CN220692520U - 一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备 - Google Patents

Abstract

一种适用于如泌尿系及肝胆激光碎石、各种软/硬组织切割等的激光医疗激光器及医疗设备，它采用对激光脉冲毛刺实行控制的、波长为0.25至3.0微米的固体脉冲激光器。该固体脉冲激光器的驱动电源为软启动电源，或产生一个前置注入脉冲的电源，该激光器谐振腔内有机械或光路扰动器，激光脉冲中原随机的毛刺脉冲被控制及规范，提高医疗应用时激光脉冲的规范可控性及医疗安全性，效率高，副作用小。

Description

一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备

技术领域

本发明涉及激光器及激光医疗设备技术领域，特别涉及一种对固体激光脉冲毛刺进行控制的固体脉冲激光器及采用该激光器的医疗设备。

背景技术

激光医疗设备是将由激光器发出的激光，通过医疗光纤或其他光学部件照射到治疗的目标组织上，通过激光产生的各种光热、光化学效应或冲击波进行各种医疗手术，如美容、口腔手术、眼科手术或各种体内结石粉碎或软/硬组织包括骨科的切割治疗等。

几十年的临床实践证明，波长在2微米附近的脉冲激光器，如波长为2.04微米的灯泵浦脉冲钬激光器(CTH:YAG)，由于其波长处于水的强烈吸收带，又能提供足够的脉冲能量和脉冲重复频率，对于各种泌尿系结石的碎石、前列腺等软组织切割治疗等应用特别有效。同时体液可以有效吸收杂散激光而保护非目标软组织不受影响，减少手术的副作用。饵脉冲激光器(Er:YAG)产生2.9微米的激光，水对2.9微米的吸收更强烈，缺点是没有可有效传输2.9微米激光的实用光纤，只能采用“关节臂”传输，使用不方便，不便进入人体操作。但2.9微米激光在口腔治疗中得到了广泛的应用。钬及饵激光手术具有手术创口较小，手术效率高，副作用小，操作方便等优点而被广泛应用。其他波长的固体脉冲激光器在其他各种医疗及加工应用中同样使用广泛。

由于固体脉冲激光器特有的产生激光脉冲震荡时的所谓弛豫效应，在激光脉冲的输出中，特别是脉冲前部，具有大量的随机的不稳定重复的脉冲毛刺。毛刺的幅度甚至可能超过激光主脉冲本身的幅度，宽度大多在纳秒量级(ns)。在采用低速光电探测器及示波器进行检测时，此类激光脉冲上的毛刺可能根本不被注意到有它的存在。也并无人认真讨论它们的存在对激光医疗作用的影响。体现在应用实践中，常发现具有基本相同的技术参数，例如激光波长，激光脉冲的宽度、重复频率及能量等的不同激光器/设备的应用效果相差甚大，但是原因不明。

找出类似技术参数的固体脉冲激光器在医疗应用中效果相差甚大的主要原因及解决措施，优化激光器及激光医疗设备设计，提高激光治疗的效果及安全性为相关领域的紧迫课题。

发明内容

常规固体脉冲激光器的激光脉冲，具有大量随机的、不稳定重复的、集中于脉冲的形成上升期间的弛豫震荡毛刺。

对激光脉冲的产生进行“软启动”，一个实例为在由IGBT放电开关后对泵浦灯的放电电路中加入串联的小电感及并联的小电容，实现泵浦电流强度上升较慢的慢启动，可以显著减少激光主脉冲上升期间的弛豫震荡毛刺。

在激光脉冲前引入一个作爲激光主脉冲启动激光震荡的种子注入的低幅度的前置注入激光小脉冲，称爲注入激光脉冲，也可显著减少激光主脉冲上升期间的弛豫震荡毛刺。注入激光脉冲与激光主脉冲在时间上相连组成一个单一脉冲。一个实例是在激光器常规放电电路上并联一个独立的小功率的注入放电电路，该小功率的注入放电电路使激光器产生一个激光小脉冲作爲注入激光脉冲，注入激光脉冲宽度可以为0.1至0.2毫秒，能量为0.01至0.1焦耳。然后在该注入激光脉冲的顶点时刻附近，启动该激光器的常规放电电路即主脉冲放电电路，即注入激光脉冲的顶点在时间上基本为激光主脉冲的起点。注入激光脉冲与激光主脉冲构成一个单一的激光脉冲，其特点为在整个激光脉冲上升期间基本上没有无规的弛豫震荡毛刺，并且整个激光脉冲具有较好的光束模式质量，或者说具有较小的光束发散角，有利与提高将该激光束耦合进医疗设备激光输出光纤的耦合效率。激光主脉冲的宽度为0.1至1.5毫秒，能量为0.1至5焦耳。激光脉冲的重频为单次至150Hz。

本发明的另一个主要内容是在激光器谐振腔内引入一种或多种可控的机械或光路扰动器，对激光脉冲的产生进行可控的具有特定强度、波形的扰动，在激光脉冲上产生可控的小尖毛刺脉冲。一个实例为将激光谐振腔中的高反镜或输出镜安装于PZT压电器件或音圈驱动器件上。也可以在泵浦腔体上，安装PZT压电器件或音圈驱动器，它们由特定的频率及幅度的交流驱动电压驱动，产生频率在1至50KHz之间、幅度包络为基本平顶或钟形或锯齿形的机械振动，带动激光工作物质(激光棒)产生相应的震动。激光谐振腔中的高反镜或输出镜的机械振动的方向与激光光轴同向，以改变激光震荡的模式频率，影响模式之间的竞争并导致激光脉冲毛刺的产生。对安装有激光棒的泵浦聚光腔体引入的机械振动的方向与激光光轴同向或垂直，以改变激光震荡与激光棒即激光增益介质的相对位置，导致具有一定形态的激光脉冲毛刺的形成。机械振动的幅度为半个至5个激光波长。机械扰动的启动与激光脉冲启动之间的延迟时间可调，机械扰动的持续时间可调。

另一实施的实例为对于波长短于2.1微米的激光器，在激光谐振腔中加入一声光扰动器，该声光扰动器结构与常规的声光调制器类似，但在长度上短小得多，例如10毫米左右，因为它只需要对激光光束产生很小的的声光偏折即损耗扰动。声光介质为低OH的熔融石英，由LiNbO3压电换能器驱动，压电换能器驱动的射频(RF)电压幅度可控，其强度包络形状为基本平顶或钟形或锯齿形，以实现对激光谐振腔增益的扰动，导致具有一定形态的激光脉冲毛刺在可控的时刻产生。声光扰动器的启动与激光脉冲的启动之间的延迟时间可调，扰动的持续时间可调。因爲熔融石英对长于2.1微米的激光波长的透明性显著下降，因此此方法不适合对波长超过2.1微米的激光器使用。

常规固体脉冲激光器输出的激光脉冲上具有可控的激光脉冲毛刺脉冲可以提高许多医疗应用时，如泌尿系及肝胆激光碎石，的效率。

本技术可以提高固体脉冲激光器用于如泌尿系及肝胆激光碎石，各种软/硬组织的激光切割等时的规范可控一致性，医疗应用时安全性好，效率高，医疗副作用小。

根据上述，本发明的一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，采用在0.25至3.0微米波长范围内的至少一种波长的至少一个灯泵固体脉冲激光器，该激光器谐振腔内具有至少一种机械或光路扰动器，该激光器的驱动电源为软启动电源或注入脉冲/主脉冲电源，该灯泵脉冲固体激光器的激光输出脉冲上只具有在激光输出脉冲上升沿或脉冲顶部所控制的时刻与强度的尖毛刺脉冲。

该灯泵固体脉冲激光器的驱动电源为软启动电源，该软启动电源在放电电路中加入了一个电感及电容，激光脉冲的重频为单次至150Hz，宽度为0.1至1.5毫秒，能量为0.1至5焦耳。

该灯泵固体脉冲激光器的驱动电源为注入脉冲/主脉冲电源，该电源包括一个注入脉冲放电电路及一个主脉冲放电电路；主脉冲放电的启动比注入脉冲放电的启动延迟0至10微秒，注入激光脉冲与主激光脉冲组成一个单一激光脉冲，单一脉冲的重频为单次至150Hz；主激光脉冲的宽度为0.1至1.5毫秒，能量为0.1至5焦耳；注入激光脉冲的宽度为0.01至0.1毫秒，能量为0.01至0.1焦耳。

所述激光器谐振腔内具有至少一种机械扰动器；机械扰动器包括将激光谐振腔中的高反镜或输出镜安装于PZT压电器件或音圈驱动器件上，或在泵浦腔体上安装的PZT压电器件或音圈驱动器；PZT压电器件或音圈驱动器件的驱动频率在1至50KHz之间，驱动幅度令机械振动的幅度为半个至5个激光波长，幅度包络为基本平顶或钟形或锯齿形，机械振动的方向与激光光轴同向或垂直，机械扰动的启动与激光脉冲的启动以在0.05至1毫秒之间可调的延迟时间同步，持续时间在10至200微秒之间可调。

所述激光器谐振腔内具有至少一种光路扰动器；光路扰动器包括当激光器波长短于2.1微米范围时，在激光谐振腔中加入的声光扰动器，该声光扰动器的声光介质为低OH的熔融石英，由LiNbO3压电换能器驱动，压电换能器驱动的RF电压幅度可控，电压幅度包络形状为基本平顶或钟形或锯齿形，声光扰动的启动与激光脉冲的启动以在0.05至1毫秒之间可调的延迟时间同步，持续时间在10至200微秒之间可调。

附图说明

图1常规固体激光脉冲及随机毛刺波形示意图

图2本发明激光医疗固体脉冲激光器结构的示意图

图3本发明激光医疗固体脉冲激光器电源的示意图

图4本发明激光医疗固体脉冲激光器输出波形示意图

具体实施方式

图1为常规固体脉冲激光脉冲及随机毛刺波形示意图。图示常规的固体脉冲激光脉冲001中包括基本为矩形的主脉冲002及其相应的随机毛刺波形003。随机的毛刺一般在激光脉冲的上升沿开始出现，较多的集中在激光脉冲的前部。有的毛刺的幅度甚至超过主脉冲本身的幅度。这种随机的毛刺影响到激光医疗处理的不稳定重复性。

图2为本发明固体脉冲激光医疗激光器结构的示意图。本发明激光固体脉冲激光器020中，038为激光器的底板基座。激光器的后反射镜023与前部分反射/输出镜024组成激光谐振腔，027为激光器的泵浦聚光腔，029为激光工作物质棒，如2微米激光器采用的CTH:YAG棒。激光泵浦的灯未在图中示出。激光器输出的激光脉冲光束为035。

本发明的一个实例是将后反射镜023，即高反射镜，安装于震动器件025上，而025安装在后反射镜调整架021上，021固定在038基板上。025为PZT压电器件或音圈驱动震动器件，PZT压电器件或音圈驱动震动器件以特定的频率及幅度的交流驱动电压驱动(驱动电源部分未示出)，产生频率在1至50KHz之间，幅度包络为基本平顶或钟形或锯齿形的机械振动。机械振动的方向与激光光轴同向或垂直，机械振动的幅度为半个至5个激光波长，机械扰动的启动与激光脉冲同步，持续时间可调。当高反镜023产生与激光光轴同向的机械振动时，激光震荡模式的频率产生改变，影响激光模式之间的竞争而产生激光毛刺脉冲。

本发明的另一个实例是将激光谐振腔的前部分反射/输出镜024安装于震动器件026上，而026安装在前反射镜调整架022上，022固定在038基板上。工作原理与后反射镜023的震动类似。缺点是，除非震动器的震动是严格的在激光轴的方向(实践中未必能保证)，激光器谐振腔的前反射镜震动可能会影响到激光输出光束的方位稳定性，对于需要将激光束耦合到细的光纤中的应用并不合适。

本发明的又另一个实例是对激光器的聚光腔进行机械震动扰动，即对激光工作棒进行机械震动扰动。激光器的聚光腔027是通过弹性的垫子零件030安装固定在038上。031及032分别为震动驱动器件，类似上述的PZT压电器件或音圈驱动震动器件。由于聚光腔027并非为刚性固定在底板038上，而是通过多个弹性的垫子零件030安装固定在底板038上，因此聚光腔027可以在031及032的震动驱动下，分别在上下方向及左右方向(即激光振荡轴向)作一定的震动，带动激光棒029对于激光发射轴作相应的上下(与发射轴成垂直方向)，或左右(沿发射轴方向)的震动，对激光振荡形成扰动。

本发明的再另一个实例是，对于波长短于2.1微米的激光器，在其谐振腔中加入一个声光扰动器040，该声光扰动器的声光介质为低OH的熔融石英，由LiNbO3压电换能器驱动，压电换能器驱动的射频RF电压幅度可控，RF的强度包络形状为基本平顶或钟形或锯齿形，声光扰动的启动与激光脉冲同步，持续时间可调。在RF电压驱动下，LiNbO3压电换能器产生相应超声震动，在声光介质低OH的熔融石英中产生相应的衍射光栅效应，形成对激光振荡的损耗的调制，导致毛刺脉冲的产生。采用的熔融石英必须为低OH浓度的，才对2.1微米波长具有高的透过率。因为低OH的熔融石英对波长更长的激光波长如3微米不再透明，因此本方法只能应用于波长短于2.1微米的激光器上。

图3为本发明固体脉冲激光医疗激光器电源的示意图。其中图(A)为一种软启动的激光器电源。其中051为充电及控制部分，052为电容储能部分，通过放电开关053向激光器泵浦灯056放电，054为一个电感，电感量在几个微亨的量级，串联在放电电路中；055为一个小电容，电容量为几个微法拉的量级，与泵浦灯并联。054及055的加入，减缓了放电脉冲的起始上升前沿，从而减缓了激光脉冲的起始上升前沿，称爲软启动，可以有效抑制激光脉冲的起始上升前沿上的随机的毛刺脉冲。图(B)为一种产生注入脉冲/主脉冲的激光器电源。其中061为充电及控制部分，062及064为两个相互独立的电容储能部分，其中062通过放电开关063向激光器泵浦灯066放电，相应产生激光器脉冲中的主脉冲部分，放电开关063称爲主放电开关。064通过放电开关065向激光器泵浦灯066放电，相应产生激光器脉冲中的注入激光脉冲部分。放电开关065称爲注入放电开关。注入激光脉冲的启动基本与激光器脉冲中的主激光脉冲同步，或提前范围在10微秒至零微秒左右。即主放电开关063的启动比注入放电开关065的启动延迟0至10微秒左右。放电开关065的放电持续时间为0.01至0.1毫秒，该放电产生的注入激光脉冲的能量在0.01至0.1焦耳左右。

注入激光脉冲的能量作爲激光器脉冲中的主激光脉冲的产生之初始注入能量，主激光脉冲在该注入激光脉冲的基础上发展增长，不但可以有效抑制主激光脉冲的起始上升前沿上的随机的毛刺脉冲，而且主激光脉冲的激光模式质量高，光束发散角小，有利于激光束耦合进医疗设备中在激光器后的光束传输光纤中。

图4为本发明固体脉冲激光医疗激光器输出波形示意图。激光器输出波形070包括主激光脉冲071及可以控制的毛刺脉冲072。采用本发明的激光医疗激光器，基本为矩形的主激光脉冲的上升沿上基本不再出现毛刺。通过对图2所示激光器020中PZT压电器件或音圈驱动震动器件025，026，031及032的驱动的控制，或对声光扰动器040的驱动控制，以对激光振荡形成扰动，改变激光震荡模式及波长频率，影响激光模式之间的竞争，产生可控制的激光脉冲毛刺，包括毛刺的幅度及持续时间。对于不同的应用，可以分别采用不同的毛刺控制方法，实现不同的毛刺分布，优化应用效果。由于注入激光脉冲的能量比主激光脉冲小很多，在图4的激光器输出波形示意图中，无法特爲标明注入激光脉冲部分。

Claims (5)

1.一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，其特征为：该医疗设备采用在0.25至3.0微米波长范围内的至少一种波长的至少一个灯泵固体脉冲激光器，该激光器谐振腔内具有至少一种机械或光路扰动器，该激光器的驱动电源为软启动电源或注入脉冲/主脉冲电源，该灯泵固体脉冲激光器的激光输出脉冲上只具有在激光输出脉冲上升沿或脉冲顶部所控制的时刻与强度的尖毛刺脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，其特征是：该灯泵固体脉冲激光器的驱动电源为软启动电源，该软启动电源在放电电路中加入了一个电感及电容，激光脉冲的重频为单次至150Hz，宽度为0.1至1.5毫秒，能量为0.1至5焦耳。

3.根据权利要求1所述的一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，其特征是：该灯泵固体脉冲激光器的驱动电源为注入脉冲/主脉冲电源，该电源包括一个注入脉冲放电电路及一个主脉冲放电电路；主脉冲放电的启动比注入脉冲放电的启动延迟0至10微秒，注入激光脉冲与主激光脉冲组成一个单一激光脉冲，单一脉冲的重频为单次至150Hz；主激光脉冲的宽度为0.1至1.5毫秒，能量为0.1至5焦耳；注入激光脉冲的宽度为0.01至0.1毫秒，能量为0.01至0.1焦耳。

4.根据权利要求1所述的一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，其特征是：激光器谐振腔内具有至少一种机械扰动器；机械扰动器包括将激光谐振腔中的高反镜或输出镜安装于PZT压电器件或音圈驱动器件上，或在泵浦腔体上安装的PZT压电器件或音圈驱动器；PZT压电器件或音圈驱动器件的驱动频率在1至50KHz之间，驱动幅度令机械振动的幅度为半个至5个激光波长，幅度包络为基本平顶或钟形或锯齿形，机械振动的方向与激光光轴同向或垂直，机械扰动的启动与激光脉冲的启动以在0.05至1毫秒之间可调的延迟时间同步，持续时间在10至200微秒之间可调。

5.根据权利要求1所述的一种固体脉冲激光医疗激光器及医疗设备，其特征是：激光器谐振腔内具有至少一种光路扰动器；光路扰动器包括当激光器波长短于2.1微米范围时，在激光谐振腔中加入的声光扰动器，该声光扰动器的声光介质为低OH的熔融石英，由LiNbO3压电换能器驱动，压电换能器驱动的RF电压幅度可控，电压幅度包络形状为基本平顶或钟形或锯齿形，声光扰动的启动与激光脉冲的启动以在0.05至1毫秒之间可调的延迟时间同步，持续时间在10至200微秒之间可调。