CN116942864A - 一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，包括外壳，外壳内设有深紫外激光器，深紫外激光器通过光束整形系统与扫描镜头连接，深紫外激光器还通过激光器通讯线缆与控制系统连接，控制系统通过扫描镜头通讯线缆与扫描镜头连接；本申请还提供了一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒方法，本申请能够在200‑225nm的波长范围内实现连续波长调节，适用于不同的消杀场景；若采用脉冲泵浦或调Q工作方式，在较低的平均功率下也可获得极大的峰值功率，从而提高对细菌和病毒的消杀速度，同时本申请结构紧凑，便于小型化，电光转化效率更高，更加适合大范围推广。

Description

一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置及方法

技术领域

本申请涉及消毒技术领域，具体涉及一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置及方法。

背景技术

紫外消毒作为一种常见的物理消毒方式，相比于化学消毒具有操作简单、无化学残留、适应范围广、不会使微生物产生抗性等优势；微生物中的DNA和RNA在短波紫外(UVC，200nm<λ<280nm)的照射下发生光化学反应，形成嘧啶二聚体破坏遗传物质的结构，影响微生物正常新陈代谢和遗传物质的复制，从而实现对微生物的杀灭或灭活，由于DNA对紫外线的吸收峰在260nm附近，因此目前常用的紫外消毒光源多是针对该波长附近所设计的，如低压汞灯(253.7nm)、紫外发光二极管(UV-LED，265nm)等，虽然对细菌和病毒的灭杀效果较好，但是260nm附近的紫外光也会穿透人体皮肤的角质层和角膜，长期照射将导致皮肤癌和白内障，危害人体健康，因此无法在有人的场景下实时消毒。

相比之下，UVC波段中200-230nm波段紫外光难以穿透皮肤的角质层和眼睛外表的泪液层，并且DNA/RNA的紫外吸收光谱在230nm附近存在吸收度上升的趋势，能以极低的剂量对流感病毒产生很好的灭活效果，因此该波段在表现出极高的安全性的同时，也具有十分有效的消毒作用；哥伦比亚大学医学中心的Brenner教授等通过实验验证，远紫外线(far-UVC)中207-222nm波段具有与典型的杀菌紫外线(253.7nm)相似的抗菌性能，但不会对哺乳动物的皮肤造成损伤。而Yamano N等人进一步研究了222nm紫外光长期照射对小鼠皮肤致癌性的影响，采用1mW/cm²的照射强度，对小鼠进行每周3次，连续10周的长期照射，小鼠每次接受的辐射能量为500mJ/cm²，最终在小鼠体内也没有观察到肿瘤的迹象，此外，在所有222nm紫外光处理的小鼠中均没有出现视网膜损伤，这表明222nm的紫外光在眼睛表层就被吸收，没有到达晶状体或者视网膜。

以上实验研究表明，222nm紫外光可以在保证人体安全的情况下实现对细菌病毒的有效消杀，相比253.7nm低压汞灯光源更安全可靠，在未来疫情防控常态化的趋势下，越来越多的生活场景中都需要配备专业的消毒设备，对于航站楼、火车站、展览馆等人员密度高、人流量大的场所，以及医院、养老院等特殊场所，使用222nm深紫外激光能够在保证人员安全的情况下，完成对细菌病毒的有效消杀，具有独特的优势。

目前222nm深紫外消毒技术尚未获得广泛使用，其原因在于该波段的光源获取途径有限。根据最新报道，仅有搭配滤光片的KrCl准分子灯被制作为222nm深紫外消杀的光源投入使用，但是准分子灯所发射紫外光的功率随着距离的扩大下降明显，因此有效杀毒半径较小，不适用于大范围的消杀场景，激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高功率密度、高峰值功率的优点，可以对物体表面和空气中的细菌病毒进行快速、高效、大范围消杀，但KrCl准分子激光器结构复杂、需要定期更换工作气体，不适合作为消杀设备进行推广。

因此，需要提供一种新的技术方案解决上述技术问题。

发明内容

本申请提供了一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，包括外壳，所述外壳内设有深紫外激光器，所述深紫外激光器通过光束整形系统与扫描镜头连接，所述深紫外激光器还通过激光器通讯线缆与控制系统连接，所述控制系统通过扫描镜头通讯线缆与扫描镜头连接。

作为一种优选方案，所述深紫外激光器包括泵浦源一，所述泵浦源一后依次设置有全反射镜、激光工作物质、反射镜、双折射滤波片、输出镜、倍频晶体、四倍频晶体、滤光片，所述反射镜的一侧还设有泵浦源二。

作为一种优选方案，深紫外激光器的工作方式为所述激光工作物质为钛宝石晶体。

作为一种优选方案，所述深紫外激光器的工作方式为连续工作方式。

作为一种优选方案，所述深紫外激光器的工作方式为脉冲工作方式或准连续工作方式。

作为一种优选方案，所述双折射滤波片和输出镜之间设有调Q器件。

作为一种优选方案，所述调Q器件为电光调Q晶体、声光调Q晶体或被动调Q晶体。

作为一种优选方案，所述泵浦源一、泵浦源二输出的中心波长为450nm。

作为一种优选方案，所述倍频晶体为二倍频晶体，所述二倍频晶体为LBO、BBO、CLBO、BiBO，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配。

作为一种优选方案，所述四倍频晶体为BBO或KBBF，BBO晶体倍频时匹配方式采用临界相位匹配，KBBF晶体倍频时采用棱镜耦合技术实现相位匹配。

作为一种优选方案，深紫外激光器在200-225nm的波长范围内实现连续波长调节。

一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒方法，包括以下步骤：

步骤1：泵浦源一、泵浦源二发射泵浦光；

步骤2：对激光工作物质进行泵浦；

步骤3：全反射镜与输出镜构成基频光谐振腔，振荡的基频光由输出镜输出；

步骤4：通过倍频晶体，四倍频晶体后转换为深紫外激光；

步骤5：深紫外激光经过光束整形系统进行整形，整形后的深紫外激光入射至扫描镜头中；

步骤6：控制系统控制深紫外激光器的输出功率、能量、峰值功率、脉冲频率、开关光时序；控制系统控制扫描镜头的扫描速度，扫描路径，扫描范围。

本发明包括：深紫外激光器、泵浦源、全反射镜、激光工作物质、输出镜、倍频晶体、四倍频晶体、光束整形系统、扫描镜头、控制系统和外壳；利用微生物中遗传物质受紫外光照射发生变异的原理可以进行紫外光消毒，其中波长位于200-230nm的紫外光不仅具有较好的消毒效果，而且不会穿透皮肤的角质层和眼睛外表的泪液层，因此可以在有人的情况下进行实时消毒，特别适合火车站、展览馆等人员密度高、人流量大的场所，相比于只能发射222nm单一波长的KrCl准分子灯，本申请能够在200-225nm的波长范围内实现连续波长调节，适用于不同的消杀场景；若采用脉冲泵浦或调Q工作方式，在较低的平均功率下也可获得极大的峰值功率，从而提高对细菌和病毒的消杀速度，同时本申请结构紧凑，便于小型化，电光转化效率更高，更加适合大范围推广。

附图说明

图1是本申请的结构示意图；

图2是本申请的实施例四的结构示意图；

图3是本申请的实施例五的结构示意图；

1、外壳 2、深紫外激光器 3、光束整形系统 4、扫描镜头

5、激光器通讯线缆 6、控制系统 7、扫描镜头通讯线缆

8、泵浦源一 9、全反射镜 10、激光工作物质 11、反射镜

12、双折射滤波片 13、输出镜 14、倍频晶体 15、四倍频晶体

16、滤光片 17、泵浦源二 18、传能光纤 19、准直透镜

20、聚焦透镜 21、平凹镜 22、传能光纤一 23、准直透镜一

24、聚焦透镜一 25、激光聚焦镜 26、激光聚焦镜一

28、紫外激光准直镜 29、调Q器件 30、45度反射镜一

31、45度反射镜二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明；应当说明的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一：

本实施例提供了一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，更具体为一种基于钛宝石激光器四倍频的200-225nm波段范围内可调谐的深紫外激光消毒装置，包括外壳1，所述外壳1内设有深紫外激光器2，所述深紫外激光器2的工作方式为脉冲工作方式、连续工作方式或准连续工作方式，深紫外激光器2在200-225nm的波长范围内实现连续波长调节；深紫外激光器2可以在无需更换激光晶体、激光工作物质的情况下实现波长变换，且输出波长准确、线宽窄；所述深紫外激光器2通过光束整形系统3与扫描镜头4连接，所述深紫外激光器1还通过激光器通讯线缆5控制系统6连接，控制系统6优选为现有技术中的单片机，具体型号不做具体限定；所述控制系统6通过扫描镜头通讯线缆7与扫描镜头4连接；扫描镜头4优选为现有技术中的振镜扫描，通过振镜扫描的方式进行逐点、逐行扫描消杀方式，也可整形成线状光束后扫描输出，以及耦合进光纤传输后扫描输出。

深紫外激光器1发出深紫外激光，深紫外激光经过光束整形系统3进行整形，整形后的深紫外激光1入射至扫描镜头4中，控制系统6通过激光器通讯线缆5与深紫外激光器2进行通信、控制系统6通过扫描镜头通讯线缆7和扫描镜头4进行通信，控制系统6控制深紫外激光器1的输出功率、能量、峰值功率、脉冲频率、开关光时序，控制系统6控制扫描镜头4的扫描速度，扫描路径，扫描范围。

本实施例采用深紫外激光1对细菌病毒进行快速、大范围的消杀。

实施例二：

本实施例对深紫外激光器1进行具体描述，具体地：

所述深紫外激光器1包括泵浦源一8，所述泵浦源一8后依次设置有全反射镜9、激光工作物质10、反射镜11、双折射滤波片12、输出镜13、倍频晶体14、四倍频晶体15、滤光片16，所述反射镜1的一侧还设有泵浦源二17；泵浦源一8、泵浦源二1的设置使本实施例的泵浦方式为双端泵浦；所述泵浦源一8、泵浦源二17输出的中心波长为450nm；所述倍频晶体14为二倍频晶体，所述二倍频晶体为LBO、BBO、CLBO、BiBO其中的一种，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配；所述四倍频晶体15为BBO或KBBF，BBO晶体倍频时匹配方式采用临界相位匹配，KBBF晶体倍频时采用棱镜耦合技术实现相位匹配。

优选地，所述反射镜11采用现有技术中45°反光镜，优选地，所述激光工作物质10为钛宝石晶体。

泵浦源一8与泵浦源二17组成双端泵浦结构，发射泵浦光，通过全反射镜9，对激光工作物质10进行泵浦，全反射镜9与输出镜13构成基频光谐振腔，振荡的基频光由输出镜输出，通过倍频晶体14，四倍频晶体15后转换为深紫外激光，深紫外激光经过光束整形系统3进行整形，整形后的深紫外激光入射至扫描镜头4中，控制系统6控制深紫外激光器2的输出功率、能量、峰值功率、脉冲频率、开关光时序；控制系统6控制扫描镜头4的扫描速度，扫描路径，扫描范围；不同旋转角度的双折射滤光片12，可以使深紫外激光器1输出不同的信号光波长，通过四倍频后可以获得不同波长的深紫外激光输出。

实施例三：

本实施例中，深紫外激光器1的工作方式为准连续工作方式或者脉冲工作方式，泵浦源一8、泵浦源二17为连续激光输出的半导体激光器，本实施例中，所述双折射滤波片12和输出镜13之间设有调Q器件，通过调Q器件实现脉冲钛宝石激光。

优选地，所述调Q器件为电光调Q晶体、声光调Q晶体或被动调Q晶体。

实施例四：

本实施例提供了一种具体实施方案，为脉冲LD泵浦钛宝石激光器四倍频200-225nm深紫外激光消杀装置，如图2所示：

包括泵浦源一8，所述泵浦源一8后依次设有传能光纤18、准直透镜19、聚焦透镜20、平凹镜21、激光工作物质10、反射镜11、双折射滤波片12、输出镜13、激光聚焦镜25、倍频晶体14、45度反射镜一30、45度反射镜二31、激光聚焦镜一26、四倍频晶体15、滤光片16、紫外激光准直镜28、扫描镜头4；所述反射镜11的一侧还设有泵浦源二17，所述泵浦源二17和反射镜11之间依次设有传能光纤一22、准直透镜一23、聚焦透镜一24；泵浦源一8发出泵浦光，经过传能光纤18，经过准直透镜19和聚焦透镜20进行准直聚焦，再经过全反射镜9耦合到激光工作物质10中，本实施例中全反射镜9采用平凹镜21，泵浦源二17发出的泵浦光经过传能光纤一22、准直透镜一23、聚焦透镜一24之后，从激光工作物质10另一端入射，形成双端泵浦结构，保证提高泵浦功率的同时缓解热效应；激光工作物质10在泵浦光的作用下形成激光产生的必要条件，在平凹镜21和输出镜13形成的谐振腔中产生激光振荡，振荡光在双折射滤光片12的作用下实现不同波长的基频激光输出，基频激光经过激光聚焦镜25聚焦到倍频晶体14中，倍频晶体14采用二倍频晶体，产生倍频激光，倍频激光经过激光聚焦镜一26后，聚焦到四倍频晶体15，滤光片16使未转化的基频光和二倍频激光滤掉，将四倍频激光反射进入紫外激光准直镜28进行准直，准直后的四倍频紫外激光通过扫描镜头4进行逐点、逐行扫描，对细菌和病毒进行远距离、大范围的消杀。

本实施例中，优选地，泵浦源一8和泵浦源二17总的输出光功率为16W，中心波长为450nm，重复频率为10kHz，传能光纤18、传能光纤一22的芯径为400μm，数值孔径0.22。

优选地，准直透镜19、准直透镜一23的焦距均为20mm，聚焦透镜20、聚焦透镜一24的焦距均为30mm，准直透镜19、聚焦透镜20组成了1:1耦合聚焦系统，准直透镜一23、聚焦透镜一24二者组成了1:1耦合聚焦系统，将泵浦源一8、泵浦源二17聚焦于激光工作物质10。

优选地，全反射镜9为平凹镜21，镀有450nm高透和800-900nm高反的膜系.

优选地，激光工作物质10为钛宝石晶体，沿c轴以布儒斯特角切割，通光方向长度为15mm，截面是边长为5mm的正方形；晶体相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器上控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置为17摄氏度.

优选地，输出镜13为平面镜，镀有800-900nm透过率为15％的膜系，全反射镜9和输出镜13构成谐振腔的长度为200mm.

优选地，激光聚焦镜25的焦距为30mm，用于将钛宝石激光聚焦于倍频晶体14上，提高非线性转换效率；更优选地，倍频晶体14为LBO晶体，其规格为3×3×10mm，晶体两端镀有对800-900nm以及400-450nm高透膜系。

优选地，激光聚焦镜一26的焦距为30mm，用于将倍频蓝光聚焦于四倍频晶体15上，提高非线性转换效率；更优选地，四倍频晶体15为BBO晶体，其规格为3×3×10mm，晶体两端镀有对420-450nm以及210-200nm高透膜系，可实现最短波长为210nm的紫外激光输出，若要获得200-210nm波段，可选用KBBF晶体，同时通过棱镜耦合技术进行相位匹配，实现短波深紫外激光输出。

优选地，滤光片16镀有200-225nm波段高反，400-450nm波段增透的膜系，将四倍频后剩余的蓝光滤掉。

优选地，紫外准直透镜28将过滤后的200-225nm波段深紫外激光耦合到扫描镜头4中，对消杀对象进行扫描。

实施例五：

本实施例提供了另外一种具体实施方案，为电光调Q钛宝石激光器四倍频200-225nm深紫外激光消杀装置，如图3所示：

其内部结构如实施例四所述，区别在于，泵浦源一8、泵浦源二17为连续激光输出的半导体激光器，钛宝石激光器的谐振腔内放置调Q器件23，具体调Q器件23设置在双折射滤波片12和输出镜13之间；本实施例优先采用电光调Q元件，通过电光调Q的方式实现脉冲钛宝石激光；为了使加载电光晶体上的电压与波长调谐保持同步，采用单片机控制双折射滤波片的转动和调Q电压，确保在不同波长调谐的情况下均实现调Q脉冲输出。

以上实施方案仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，发在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例六：

本实施例提供了一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒方法，包括以下步骤：

步骤1：泵浦源一、泵浦源二发射泵浦光；

步骤2：对激光工作物质进行泵浦；

步骤3：全反射镜与输出镜构成基频光谐振腔，振荡的基频光由输出镜输出；

步骤4：通过倍频晶体，四倍频晶体后转换为深紫外激光；

步骤5：深紫外激光经过光束整形系统进行整形，整形后的深紫外激光入射至扫描镜头中；

步骤6：控制系统控制深紫外激光器的输出功率、能量、峰值功率、脉冲频率、开关光时序；控制系统控制扫描镜头的扫描速度，扫描路径，扫描范围。

本发明的目的是采用深紫外激光对细菌病毒进行快速、大范围的消杀；为保障深紫外光消杀过程中的人体安全，同时避免准分子灯照射时功率密度低、作用距离短、成本高昂不易推广等问题，提出了利用钛宝石激光器四倍频实现222nm附近深紫外激光消杀的方式；钛宝石晶体是一种性能优越的宽带激光介质，其荧光光谱范围可覆盖670-1200nm，考虑到用于消毒时需要一定的能量，因此可选择靠近发射峰的800-900nm作为钛宝石激光器的输出波段，后续经过四倍频可获得200-225nm深紫外激光输出，该波段覆盖了目前已验证的对人体安全的消毒波段(207-222nm)，配合脉冲半导体激光器泵浦或调Q技术可获得脉冲形式的激光输出，能够大幅提高其峰值功率，有利于对细菌病毒进行快速消杀；相比于KrCl准分子灯和准分子激光器，以钛宝石晶体作为增益介质的固体激光器输出范围可调，同时结构紧凑，便于小型化，更加适合大范围推广。

本发明包括：深紫外激光器、泵浦源、全反射镜、激光工作物质、输出镜、倍频晶体、四倍频晶体、光束整形系统、扫描镜头、控制系统和外壳；利用微生物中遗传物质受紫外光照射发生变异的原理可以进行紫外光消毒，其中波长位于200-230nm的紫外光不仅具有较好的消毒效果，而且不会穿透皮肤的角质层和眼睛外表的泪液层，因此可以在有人的情况下进行实时消毒，特别适合火车站、展览馆等人员密度高、人流量大的场所，相比于只能发射222nm单一波长的KrCl准分子灯，本申请能够在200-225nm的波长范围内实现连续波长调节，适用于不同的消杀场景；若采用脉冲泵浦或调Q工作方式，在较低的平均功率下也可获得极大的峰值功率，从而提高对细菌和病毒的消杀速度，同时本申请结构紧凑，便于小型化，电光转化效率更高，更加适合大范围推广。

上述未具体描述的装置、连接关系等均属于现有技术，本发明在此不做具体的赘述。

以上结合附图详细描述了本申请的优选方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，申请其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims (10)

1.一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，包括外壳(1)，其特征在于，所述外壳(1)内设有深紫外激光器(2)，所述深紫外激光器(2)通过光束整形系统(3)与扫描镜头(4)连接，所述深紫外激光器(2)还通过激光器通讯线缆(5)与控制系统(6)连接，所述控制系统(6)通过扫描镜头通讯线缆(7)与扫描镜头(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述深紫外激光器(2)包括泵浦源一(8)，所述泵浦源一(8)后依次设置有全反射镜(9)、激光工作物质(10)、反射镜(11)、双折射滤波片(12)、输出镜(13)、倍频晶体(14)、四倍频晶体(15)、滤光片(16)，所述反射镜(11)的一侧还设有泵浦源二(17)。

3.根据权利要求1所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述激光工作物质(10)为钛宝石晶体。

4.根据权利要求1所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述深紫外激光器(2)的工作方式为连续工作方式。

5.根据权利要求2所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述深紫外激光器(2)的工作方式为脉冲工作方式或准连续工作方式。

6.根据权利要求5所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述双折射滤波片(12)和输出镜(13)之间设有调Q器件(29)。

7.根据权利要求2所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述泵浦源一(8)、泵浦源二(17)输出的中心波长为450nm。

8.根据权利要求2所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述四倍频晶体为BBO或KBBF，BBO晶体倍频时匹配方式采用临界相位匹配，KBBF晶体倍频时采用棱镜耦合技术实现相位匹配。

9.根据权利要求1至8任一项权利要求所述的一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒装置，其特征在于，所述深紫外激光器(2)在200-225nm的波长范围内实现连续波长调节。

10.一种对人体安全的可调谐紫外激光消毒方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：泵浦源一、泵浦源二发射泵浦光；

步骤2：对激光工作物质进行泵浦；

步骤3：全反射镜与输出镜构成基频光谐振腔，振荡的基频光由输出镜输出；

步骤4：通过倍频晶体，四倍频晶体后转换为深紫外激光；

步骤5：深紫外激光经过光束整形系统进行整形，整形后的深紫外激光入射至扫描镜头中；

步骤6：控制系统控制深紫外激光器的输出功率、能量、峰值功率、脉冲频率、开关光时序；控制系统控制扫描镜头的扫描速度，扫描路径，扫描范围。