CN219185056U - 一种对人体安全的深紫外激光消杀装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，包括外壳，外壳内设有深紫外激光器、控制装置，深紫外激光器与扫描镜头连接，控制装置与扫描镜头、深紫外激光器连接；深紫外激光器包括泵浦源，泵浦源后依次设有全反射平面镜、激光工作物质、调Q器件，调Q器件的下部设有倍频晶体，倍频晶体的一侧设有全反射平凹镜，倍频晶体、调Q器件的一侧设有输出镜，输出镜背向调Q器件的一侧设有四倍频晶体，四倍频晶体的后部设有滤波片；本实用新型发射波长位于人体安全深紫外波段范围内，采用调Q工作方式，提高对细菌和病毒的消杀速度；倍频晶体、四倍频晶体结构紧凑、性能稳定，广泛应用于医院、车站等人员密度高、人流密度大的场所。

Description

一种对人体安全的深紫外激光消杀装置

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深紫外激光消杀装置。

背景技术

采用紫外线照射破坏细菌和病毒的DNA/RNA可以实现有效的消毒净化，DNA/RNA中的胸腺嘧啶分子在紫外光的照射下将发生光化学反应，相互结合形成二聚体，这些光化学产物会影响遗传物质的复制，实现对病毒和细菌的灭活，同时，高功率的紫外激光还可以直接破坏遗传物质的双链结构，直接导致细菌细胞的死亡。

目前最常用的的紫外线杀毒装置为253.7nm的低压汞灯，但是该波长照射到人体容易引起皮肤癌变，因此只能在无人的环境下使用；2017年，哥伦比亚大学的Brenner教授通过实验研究发现，KrBr和KrCl准分子灯发射的207nm和222nm深紫外光不会对人体皮肤造成损伤，其原因在于，皮肤角质层中的蛋白质对207nm、222nm激光的吸收要高于低压汞灯的253.7nm激光，该波长的深紫外激光无法穿透皮肤角质层，因此无法到达并破坏细胞核中的遗传物质；根据蛋白质的紫外吸收光谱，在250nm以下，它们对紫外光的吸收迅速上升，可有效阻挡紫外光到达活细胞的细胞核，200-230nm波段范围内的激光均具有人体安全特性。

同时，DNA或RNA遗传物质对于230nm紫外光依然有较强的吸收作用，并且随波长减小，吸收强度还将进一步增强。

因此，200-230nm紫外光在表现出人体安全性的同时，还具有良好的消毒效果；采用搭配滤光片的KrCl准分子灯可以获得具有一定能量和功率的222nm深紫外光，中国体育代表团已在2021年东京奥运会上使用该光源对运动员训练和休息的房间进行实时持续消杀，但是准分子灯价格昂贵，不适合在其他普通场景大范围应用，同时，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。

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，但准分子激光器在长期使用过程中需要定期更换工作气体，维护工作较为繁琐，因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述技术问题。

实用新型内容

本申请提供了一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，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；所述深紫外激光器包括泵浦源，所述泵浦源后依次设有全反射平面镜、激光工作物质、调Q器件，所述调Q器件的下部设有倍频晶体，倍频晶体的一侧设有全反射平凹镜，所述倍频晶体、调Q器件的一侧设有输出镜，所述输出镜的背向调Q器件的一侧设有四倍频晶体，所述四倍频晶体的后部设有滤波片；全反射平面镜、全反射平凹镜和输出镜共同构成V形谐振腔。

作为一种优选方案，所述深紫外激光器的输出的深紫外激光的波长为228.5nm。

作为一种优选方案，所述调Q器件采用声光Q开关。

作为一种优选方案，泵浦源输出的中心波长为808nm。

作为一种优选方案，所述倍频晶体为二倍频晶体。

作为一种优选方案，所述二倍频晶体采用LBO、BBO、BiBO中的其中一种，匹配方式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，匹配方式采用临界相位匹配。

作为一种优选方案，激光工作物质为Nd:YVO₄晶体，Nd离子掺杂浓度为0.1％。

本实用新型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，提出了一种利用Nd:YVO₄固体激光器四倍频产生满足人体安全和消杀需求的228.5nm深紫外激光的技术方案，相比于准分子灯和准分子激光器，固体激光器不仅具有高亮度、高方向性、高单色性、高功率密度、高峰值功率的优点，同时成本更低，结构紧凑，安装使用方便，并且在运转过程中更为稳定、寿命长、转换效率高，固体激光器长期占据着激光器发展的主导地位；Nd:YVO₄是最典型和优质的激光晶体之一，利用其准三能级跃迁可以实现914nm激光输出，后续利用二倍频晶体，采用临界相位匹配或非临界相位匹配的方式可以获得457nm蓝光输出，进一步通过四倍频晶体便可获得228.5nm深紫外激光输出；228.5nm的波长位于200-230nm对人体安全的深紫外消杀波段内，配合调Q技术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。

本实用新型公开了一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，包括：深紫外激光器、泵浦源、全反射平面镜、激光工作物质、声光Q开关、全反射平凹镜、二倍频晶体、输出镜、四倍频晶体、滤光片、光束整形系统、扫描镜头、控制系统；利用位于短波深紫外(UVC)波段的200-230nm激光，可被人体皮肤角质层吸收的特性，无法到达细胞核，从而不会对人体造成危害，并且该波段同样具有对细菌和病毒的消杀能力；本实用新型发射波长位于人体安全深紫外波段范围内，采用调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；此外，倍频晶体、四倍频晶体还具有结构紧凑、性能稳定的特点，因此可广泛应用于医院、车站、体育馆、展览馆等人员密度高、人流密度大的场所。

附图说明

图1是本申请的结构示意图；

图2是本申请的实施例二的结构示意图；

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

9、全反射平面镜 10、激光工作物质 11、声光Q开关 12、倍频晶体

13、全反射平凹镜 14、输出镜 15、四倍频晶体 16、滤波片

17、传能光纤 18、准直透镜 19、聚焦透镜 20、调Q器件

21、激光聚焦镜 22、紫外激光准直镜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。

实施例一：

本实施例提供了一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，具体讲是一种基于914nm固体激光器四倍频的228.5nm深紫外激光器，在保持人体安全的条件下，采用深紫外激光对细菌和病毒进行快速、大范围的消杀，技术方案如下：

包括外壳1，所述外壳1内设有深紫外激光器2，深紫外激光器1的输出波长为228.5nm的深紫外激光；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，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2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。

具体地：所述深紫外激光器包括泵浦源8，所述泵浦源8后依次设有全反射平面镜9、激光工作物质10、声光Q开关11，所述声光Q开关11的下部设有倍频晶体12，倍频晶体12的一侧设有全反射平凹镜13，所述倍频晶体12、声光Q开关11的一侧设有输出镜14，所述全反射平面镜9、全反射平凹镜13和输出镜14共同构成V形谐振腔，优选地，所述V形谐振腔的总腔长为200mm；所述输出镜14背向声光Q开关11的一侧设有四倍频晶体15，所述四倍频晶体15的后部设有滤波片16。

泵浦源8输出的中心波长为808nm；倍频晶体12为LBO、BBO、BiBO中的其中一种，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，匹配方式采用临界相位匹配；激光工作物质10为Nd:YVO₄晶体，Nd离子掺杂浓度为0.1％。

激光工作物质10利用其准三能级跃迁可以实现914nm激光输出，后续利用LBO、BBO、BiBO等二倍频晶体12，采用临界相位匹配或非临界相位匹配的方式可以获得457nm蓝光输出，进一步通过BBO四倍频晶体15便可获得228.5nm深紫外激光输出；使该波长位于200-230nm对人体安全的深紫外消杀波段内，配合声光Q开关11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。

本实施例的工作过程：泵浦源8发射泵浦光，通过全反射平面镜9，对激光工作物质10进行泵浦，全反射平面镜9、全反射平凹镜13以及输出镜14构成基频光谐振腔，振荡的基频光在腔内经倍频晶体12转化为二倍频蓝光，由输出镜14输出，通过四倍频晶体15后转换为深紫外激光，滤波片16使二倍频蓝光通过，对四倍频深紫外激光全反射，再经过光束整形系统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通过激光器通讯线缆5，扫描镜头通讯线缆7与深紫外激光器2和扫描镜头4进行通信，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，控制扫描镜头4的扫描速度，扫描路径，扫描范围；Nd:YVO₄是最典型和优质的激光晶体之一，利用其准三能级跃迁可以实现914nm激光输出，后续利用二倍频晶体12，采用临界相位匹配或非临界相位匹配的方式可以获得457nm蓝光输出，进一步通过四倍频晶体15便可获得228.5nm深紫外激光输出。

实施例二：

本实施例提供了一种具体实施方案，结合图2进行描述，具体地：包括泵浦源8，所述泵浦源8后依次设有传能光纤17、准直透镜18、聚焦透镜19、全反射平面镜9、激光工作物质10、调Q器件20、输出镜14，所述输出镜14的一侧设有倍频晶体12、全反射平凹镜13，所述输出镜14的另一侧设有激光聚焦镜21、四倍频晶体15、滤波片16，所述倍频晶体12、全反射平凹镜13、输出镜14、激光聚焦镜21、四倍频晶体15、滤波片16在同一条线上，全反射平面镜9、全反射平凹镜13和输出镜14共同构成V形谐振腔，总腔长为200mm；所述滤波片16的下部依次设有紫外激光准直镜22、扫描镜头4，所述扫描镜头4采用现有技术中的扫描振镜。

优选地，泵浦源8的中心波长为808.2nm，最大输出功率为30W，传能光纤17的芯径为400μm，数值孔径0.22；准直透镜18和聚焦透镜19的焦距分别为20mm和30mm，二者组成了1:1耦合聚焦系统，将泵浦光聚焦于激光工作物质10；全反射平面镜9，一面镀808nm增透膜，另一面镀808nm、1064nm、1342nm增透膜和914nm高反的膜系；激光工作物质10为Nd:YVO₄晶体，Nd离子掺杂浓度为0.1％，尺寸为3×3×10mm³，放置于TEC控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置为17摄氏度；调Q器件20为声光Q开关11，超声波频率为80MHz，射频功率20W，用于实现重频10kHz、脉宽20ns的深紫外激光输出；输出镜14为平凹镜，镀有914nm高反、457nm增透的膜系；倍频晶体12采用二倍频晶体，所述二倍频晶体采用LBO晶体，其规格为3×3×10mm³，晶体两端面均镀有对914nm和457nm的增透膜；全反射平凹镜13，镀有914nm、457nm高反膜；全反射平面镜9、全反射平凹镜13和输出镜14共同构成V形谐振腔，总腔长为200mm；激光聚焦镜21的焦距为30mm，用于将457nm蓝光聚焦于四倍频晶体15上，提高非线性转换效率；四倍频晶体15为BBO晶体，其规格为3×3×10mm³，晶体两端面均镀有对457nm和228.5nm的增透膜；滤波片16镀有对228.5nm高反，457nm增透的膜系，将四倍频后剩余的蓝光滤掉；紫外准直透镜22将过滤后的228.5nm深紫外激光耦合到扫描振镜中，对消杀对象进行扫描。

本实施例中，泵浦源8发出泵浦光，经过传能光纤17，经过准直透镜18和聚焦透镜19进行准直聚焦，将泵浦光经过全反射平面镜9耦合到激光工作物质10中，激光工作物质10在泵浦光的作用下形成激光形成的必要条件，在全反射平面镜9、全反射平凹镜13以及输出镜14形成的谐振腔中产生激光振荡，振荡光在调Q器件20的调制作用下形成脉冲基频激光输出，脉冲激光每次通过倍频晶体都会产生倍频光，倍频光经输出镜后输出到谐振腔外，倍频光经过倍频光聚焦透镜后被聚焦到四倍频晶体15中产生四倍频的深紫外激光输出，滤波片16使剩余二倍频蓝光通过，将四倍频深紫外激光进行全反射，再经过紫外准直透镜22后入射到扫描振镜中，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。

在上述实施方案中，可以根据实际需要选择激光工作物质的掺杂浓度、尺寸、倍频晶体的尺寸，以及谐振腔反射镜和蓝光输出镜的曲率半径和透过率，具体实现时，本实用新型对此不做限制。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型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，提出了一种利用Nd:YVO₄固体激光器四倍频产生满足人体安全和消杀需求的228.5nm深紫外激光的技术方案，相比于准分子灯和准分子激光器，固体激光器不仅具有高亮度、高方向性、高单色性、高功率密度、高峰值功率的优点，同时成本更低，结构紧凑，安装使用方便，并且在运转过程中更为稳定、寿命长、转换效率高，固体激光器长期占据着激光器发展的主导地位；Nd:YVO4是最典型和优质的激光晶体之一，利用其准三能级跃迁可以实现914nm激光输出，后续利用二倍频晶体，采用临界相位匹配或非临界相位匹配的方式可以获得457nm蓝光输出，进一步通过四倍频晶体便可获得228.5nm深紫外激光输出；228.5nm的波长位于200-230nm对人体安全的深紫外消杀波段内，配合调Q技术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。

本实用新型公开了一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，包括：深紫外激光器、泵浦源、全反射平面镜、激光工作物质、声光Q开关、全反射平凹镜、二倍频晶体、输出镜、四倍频晶体、滤光片、光束整形系统、扫描镜头、控制系统；利用位于短波深紫外(UVC)波段的200-230nm激光，可被人体皮肤角质层吸收的特性，无法到达细胞核，从而不会对人体造成危害，并且该波段同样具有对细菌和病毒的消杀能力；本实用新型发射波长位于人体安全深紫外波段范围内，采用调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；此外，倍频晶体、四倍频晶体还具有结构紧凑、性能稳定的特点，因此可广泛应用于医院、车站、体育馆、展览馆等人员密度高、人流密度大的场所。

上述未具体描述的装置、连接关系等均属于现有技术，本实用新型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 (7)

1.一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，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；所述深紫外激光器包括泵浦源(8)，所述泵浦源(8)后依次设有全反射平面镜(9)、激光工作物质(10)、调Q器件(20)，所述调Q器件(20)的下部设有倍频晶体(12)，倍频晶体(12)的一侧设有全反射平凹镜(13)，所述倍频晶体(12)、调Q器件(20)的一侧设有输出镜(14)，所述输出镜(14)背向调Q器件(20)的一侧设有四倍频晶体(15)，所述四倍频晶体(15)的后部设有滤波片(16)；所述全反射平面镜(9)、全反射平凹镜(13)和输出镜(14)共同构成V形谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述深紫外激光器(2)输出的深紫外激光的波长为228.5nm。

3.根据权利要求1所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述调Q器件(20)采用声光Q开关(11)。

4.根据权利要求1所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述泵浦源(8)输出的中心波长为808nm。

5.根据权利要求1所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述倍频晶体(12)为二倍频晶体。

6.根据权利要求5所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述二倍频晶体采用LBO、BBO、BiBO中的其中一种，匹配方式采用临界相位匹配或非临界相位匹配。

7.根据权利要求1所述的一种对人体安全的深紫外激光消杀装置，其特征在于，所述四倍频晶体(15)采用BBO，匹配方式采用临界相位匹配。

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