出腔镜之间；所述介质膜A对于794nm附近的光束具有高透过率，对于2.2μm-2.4μm波段的光束具有高反射率；所述介质膜B对于2.2μm-2.4μm波段的光束具有低透过率、高反射率。
优选的，所述激光谐振腔为三镜V型谐振腔时，包括平平输入腔镜、平凹腔镜、波长调谐元件和平平输出腔镜，所述激光增益介质位于平平输入腔镜和平凹腔镜之间，波长调谐元件位于平凹腔镜和平平输出腔镜之间的光路上；所述平平输入腔镜上镀有介质膜A，平凹腔镜与平平输入腔镜镀有相同的介质膜，所述平平输出腔镜镀有介质膜B。
优选的，所述激光谐振腔为四镜X型谐振腔时，包括输入平凹腔镜、平凹腔镜、高反腔镜、平平输出腔镜和波长调谐元件，波长调谐元件位于输入平凹腔镜和平平输出腔镜之间的光路上；在输入平凹腔镜和平凹腔镜上镀有介质膜A，在平平输出腔镜上镀有介质膜B，在高反腔镜上镀有介质膜C，所述介质膜C在2.2μm-2.4μm具有高反射率。
优选的，所述激光增益介质为1.5at.% Tm3+掺杂浓度的激光晶体，为Tm:YVO4、Tm:YAP、Tm:YAG、Tm:YLF、Tm:CNGG中的任一种。
优选的，所述滤波片对小于1μm的泵浦光束具有低透过率，经过滤光片输出2.2μm-2.4μm光波段的激光，该光波段用于无创血糖检测。
优选的，所述激光输出接入光谱仪，所述波长调谐元件安装在控制台上，通过控制台转动波长调谐元件的旋转角度，改变激光谐振腔内的振荡波长，在旋转波长调谐元件的过程中观察光谱仪中输出激光的中心波长，波长调谐元件的引入使输出激光的中心波长可调节。
有益效果
1. 操作简单。本发明基于Tm3+掺杂的中红外2.3μm固体激光器核心技术为泵浦源、谐振腔、Tm3+掺杂的激光晶体三部分。当实现2.3μm连续激光运转之后，只需增加泵浦功率即可实现输出激光功率的提高。
2. 成本低。本发明中的泵浦源为商业化且技术成熟的半导体激光器，和常用的泵浦源钛宝石激光器相比，本发明中的泵浦源价格更低。
3. 波长可调谐。本发明基于Tm3+掺杂的中红外2.3μm固体激光器可通过波长调谐元件实现对输出激光波长的调谐。较宽的光谱范围可同时提供测量光源和参考光源，便于去除环境噪声对血糖检测的影响。
4. 对人体损伤小。和其他血糖检测方法相比，中红外2.3μm波段的激光覆盖了葡萄糖的特征吸收峰，且位于水的弱吸收区，能够以较低的损耗穿过人体组织，可实现对人体血糖的无创检测。
附图说明
图1是实施例一中LD泵浦的2.3μm Tm:YVO4固体激光器结构示意图；
图2是实施例三中LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器结构示意图；
图3是实施例六中LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器结构示意图；
图中，1是泵浦源；2是聚焦系统；3是平平输入腔镜；4是激光增益介质；5是平平输出腔镜；6是滤波片；7激光输出；8是平凹腔镜；9是波长调谐元件；10是输入平凹腔镜；11是高反腔镜。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
实施例一：LD泵浦的2.3μm Tm:YVO4固体激光器
图1所示，一种LD泵浦的2.3μm Tm:YVO4固体激光器，由泵浦源1、聚焦系统2、平平输入腔镜3、激光增益介质4、平平输出腔镜5、滤波片6沿光路顺序依次排列而成，平平输入腔镜3和平平输出腔镜5构成线型激光谐振腔。泵浦源1为中心波长794nm、纤芯直径200μm，数值孔径0.22的光纤耦合激光二极管；聚焦系统2由两个焦距为50mm的凸透镜组成，前者用于泵浦光束的准直，后者用于泵浦光束的聚焦，聚焦比例为1:1；平平输入腔镜3镀有介质膜A，介质膜A在794nm附近具有高透过率，在2.2μm-2.4μm波段具有高反射率；平平输出腔镜5镀有介质膜B，介质膜B在2.2μm-2.4μm的透过率为1%；激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:YVO4晶体，位于聚焦系统的焦点处，Tm:YVO4晶体采用传统的提拉法生长，通光方向长度为10mm，通光面为3.0×3.0mm2的正方形；滤波片6对小于1μm的光具有低透过率，可滤除残留的泵浦光束。
开启泵浦源1，由激光二极管输出的794nm泵浦光经光纤耦合至聚焦系统，聚焦系统对泵浦光束进行准直和聚焦，使其进入激光谐振腔中的激光增益介质4，此时，增加泵浦功率，调节激光谐振腔和激光增益介质4，实现谐振腔内的激光振荡，谐振腔内的激光经平平输出腔镜5输出再由滤波片（过滤掉残留的泵浦光）滤波后即可获得2.3μm波段激光输出，输出的2.3μm波段激光功率会随着泵浦功率的增加而增加。
实施例二：LD泵浦的2.3μm Tm:CNGG固体激光器
一种LD泵浦的2.3μm Tm:CNGG固体激光器，如实施例一所述，所不同的是激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:CNGG晶体，其他条件和部件与实施例一一致。
实施例三：LD泵浦、波长调谐元件9为石英片的2.3μm Tm:YVO4可调谐固体激光器
图2所示，一种LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器，由泵浦源1、聚焦系统2、平平输入腔镜3、激光增益介质4、平凹腔镜8、波长调谐元件9、平平输出腔镜5、滤波片6沿光路顺序依次排列而成，平平输入腔镜3、平凹腔镜8和平平输出腔镜5构成三镜V型激光谐振腔。泵浦源1为中心波长794nm、纤芯直径200μm，数值孔径0.22的光纤耦合激光二极管；聚焦系统2由两个焦距为50mm的凸透镜组成，前者用于泵浦光束的准直，后者用于泵浦光束的聚焦，聚焦比例为1:1；平平输入腔镜3镀有介质膜A，介质膜A在794 nm附近具有高透过率，在2.2μm-2.4μm具有高反射率；平凹腔镜8和平平输入腔镜3镀有相同的介质膜；平平输出腔镜5镀有介质膜B，介质膜B在2.2μm-2.4μm的透过率为1%；激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:YVO4晶体，位于聚焦系统的焦点处，Tm:YVO4晶体采用传统的提拉法生长，通光方向长度为10mm，通光面为3.0×3.0mm2的正方形；波长调谐元件9为石英片（激光输出7接入光谱仪，石英片安装在控制台上，通过控制台调节波长调谐元件9的旋转角度，利用石英片的双折射原理，改变激光谐振腔内的振荡波长，使激光输出7的中心波长可调节）；滤波片6对小于1μm的光具有低透过率，可滤除残留的泵浦光束。
开启泵浦源1，由激光二极管输出的794nm泵浦光经光纤耦合至聚焦系统，聚焦系统对泵浦光束进行准直和聚焦，使其进入激光谐振腔中的激光增益介质4，此时，增加泵浦功率，调节激光谐振腔和激光增益介质4，实现谐振腔内的激光振荡，谐振腔内的激光经平平输出腔镜5输出再由滤波片（过滤掉残留的泵浦光）滤波后即可获得2.3μm波段激光输出，输出的2.3μm波段激光功率会随着泵浦功率的增加而增加。随后，调节石英片角度，获得不同波长的输出激光。
实施例四：LD泵浦、波长调谐元件9为石英片的2.3μm Tm:CNGG可调谐固体激光器
一种LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:CNGG固体激光器，如实施例三所述，所不同的是激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:CNGG晶体，其他条件和部件与实施例三一致。
实施例五：LD泵浦、波长调谐元件9为F-P标准具的2.3μm Tm:YVO4可调谐固体激光器
一种LD泵浦、F-P标准具调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器，如实施例三所述，所不同的是波长调谐元件为F-P标准具，其他条件和部件与实施例三一致。
实施例六：LD泵浦、波长调谐元件9为石英片的2.3μm Tm:YVO4可调谐固体激光器
图3所示，一种LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器，由泵浦源1、聚焦系统2、输入平凹腔镜10、激光增益介质4、平凹腔镜8、高反腔镜11、波长调谐元件9、平平输出腔镜5、滤波片6沿光路顺序依次排列而成，输入平凹腔镜10、平凹腔镜8、高反腔镜11和平平输出腔镜5构成四镜X型激光谐振腔。泵浦源1为中心波长794nm、纤芯直径200μm，数值孔径0.22的光纤耦合激光二极管；聚焦系统2由两个焦距为50mm的凸透镜组成，前者用于泵浦光束的准直，后者用于泵浦光束的聚焦，聚焦比例为1:1；输入平凹腔镜10和平凹腔镜8镀有介质膜A，介质膜A在794nm附近具有高透过率，在2.2μm-2.4μm具有高反射率；高反腔镜11镀有介质膜C，介质膜C在2.2μm-2.4μm具有高反射率；平平输出腔镜5镀有介质膜B，介质膜B在2.2μm-2.4μm的透过率为1%；激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:YVO4晶体，位于聚焦系统的焦点处，Tm:YVO4晶体采用传统的提拉法生长，通光方向长度为10mm，通光面为3.0×3.0mm2的正方形；波长调谐元件9为石英片；滤波片6对小于1μm的光具有低透过率，可滤除残留的泵浦光束。
开启泵浦源1，由激光二极管输出的794nm泵浦光经光纤耦合至聚焦系统，聚焦系统对泵浦光束进行准直和聚焦，使其进入激光谐振腔中的激光增益介质4，此时，增加泵浦功率，调节激光谐振腔和激光增益介质4，实现谐振腔内的激光振荡，谐振腔内的激光经平平输出腔镜5输出再由滤波片（过滤掉残留的泵浦光）滤波后即可获得2.3μm波段激光输出，输出的2.3μm波段激光功率会随着泵浦功率的增加而增加。随后，调节石英片角度，获得不同波长的输出激光。
实施例七：LD泵浦、波长调谐元件9为石英片的2.3μm Tm:CNGG可调谐固体激光器
一种LD泵浦、石英片调谐的2.3μm Tm:CNGG固体激光器，如实施例六所述，所不同的是激光增益介质4是Tm3+掺杂浓度为1.5at.% a-cut的Tm:CNGG晶体，其他条件和部件与实施例六一致。
实施例八：LD泵浦、波长调谐元件9为F-P标准具的2.3μm Tm:YVO4可调谐固体激光器
一种LD泵浦、F-P标准具调谐的2.3μm Tm:YVO4固体激光器，如实施例六所述，所不同的是波长调谐元件为F-P标准具，其他条件和部件与实施例六一致。
聚焦比例：聚焦前激光光斑直径与聚焦后激光光斑直径的比值
F-P标准具：法布里-珀罗标准具
3H4和3H5：Tm3+的能级
Tm:YVO4：中文名称为掺铥钒酸钇
Tm:YAP：英文全称为Tm:YAlO3，中文名称为掺铥铝酸钇
Tm:YAG：英文全称为Tm:Y3Al5O12，中文名称为掺铥钇铝石榴石
Tm:YLF：英文全称为Tm:LiYF4，中文名称为掺铥氟化钇锂
Tm:CNGG：英文全称为Tm:Calcium Niobium Gallium Garnet，中文名称为掺铥钙铌镓石榴石。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，包括泵浦源、聚焦系统、激光谐振腔、激光增益介质和滤波片，所述聚焦系统为由两个凸透镜组成的组合透镜，所述激光增益介质位于激光谐振腔内，所述激光谐振腔为线型谐振腔、三镜V型谐振腔和四镜X型谐振腔的任一种，泵浦源发出的激光光束经过聚焦系统后进入激光谐振腔，由激光谐振腔输出后再经过滤光片输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔为线型谐振腔时，包括平平输入腔镜和平平输出腔镜，在平平输入腔镜上镀有介质膜A，在平平输出腔镜上镀有介质膜B，所述激光增益介质位于平平输入腔镜和平平输出腔镜之间；所述介质膜A对于794nm附近的光束具有高透过率，对于2.2μm-2.4μm波段的光束具有高反射率；所述介质膜B对于2.2μm-2.4μm波段的光束具有低透过率、高反射率。
3.根据权利要求1所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔为三镜V型谐振腔时，包括平平输入腔镜、平凹腔镜、波长调谐元件和平平输出腔镜，所述激光增益介质位于平平输入腔镜和平凹腔镜之间，波长调谐元件位于平凹腔镜和平平输出腔镜之间的光路上；所述平平输入腔镜上镀有介质膜A，平凹腔镜与平平输入腔镜镀有相同的介质膜，所述平平输出腔镜镀有介质膜B。
4.根据权利要求1所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔为四镜X型谐振腔时，包括输入平凹腔镜、平凹腔镜、高反腔镜、平平输出腔镜和波长调谐元件，波长调谐元件位于输入平凹腔镜和平平输出腔镜之间的光路上；在输入平凹腔镜和平凹腔镜上镀有介质膜A，在平平输出腔镜上镀有介质膜B，在高反腔镜上镀有介质膜C，所述介质膜C在2.2μm-2.4μm光波段具有高反射率。
5.根据权利要求1所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，所述激光增益介质为1.5at.% Tm3+掺杂浓度的激光晶体，为Tm:YVO4、Tm:YAP、Tm:YAG、Tm:YLF、Tm:CNGG中的任一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，所述滤波片对小于1μm的泵浦光束具有低透过率，经过滤光片输出2.2μm-2.4μm光波段的激光，该光波段用于无创血糖检测。
7.根据权利要求3或4任一所述的一种用于无创血糖检测的中红外固体激光器，其特征在于，激光输出接入光谱仪，波长调谐元件安装在控制台上，通过控制台转动波长调谐元件的旋转角度，改变激光谐振腔内的振荡波长，在旋转波长调谐元件的过程中观察光谱仪中输出激光的中心波长，波长调谐元件的引入使输出激光的中心波长可调节。
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CN112563872A (zh) * 2020-12-10 2021-03-26 江苏师范大学 一种基于gsa和esa双波长泵浦掺铥激光器
CN112886377A (zh) * 2019-11-29 2021-06-01 山东大学 一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石连续可调谐激光器

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