CN115857180A - 集束光纤耦合装置及激光消融系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集束光纤耦合装置，包括消相干组件和匀光组件，所述消相干组件被配置为对激光光束进行消相干处理，所述匀光组件被配置为对经过消相干处理的激光光束进行匀光处理，经过匀光处理后的激光光束传输至集束光纤，可以获得匀光的聚焦光斑，且整个过程没有能破坏光学表面或电离空气的高激光能量密度，能保证高峰值功率激光稳定的耦合，且可避免打坏集束光纤端面。进一步的，本发明提供了一种激光消融系统，所述激光消融系统包括激光源、集束光纤以及所述的集束光纤耦合装置，尤其适用于紫外固体激光光束容易打坏集束光纤端面的问题。
Description
技术领域
本发明涉及紫外激光消融术技术领域，特别涉及一种集束光纤耦合装置及激光消融系统。
背景技术
随着人口的老龄化，经皮冠状动脉介入(Percutancous Coronary Intervention，简称PCI)治疗的复杂程度逐渐增加，其中血管钙化、冠状动脉慢性完全阻塞 (CTO)、支架内再狭窄(ISR)等疾病的治疗仍是治疗的难点。血管钙化、CTO、ISR 由于病变组织坚硬，球囊往往难以通过或实现扩张，故采用高压球囊或切割球囊进行治疗其治疗效果有一定限制。冠状动脉机械旋磨手术存在一定的风险。因而针对这些复杂冠状动脉疾病，迫切地需要一种更为安全、有效的介入治疗手段。
紫外激光消融术诞生于20世纪80年代，其可以对病变组织中的机化血栓、结缔组织和钙化成份进行消融，在复杂冠状动脉疾病的介入治疗中能够发挥重要作用。具体的，紫外激光消融术是将纳秒量级脉宽的紫外激光耦合进激光导管，通过激光导管将紫外激光输送到病变组织处，以实现组织消融。为使激光导管能穿越复杂的血管通道，激光导管通常采用多根芯径较小的光纤集束方案，即激光导管采用集束光纤结构，以获得更小的弯曲半径。同时，激光导管输入端经过特殊的无胶/熔融工艺和悬空结构处理，确保能耦合进足够的激光能量而不打坏激光导管耦合端的光纤端面。
目前，用于紫外激光消融术的解决方案有两种：308nm准分子激光消融系统和355nm紫外固体激光消融系统。诞生于20世纪80年代的308nm准分子激光系统，能有效地消融没有钙化的病变组织，但对于一些部分钙化或完全钙化的血管作用有限，同时存在血管穿孔风险，主要原因是激光消融系统采用的 308nm准分子激光器的脉宽大(通常为125纳秒-200纳秒)，导致激光峰值功率低，热效应显著。相比之下，近些年出现的355nm紫外固体激光消融系统优势明显：激光器更小，因而集成整机体积小、重量轻；成本更低；工作的激光具有更短的脉宽(5ns)，同样的激光能量，355nm紫外固体激光的峰值功率是308nm 准分子激光的25-40倍，能有效的消融钙化病变组织；同时治疗效果所需的激光能量也更低，热效应小，降低了血管穿孔的风险。
但是，355nm紫外固体激光光束的质量接近基模高斯光束，易于聚焦成一个非常小的高斯光斑，该光斑直径在微米量级，在光纤耦合时，355nm紫外固体激光光束容易打坏集束光纤端面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集束光纤耦合装置，以解决激光光束容易打坏集束光纤端面的问题。
本发明的另一目的在于提供一种激光消融系统，以解决光纤耦合时355nm 紫外固体激光光束容易打坏集束光纤端面的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种集束光纤耦合装置，包括消相干组件和匀光组件，所述消相干组件被配置为对激光光束进行消相干处理，所述匀光组件被配置为对经过消相干处理的激光光束进行匀光处理，匀光处理后的激光光束为平顶光束并且用于传输至集束光纤。
可选的，所述消相干组件包括依次设置在所述激光光束的光路上的散射片、聚焦透镜和消相干元件，所述散射片被配置为对所述激光光束进行散射处理，散射处理后的激光光束经所述聚焦透镜聚焦后进入所述消相干元件进行消相干处理。
可选的，所述散射片为磨砂的散射片或者全息扩散片。
可选的，所述聚焦透镜为双凸透镜或者平凸透镜。
可选的，所述消相干元件为石英光纤，所述石英光纤的芯径大于600μm。
可选的，所述激光光束的脉宽为纳秒或亚纳秒，波长为200nm-1100nm。
可选的，所述匀光组件包括微透镜阵列，所述激光光束进入所述微透镜阵列进行匀光处理。
可选的，所述匀光组件包括一个或两个微透镜阵列。
可选的，所述匀光组件还包括耦合透镜，所述耦合透镜对经过所述微透镜阵列匀光后的激光光束耦合，耦合后的激光光束为所述平顶光束。
可选的，所述匀光组件还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为对经过消相干处理的激光光束准直，准直后的激光光束进入所述微透镜阵列进行匀光。
基于同一发明构思，本发明还提供一种激光消融系统，所述激光消融系统包括激光源、集束光纤以及如上述任一项所述的集束光纤耦合装置，所述激光源被配置为发射激光光束，所述集束光纤耦合装置被配置为对所述激光源发射的激光光束进行消相干处理以及匀光处理。
在本发明提供的一种集束光纤耦合装置，所述集束光纤耦合装置包括消相干组件和匀光组件，所述消相干组件可对激光光束进行消相干处理，所述匀光组件可对经过消相干处理的激光光束进行匀光处理，经过匀光处理后的激光光束传输至集束光纤，可以获得匀光的聚焦光斑，且整个过程没有能破坏光学表面或电离空气的高激光能量密度，能保证高峰值功率激光稳定的耦合，且可避免打坏集束光纤端面。进一步的，本发明提供了一种激光消融系统，尤其适用于紫外固体激光光束容易打坏集束光纤端面的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的集束光纤耦合装置与集束光纤结构示意图；
图2是本发明实施例的消相干组件结构示意图；
图3是本发明实施例的匀光组件与集束光纤结构示意图；
图4是本发明实施例的激光消融系统结构示意图；
图5是本发明实施例的集束光纤的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例的激光经过激光消融系统光斑能量分布的演变过程示意图；
附图标记说明：
1-激光源；
2-集束光纤耦合装置；
21-消光组件；
211-散射片；
212-聚焦透镜；
213-消相干元件；
22-匀光组件；
221-准直透镜；
222-微透镜阵列；
223-耦合透镜；
3-集束光纤；
31-单根光纤；
32-光纤固定结构；
4-脉冲激光的光斑能量分布形状；
曲线a-初始激光光斑能量分布；
曲线b-散射片后激光光斑能量分布；
曲线c-大芯径光纤出射端激光光斑能量分布；
曲线d-匀光后的激光光斑能量分布。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的集束光纤耦合装置及激光消融系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的。另外，术语“安装”、“相连”、“连接”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。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。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。
发明人研究发现，目前认为355nm紫外激光有效消融组织的能量密度需达 60mJ/mm2，考虑到系统的耦合效率和冠状动脉病变疾病的血管直径大于Φ 2.5mm，则355nm紫外激光能量需要至少150mJ，因此窄脉宽355nm紫外激光的峰值功率可达几十兆瓦。尤其短脉冲(纳秒或亚纳秒)的紫外激光，其峰值功率高，可达几十兆瓦，波长越短，越难实现光纤耦合。通常高峰值功率激光柔性传输采用空芯光纤或大芯径石英光纤，而这两种光纤弯曲半径过大，无法应用于血管内实现穿越，也即无法应用于血管内激光消融。由多根纤芯直径小于 200μm的单根光纤构成的集束光纤具有较小的弯曲半径，可以应用于血管内激光消融。但是，在光纤耦合时，脉宽为纳秒或亚纳秒的短脉冲紫外固体激光光束容易打坏集束光纤耦合端的端面。
基此，本发明实施例提供一种集束光纤耦合装置，集束光纤耦合装置包括消相干组件和匀光组件，消相干组件用于对光束进行消相干处理，匀光组件用于对光束进行匀光处理；消相干组件包括散射片、聚焦透镜和消相干元件；匀光组件包括准直透镜、微透镜阵列和耦合透镜，光束通过集束光纤耦合装置，以获得匀光的聚焦光斑，从而能够解决光纤耦合时，短脉冲(纳秒或亚纳秒)的紫外激光耦合难，容易打坏集束光纤端面的的问题，还可用在其他波长激光，也可以提高耦合能量。进一步的，本发明实施例还提供了一种激光消融系统，解决了光纤耦合时，短脉冲紫外固体激光光束容易打坏集束光纤端面的问题，其可以用于355nm紫外光、266nm紫外光；也可用于532nm绿光、1064nm红外等常见的激光光束。
图1是本发明实施例的集束光纤耦合装置与集束光纤结构示意图，图2是本发明实施例的消相干组件结构示意图，图3是本发明实施例的匀光组件与集束光纤结构示意图，图4是本发明实施例的激光消融系统结构示意图。
如图1和图4所示，本实施例提供一种集束光纤耦合装置2，包括消相干组件21和匀光组件22，消相干组件21和匀光组件22被设置于激光源发射的激光光束的光路路径中。消相干组件21被配置为对激光光束进行消相干处理，以降低其空间相干性。匀光组件22被配置为对激光光束进行匀光处理，以获得均匀的聚焦光斑。
图2是本发明实施例的消相干组件结构示意图。如图1和图2所示，在一个示范例中，消相干组件21包括依次设置在所述激光光束的光路上的散射片 211、聚焦透镜212和消相干元件213，聚焦透镜212位于散射片211和消相干元件213之间，激光光束经散射片211散射处理后经聚焦透镜212聚焦后进入消相干元件213。
散射片211被配置为对激光光束进行散射处理，削弱激光较高的峰值功率，增大聚焦透镜212的聚焦光斑，从而降低入射至消相干元件213端面的激光光束能量密度，有利于提高耦合进消相干元件213的激光能量。在一些实施例中，散射片211可被配置成将激光光束的大部分能量(例如大于95％)传输到聚焦透镜212。
散射片211例如是磨砂玻璃散射片或者全息扩散片。
聚焦透镜212被配置为对经散射片211散射处理后的激光光束聚焦。散射片211被设置在激光源与聚焦透镜212之间，激光光束被从激光源引导到散射片211，散射片211将激光光束散射到聚焦透镜212上，聚焦透镜212将激光光束聚焦后传输到消相干元件213。在一个示范例中，所述聚焦透镜为双凸透镜或者平凸透镜。
消相干元件213被配置为削弱激光光束的空间相干性，从消相干元件213 中出射的激光光束具有一定的平顶化，呈超高斯分布。在一个示范例中，消相干元件213是大芯径石英光纤，大芯径石英光纤的芯径例如是大于600μm。散射片211可以增大聚焦透镜212的聚焦光斑，从而降低消相干元件213端面的激光能量密度，提高耦合进大芯径石英光纤的激光能量，同时在一定程度上降低激光空间相干性。由此，激光光束经过消相干元件213，出射的光束空间相干性进一步得到降低。
图3是本发明实施例的匀光组件与集束光纤结构示意图。如图3所示，匀光组件22包括准直透镜221、微透镜阵列222和耦合透镜223，消相干处理后的激光光束经过准直透镜221准直后进入微透镜阵列222进行匀光，再进入耦合透镜223耦合进入集束光纤3，以获得匀光的聚焦光斑。
准直透镜221被配置为对消相干处理后的激光光束进行准直，以缩小激光光束的发散角。在一个示范例中，准直透镜221为双凸透镜或者平凸透镜。
微透镜阵列222被配置为匀光光斑，使透过其中的激光光束不会发生干涉，即不会在远场形成明暗条纹，以形成更加均匀的光场。在一些实施例中，微透镜阵列222是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，微透镜阵列 222将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分都被相应的微透镜聚焦在焦平面上,一系列微透镜就可以得到由一系列焦点组成的平面。如果激光波前为理想的平面波前,那么在微透镜阵列222的焦平面上就可以得到一组均匀而且规则的焦点分布。具体实施时，匀光组件22可以包括一个或两个微透镜阵列222，采用两个微透镜阵列222相比于采用一个微透镜阵列222，能够获得更匀光的聚焦光斑。消相干组件21出射的光束，空间相干性变差，光束质量也变差，通过匀光组件22时，微透镜阵列222的单个透镜不会把光束聚焦成很小的光斑，打在光学表面上不会造成损坏，也不会产生空气电离。
耦合透镜223被配置为对经过所述微透镜阵列匀光后的激光光束耦合，耦合后的激光光束传输至所述集束光纤，以调整微透镜阵列222与集束光纤3之间的距离，耦合后的激光光束为所述平顶光束。在一个示范例中，耦合透镜223 为双凸透镜或者平凸透镜。
图4是本发明实施例的激光消融系统结构示意图。如图4所示，本实施例还提供一种激光消融系统，激光消融系统包括激光源1、集束光纤3和集束光纤耦合装置2。在本实施例中，激光导管为集束光纤结构。
激光源1其被配置为发射激光光束。所述激光光束的脉宽为纳秒或亚纳秒，波长为200nm-1100nm。在一个示范例中，激光源1发射例如是波长为355nm的紫外激光，研究发现，波长为355nm的紫外激光有效消融组织的能量密度需达 60mJ/mm2，考虑到系统的耦合效率和冠状动脉病变疾病的血管直径大于Φ 2.5mm，则波长为355nm的紫外激光的能量需要至少150mJ。因此，激光源1 提供的355nm紫外激光的峰值功率可达几十兆瓦。为了稳定性和紧凑性，优选使用固态激光器，例如是Nd：YAG固态激光器。
集束光纤耦合装置2用于对激光光束进行消相干处理和匀光处理，以使激光光束均匀的辐照到集束光纤3，确保集束光纤3的靠近匀光组件22的光纤端面不受损坏。
集束光纤3用于传输高峰值功率激光。集束光纤3的一端(即耦合端)与集束光纤耦合装置2连接，集束光纤3的另一端用以在血管内进行激光消融。集束光纤3包括至少两根单根光纤31，通过光纤固定结构32将至少两根单根光纤31固定在一起，光纤固定结构32的材质例如是金属或者玻璃。图5是本发明实施例的集束光纤的剖面结构示意图。如图5所示，至少两根单根光纤31 利用光纤固定结构32(即束材)进行捆束而形成为不松散的构造。在本实施例中，集束光纤3例如是包括七根单根光纤31。单根光纤31的纤芯直径小于 200μm。集束光纤3的截面形状可以为圆形、六边形或者方形等。
图6是本发明实施例的激光经过激光消融系统光斑能量分布的演变过程示意图。结合图1至图5所示，激光源1发出光束后，光束先经过消相干组件21 的消相干处理，再进行匀光组件22的匀光处理，才可以实现集束光纤3的每根光纤耦合的能量一致或基本一致。如图6所示，激光源1发出光束的激光光斑能量分布例如是曲线a，也就是说曲线a为初始激光光斑能量分布，采用消相干元件213(例如是大芯径石英光纤)对初始激光光斑进行消相干处理，为了激光光束能耦合进消相干元件213(例如是大芯径石英光纤)，需要对激光光束进行散射处理，来削弱激光较高的峰值功率，激光光斑能量分布从初始激光光斑能量分布曲线a转变成散射片后激光光斑能量分布曲线b。激光光束耦合进消相干元件213(例如是大芯径石英光纤)后，激光的空间相干性削弱，出射激光具有一定的平顶化，呈超高斯分布，即大芯径光纤出射端激光光斑能量分布c。消相干元件213(例如是大芯径石英光纤)的出射端激光光斑能量分布曲线c经过匀光处理后，获得标准的平顶光束，即匀光后的激光光斑能量分布曲线d。如此配置，激光先经过消相干组件21，降低其空间相干性，即空间相干性变差，光束质量也变差，再经过匀光组件22获得均匀的聚焦光斑，匀光组件22中微透镜阵列222的单个透镜不会把激光聚焦成很小的光斑，进而耦合进集束光纤3，确保打在光纤表面上不会造成损坏，也不会产生空气电离，整个过程没有能破坏光学表面或电离空气的高激光能量密度，能保证高峰值功率激光稳定的耦合。
本实施例提供的一种激光消融系统，激光源发出的高功率激光，经过集束光纤耦合装置的消相干处理和匀光处理，集束光纤的端面获得平顶的激光光束，确保集束光纤里的每根光纤耦合的能量最大并且一致，从而实现高峰值功率脉冲激光光纤耦合。本实施例中的消相干组件和匀光组件，没有能破坏光纤表面或电离空气的高激光能量密度，能保证高峰值功率激光稳定的耦合进入集束光纤。本实施例解决了高峰值功率脉冲激光的集束光纤耦合的问题。实现了高峰值脉冲激光耦合进入集束光纤结构，可以运用至紫外激光消融术。
综上可见，在本发明实施例提供的一种集束光纤耦合装置，集束光纤耦合装置包括消相干组件和匀光组件，消相干组件用于对光束进行消相干处理，匀光组件用于对光束进行匀光处理；消相干组件包括散射片、聚焦透镜和消相干元件；匀光组件包括准直透镜、微透镜阵列和耦合透镜，光束通过集束光纤耦合装置，以获得匀光的聚焦光斑，从而能够解决光纤耦合时，容易打坏集束光纤耦合端的光纤端面的问题。进一步的，本发明实施例提供了一种激光消融系统，解决了光纤耦合时，短脉冲紫外固体激光光束容易打坏集束光纤耦合端的光纤端面的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (11)
1.一种集束光纤耦合装置，其特征在于，包括消相干组件和匀光组件，所述消相干组件被配置为对激光光束进行消相干处理，所述匀光组件被配置为对经过消相干处理的激光光束进行匀光处理，匀光处理后的激光光束为平顶光束并且用于传输至集束光纤。
2.如权利要求1所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述消相干组件包括依次设置在所述激光光束的光路上的散射片、聚焦透镜和消相干元件，所述散射片被配置为对所述激光光束进行散射处理，散射处理后的激光光束经所述聚焦透镜聚焦后进入所述消相干元件进行消相干处理。
3.如权利要求2所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述散射片为磨砂的散射片或者全息扩散片。
4.如权利要求2所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述聚焦透镜为双凸透镜或者平凸透镜。
5.如权利要求2所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述消相干元件为石英光纤，所述石英光纤的芯径大于600μm。
6.如权利要求1所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述激光光束的脉宽为纳秒或亚纳秒，波长为200nm-1100nm。
7.如权利要求1所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述匀光组件包括微透镜阵列，所述激光光束进入所述微透镜阵列进行匀光处理。
8.如权利要求7所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述匀光组件包括一个或两个微透镜阵列。
9.如权利要求7所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述匀光组件还包括耦合透镜，所述耦合透镜对经过所述微透镜阵列匀光后的激光光束耦合，耦合后的激光光束为所述平顶光束。
10.如权利要求7所述的集束光纤耦合装置，其特征在于，所述匀光组件还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为对经过消相干处理的激光光束准直，准直后的激光光束进入所述微透镜阵列进行匀光。
11.一种激光消融系统，其特征在于，所述激光消融系统包括激光源、集束光纤以及如权利要求1至10中任一项所述的集束光纤耦合装置，所述激光源被配置为发射激光光束，所述集束光纤耦合装置被配置为对所述激光源发射的激光光束进行消相干处理以及匀光处理，经过匀光处理后的激光光束传输至所述集束光纤。
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2021
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| CN116937298A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-24 | 文皓(武汉)科技有限责任公司 | 一种具有安全保护机制的准分子激光装置及控制方法 |
| CN116937298B (zh) * | 2023-07-18 | 2024-04-19 | 文皓(武汉)科技有限责任公司 | 一种具有安全保护机制的准分子激光装置及控制方法 |
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