CN116266026A - 一种激光处理装置及激光消融设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光处理装置，其包括第一非线性晶体、波片和第二非线性晶体；第一非线性晶体用于传输具有第一频率的第一束光子并转换为具有第一频率和第二频率的第二束光子，第一频率约为第二频率的两倍，具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在互相正交的偏振方向上振荡；波片用于传输第二束光子并旋转第二束光子的偏振方向而转换为第三束光子，让具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在基本相同的偏振方向上振荡；第二非线性晶体用于传输第三束光子并转换为具有第一频率、第二频率和第三频率的第四束光子，第一频率约为第三频率的三倍。还涉及具有该激光处理装置的激光消融设备，激光转换效率更高，防止激光导管被强光损坏。

Description

一种激光处理装置及激光消融设备
技术领域
本发明涉及一种医用激光处理装置及激光消融设备，尤其涉及一种用于消融血管堵塞的医用激光处理装置及激光消融设备。
背景技术
当前激光已被用于消融血管堵塞。1至40Hz频率、波长接近355纳米(nm)的激光束被认为可有效去除血管堵塞，同时对血管中其他组织的伤害最小。然而，收集和隔离波长为355nm的激光束效率低下，需要产生高功率激光，但过高功率又易造成光学部件损坏。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中的不足，提供一种新型的激光处理装置及激光消融设备。
本发明提供一种激光处理装置，其包括第一非线性晶体、波片和第二非线性晶体；所述第一非线性晶体用于传输具有第一频率的第一束光子并转换为具有第一频率和第二频率的第二束光子，第一频率约为第二频率的两倍，具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在互相正交的偏振方向上振荡；所述波片用于传输第二束光子并旋转第二束光子的偏振方向而转换为第三束光子，让具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在基本相同的偏振方向上振荡；所述第二非线性晶体用于传输第三束光子并转换为具有第一频率、第二频率和第三频率的第四束光子，第一频率约为第三频率的三倍。
优选地，所述第一非线性晶体是倍频谐波晶片。
优选地，所述第一非线性晶体采用I类相位匹配、切割角范围为20至27度的BBO晶体制成。
优选地，所述第二非线性晶体是三倍频谐波晶片。
优选地，所述第二非线性晶体包括两个β-BBO晶体或一个LBO晶体和一个β-BBO晶体。
优选地，所述第一束光子的波长约为1064nm，所述具有第二频率的第二束光子的波长约为532nm，所述具有第三频率的第四束光子的波长约为355nm。
优选地，所述波片用来保持波长约为532nm的光子的偏振方向、转动波长约为1064nm的光子的偏振方向与波长约为532nm的光子的偏振方向基本平行。
优选地，所述波片用来保持波长约为1064nm的光子的偏振方向、转动波长约为532nm的光子的偏振方向与波长约为1064nm的光子的偏振方向平行。
优选地，所述激光处理装置还包括第一温度控制器，用于控制所述第一非线性晶体的第一温度。
优选地，所述激光处理装置还包括第二温度控制器，用于控制所述第二非线性晶体的第二温度。
优选地，所述波片的快轴方向与所述第一束光子的偏振方向成锐角。
优选地，所述锐角为45度。
优选地，所述波片为半波长波片。
优选地，所述波片包括至少一λ/2多级波片。
优选地，所述波片包括一个多级波片，制造所述波片的晶体厚度是多级波片的厚度。
优选地，所述波片包括两个多级波片，当两个多级波片的光轴彼此平行时，制造所述波片的晶体厚度是两个多级波片的厚度之和。
优选地，所述波片包括两个多级波片，当两个多级波片的光轴彼此旋转90度时，制造所述波片的晶体厚度是两个多级波片的厚度之差。
另一方面，本发明还提供一种激光消融设备，其包括如上所述的激光处理装置、光束整形器、聚焦透镜、激光检测部、激光导管、光纤、激光消融头和血管成像探头。
综上所述，本发明的激光处理装置不仅能够生成355nm激光，而且其能量转换效率更高，而激光消融设备中的聚焦透镜和光束整形器一起将355nm激光聚焦并生成预定光束轮廓，可以有效地传递到激光导管中，防止激光导管被强光损坏。
附图说明
图1为本发明激光处理装置的示意图。
图2为图1中二次谐波晶体的示意图。
图3为图1中波片的示意图。
图4为图1中三次谐波晶体的示意图。
图5为本发明激光消融设备的使用示意图。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或磁连接；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。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。
以下作为示例描述的激光产生装置和激光消融设备旨在产生波长接近355nm的激光束。应当理解，本发明的范围和精神不限于这些示例。使用或不使用某些组件的示例不一定影响本发明的范围。同下文描述的其他部件类似，光学部件的术语，如二次谐波晶体、二次谐波、倍频，它们可以互换使用，又如BBO、β-BBO也可以互换使用，不影响本发明的范围。
图1为本发明激光处理装置的示意图。
参考图1，本发明激光处理装置100包括二次谐波发生器(英文为Second HarmonicGeneration，简称SHG)或二次谐波晶体20、波片30和三次谐波发生器(英文为ThirdHarmonic Generation，简称THG)或三次谐波晶体40。
在本实施例中，初始激光束L101用于产生激光能量，用于对血管中形成的堵塞或不完全堵塞进行消融。波长为1064nm的初始激光束L101进入激光处理装置100，沿X方向行进，其电场沿Z方向振荡。
波长为1064nm的初始激光束L101进入激光处理装置100的二次谐波发生器(SHG)20，沿X方向行进而沿Z方向振荡。从SHG20出来后形成了两部分激光：激光束L201的波长为1064nm，在Z方向上振荡；激光束L202的波长为532nm，在与激光束L201正交的Y方向上振荡。如图示，激光束L202的频率是激光束L101的两倍。
如图示，只有一部分激光束L101以两倍的频率，即波长1064nm的二分之一波长532nm，转换为激光束L202。其余激光束L101的波长仍为1064nm，其振荡方向与激光束L201相同。
随后，激光束L201沿X方向行进而沿Z方向振荡，进入波片30。激光束L202沿X方向行进而沿Y方向振荡，进入波片30。
在本实施例中，波片30用于将部分激光束L201从沿Z方向振荡偏转到沿Y方向振荡，从而得到波长为1064nm的激光束L301，让激光束L301保持与激光束L201相同的波长和相同的强度。如图示，波片30偏转激光束L201时不会衰减、偏离或移动光束，仅对一个偏振分量(激光束L201)相对于其正交分量进行偏振旋转。而波长532nm的光分量激光束L202不受影响，继续沿X方向行进，从波片30出来后形成具有相同的波长532nm，沿相同的Y方向振荡。
THG40，称为三次谐波发生器或三倍频晶体，用于传输波长分别为1064nm和532nm、均沿Y方向振荡的激光束L301和L302，从而形成波长为355nm、沿正交于Y轴的Z方向振荡的激光束L403，而激光束L401、L402的波长分别为532nm和1064nm，均沿Y方向振荡。
应当注意，上述光分量的参数在设定的范围内。例如，第一频率约为第二频率的两倍，从第一频率到第二频率的能量转换效率范围为20％–60％。第一频率约为第三频率的三倍，从第一频率到第三频率的能量转换效率范围为10％–50％。
此外，第一束光子的波长约为1064nm，范围为1063nm–1065nm。具有第一频率的第二束光子的波长约为1064nm，范围为1063nm–1065nm、具有第二频率的第二束光子的波长约为532nm，范围为531nm–533nm。激光束L403的波长约为355nm，范围为354nm–356nm。
图2为图1中二次谐波晶体的示意图。
参考图2，SHG20称为二次谐波晶体。如本领域的普通技术人员所知，二次谐波晶体通常提供倍频或二次谐波生成，是一种非线性光学处理。即具有相同频率的两个光子与非线性材料相互作用而结合，生成能量是原光子两倍的新光子，并保持激光的相干性。也即，新光子的频率是原光子的两倍，而新光子的波长是原光子的二分之一。二次谐波的产生是和频的一种特殊情况。
波长为1064nm的初始激光束L101进入SHG20，沿X方向行进而沿Z方向振荡，从SHG20出来后形成具有两个激光分量的激光束：激光束L201的波长为1064nm，在Z方向上振荡；激光束L202的波长为532nm，在与激光束L201正交的Y方向上振荡。也即，SHG20用于传输波长为1064nm、沿Z方向振荡的激光束L101，从而形成具有两个激光分量的激光束：激光束L201的波长为1064nm，在Z方向上振荡；激光束L202的波长为532nm，在与激光束L201正交的Y方向上振荡。如图示，激光束L202的频率是激光束L101的两倍。也即，SHG20可以将激光束L101的一部分的频率加倍并改变其振荡方向，并将其变成激光束L202。
如图示，SHG20只让一部分激光束L101以两倍的频率，即波长1064nm的二分之一波长532nm，转换成激光束L202。其余激光束L101的波长仍为1064nm，其振荡方向仍为Z方向，形成激光束L201。其能量转换效率预计在30％到70％之间。
硼酸钡(BBO，即英文“Barium Borate”的简称)或偏硼酸钡(β-BBO，即英文“BetaBarium Borate”的简称)是本领域的普通技术人员已知的一种非线性晶体，具有较大的非线性系数、高损伤阈值、低热光系数，适用于谐波产生、光参量振荡器。
为了最大限度地提高SHG的能量转换效率，SHG20的相速度和输入的初始激光束(也称基波)L101需要匹配，称为相位匹配。即通过选择光轴相对于激光传播方向的角度即切割角来实现。在本实施例中，SHG20采用I类相位匹配、切割角范围为20至27度的BBO晶体制成。优选地，BBO晶体的切割角为23度。决定相位匹配条件的BBO晶体的切割角θ由下式计算获得：
no,1064,T(θ)＝ne,532,T(θ) 公式(1)
其中，θ是切割角，no,1064,T是温度控制器设定的温度T下波长为1064nm的寻常波的折射率，ne,532,T是温度控制器设定的温度T下波长为532nm的非常波的折射率。选定温度T后，切割角θ即已知。
参考图2，温度控制器22用于控制SHG20的温度。如本领域的普通技术人员所知，SHG的能量转换效率(在10％至70％之间)受其温度影响。在本实施例中，优选地，温度根据以下公式控制：
no,1064,T(θ)＝ne,532,T(θ)
因此，这种温度设定的目的在于保持稳定的能量转换效率，而无需考虑环境温度影响。在大多数情况下，为了简化控制系统，将温度T设定为高于环境温度。
图3为图1中波片的示意图。
波片30是一种用于进行被称为“相位匹配”光学处理的晶体。如本领域的普通技术人员所知，波片也称为相位延迟器，是在不衰减、偏离或位移光束的情况下传输光并改变偏振态的一个分量，其通过延缓(或延迟)互相正交的两个偏振分量中的一个来实现。波片使用在很多方面，一个例子是改变光偏振。例如，通常激光是水平偏振的。如果需要激光从金属表面反射，那么就会有问题，因为镜面最适合垂直偏振光。在本实施例中，为了优化金属表面的反射率，利用光轴优选旋转45度的λ/2(半波长)波片，将水平偏振激光旋转到垂直偏振状态。
在图3的实施例中，当需要将偏振轴调整到任何其他方向时，转动波片的光轴，让入射偏振光的切割角θ旋转至出射偏振光时的2θ。由于波片高度平行，插入或转动λ/2波片可以重新设置整个光路而无需重新对准。
如图3所示，波片30采用双波长波片(一种多级波片)构成，让1064nm激光的偏振角旋转(λ/2波片)的同时保持532nm激光的偏振角不变(λ波片)。
在本实施例中，为了让1064nm激光的偏振角旋转90度以与532nm激光的偏振角对齐，需要波片30的快轴旋转到与1064nm激光的偏振方向成45度角。如通过镜架将波片30的快轴倾斜45度角放置。
另外，在本实施例中，为了让532nm激光的偏振角不变而让1064nm激光的偏振角旋转90度，波片30由方解石或石英晶体制成。该晶体的具体厚度d由如下公式计算获得：
Figure BDA0003763685430000071
其中，如果多级波片的光轴彼此旋转90度，d是多级波片的厚度之差，如果多级波片的光轴彼此平行，d是多级波片的厚度之和，m1和m2是整数，n是折射率。
由于1064nm激光和532nm激光的偏振方向在通过波片30后可能不是线性的，按照公式(2)所获得的波片30厚度有助于1064nm激光维持其旋转方向、保持532nm激光偏振方向不变。让1064nm激光和532nm激光的偏振方向保持线性，从而实现1064nm激光和532nm激光的偏振方向对齐。
波片30可以由一个多级波片或多个多级波片构成。
在其他实施例中，波片30也可以让532nm激光的偏振方向保持不变，而转动1064nm激光的偏振方向，以与532nm激光的偏振方向对齐。
在其他实施例中，波片30的双波长波片可以为λ/2和λ/4的多级波片。
图4为图1中三次谐波晶体的示意图。
在三次谐波发生器(THG)中，非线性晶体会产生“三倍频”现象，即在将输入光束转换为出射光束时，出射光束的频率是输入光束的三倍。在这个过程中，初始激光的三个光子被转换为一个光子，其频率是初始激光的频率的三倍、波长是初始激光的波长的三分之一。原则上，这可以通过具有三阶极化率χ3的非线性光学介质直接产生三次谐波，但是由于这种光学介质的三阶极化率χ3很小以及相位匹配限制(除非是利用气体激光来实现三倍频)，使得利用这种方法实现三倍频很困难。因此，三倍频通常利用级联过程产生，首先对输入光束进行倍频，随后利用倍频激光和初始激光的和频实现三倍频过程，这两个过程均是基于具有二阶极化率χ2的非线性晶体。
在本实施例中，偏振方向可以相差20度，取决于最终选择的切割角。
一种常见的方法是使用两个β-BBO晶体(即英文为“Beta Barium Borate”的简称，中文翻译为偏硼酸钡)，或者一个LBO(即英文“Lithium Borate”的简称，中文翻译为三硼酸锂)晶体和一个β-BBO晶体。其中第一个用来产生二次谐波时进行匹配相位，另一个用来产生和频。这个过程使用Q开关或锁模激光的脉冲会很高效，也可以在如产生腔内倍频和谐振和频的连续波操作中实现。
温度控制器32用于控制THG30的温度。如本领域的普通技术人员所知，THG的能量转换效率受其温度影响。在本实施例中，优选地，温度根据以下公式确定：
ni,1064,T+no,532,T＝2×ne,355,T 公式(3)
可见，这种温度设定的目的在于保持稳定的能量转换效率，而无需考虑环境温度影响。同SHG的温度设定一样道理，为了简化控制系统，将温度T设定为高于环境温度。
本发明让激光束L201和L202由波片30有效地进行相位匹配。相位匹配后获得偏振方向相同的激光束L301和L302，其中激光束L301的波长为1064nm，激光束L302的波长为532nm，结合和频后产生更高的能量。因此，能量转换效率可以优化到10％至70％之间。
以下以本实施例为例，说明如何利用简化平面波中生成和频时的相位匹配来提高能量转换效率。
Figure BDA0003763685430000081
以及能量转换效率C表示为：
C＝I3/I1公式(5)
其中，I3是和频激光束L403的强度，
Figure BDA0003763685430000082
是和频激光束L403可达到的最大强度，I1是初始激光束L101的强度，Δk＝k1+k2-k3是这个过程中获得的三个激光束的波矢失配量。其中k1、k2和k3分别是初始激光束L101、SHG激光束L202和THG激光束L403的波矢。
为了有效转换和频激光束，ΔkL必须小，因为一旦选定了晶体长度L，那么随着波矢失配量Δk的增加，公式(4)的第二部分
Figure BDA0003763685430000091
是逐渐减小的。例如，ΔkL＝1能造成约8％的能量转换效率损失，而ΔkL＝2能造成约29％的能量转换效率损失。
理论上，一次性通过晶体的三倍频的总能量转换效率可接近100％。这样，倍频的能量转换效率应为2/3，所以二次谐波的功率是未转换的剩余初始激光束的两倍，且两者的光子数相等。实践中，倍频的能量转换效率通常较低，常常约在40％至50％，特别是和频的能量转换效率远非100％。这是由许多原因引起的，例如光强过低、由光学损伤造成的设计限制、空间走离效应、脉冲持续时间和/或时间走离的失配等。假设，在不太短(例如皮秒)的脉冲时间内，当激光质量高且激光带宽不太高时，能量转换效率可以达到峰值。那么，从红外线到紫外线的总能量转换效率可以达到30％到40％的量级。
为了提高THG激光束L403的能量转换效率，让通过SHG20而未转换的全部剩余初始激光束L201和激光束L202，经由波片30处理而保持相互平行偏振，有助于在THG40中进行和频。因此，本实施例中利用双波长波片控制1064nm激光的偏振角(λ/2波片)，而让532nm激光的偏振角保持不变(λ波片)。
因此，本发明激光处理装置不仅能够生成355nm激光，而且能量转换效率更高。
图5为本发明激光消融设备500的使用示意图，其包括上述激光处理装置100。
参考图5，在本实施例中，激光消融设备500包括激光处理装置100、光束整形器110、聚焦透镜120、激光检测部130、激光导管140、光纤160、激光消融头180和血管成像探头190。
如上描述，激光处理装置100用于生成预定波长的激光束。本实施例中，波长为355nm。光束整形器110用于将激光束的横截面轮廓整形为任何所需的形状，并且可以采用任何光束整形器的设计。聚焦透镜120，例如平凸透镜，与光束整形器110一起用于聚焦光束而生成预定光束轮廓，将光有效地传递到激光导管中，同时防止激光导管被强光损坏。激光检测部130是一种光罩，如纤维光罩，用来提取聚焦后的激光信号，确定用于激光消融的激光束是否符合预期，以对激光进行校准。激光校准包括调整温度控制器22、32中任一个或两个的温度。激光导管140是用于辅助将光纤160插入人体血管300的管道。激光消融头180可以让光纤160插入血管300中，聚焦并将激光能量释放到血管堵塞处340。光纤160用于将来自激光处理装置100的激光能量传输到血管。血管成像探头190利用激光导管140传输的光信号，生成血管的内窥图像，帮助医生准确判断病灶如血管堵塞的位置和形态，从而确定激光消融的治疗参数。且在完成激光消融治疗后，还可以帮助医生评价治疗效果，便于制定下一步手术计划。这样即可在可视化的条件下对血管组织进行激光消融，安全性高，可靠性高，亦不易出现激光损伤血管健康组织而引发夹层或穿孔等手术事件。优选地，血管成像探头190与光纤160一起捆绑在激光导管140内以插入血管或从血管中拔出。
以上所述实施例仅表达了发明的一种实施方式，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，这些都属于发明的保护范围。因此，发明专利的保护范围以权利要求为准。

Claims (18)

1.一种激光处理装置，其特征在于，所述激光处理装置包括第一非线性晶体、波片和第二非线性晶体；所述第一非线性晶体用于传输具有第一频率的第一束光子并转换为具有第一频率和第二频率的第二束光子，第一频率约为第二频率的两倍，具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在互相正交的偏振方向上振荡；所述波片用于传输第二束光子并旋转第二束光子的偏振方向而转换为第三束光子，让具有第一频率的光子和具有第二频率的光子在基本相同的偏振方向上振荡；所述第二非线性晶体用于传输第三束光子并转换为具有第一频率、第二频率和第三频率的第四束光子，第一频率约为第三频率的三倍。
2.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述第一非线性晶体是倍频谐波晶片。
3.如权利要求2所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述第一非线性晶体采用I类相位匹配、切割角范围为20至27度的BBO晶体制成。
4.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述第二非线性晶体是三倍频谐波晶片。
5.如权利要求4所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述第二非线性晶体包括两个β-BBO晶体或一个LBO晶体和一个β-BBO晶体。
6.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述第一束光子的波长约为1064nm，所述具有第二频率的第二束光子的波长约为532nm，所述具有第三频率的第四束光子的波长约为355nm。
7.如权利要求6所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片用来保持波长约为532nm的光子的偏振方向、转动波长约为1064nm的光子的偏振方向与波长约为532nm的光子的偏振方向基本平行。
8.如权利要求6所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片用来保持波长约为1064nm的光子的偏振方向、转动波长约为532nm的光子的偏振方向与波长约为1064nm的光子的偏振方向基本平行。
9.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述激光处理装置还包括第一温度控制器，用于控制所述第一非线性晶体的第一温度。
10.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述激光处理装置还包括第二温度控制器，用于控制所述第二非线性晶体的第二温度。
11.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片的快轴方向与所述第一束光子的偏振方向成锐角。
12.如权利要求11所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述锐角为45度。
13.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片为半波长波片。
14.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片包括至少一λ/2多级波片。
15.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片包括一个多级波片，制造所述波片的晶体厚度是多级波片的厚度。
16.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片包括两个多级波片，当两个多级波片的光轴彼此平行时，制造所述波片的晶体厚度是两个多级波片的厚度之和。
17.如权利要求1所述的一种激光处理装置，其特征在于：所述波片包括两个多级波片，当两个多级波片的光轴彼此旋转90度时，制造所述波片的晶体厚度是两个多级波片的厚度之差。
18.一种激光消融设备，其特征在于，所述激光消融设备包括如权利要求1-17中任一项所述的激光处理装置、光束整形器、聚焦透镜、激光检测部、激光导管、光纤、激光消融头和血管成像探头。
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