CN117590521B - 利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置及设备。该装置包括：激光源；液芯光导管，包括低折射率管体、两个棒镜、导光液体和成像透镜；管体具有沿长度方向贯穿管体的容纳空腔；两个棒镜封堵于容纳空腔的两端，并且导光液体填充于容纳空腔内；输出部，设置于成像透镜的出光侧，进行端面成像，其中，两个棒镜中的一个位于入光侧，一个位于出光侧，位于入光侧的棒镜具有耦合端面，位于出光侧的棒镜具有出射端面；光束在容纳空腔内实现全反射，并且从出射端面射出；成像透镜位于出射端面的出光侧，用于成像。本发明利用液芯光导管代替光纤，解决了光束质量不佳的高功率半导体激光不能耦合进光纤的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置，同时也涉及采用该半导体激光耦合传输成像装置的电子设备，属于半导体激光技术领域。
背景技术
半导体激光器通常采用石英光纤（简称光纤）进行耦合传输。从一颗或多颗半导体激光芯片发出的光束，在快慢轴两个发散角方向上，分别经过快轴压缩透镜（FAC）和慢轴压缩透镜（SAC）的压缩形成线状光斑，再经过多组反射镜片阶梯状反射后在快轴方向上叠加，然后经过凸透镜聚焦到光纤的端面上，完成半导体激光的耦合过程。
用于半导体激光耦合的光纤，一般为50um至1000um芯径的多模光纤。由于纤芯刚性和柔韧性的限制，光纤芯径一般很难超过1000um。光纤的数值孔径（NA）通常为0.15、0.22和0.37，数值孔径越大，说明能接受的激光入射角越大。激光与光纤的耦合，必须满足激光的光束质量（通常以光束参数积（Beam Parameter Product，简写为BPP）来衡量）小于或等于光纤能接纳的光束质量。以数值孔径为0.22，光纤芯径为1000um的粗光纤为例，其发散角全角约25度。则该光纤能够接纳的激光的光束参数积＝25度1000um＝25mm/>度。假设入射激光为线状光斑，宽度为10mm，发散角全角为3度，则其光束参数积＝10mm/>3度＝30mm/>度＞25mm/>度。因此该入射激光无法完全耦合进入光纤，会产生较大的耦合损耗。如果将其发散角降低为1.5度，则其BPP＝15mm/>度＜25mm/>度，理论上可以完全耦合进入光纤端。
目前，皮肤外科常用的医用激光，如染料激光（585/595nm）、红宝石激光（694nm）、翠绿宝石激光（755nm）、Nd：YAG激光（532nm、1064nm）、导体激光（400nm～1500nm波段，如635nm，810nm，940nm，980nm）等，往往需要通过光纤进行耦合、传输和成像，进而实现均匀的体表照射治疗。半导体激光器由于具有极高的电光转化效率、丰富的波长选择，逐渐成为越来越重要的医用激光来源。但是，伴随半导体激光的应用功率增加，其光束质量已经很难满足要求，无法充分实现有效的光纤耦合。
另一方面，液芯光导管作为光纤的替代品，广泛用于紫外固化灯、荧光检测用激励照明、工业冷光源、手术用显微镜、LED照明等用途。其中，液芯光导管主要作为增益介质和波导，用于弱激光的生成和传输。液芯光导管的口径一般为2mm、3mm、5mm、8mm等大口径，其最大入射角全角高达50～75度。以8mm、75度角液芯光导管为例，可以接收的最大入射光束参数积高达600mm度，远远高于单模大芯径光纤。因此，液芯光导管由于其具有更大的入射口径和更大的数值孔径，能够接纳更大的光束参数积的半导体激光的耦合需求。这为光束质量不佳的高功率半导体激光的耦合和传输，提供了新的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该半导体激光耦合传输成像装置的电子设备。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置，包括：
激光源，用于提供经过整形后的半导体激光光束；
液芯光导管，包括低折射率管体、两个棒镜、导光液体和成像透镜；所述管体具有沿长度方向贯穿所述管体的容纳空腔；两个所述棒镜封堵于所述容纳空腔的两端，并且所述导光液体填充于所述容纳空腔内；
输出部，设置于所述成像透镜的出光侧，进行端面成像，
其中，两个所述棒镜中的一个位于入光侧，一个位于出光侧；位于入光侧的所述棒镜具有耦合端面，位于出光侧的所述棒镜具有出射端面；所述半导体激光光束在所述容纳空腔内实现全反射，并且从所述出射端面射出；
所述成像透镜位于所述出射端面的出光侧，用于成像。
其中较优地，所述激光源为400～1500nm波段的脉冲型半导体激光器。
其中较优地，所述激光源的光束参数积＞25mm度，或者在25～600mm/>度的范围。
其中较优地，所述激光源具有200W以下的平均功率，并且峰值功率为200W～5000W。
其中较优地，所述半导体激光光束的焦点或束腰，位于所述棒镜的所述耦合端面的内部。
其中较优地，位于出光侧的所述棒镜与所述成像透镜满足以下条件：
（1）OA＞D＋2utan(θ)，
（2）1/u＋1/v＝1/f，以及
（3）D’＝Dv/u，
其中，成像透镜的通光孔径为OA，并且焦距为f；所述出射端面的直径D，并且发散角半角θ；成像直径D’；所述出射端面与所述成像透镜的中心之间的距离u；成像透镜的像方焦距为v。
其中较优地，所述输出部的出光侧的形状为圆形或矩形，以实现均匀出光。
其中较优地，所述耦合端面和所述出射端面均镀有增透膜，以减少界面的光学损耗。
根据本发明的第二方面，提供一种电子设备，其中包括前述半导体激光耦合传输成像装置以及激光器控制装置，所述激光器控制装置用于控制所述半导体激光耦合传输成像装置。
其中较优地，所述电子设备为激光医疗设备，其成像光斑的峰值功率密度大于或等于100W/cm2，并且平均功率小于或等于200W。
与现有技术相比较，本发明具有以下的技术特点：
1. 利用液芯光导管代替光纤，解决了光束质量不佳的高功率半导体激光不能耦合进光纤的问题；
2. 耦合焦点束腰位于端面内部，降低了端面光学损伤风险；
3. 利用液芯光导管，可以将不规则的入射光斑传输并匀化为平顶输出的圆形光斑；
4. 采用透镜进行端面成像，在成像位置可以实现高度均匀的功率密度分布，满足医用激光关于光强分布均匀性的要求；
5. 利用脉冲激光，兼顾高峰值功率和低平均功率的设计要求，可以满足皮肤外科对医用激光的应用需要。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的半导体激光耦合传输成像装置的整体结构示意图；
图2A为图1中的液芯光导管的整体结构示意图；
图2B为图2A中的液芯光导管的纵向剖面结构及成像原理示意图；
图3为本发明第二实施例提供的半导体激光耦合传输成像方法的流程图；
图4为本发明第三实施例提供的电子设备的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
本发明实施例的技术构思是充分利用液芯光导管的特点，将其应用于光束质量不佳的高功率半导体激光的耦合，通过传输进一步匀化，最终在输出端配合透镜成像，形成光斑极为均匀的激光光斑。本发明实施例尤其适合于皮肤外科的高功率激光体表照射等激光医疗使用场景。
第一实施例
如图1所示，本发明第一实施例提供的一种半导体激光耦合传输成像装置100，利用液芯光导管进行半导体激光耦合、传输和成像，其包括激光源1、液芯光导管2和输出部3。
其中，激光源1用于出射预设波长的激光；液芯光导管2耦合于激光源1的出光侧，用于对入射激光进行随机反射，形成匀化且去相干的出射激光；输出部3设置于液芯光导管2的出光侧，用于出射激光实现端面成像，以便在成像位置实现高度均匀的功率分布，尤其适用于投影照明、医用激光照射、刑侦设备、紫外曝光、光学蚀刻等使用场景。根据使用场景的不同要求，激光源1出射的激光可以具有不同的光学和电学参数。
以皮肤外科激光治疗的使用场景为例，在激光源1的工作性能参数选择上，需要考虑选择性光热作用和热弛豫时间等因素。激光源1受到激光器控制装置的控制，输出不同的激光光束。对此，后文将详述。
选择性光热作用指的是根据不同组织的生物学特性，选择合适的光学波长、能量、脉宽，以保证对病变组织进行有效治疗的同时，尽量避免对周围正常组织造成损伤。人体靶向组织的热弛豫时间是指靶色素在被激光照射后，温升释放一半所需要的时间。治疗时，光脉冲的持续时间应小于目标结构的热弛豫时间，以最大限度防止对周围正常组织的非选择性损伤。如表皮的热弛豫时间大约是3～10ms，毛囊的热弛豫时间大约是40～100ms，毛细血管根据直径不同热弛豫时间大约时0.1ms至几十ms。因此，激光控制装置对激光脉宽的调节范围一般为0.1ms～100ms，从而利用能量型激光的选择性光热作用进行靶向组织的治疗。
在激光脱毛、血管病变、表皮色素治疗等利用激光的选择性光热作用进行治疗的使用场景下，为了避免对人体组织（皮肤或血管等）的非选择性烧伤，一般要求设备输出的脉冲激光的平均功率一般不能超过200W，但为了保证能量型激光的治疗效果，一般激光的峰值功率要求达到200W～5000W，并且最终作用在人体组织上的光斑要求均匀、光斑上的峰值功率密度（即功率/光斑面积比值）一般要达到100W/cm2以上，并且脉宽一般为0.1ms～100ms，以明显减少对周边组织的非选择性热损伤。
在本实施例中，激光源1为光束整形后适当聚焦的可见光到近红外范围内的高功率半导体激光。由于单个半导体激光器的发光点整形后为中间强边缘弱的线状光斑，多个半导体激光器叠加后的整体光斑一般为明暗相间的条纹状矩形或梯形。所以激光源1出射的光束，需要经过适当聚焦后耦合入液芯光导管的输入端。该聚焦和耦合需要满足以下条件：
（1）聚焦角度小于液芯光导管的最大入射角；
（2）聚焦后的束腰位于液芯光导管端面内部，以减少端面光学损伤；以及
（3）光束在液芯光导管的耦合端面的光斑要小于端面直径。
具体而言，在本实施例中，激光源1的光束具有预设的光束参数积，该预设的光束参数积为激光的束腰直径r与发散角全角α的乘积。可以理解的是，利用大口径光纤进行激光耦合为目前较为常规的耦合方式，然而，大口径光纤对激光的光束质量（以光束参数积来衡量）有要求，若光束质量较低，则无法利用大口径光纤与激光器直接耦合。本实施例中所采用的液芯光导管2具有比光纤更大的入射口径（通常为3mm及以上）和比光纤更大的数值孔径，尤其适合BPP＞25mm度的激光的耦合与传输。以具有3～8mm入射口径，75度入射角的液芯光导管为例，可以支持BPP＜600mm/>度的入射激光，远远超过大口径光纤的耦合范围。简言之，本实施例中的激光源的光束参数积在25～600mm/>度的范围，以便于耦合大芯径光纤无法耦合的光束质量略差的激光。
本实施例中，利用液芯光导管2与激光源1直接耦合的方式尤其适合因为光束质量原因而无法通过光纤进行耦合传输的激光源。在本发明的一个实施例中，激光源1为400～1500nm波段的脉冲型半导体激光器，具有200W及以下的平均功率，并且峰值功率为200W～5000W，以避免平均功率过高导致患者发生热损伤或峰值功率过高导致导光液体变性或空泡化。这样的峰值功率不会破坏导光溶液（有机溶液）中的分子键，因此避免了有机溶液变性或空泡化。这样的半导体激光源能够满足出光功率密度大于100W/cm2，尤其是大于或等于200W/cm2的能量型医用激光的需求。
在本实施例中，激光器1包括但不限于应用于以下使用场景：
1. 用于脱毛的半导体激光：通过半导体激光芯片阵列（又称巴条）或多个单管芯光束整形并适当聚焦成焦点≤3mm的耦合光斑，入射到液芯光导管，激光波长700～1100nm，峰值功率200W～5000W，脉宽1～100ms，平均功率200W以下，聚焦后照射皮肤表面的光斑直径为5mm～20mm；
2. 用于血管病变治疗和甲癣治疗的长脉冲980nm或1064nm半导体激光：峰值功率100W～2000W，平均功率＜＝50W，脉宽0.5～100ms，聚焦光斑2～5mm；
3. 用于肌肉和关节疼痛理疗的半导体激光：常用635～650nm和810nm，峰值功率≦100W，平均功率几十瓦，用于大面积辐照，光斑直径10mm～200mm不等。
液芯光导管通常包括位于两个端面的棒镜、导光溶液、包覆棒镜和导光溶液的光学塑料管（一般为氟塑料材质，在此称为“管体”）、端面紧固接头及保护套管或铠甲等。在本实施例中为描述简便起见，只介绍关键部件，其余部件可以根据实际需要而增加。
液芯光导管2包括低折射率的光学塑料制成的（优选为低折射率的氟塑料）管体21、位于两个端面的棒镜22A或22B、导光溶液23、保护套管24以及成像透镜25，如图2A和图2B所示。
棒镜和导光液体的折射率一致或接近。由于棒镜和导光液体折射率高于管体的折射率，因此光束在导光液体内部传输时可以发生类似光纤一样的全反射。由于两种介质的界面反射率计算公式是：R＝(n1－n2)^2/（n1＋n2）^2。其中n1和n2分别是两种介质的真实折射率。因此有必要保证棒镜和导光液体的折射率一致或尽量接近，从而减少界面的反射损耗。并且，该折射率高于光学塑料管体的折射率，以在导光液体内形成内部全反射。
此外，导光液体需要选择对所传输的激光吸收率较低的液体，并且液芯光导管具有有限的长度，一般为3米以内即可满足常规医疗用途（从设备到患者的距离）。本实施例中，管体的长度为1.5～3米左右，这是医用场合所需要的长度。管体21的长度不能太短，因为液芯光导管的工作原理是利用导光溶液23的折射率小于管体21的折射率，使得光线在管体内多次全反射以实现出光均匀。如果长度不够，就无法实现均匀的出光。
其中，管体21上沿长度方向形成有贯穿该管体的容纳空腔210，两个棒镜22分别封堵在容纳空腔210的两端，导光溶液23填充于两个棒镜22之间的容纳空腔210内。
本实施例中，液芯光导管2对激光源1的出光传导效率大于或等于85%～90%（接近于单光纤效率85～95%），远远优于光纤束的70～75%。并且，液芯光导管2由于没有像捆扎合束光纤束一样的端面孔隙，因此具有更低的入射损耗，并且可以避免光纤束孔隙在高功率激光或高能量脉冲激光传输时的端面烧伤。
在上述实施例中，具体的，管体21由低折射率的透明氟塑料制成。入光侧的棒镜22A和出光侧的棒镜22B一般由石英材料制成。金属制成的套管24围绕在管体21的外周。在入光侧的棒镜22A与激光源1耦合，以使激光入射到棒镜22A并进入导光溶液23中。在出光侧的棒镜22B的一端设置有成像透镜25。经过导光溶液23全反射的光线进入出光侧的棒镜22B，然后经成像透镜25出射到皮肤等目标位置。两个棒镜的透射率相同或大致相同。
入光侧的棒镜22A具有耦合端面220（即，朝向激光源1的端面）；出光侧的棒镜22B具有出射端面221（即，朝向成像透镜25的端面）。半导体激光光束耦合到耦合端面220，激光光束的焦点或束腰位于耦合端面220的内部（即激光光束的焦点或束腰比耦合端面220更靠近成像透镜25），以减少端面的激光功率密度，从而减少端面的光学损伤。
如图2B所示，从出光侧棒镜22B出射的光线（参考图中箭头方向），经过成像透镜25会聚到皮肤表面。成像透镜25位于出光侧棒镜22B的出光侧，两者同轴。成像透镜25具有足够大的通光孔径，以收纳所有出射光束，并对液芯光导管端面进行成像。具体而言，成像透镜25满足以下三个条件：
（1）OA＞D＋2utan(θ)，即全部光束成像
（2）1/u＋1/v＝1/f，即成像公式
（3）D’＝Dv/u，即成像倍率关系
其中，成像透镜25的通光孔径为OA，并且焦距为f；出射端面221直径D，并且发散角半角θ；成像直径D’；出射端面221与成像透镜中心之间的距离（成像透镜的物方焦距）u；成像透镜的像方焦距为v。
通过以上设计，可以有效完成半导体激光到液芯光导管的可靠耦合并实现尽可能少的传输损耗。半导体激光在传输过程中，利用略有形变的光学塑料套管侧壁进行不规则内壁全反射完成光斑匀化，最终形成在截面上均匀的光强分布并从输出部输出。在输出部，利用成像透镜形成均匀的圆形像点，可以实现均匀的光学辐照。
而且，本实施例中，成像光斑主要用于激光医疗。成像光斑的峰值功率密度大于或等于100W/cm2（实现有效治疗），并且平均功率小于或等于200W（避免烧伤人体），以实现有效且安全的人体皮肤辐照。更优的是，配合一定的皮肤冷却措施，如冷风、蓝宝石接触冷却、间歇式冰敷或喷皮肤制冷剂等。
更优选的是，位于液芯光导管2的出光侧的输出部3，其出光面的轮廓形状为圆形或矩形。这样，输出部3的出光更均匀，以避免局部灼伤。
需要说明的是，在上述实施例中，管体21的预设长度的大小与激光的匀化程度呈正相关，预设内径的大小与激光的匀化程度呈负相关。可以理解的是，管体21长度越长，内径越小，则激光在容纳空腔内的反射次数越多，因此，对激光的匀化程度越好，反之，则对激光的匀化程度越差。具体使用时，根据需要选择合适的长度和内径的管体21即可。
在上述实施例中，优选地，耦合端面220和出射端面221均镀有增透膜（根据激光波长选择），使得激光光束耦合到棒镜22A以及从棒镜22B射出时减少空气界面的反射损耗。
可以理解的是，本发明实施例提供的半导体激光耦合传输成像装置可应用于多种场景。例如，可将该半导体激光耦合传输成像装置应用于医疗与美容场景，如通过高功率高能量密度、分布均匀的光斑进行激光脱毛、血管病变治疗、色素性治疗等。
第二实施例
如图3所示，在上述第一实施例的基础上，本发明第二实施例提供一种半导体激光耦合传输成像方法，具体包括步骤S1～S3：
S1：通过激光源1朝向液芯光导管2发射预设波长的激光；
S2：利用液芯光导管2内壁略有形变的内表面，对激光进行多次内壁全反射，以对激光进行匀化，在液芯光导管2的出射端形成匀化的出射激光；
S3：通过输出部3接收出射激光，并进行端面成像。
第三实施例
在上述第一实施例的基础上，本发明第三实施例还提供一种电子设备。如图4所示，该电子设备包括上述半导体激光耦合传输成像装置100以及激光器控制装置200。激光器控制装置200用于控制半导体激光耦合装置100。
激光功率参数的控制主要基于选择性光热作用的原理，因此需要严格控制最终激光的输出参数。激光器控制装置200主要负责半导体激光器的恒流驱动和调制，包括激光的启停、峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、占空比等参数的控制，也包括激光源1的冷却和温度控制以确保激光功率输出稳定。半导体激光耦合传输成像装置100，则负责半导体激光器的耦合、传输（匀化）和输出端面成像。根据应用的不同要求，通过改变激光器控制装置200的参数，使得电子设备被设定为具有不同的电学和光学性能。
具体而言，控制装置200控制半导体激光耦合装置100中的激光源1的工作或停止，也用于控制激光源1的峰值功率、脉宽、频率、占空比等光学和电学参数，以满足不同应用场景的技术指标要求。
在本发明的不同实施例中，该电子设备可以是皮肤治疗仪、血管治疗仪等医用激光治疗仪等。
综上所述，本发明实施例提供的利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置及设备，具有以下的有益效果：
1. 利用液芯光导管代替光纤，解决了光束质量不佳的高功率半导体激光不能耦合进光纤的问题。
具体而言，对比单光纤，大口径入射，因此对入射光光束质量要求低、耦合难度低、耦合效率高，可承受更高的峰值入射功率；
对比光纤或光纤束，液芯光导管不太规则的内壁反射可以消除激光的相干性，因而有利于光束匀化和去相干；全口径入射，不存在光纤束的填充比损耗；
2.耦合焦点束腰位于端面内部，降低了端面光学损伤风险；
3.利用液芯光导管将不规则的入射光斑传输并匀化为平顶输出的圆形光斑，因而实现了更优的功率匀化，实现平顶输出；
4. 采用透镜进行端面成像，在成像位置可以实现高度均匀的功率密度分布，满足医用激光关于光强分布均匀性的要求；
5. 利用脉冲激光，兼顾峰值功率不能大（避免有机溶液变性）和平均功率不能小（避免达不到应用场景的需求）的设计要求，可以满足皮肤外科对医用激光的应用需要。
上面对本发明提供的利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置及设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种利用液芯光导管的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于包括：
激光源，用于提供经过整形后的半导体激光光束；
液芯光导管，包括低折射率管体、两个棒镜、导光液体和成像透镜；所述管体具有沿长度方向贯穿所述管体的容纳空腔；两个所述棒镜封堵于所述容纳空腔的两端，并且所述导光液体填充于所述容纳空腔内；
输出部，设置于所述成像透镜的出光侧，进行端面成像，
其中，两个所述棒镜中的一个位于入光侧，一个位于出光侧，位于入光侧的所述棒镜具有耦合端面，位于出光侧的所述棒镜具有出射端面；所述半导体激光光束在所述容纳空腔内实现全反射，并且从所述出射端面射出；
所述成像透镜位于所述出射端面的出光侧，用于成像。
2.如权利要求1所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述激光源为400～1500nm波段的脉冲型半导体激光器。
3.如权利要求2所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述激光源的光束参数积＞25mm度，或者在25～600mm/>度的范围。
4.如权利要求3所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述激光源具有200W以下的平均功率，并且峰值功率为200W～5000W。
5.如权利要求3所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述半导体激光光束的焦点或束腰位于所述棒镜的所述耦合端面的内部。
6.如权利要求1所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于位于出光侧的所述棒镜与所述成像透镜满足以下条件：
（1）OA＞D＋2utan(θ)，
（2）1/u＋1/v＝1/f，以及
（3）D’＝Dv/u，
其中，成像透镜的通光孔径为OA，并且焦距为f；所述出射端面的直径D，并且发散角半角θ；成像直径D’；所述出射端面与所述成像透镜的中心之间的距离u；成像透镜的像方焦距为v。
7.如权利要求6所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述输出部的出光侧的形状为圆形或矩形，以实现均匀出光。
8.如权利要求6所述的半导体激光耦合传输成像装置，其特征在于：
所述耦合端面和所述出射端面均镀有增透膜，以减少界面的光学损耗。
9.一种电子设备，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述的半导体激光耦合传输成像装置以及激光器控制装置，所述激光器控制装置用于控制所述半导体激光耦合传输成像装置。
10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于：
所述电子设备为激光医疗设备，其成像光斑的峰值功率密度大于或等于100W/cm2，并且平均功率小于或等于200W。
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