CN115425509B - 基于v型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备，包括：谐振腔，谐振腔内包括沿光路依次设置的全反镜、第一激光侧泵模块、反射镜、第二激光侧泵模块和输出镜；全反镜的镀膜中心波长为1319 nm；第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块的等效热透镜中心到反射镜距离相等，且第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块均为半导体泵浦模块；输出镜的中心波长为1319 nm；反射镜用于使腔内激光发生反射，以使谐振腔的激光光路为V型，构成V型折叠腔。本发明基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备，能够稳定输出1319 nm波长的脉冲激光，临床医疗手术中具有优势，具有更小的组织热损伤，同时兼具较高工作效率。

Description

基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备
技术领域
本发明涉及脉冲激光技术领域，尤其涉及一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备。
背景技术
近年来激光在医疗领域尤其是临床外科手术中广泛应用，不同波段激光与生物组织作用机理不同决定了应用的多元化和差异性。例如，波长2 μm的钬激光和铥激光常用于泌尿外科手术，9.3 μm中红外激光器用于牙科手术，波长在970 nm-1500 nm近红外激光由于组织深度可达几毫米，利于多种组织止血。
在肿瘤手术切除应用领域，特别地，对于肺部转移瘤切除手术，一方面目前常采用超声刀、电刀、切割缝合器等方法，缺点是手术后肺组织易漏气，常需配合丝线缝合达到封闭效果，尽管切割缝合器使用方便快捷，但术后肺组织容易皱缩。另一方面，也可以采用激光手段，传统的肿瘤激光切除手术采用1064 nm的Nd:YAG激光，该波长能够实现大块凝血效果，然而由于人体组织对该波长吸收系数较小，切除过程中伴随严重的热扩散效应，导致水肿或发炎等现象。
相较于前述的1064 nm波长的激光，以1319 nm波长为代表的1.3 μm激光具有明显的优势，该波长激光由于其在水中的吸收率高出10倍，以及充分的激光散射作用，能提供更好的切割和凝固作用，可以加强组织切除区域周围的结构稳定性。
但是，现有的激光器及激光装备产生的1319 nm激光的稳定性不高，导致了1319nm波长激光无法被广泛的应用于医疗手术中。
发明内容
本发明提供一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备，用以解决现有的激光器无法产生高稳定性1.3 μm激光的问题。
本发明第一方面提供一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，用于产生1.3μm波长的连续及脉冲激光，包括：
谐振腔，谐振腔内包括沿光路依次设置的全反镜、声光调Q开关、光闸开关、第一激光侧泵模块、反射镜、第二激光侧泵模块和输出镜；
全反镜的镀膜中心波长为1319 nm；
声光调Q开关，用于产生纳秒脉冲，并进行激光输出重复频率的调制；
光闸开关用于在关断时，切断激光的传输，还用于在激光器工作时，使激光在谐振腔内传输并由输出镜输出；
第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块的等效热透镜中心到反射镜距离相等，且第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块均为半导体泵浦模块；
输出镜的中心波长为1319 nm；
反射镜用于使腔内激光发生反射，以使谐振腔的激光光路为V型，构成V型折叠腔；
反射镜的曲率半径为R2，R2=2×F，其中，F为第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块的等效焦距；
谐振腔光学长度为M，M=M1+2×M2+M3，其中，M1为输出镜与第二激光侧泵模块的等效热透镜中心间距，M2为第一激光侧泵模块和第二激光侧泵模块等效热透镜中心到反射镜距离，M3为全反镜与第一激光侧泵模块的等效热透镜中心间距。
可选地，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器包括以输出镜作为参考面确定的稳定腔，稳定腔为基于V型动态稳定腔设计；稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立谐振腔的abcd矩阵：
Figure 870798DEST_PATH_IMAGE001
对应谐振腔内的ABCD矩阵公式为：
Figure 955428DEST_PATH_IMAGE002
Figure 173308DEST_PATH_IMAGE003
Figure 292573DEST_PATH_IMAGE004
Figure 934776DEST_PATH_IMAGE005
Figure 772282DEST_PATH_IMAGE006
Figure 525343DEST_PATH_IMAGE007
Figure 764695DEST_PATH_IMAGE008
Figure 312220DEST_PATH_IMAGE009
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Figure 931124DEST_PATH_IMAGE011
Figure 759403DEST_PATH_IMAGE012
Figure 8988DEST_PATH_IMAGE013
Figure 555507DEST_PATH_IMAGE014
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Figure 395473DEST_PATH_IMAGE016
Figure 301112DEST_PATH_IMAGE017
Figure 849774DEST_PATH_IMAGE018
Figure 764640DEST_PATH_IMAGE019
Figure 819708DEST_PATH_IMAGE020
Figure 161828DEST_PATH_IMAGE021
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Figure 70430DEST_PATH_IMAGE025
Figure 344416DEST_PATH_IMAGE026
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Figure 627816DEST_PATH_IMAGE028
Figure 311738DEST_PATH_IMAGE029
Figure 528481DEST_PATH_IMAGE030
Figure 588840DEST_PATH_IMAGE031
Figure 735657DEST_PATH_IMAGE032
Figure 324901DEST_PATH_IMAGE030
其中，K为谐振腔，R1为全反镜的曲率半径，R3为输出镜的曲率半径；
稳定腔的稳定条件为0<G1∙G2<1，稳定腔包括基于稳定条件确定的第一稳区和第二稳区，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作状态由第一稳区进入第二稳区，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的工作点设置在第二稳区。
可选地，输出镜与第二激光侧泵模块之间距离M1为150 mm；
第一激光侧泵模块与第二激光侧泵模块分别距离反射镜的距离M2为125 mm至175mm；
全反镜与第一激光侧泵模块的距离M3为400 mm至600 mm；
全反镜为谐振腔的腔镜，用于传输激光束，全反镜采用平面镜，损伤阈值>10 J/cm2，反射率>99.9%。
输出镜为谐振腔的输出腔镜，用于传输激光束，输出镜的带宽<10 nm，损伤阈值>15 J/cm2，反射率为70%至85%。
可选地，声光调Q开关的工作波长1319 nm，光孔径4 mm，载波频率27 MHz±0.1MHz，电脉冲上升时间<200 ns，控制信号电平为TTL电平。
可选地，还包括：
分光镜，设置在输出镜的下游的光路上，用于对输出镜输出的激光进行透射和反射，形成一路透射光和一路反射光；
沿透射光的光路依次设置的聚焦透镜和功率计探头，聚焦透镜用于将透射光聚焦到功率计探头，功率计探头用于根据探测到的透射光的功率强度对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的功率进行自反馈调节；
分布在分光镜两侧光耦合器和指示光源，光耦合器位于1319 nm反射激光的光路上，指示光源位于反射光的光路的相反侧；
指示光源用于沿反射光的光路方向发射指示光，使指示光经过分光镜透射后射入光耦合器；
光耦合器用于对接收到的反射光和指示光进行耦合。
本发明第二方面提供一种激光装备，包括前述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统和用户单元，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统均与用户单元相连；
电控模块用于控制基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器和冷却系统的工作；
冷却系统用于为基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器散热；
用户单元用于对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的输出激光进行参数调节。
可选地，还包括激光手具，用于连接基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，将脉冲激光器输出的激光照射到指定位置；
激光手具包括光纤接头、多模光纤、第一平凸透镜、镜筒、第二平凸透镜、窗口片、手具管壳和定位接头，光纤接头分别与基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器和多模光纤连接，多模光纤背离是光纤接头的一端与第一平凸透镜共轴，镜筒设置在第一平凸透镜与第二平凸透镜之间，窗口片设置在第二平凸透镜背离第一平凸透镜的一端，并与第二平凸透镜贴合；所述手具管壳内沿其长度方向具有通道，以使所述多模光纤由所述手具管壳的第一端沿所述通道穿设于所述手具管壳内，并与置于所述手具管壳内的所述第一平凸透镜连接；所述手具管壳的第二端设置有所述定位接头。
可选地，电控模块包括：
电源单元，用于输出直流电流，并向基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、冷却系统和显示装置供电；
控制单元，用于控制冷却系统和基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作状态。
可选地，用户单元包括：
显示装置，用于存储上位机软件，上位机软件用于实现基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的参数的输入、调整和指令发送操作；
脚踏，通过线路与激光器连接，用于控制激光器的工作状态。
本发明提供一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器及激光装备，基于V型动态稳定腔的设计方法，利用谐振腔内全反镜、第一激光侧泵模块、反射镜、第二激光侧泵模块和输出镜的位置关系，以及全反镜和输出镜的中心波长，带宽能够稳定的输出1.3 μm波长的连续及脉冲激光，在临床医疗手术应用中具有优势，并且，利用V型动态稳定腔设计，同时通过声光调Q开关和光闸开关配合，形成脉冲激光自反馈调节机制，能够实现高稳定性的1319 nm波长的激光输出，相较于传统所使用的1064 nm和532 nm波长激光，具有更小的组织热损伤，同时兼具较高的工作效率。
此外，一种激光装备，利用基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统均与用户单元相连，通过用户单元对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统进行控制，提高了装备的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本申请一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的稳定腔示意图；
图2为本申请一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的稳区示意图；
图3为本申请一种激光装备的结构示意图；
图4为本申请一种激光装备的功率自反馈调节流程示意图；
图5为本申请一种激光装备的激光手具结构示意图；
图6为本申请一种激光装备的定位臂与固定环示意图；
图7为本申请一种激光装备的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器输出激光波长的数据图；
图8为本申请一种激光装备的不同工作电流下激光手具输出激光功率的数据图；
图9为本申请一种激光装备的均方根稳定性和峰值稳定性测试图；
图10为本申请一种激光装备的不同激光功率下肺组织病理学检测图；
图11为本申请一种激光装备的不同激光功率下切除1 cm2组织所需时间测试图。
附图标记：
100-基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器；101-全反镜；102-声光调Q开关；103-光闸开关；104-第一激光侧泵模块；105-偏振片；106-第二激光侧泵模块；107-输出镜；108-分光镜；109-指示光源；110-聚焦透镜；111-功率计探头；112-光耦合器；200-电控模块；300-冷却系统；400-用户操作单元；401-显示装置；402-脚踏；403-激光手具；4031-光纤接头；4032-多模光纤；4033-手具管壳；4034-镜圈；4035-第一平凸透镜；4036-镜筒；4037-第二平凸透镜；4038-窗口片；4039-垫圈；4040-定位接头；40401-固定环；40402-定位臂。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本申请提供了一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，用于产生1.3 μm波长的脉冲激光。
图1为本申请一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的稳定腔示意图。
如图1所示，该基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器包括谐振腔（图1中未示出），以及位于谐振腔内的沿光路依次设置的全反镜101、声光调Q开关102、光闸开关103、第一激光侧泵模块104、反射镜、第二激光侧泵模块106和输出镜107。
全反镜101为谐振腔的腔镜，优选平面镜，全反镜101的镀膜中心波长为1319 nm，损伤阈值>10 J/cm2，反射率>99.9%。
声光调Q开关102，用于产生纳秒脉冲，并进行激光输出重复频率的调制。
光闸开关103用于在关断时，切断激光的传输，还用于在激光器工作时，使激光在谐振腔内传输并由输出镜输出。
第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106的等效热透镜中心到反射镜距离相等，且第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106均为半导体泵浦模块。
第一激光侧泵模块104与第二激光侧泵模块106均为半导体泵浦模块，且均由9个巴条成3*3阵列组成，优选地，半导体泵浦模块波长为807.4 nm，每个巴条的最大泵浦功率为40 W，激光晶体棒为Nd: YAG晶体，采用水冷散热，尺寸为φ3*65 mm，Nd3+的掺杂浓度为0.6 %。
输出镜107用于输出激光。优选地，输出镜107为平面镜，与全反镜101构成平平腔。由于不同波长激光应用的效果不同，针对特定需求，比如肺肿瘤切除，通常需要采用固定单一波长激光，并且，根据荧光光谱和能级跃迁对于激光晶体Nd:YAG，谐振腔除了1319 nm激光，还容易产生其它相邻波段激光比如1338 nm激光。因此，本申请对输出镜107镀膜参数进行限定，具体可以限定输出镜107的中心波长为1319 nm；另外，本申请还可以限定输出镜107的带宽<10 nm，损伤阈值>15 J/cm2，反射率为70%至85%，以便保证输出的激光波长。
反射镜用于使光路发生反射，反射镜置于谐振腔的转接处，以使谐振腔的光路为V型，构成V型折叠腔。反射镜的作用在于：一方面可以替代全反镜101，减少光路结构的光程，缩短激光器（基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的简称）的整机体积；另一方面用于对谐振腔的输出激光偏振态进行限制，实现竖直偏振激光由输出镜107输出，保证消光比>200:1，与非线偏的输出激光相比，具有更高的功率稳定性，能够提升激光器及激光装备的性能。
反射镜还可以选用偏振片105代替（下述内容以偏振片105代替反射镜进行示例性地说明），偏振片105角度小幅偏转会影响线偏振光反射率和消光比，最终影响脉冲激光输出。因此，偏振片105优选为25°偏振片，且镀膜参数为中心波长为1319 nm，带宽为5 nm，偏振消光比>1000:1，且竖直偏振光反射率>99.7@25°，以便保证激光的输出。
需要说明地是，为了保证激光以高稳定性的1.3 μm的波长输出，还可以对谐振腔以及反射镜进一步限定：
优选地，谐振腔的光学长度为M：
M=M1+2×M2+M3；
其中，M1为输出镜107与第二激光侧泵模块106的等效热透镜中心间距，M2为第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106等效热透镜中心到反射镜距离，M3为全反镜101与第一激光侧泵模块104等效热透镜中心的间距。
反射镜的曲率半径为R2：
R2=2×F；
其中，F为第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106的等效焦距。
本实施例中，通过对谐振腔的光路进行设计，形成V型折叠腔，可以减少能量的损失，并对相应的全反镜101、第一激光侧泵模块104、偏振片105、第二激光侧泵模块106和输出镜107进行限定，保证了由输出镜107能够稳定出射1.3 μm波长的脉冲激光。
在一个实施例中，所述声光调Q开关的工作波长1319 nm，光孔径4 mm，载波频率27MHz±0.1 MHz，电脉冲上升时间<200 ns，控制信号电平为TTL电平。
具体地，声光调Q开关102用于产生纳秒脉冲，并进行激光输出重复频率的调制，声光调Q开关102的工作波长为1319 nm，光孔径为4 mm，载波频率为27 MHz±0.1 MHz，电脉冲上升时间<200 ns，控制信号电平为TTL电平。
如图3所示，光闸开关103用于激光的产生和关断，同时能够起到保护器件和工作人员的作用。
具体地，当基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器停止工作时，光闸开关103接收到停止指令，光闸开关103关闭，切断谐振腔内激光的传输，此时，谐振腔不再有激光输出；当脉冲激光器开始工作时，光闸开关103接收到打开指令，光闸开关103打开，激光在谐振腔内振荡形成稳定激光，由输出镜107透射输出进入后续光路。
本实施例中，利用声光调Q开关102和光闸开关103对应控制激光的重复频率的调制以及通断，以便保证谐振腔内的激光重复频率的调制以及对激光输出控制。
在一个实施例中，建立光线传输矩阵abcd矩阵，确定激光在不同折面的交替，得到基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作点在何位置具有高稳定的脉冲激光输出。
具体地，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器包括以输出镜107作为参考面确定的稳定腔，稳定腔为基于V型动态稳定腔设计；稳定腔的结构和参数通过如下方式确定：
建立谐振腔的abcd矩阵：
Figure 822748DEST_PATH_IMAGE033
对应谐振腔内的ABCD矩阵公式为：
Figure 155640DEST_PATH_IMAGE034
Figure 907695DEST_PATH_IMAGE003
Figure 182688DEST_PATH_IMAGE004
Figure 652983DEST_PATH_IMAGE035
Figure 307343DEST_PATH_IMAGE006
Figure 913905DEST_PATH_IMAGE007
Figure 359799DEST_PATH_IMAGE036
Figure 317390DEST_PATH_IMAGE009
Figure 992085DEST_PATH_IMAGE010
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Figure 601107DEST_PATH_IMAGE012
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Figure 812033DEST_PATH_IMAGE039
Figure 77798DEST_PATH_IMAGE018
Figure 779038DEST_PATH_IMAGE040
Figure 737635DEST_PATH_IMAGE020
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其中，K为谐振腔，R1为全反镜的曲率半径，R3为输出镜107的曲率半径，利用前述公式得出稳定腔的稳定条件为0<G1∙G2<1，利用G1∙G2得出V型折叠谐振腔的稳区图和基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作点的运动曲线。
图2为本申请一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的稳区示意图。
如图2所示，稳定腔包括基于稳区图确定的第一稳区和第二稳区。基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作状态的运动曲线为直线，图2中箭头所指方向的路径为激光工作点的运动轨迹。随着激光器工作电流增加，沿虚线方向，激光工作点由第一稳区进入第二稳区。为了得到高稳定的脉冲激光输出效果，可以将激光器工作点设置在第二稳区，如图2中A点所示位置，将激光器工作点设置在A点。相较于其他腔型的谐振腔，激光工作点轨迹的斜率更大，同时稳定区域的范围也更宽，因此，输出的激光更加容易处于稳区状态，同时，由于稳定区域的增加，使得激光器调节和后期维护变的简单。
此外，为了实现V型折叠谐振腔的脉冲激光输出稳定，以及便于调节和维护，优选地，将输出镜107与第二激光侧泵模块106之间距离设定为150 mm；以及设定第一激光侧泵模块104与第二激光侧泵模块106到偏振片105之间的距离相同。根据实际情况，可将第一激光侧泵模块104与第二激光侧泵模块106到偏振片105之间的距离设定为125 mm至175 mm之间的任一值。谐振腔激光器稳定工作状态下，全反镜101与第一激光侧泵模块104可选范围为400 mm至600 mm之间的任意值。
通过上述优选地设定，进一步保证了脉冲激光能够稳定输出1319 nm高稳定性激光。
图3为本申请一种激光装备的结构示意图。
如图3所示，在一个实施例中，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器还包括分光镜108、聚焦透镜110、功率计探头111、光耦合器112和指示光源109。
其中，分光镜108，设置在输出镜107的下游的光路上，即放置于谐振腔输出镜107之后的光路，用于对输出镜107输出的激光进行分光，形成一路透射光和一路反射光。
具体地，经过分光镜108的激光大部分激光为反射光，进入光耦合器112，少量透射光经过聚焦透镜110聚焦到功率计探头111，用于功率实时监测和自反馈调节。
为了提升最终输出激光功率，优选地，分光镜108的分光比为99:1@45°，分光镜108的特征参数还包括镀膜中心波长为1319 nm，损伤阈值>15 J/cm2。
聚焦透镜110和功率计探头111沿透射光的光路依次设置，聚焦透镜110用于将透射光聚焦到功率计探头111，功率计探头111用于根据探测到的透射光的功率强度对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的功率进行自反馈调节。
优选地，聚焦透镜110为焦距F<50 mm的短焦透镜，镀膜反射率<0.2%@1319 nm。由于透射激光功率较小，因此，采用聚焦透镜110能够提高激光功率密度，更有利于功率计探头111接收，提高探测灵敏度。
优选地，功率计探头111为光电型，有效感光直径为5 mm，最小探测功率为0.1 mW，分辨率为0.05 mW，以便较好地实现激光器输出功率监测和自反馈调节。
功率计探头111通过分光镜108接收到输出镜107的1%透射光。对于任意不同的激光输出功率，功率计探头111将接收到的对应透射光转换为电流信号。
指示光源109为半导体激光器，指示光源109用于沿反射光的光路方向发射指示光，使指示光经过分光镜108透射后射入光耦合器112，由于1319 nm实际应用中不可见，该器件能够为激光医疗手术提供准确定位。
具体地，为了满足激光医疗手术组织切除等特殊应用需求，相较与工业级激光器及激光装备不同，本申请中的指示光源109不宜采用红光可见光。优选地，本申请采用指示光源109波长为530 nm，电压2.7-3.5 V，功率在5 mW-300 mW范围内可调，进而实现激光亮度的改变，提高实际应用场景下的适用性。
光耦合器112为C口光纤适配器，用于对接收到的反射光和指示光进行耦合。
具体地，光耦合器112用于将分光镜108反射的1319 nm激光、以及指示光源109发射经由分光镜108透射的绿光进行耦合。优选地，光纤适配器的光纤接口端为SMA905接口，带有一个准直透镜，镀膜中心波长为1319 nm，透过率>99.8%，对于530 nm激光透过率>90%，耦合效率≥96%。为了实时监测耦合效率，防止光耦合器112由于机械振动等外界因素发生过热或烧毁，在光耦合器112处设置温度传感器，用于监测光耦合器112的实时温度。外壳紧贴固定温度传感器，与电控模块200相连，便于实时温度监测，有利于激光器保护和延长其使用寿命。
如图3所示，本申请还提供了与前述实施例相对应的，具有基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的一种激光装备的实施例。该激光装备包括前述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100、电控模块200、冷却系统300和用户单元400，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100、电控模块200、冷却系统300均与用户单元400相连。
图4为本申请一种激光装备的功率自反馈调节流程示意图。该功率自反馈调节流程可以由电控模块200、基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100和用户单元400共同实现。
下面结合图3和图4，对本申请提供的激光装备及其功率自反馈调节流程进行具体说明。
图3中虚线为与电控模块200供电线路，其中，电控模块200用于控制基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100和冷却系统300的工作。
具体地，电控模块200可以包括电源单元和控制单元。
电源单元，用于输出直流电流，并向基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100、冷却系统300和显示装置401供电，进一步地，电源单元还可以为第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106、光闸开关103、声光调Q开关102、指示光源109、冷却系统300、显示装置401供电。
控制单元，用于控制冷却系统300和基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100工作状态，进一步地，控制单元还可以对各个器件的信号的监测和处理，监测和处理的信号至少包括功率计探头111反馈信号、传感器反馈信号、脉冲激光器100电流电压工作信号、脚踏402反馈信号、显示装置401控制信号等。
示例性地，在脉冲激光器实际工作过程中，控制单元能够实时监测到功率计探头111传送的电信号，实现脉冲激光器的实时功率监测。当脉冲激光器实际功率高于或者低于某个设定区间（例如：超过设定值的±10 %，本申请对此不做具体限定）时，电控模块200立即关闭电源，停止出光，防止相关器件损坏。
又示例性地，当功率计探头111接收到的激光功率较低、对应电流信号较弱时，会影响最终输出激光功率标定的精度，因此可以通过控制单元的跨阻放大（TIA）对电流信号接收和放大，最终实现对最终输出激光功率的标定，提高自反馈功率调节的精度。
脉冲激光器的工作过程中，控制单元根据功率探头的反馈信号，通过PID控制算法（PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法），计算、调节两个激光侧泵对应的工作电流，以0.1 A步进增加或减小工作电流，在小范围内增加或减小半导体泵浦的输出功率，进而使输出功率波动不超过设定值的±2%；同时，控制单元实时监控光耦合器112温度，当温度超过35℃，立即关闭电源，防止器件损坏，最终实现功率自反馈调节功能。
冷却系统300为水冷系统，用于为基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100散热，优选地，冷却系统300温度范围5 ℃~35 ℃，制冷量为5 kW@20 ℃。
在一种实现方式中，冷却系统300可以包括循环泵、过载继电器和热保护模块。冷却系统300控温精度为±0.1 ℃，能够保证半导体泵浦输出激光的稳定性，进而提升基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100最终输出激光的稳定性。
其中，循环泵，用于为基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100散热。设置在基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100处，对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100进行散热，优选地，循环泵控制流量35 L/min。
过载继电器，设置在循环泵的线路上，用于在循环泵工作异常时，例如，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100工作状态下，循环泵发生冷却水断路情况，过载继电器向电控模块200发送第一异常信号，电控模块200在接收到反馈的第一信号后发送指令关闭基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的电源单元。
热保护模块，设置在基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的电路上，用于在基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的温度超过设定阈值时，向电控模块200发出第二异常信号，电控模块200在接收到反馈的第二信号后发送指令关闭基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的电源单元。
用户单元400用于对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的输出激光进行参数调节。用户单元400可包括显示装置401和脚踏402。
其中，显示装置401用于存储上位机软件，上位机软件具有操作界面，用户通过操作界面实现基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的参数的输入、调整和指令发送操作。
脚踏402通过线路与激光器连接，用于控制激光器的工作状态。方便用户通过脚踏402实现对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的控制。例如，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100在正常工作状态下激光关断，当需要基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100射出激光时用户踩踏脚踏402，电控模块200接收信号对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100中的光闸开关103发送“打开”指令，激光在谐振腔内振荡形成脉冲激光输出。
图5为本申请一种激光装备的激光手具结构示意图。
如图5所示，在一个实施例中，激光装备还包括激光手具403，激光手具403用于连接基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100，将脉冲激光器输出的激光照射到指定位置。
其中，激光手具403包括光纤接头4031、多模光纤4032、第一平凸透镜4035、镜筒4036、第二平凸透镜4037和窗口片4038；光纤接头4031分别与基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100和多模光纤4032连接，多模光纤4032背离是光纤接头4031的一端与第一平凸透镜4035共轴，镜筒4036设置在第一平凸透镜4035于第二平凸透镜4037之间，窗口片4038设置在第二平凸透镜4037背离第一平凸透镜4035的一端，并与第二平凸透镜4037贴合。
进一步地，光纤接头4031优选为SMA905接头（SMA905为接头的型号），光纤接头4031一端固定在光耦合器112后端，用于接收由光耦合器112耦合出的1319 nm激光和530nm指示光；光纤接头4031另一端接多模光纤4032。
多模光纤4032可以根据不同应用需求，可以选择不用芯径光纤，例如，芯径光纤为400 μm、600 μm或800 μm规格，多模光纤4032的芯径光纤不同，会影响最终输出激光光斑直径大小，具体可根据需要选用。
第一平凸透镜4035用于将多模光纤4032输出激光准直，第一平凸透镜4035焦面固定于距离多模光纤4032输出端面一倍焦距F1位置，第二平凸透镜4037焦距为F2。第一平凸透镜4035和第二平凸透镜4037组成4F光学系统（4F光学系统是线性光学信息处理系统，滤波系统中的一种）。
第二平凸透镜4037的焦面与第一平凸透镜4035焦面的间距为F1+F2，实现对激光光斑进行扩束，F2/F1的倍数等于光斑扩束倍数。
为了保证输出光斑的尺寸，优选地，第一平凸透镜4035和第二平凸透镜4037需选择较小几何参数尺寸，直径8~10 mm，对于1319 nm激光透过率>99.8%，对于指示光源109透过率>92%。且采用焦距为10 mm的第一平凸透镜4035和焦距为15 mm的第二平凸透镜4037，将激光光斑扩束了1.5倍，即经过4F系统聚焦激光光斑直径为900 μm。此外，多模光纤4032采用600 μm。
进一步地，为了控制和调整4F光学系统中第一平凸透镜4035和第二平凸透镜4037的间距，在第一平凸透镜4035和第二平凸透镜4037之间放置有镜筒4036，利用镜筒4036调整第一平凸透镜4035和第二平凸透镜4037的间距。
窗口片4038紧贴第二平凸透镜4037，且远离第一平凸透镜4035的平面端，窗口片4038直径大小与第二平凸透镜4037直径一致，目的是阻隔外界灰尘等污染物进入激光手具403，防止污染物附着到第二平凸透镜4037表面与激光相互作用对镀膜和器件造成损坏。
本实施例中，激光手具403能够将脉冲激光器输出的激光照射到指定位置，从而利用1319nm波长的激光作用于患处，进行相应的手术操作。
在一个实施例中，激光手具403还包括手具管壳4033和定位接头4040，手具管壳4033内沿其长度方向具有通道，以使多模光纤4032由手具管壳4033的第一端沿通道穿设于手具管壳4033内，并与置于手具管壳4033内的第一平凸透镜4035连接；手具管壳4033的第二端设置有定位接头4040。
其中，手具管壳4033的外周壁设计成周向内凹的形状，便于握持，提高长时间激光医疗的适用性，手具管壳4033将多模光纤4032牢固包裹固定。为了将多模光纤4032与第一平凸透镜4035相对位置固定，在第一平凸透镜4035于多模光纤4032相邻的一端设置有镜圈4034，镜圈4034通过螺纹旋紧紧贴第一平凸透镜4035，以便将多模光纤4032和第一平凸透镜4035固定，保证输出光斑的尺寸。
图6为本申请一种激光装备的定位臂与固定环示意图。
如图5和图6所示，定位接头4040包括固定环40401和定位臂40402，固定环40401设有内螺纹，以便固定环40401能够通过内螺纹旋拧到手具管壳4033的第二端端部。定位臂40402与固定环40401为一体式结构，定位臂40402与固定环40401的端面呈10°至30°夹角。
优选地，定位臂40402与固定环40401呈16°夹角。如图6中，定位臂40402采用双臂设计结构，定位臂40402与固定环40401呈16°夹角，从而不会阻挡视线，更利于操作。夹角结构设计适用于长时间操作下的贴近组织支撑，提高应用的可靠性，定位臂40402远离定位环40401的端面采用倒角设计，防止使用定位臂的过程中划伤组织，定位臂40402的顶点到第二平凸透镜4037的焦面距离优选为F2。
为了调整最终输出激光聚焦点的位置，在手具管壳4033的第二端与定位接头4040连接处设置有垫圈4039，利用垫圈4039可实现手具管壳4033的第二端与定位接头4040之间连接的稳定，并且可以使手具管壳4033的第二端与定位接头4040之间进行小范围的调节，从而保证最终输出激光聚焦点的位置，垫圈4039根据实际应用中组织特征的差异性，可以选择1至3 mm不同厚度。
在一个具体的实施例中，基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106均为807 nm半导体泵浦，最大工作电流27.4 A，对应单模块均为250 W泵浦功率，激光晶体均采用Nd: YAG晶体，尺寸为φ3*65 mm，Nd3+的掺杂浓度为0.6%。
基于ABCD矩阵和稳区设计，同时考虑工程实现实际器件几何参数限制，第一激光侧泵模块104和第二激光侧泵模块106距离偏振片105的间距为175 mm；全反镜101与第一激光侧泵模块104间距为500 mm；输出镜107与第二激光侧泵模块106间距为150 mm；采用输出镜107透过率为85%@1319 nm。
图7为本申请一种激光装备的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100输出激光波长的数据图。
如图7所示，本实施例中，通过对基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100的谐振腔的结构设计，实现了1.3 μm波段激光输出。利用现有的光谱分析仪YOKOGAWA（AQ6375B），分辨率0.02 nm，实测本申请的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100输出的激光，激光中心波长为1318.8320 nm，光谱宽度（3 dB）为0.0279 nm，达到了本申请的设计目的及初衷。
图8为本申请一种激光装备的不同工作电流下激光手具输出激光功率的数据图。
本实施例中，可以采用现有的功率计Thorlabs（S322C），设置不同工作电流来测试本申请中的激光手具403输出激光的平均功率，如图8所示，不同工作电流下对应的功率输出数据，点实线代表连续光输出，当激光侧泵模块达到最大工作电流27.4 A时，对应最大51.4 W的激光输出，消光比>200:1；通过调Q开关能够实现重复频率的调制，点虚线代表了4kHz重复频率下对应的激光输出功率数据，最大可实现34.8 W激光输出，此时脉冲宽度为180 ns，对应激光单脉冲能量为8.7 mJ。
图9为本申请一种激光装备的均方根稳定性和峰值稳定性测试图。
如图9所示，此外，仍然采用功率计Thorlabs（S322C），针对4 kHz重复频率下最大工作电流对应的平均功率进行了超过4小时的数据记录，以单次/0.3 s为步进，实测激光手具403输出激光平均功率的稳定性，包括均方根稳定性和峰峰值稳定性，实测平均功率均值为34.82 W，最大值为35.03 W，最小值为34.07 W，均方根稳定性<0.41% RMS，峰峰值稳定性<2.8 %。
测试结果表明，本申请中功率计探头111具有的功率自反馈调节功能，能够较好的保证最终激光输出的功率稳定性，提升了本申请的一种激光装备的性能，为实际应用提供技术保障。
本申请提供的一种激光装备可以用于开展肺切除应用实验。
图10为本申请一种激光装备的不同激光功率下肺组织病理学检测示意图。
如图10所示，其中，实验材料取普通猪新鲜心肺系统中完整肺叶，肺主支气管插管并通气。通过主支气管连接通气装置，逐渐加压通气，观察支气管残端漏气时的通气压力，进而观察不同由基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器100发出的激光不同功率对支气管的封闭效果。实验结果发现5级及以下支气管可使用激光完全封闭，加压20 mmHg无支气管漏气现象；30 W激光功率时肺切缘结构层次中凝固坏死层约2 mm，炎性渗出层较薄为2mm，对肺组织进行病理学检测，图10展示了30 W激光功率下组织HE染色显微形态。
图11为本申请一种激光装备的不同激光功率下切除1 cm2组织所需时间示意图。
此外，本申请提出的激光装备实际应用效率，量取猪的外周肺组织1×1 cm2，采用不同激光功率分别切除，实验数据，如图11采用平均功率10 W激光切除，平均所需时间为120±15 s，随着激光功率增加，切除时间逐渐递减，当激光平均功率达到30 W时，所需切除时间缩减为37±5 s。因此根据不同的应用需求可以选择不同的激光功率，提升本申请提出的激光装置的适用性。
综上所述，本申请提出的一种激光装备具有较高的稳定性，面向激光医疗手术领域，特别在肺组织切除尤其是外周型肿物中有独特的应用优势，较强的适用性。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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。

Claims (9)

1.一种基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，用于产生1.3 μm波长的脉冲激光，其特征在于，包括：
谐振腔，所述谐振腔内包括沿光路依次设置的全反镜、声光调Q开关、光闸开关、第一激光侧泵模块、反射镜、第二激光侧泵模块和输出镜；
所述全反镜的镀膜中心波长为1319 nm；
所述声光调Q开关，用于产生纳秒脉冲，并进行激光输出重复频率的调制；
所述光闸开关用于在关断时，切断激光的传输，还用于在激光器工作时，使所述激光在所述谐振腔内传输并由所述输出镜输出；
所述第一激光侧泵模块和所述第二激光侧泵模块的等效热透镜中心到所述反射镜距离相等，且第一激光侧泵模块和所述第二激光侧泵模块均为半导体泵浦模块；
所述输出镜的中心波长为1319 nm；
所述反射镜用于使腔内激光发生反射，以使所述谐振腔的激光光路为V型，构成V型折叠腔；
所述反射镜的曲率半径为R2，R2=2
Figure 568373DEST_PATH_IMAGE001
F，其中，F为所述第一激光侧泵模块和所述第二激光侧泵模块的等效焦距；
所述谐振腔光学长度为M，M=M1+2
Figure 887971DEST_PATH_IMAGE001
M2+M3，其中，M1为所述输出镜与所述第二激光侧泵模块的等效热透镜中心间距，M2为所述第一激光侧泵模块和所述第二激光侧泵模块等效热透镜中心到所述反射镜距离，M3为所述全反镜与所述第一激光侧泵模块的等效热透镜中心间距；其中，
基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器包括以所述输出镜作为参考面确定的稳定腔，所述稳定腔为基于V型动态稳定腔设计，所述稳定腔的结构和参数通过ABCD矩阵确定，从而得到稳定腔的稳定条件 为0<G1∙G2<1，所述稳定腔包括基于所述稳定条件确定的第一稳区和第二稳区，所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作状态由所述第一稳区进入所述第二稳区，所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的工作点设置在所述第二稳区。
2.如权利要求1所述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，其特征在于，
建立所述谐振腔的abcd矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
对应所述谐振腔内的ABCD矩阵公式为：
Figure 953010DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure 728200DEST_PATH_IMAGE005
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure 169676DEST_PATH_IMAGE007
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Figure 15885DEST_PATH_IMAGE009
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Figure 579722DEST_PATH_IMAGE011
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Figure 488247DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 809638DEST_PATH_IMAGE031
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure 367438DEST_PATH_IMAGE033
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中，K为所述谐振腔，R1为所述全反镜的曲率半径，R3为所述输出镜的曲率半径。
3.如权利要求1所述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，其特征在于，
所述输出镜与所述第二激光侧泵模块之间距离M1为150 mm；
所述第一激光侧泵模块与所述第二激光侧泵模块分别距离所述反射镜的距离M2为125mm至175 mm；
所述全反镜与所述第一激光侧泵模块的距离M3为400 mm至600 mm；
所述全反镜为所述谐振腔的腔镜，用于传输激光束，所述全反镜采用平面镜，损伤阈值>10 J/cm2，反射率>99.9%；
所述输出镜为所述谐振腔的输出腔镜，用于输出所述激光束，所述输出镜的带宽<10nm，损伤阈值>15 J/cm2，反射率为70%至85%。
4.如权利要求1所述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，其特征在于，所述声光调Q开关的工作波长1319 nm，光孔径4 mm，载波频率27 MHz±0.1 MHz，电脉冲上升时间<200 ns，控制信号电平为TTL电平。
5.如权利要求1所述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，其特征在于，还包括：
分光镜，设置在所述输出镜的下游光路上，用于对所述输出镜输出的激光进行透射和反射，形成一路透射光和一路反射光；
沿所述透射光的光路依次设置的聚焦透镜和功率计探头，所述聚焦透镜用于将透射光聚焦到所述功率计探头，所述功率计探头用于根据探测到的所述透射光的功率强度对所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的功率进行自反馈调节；
分布在所述分光镜两侧光耦合器和指示光源，所述光耦合器位于所述1319 nm反射激光的光路上，所述指示光源位于所述反射光的光路的相反侧；
所述指示光源用于沿反射光的光路方向发射指示光，使所述指示光经过所述分光镜透射后射入所述光耦合器；
所述光耦合器用于对接收到的所述反射光和所述指示光进行耦合。
6.一种激光装备，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统和用户单元，所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、电控模块、冷却系统均与用户单元相连；
所述电控模块用于控制所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器和所述冷却系统的工作；
所述冷却系统用于为所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器散热；
所述用户单元用于对所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的输出激光进行参数调节。
7.如权利要求6所述的激光装备，其特征在于，还包括激光手具，用于连接所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器，将所述脉冲激光器输出的激光照射到指定位置；
所述激光手具包括光纤接头、多模光纤、第一平凸透镜、镜筒、第二平凸透镜、窗口片、手具管壳和定位接头，所述光纤接头分别与所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器和所述多模光纤连接，所述多模光纤背离是光纤接头的一端与所述第一平凸透镜共轴，所述镜筒设置在所述第一平凸透镜于所述第二平凸透镜之间，所述窗口片设置在所述第二平凸透镜背离所述第一平凸透镜的一端，并与所述第二平凸透镜贴合；所述手具管壳内沿其长度方向具有通道，以使所述多模光纤由所述手具管壳的第一端沿所述通道穿设于所述手具管壳内，并与置于所述手具管壳内的所述第一平凸透镜连接；所述手具管壳的第二端设置有所述定位接头。
8.如权利要求6所述的激光装备，其特征在于，所述电控模块包括：
电源单元，用于输出直流电流，并向所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器、所述冷却系统和显示装置供电；
控制单元，用于控制所述冷却系统和所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器工作状态。
9.如权利要求8所述的激光装备，其特征在于，所述用户单元包括：
所述显示装置，用于存储上位机软件，所述上位机软件用于实现所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的参数的输入、调整和指令发送操作；
脚踏，通过线路与所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器连接，用于控制所述基于V型动态稳定腔设计的短脉冲激光器的工作状态。
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