一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)及其制作模具。增益介質(zhì)分為兩層，設(shè)有一內(nèi)層和一外層，內(nèi)層為摻雜有激光染料的固體染料基質(zhì)，外層為沒有摻雜的純固體染料基質(zhì)。增益介質(zhì)由A異型杯的模具制作而成。A異型杯根據(jù)增益介質(zhì)的形狀相應(yīng)地設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁，外壁由外圓筒壁和平壁一體化形成中心對稱結(jié)構(gòu)，外壁和內(nèi)壁的底部用連接件連接在一體，內(nèi)壁與外圓筒壁同軸、等高，且內(nèi)壁和外壁之間設(shè)有間隙，以形成增益介質(zhì)的外層，所述內(nèi)壁、外壁和連接件采用聚四氟乙烯材料一體成型制作。針對大面積側(cè)面泵浦方式，對增益介質(zhì)進行這種特殊設(shè)計，可以得到更好的光束質(zhì)量，并在一定程度上提高染料激光器的轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種醫(yī)用激光器增益介質(zhì)，具體為一種長壽命的用于大能量固體 染料激光器的增益介質(zhì)及其制作模具。
【背景技術(shù)】
[0002] 585nm波段處于血紅蛋白的吸收峰，該波段脈沖激光選擇性作用于血紅蛋白，其已 成為治療微靜脈畸形、毛細血管擴張癥等血管性疾病的首選方法。染料激光具有可調(diào)諧范 圍寬的優(yōu)點，使用不同的染料可以很容易覆蓋從紫外到紅外的波段，因此大能量的585nm 激光輸出一般采用激光染料作為增益介質(zhì)。早期的染料激光器均使用液態(tài)染料，其具有輸 出的激光光束質(zhì)量好，染料溶液便于冷卻，從而可以大能量高重頻運轉(zhuǎn)等優(yōu)點。但是液態(tài)染 料激光器也有很大的缺陷：液態(tài)染料對人體有毒且易燃；循環(huán)冷卻系統(tǒng)很大，且設(shè)計復(fù)雜； 摻雜在溶液中的染料在激光作用下易退化降解，降低了壽命，且定期更換染料溶液、清洗循 環(huán)系統(tǒng)，使用和維護成本較高。
[0003] 將染料摻雜進固體基質(zhì)中，較好的克服了液態(tài)染料的上述缺點，這樣的固態(tài)染料 激光器具有全固化、小型化、無毒、成本和維護費用低等優(yōu)點，具有很強的產(chǎn)業(yè)化潛力。然而 現(xiàn)有的固體染料激光器都是采用簡單的端面泵浦結(jié)構(gòu)，仍然存在一定的不足：1.在大能量 高重頻運轉(zhuǎn)方式下，染料分子長時間存在的瞬態(tài)吸收逐漸建立，從而逐漸降低激光器輸出 效率，縮短固體染料壽命；2.簡單泵浦方式固體染料受光面積不夠大，對大泵浦能量，泵浦 光能量密度很高，影響固體激光染料的壽命；3.大能量泵浦下固體染料中的熱累積，導(dǎo)致 激光器效率降低，光束質(zhì)量下降，壽命縮短。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是設(shè)計一種長壽命高效率的醫(yī)用脈沖式大能量固體染料激光 增益介質(zhì)。
[0005] 為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)，包括激光發(fā)射源、光學系統(tǒng)和染料 激光增益系統(tǒng)，其中激光發(fā)射源包括發(fā)射臺架，固定于發(fā)射臺架底部的泵浦源，所述泵浦源 發(fā)出的532nm激光束經(jīng)由光學系統(tǒng)均勻照射在染料激光增益系統(tǒng)上，所述染料激光增益系 統(tǒng)包括多頭旋轉(zhuǎn)盤，多頭旋轉(zhuǎn)盤上固定安裝有至少一個旋轉(zhuǎn)頭，增益介質(zhì)內(nèi)嵌于所述旋轉(zhuǎn) 頭上，且可隨多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進行選擇和固定。所述光學系統(tǒng)包括45°全反鏡、擴束鏡和 柱面鏡，所述柱面鏡由平凹柱面鏡和平凸柱面鏡組成，所述泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由45°全 反鏡反射進入擴束鏡后，依次經(jīng)過平凹柱面鏡和平凸柱面鏡，所述光學系統(tǒng)的輸出光束均 勻照射在所述增益介質(zhì)側(cè)面。
[0007] 所述多頭旋轉(zhuǎn)盤可進行周向旋轉(zhuǎn)并固定，來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)頭的固定位置，內(nèi)嵌于旋 轉(zhuǎn)頭的增益介質(zhì)分為兩層，內(nèi)層為摻雜有激光染料的固體染料基質(zhì)，外層為沒有摻雜的 純固體染料基質(zhì)，所述基質(zhì)為溶膠凝膠玻璃，所述激光染料為Rhodamine 6G，PM597或者 perylene orange染料中的任意一種。
[0008] 所述染料激光增益系統(tǒng)還包括一 0°全反鏡和一輸出鏡，所述0°全反鏡和輸出 鏡組成諧振腔，在諧振腔內(nèi)置所述增益介質(zhì)，〇°全反鏡和輸出鏡分別位于增益介質(zhì)兩側(cè)， 由泵浦源輸出的激光束依次經(jīng)過光學系統(tǒng)的45°全反鏡、擴束鏡、柱面鏡，進入所述諧振腔 內(nèi)，打在增益介質(zhì)上，利用增益介質(zhì)的大面積的側(cè)面對進入諧振腔內(nèi)的光束進行增益和轉(zhuǎn) 換，并由所述輸出鏡輸出。
[0009] 所述染料激光增益系統(tǒng)還包括制冷裝置，所述制冷裝置位于所述多頭旋轉(zhuǎn)盤上的 旋轉(zhuǎn)頭的底部，且可隨所述旋轉(zhuǎn)頭更換使用，所述增益介質(zhì)的側(cè)面與所述制冷裝置通過接 合部件緊密連接。所述制冷裝置采用TE制冷裝置或磁制冷裝置中的任意一種。所述接合 部件具有大的剪切彈性模數(shù)，具體地說，所述接合部件由導(dǎo)熱硅膠等金屬類接合材料或環(huán) 氧樹脂等具有剛性的材料構(gòu)成。
[0010] 所述用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進行增益的方法如下：
[0011] 在發(fā)射臺架底部固定好泵浦源，選擇使用的旋轉(zhuǎn)頭，調(diào)整多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)頭在 染料激光增益系統(tǒng)中的位置，使內(nèi)嵌于其上的增益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi)；
[0012] 調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)的位置，保證泵浦源發(fā)出的光束經(jīng)由光學系統(tǒng)均勻照射在所述增益 介質(zhì)側(cè)面，由工作人員手動調(diào)節(jié)發(fā)射臺架的固定位置，使光束經(jīng)過45°全反鏡反射后水平 入射，經(jīng)諧振腔的輸出鏡垂直輸出；
[0013] 啟動制冷裝置至規(guī)定溫度，由溫度檢測探頭采集并記錄增益介質(zhì)工作時溫度的變 化，在大能量泵浦源下的固體染料中的熱積累影響到輸出光束的質(zhì)量時，由報警器發(fā)出警 報，告知工作人員，由工作人員旋轉(zhuǎn)多頭旋轉(zhuǎn)盤，選擇備用旋轉(zhuǎn)頭，并調(diào)整內(nèi)嵌于其上的增 益介質(zhì)固定在諧振腔內(nèi)繼續(xù)工作。
[0014] 所述增益介質(zhì)與制冷裝置緊密連接的側(cè)面鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì) 膜，另一側(cè)面鍍有532nm波段透射率大于99%的介質(zhì)膜。
[0015] 所述的用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)的制作方法如下：
[0016] 第一步，制作外層，將形成溶膠了的無染料摻雜的基質(zhì)放入A異型杯中，其中，A異 型杯為凹型結(jié)構(gòu)；
[0017] 第二步，放入40° C恒溫箱中縮聚形成凝膠，干燥1(Γ14天，形成素坯；
[0018] 第三步，將素坯取出，放入托盤內(nèi)；
[0019] 第四步，制作內(nèi)層，將另外制作的形成溶膠了的摻雜有激光染料的基質(zhì)小心填充 素坯的凹槽內(nèi)；
[0020] 第五步，再次放入恒溫箱中縮聚形成凝膠，在40° (Γ80° C的環(huán)境下經(jīng)干燥3(Γ60 天；
[0021] 第六步，取出，分割；
[0022] 第七步，機械加工、拋光。
[0023] 所述Α異型杯設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁，夕卜壁由外圓筒壁和平壁一體化形成中心對稱 結(jié)構(gòu)，外壁和內(nèi)壁的底部用連接件連接在一體，內(nèi)壁與外圓筒壁同軸、等高，且內(nèi)壁和外壁 之間設(shè)有間隙，以形成增益介質(zhì)的外層，所述內(nèi)壁、外壁和連接件采用聚四氟乙烯材料一體 成型制作。
[0024] 所述平壁與內(nèi)壁的距離大于1mm，所述A異型杯高15~25cm，可一次制作至少5枚 素述。
[0025] 本實用新型與現(xiàn)有的固體染料激光器相比，其有益效果在于：通過特殊設(shè)計的大 面積側(cè)面泵浦方式、不摻雜的外層基質(zhì)包裹，制冷裝置對固體染料降溫，以及多頭旋轉(zhuǎn)盤的 特殊設(shè)計，使得固體染料增益介質(zhì)在大能量高重頻泵浦下能夠保持高壽命，并得到較為理 想的光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1為本實用新型大能量固體染料激光器機構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2為實施例1中多頭旋轉(zhuǎn)盤的正視圖。
[0028] 圖3為實施例1中多頭旋轉(zhuǎn)盤的等軸側(cè)視圖。
[0029] 圖4為A異型杯的正視圖。
[0030] 圖5為A異型杯的等軸側(cè)視圖。
[0031] 圖6為實施例2中多頭旋轉(zhuǎn)盤的正視圖。
[0032] 圖7為實施例2中多頭旋轉(zhuǎn)盤的等軸側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步說明。
[0034] 實施例1 :
[0035] 如圖1所示，本實施例包括發(fā)射臺架11，固定于發(fā)射臺架11底部的激光泵浦源 12,45°全反鏡13,擴束鏡14,平凹柱面鏡15,平凸柱面鏡16,增益介質(zhì)17,制冷裝置18， 輸出鏡19,全反鏡20,旋轉(zhuǎn)盤21。激光泵浦源12為波長532nm的脈沖激光器，光束直徑約 2_。擴束鏡14為532nm波段四倍擴束鏡，光束經(jīng)過它后光束直徑變?yōu)?_。
[0036] 平凹柱面鏡15為532nm波段鍍膜的K9材質(zhì)，其焦距為-19mm，寬19mm，長38mm， 中心厚度2mm，后焦距-20. 32mm。平凸柱面鏡16為532nm波段鍍膜的K9材質(zhì)，其焦距為 75. 6mm，寬25. 4mm，長51mm，中心厚度5. 12mm，后焦距72. 22mm。平凹柱面鏡15的凹面中心 與平凸柱面鏡16平面距離約53mm，泵浦光束經(jīng)過兩個柱面鏡后光斑軸向（即全反鏡120與 輸出鏡19組成的諧振腔的光軸方向）尺寸約為40mm，橫向尺寸約為10mm。
[0037] 增益介質(zhì)17與全反鏡20、輸出鏡19組成諧振腔，全反鏡20鍍有532nm波段反射 率大于99%的介質(zhì)膜，輸出鏡19鍍有585nm波段40%透過率的介質(zhì)膜。
[0038] 由泵浦源12輸出的激光束依次透過45°全反鏡13、擴束鏡14、平凹柱面鏡15和 平凸柱面鏡16,進入所述諧振腔內(nèi)，打在增益介質(zhì)17上，利用增益介質(zhì)17的大面積的側(cè)面 對進入諧振腔內(nèi)的光束進行增益和轉(zhuǎn)換，并由輸出鏡19輸出。
[0039] 如圖2、圖3所示，旋轉(zhuǎn)盤21上固定安裝有3個旋轉(zhuǎn)頭，所述旋轉(zhuǎn)頭由增益介質(zhì)17 和制冷裝置18組成，可隨多頭旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)進行選擇和固定，旋轉(zhuǎn)頭21直徑260_。
[0040] 制冷裝置18為TE制冷裝置，用機械件固定于旋轉(zhuǎn)盤上，其與增益介質(zhì)17的側(cè)面 使用導(dǎo)熱硅膠緊密連接。
[0041] 增益介質(zhì)17分為兩層，內(nèi)層為摻雜有PM597激光染料的溶膠凝膠玻璃，直徑10mm ; 外層為沒有摻雜的純?nèi)苣z凝膠玻璃，直徑18mm。其兩個側(cè)面寬度與內(nèi)層溶膠凝膠玻璃直 徑相同，為1〇_，其與內(nèi)層外表面距離約為2. 5_。其與制冷裝置18緊密連接的側(cè)面鍍有 532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜，這樣使得泵浦光經(jīng)過增益介質(zhì)后剩余的未吸收部分 能夠反射回去，再一次經(jīng)過增益介質(zhì)，提高了光光效率。另一個側(cè)面鍍有532nm波段透過率 大于99%的介質(zhì)膜。增益介質(zhì)17兩個端面拋光，并鍍有585nm波段反射率大于99%的介質(zhì) 膜。
[0042] 用于大能量固體染料激光器的增益系統(tǒng)進行增益的方法如下：
[0043] 在發(fā)射臺架11底部固定好泵浦源12,選擇使用的旋轉(zhuǎn)頭，調(diào)整多頭旋轉(zhuǎn)盤21的旋 轉(zhuǎn)頭在染料激光增益系統(tǒng)中的位置，使嵌于其上的增益介質(zhì)17固定在諧振腔內(nèi)；
[0044] 調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)的位置，保證泵浦源12發(fā)出的光束經(jīng)由光學系統(tǒng)均勻照射在所述 增益介質(zhì)17側(cè)面，由工作人員手動調(diào)節(jié)發(fā)射臺架11的固定位置，使光束經(jīng)過45°全反鏡 13反射后水平入射，經(jīng)諧振腔的輸出鏡19垂直輸出；
[0045] 啟動制冷裝置18至規(guī)定溫度，由溫度檢測探頭采集并記錄增益介質(zhì)17工作時溫 度的變化，在大能量泵浦源下的固體染料中的熱積累影響到輸出光束的質(zhì)量時，由報警器 發(fā)出警報，告知工作人員，由工作人員旋轉(zhuǎn)多頭旋轉(zhuǎn)盤21，選擇備用旋轉(zhuǎn)頭，并調(diào)整內(nèi)嵌于 其上的增益介質(zhì)17固定在諧振腔內(nèi)繼續(xù)工作。
[0046] 如圖4、圖5所示，A異型杯設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁33,外壁由外圓筒壁31和平壁32 一體化形成中心對稱結(jié)構(gòu)，外壁和內(nèi)壁33的底部用連接件連接在一體，內(nèi)壁33與外圓筒壁 31同軸、等高。內(nèi)壁33和外壁之間設(shè)有間隙，以形成增益介質(zhì)的外層，所述內(nèi)壁33、外壁和 連接件采用聚四氟乙烯材料一體成型制作。
[0047] 內(nèi)壁33的直徑為10mm，即增益介質(zhì)17內(nèi)層的直徑。平壁32內(nèi)表面寬10mm，即增 益介質(zhì)17側(cè)面的寬度。平壁32與內(nèi)壁33的距離約為2. 5mm，即增益介質(zhì)17的側(cè)面到其內(nèi) 層外表面的距離。A異型杯長25mm，寬20mm，高210mm，可一次制作5枚素述。
[0048] 用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)17的制作方法如下：
[0049] 第一步，制作外層，將形成溶膠了的無染料摻雜的基質(zhì)放入A異型杯中，其中，A異 型杯為凹型結(jié)構(gòu)；
[0050] 第二步，放入40° C恒溫箱中縮聚形成凝膠，干燥1(Γ14天，形成素坯；
[0051] 第三步，將素坯取出，放入托盤內(nèi)；
[0052] 第四步，制作內(nèi)層，將另外制作的形成溶膠了的摻雜有激光染料的基質(zhì)小心填充 素坯的凹槽內(nèi)；
[0053] 第五步，再次放入恒溫箱中縮聚形成凝膠，在40° (Γ80° C的環(huán)境下經(jīng)干燥3(Γ60 天；
[0054] 第六步，取出，分割；
[0055] 第七步，機械加工、拋光。
[0056] 實施例2 :
[0057] 如圖6、圖7所示，旋轉(zhuǎn)盤21上固定安裝有4個旋轉(zhuǎn)頭。其他與實施例1相同。
[0058] 本實用新型通過特殊設(shè)計的側(cè)面大面積均勻泵浦，同樣泵浦能量下，降低了單位 面積增益介質(zhì)17上的能量密度，減緩染料分子瞬態(tài)吸收的建立，延長了固體染料的壽命， 間接地提高了激光器的輸出效率。使用制冷裝置18對固體染料增益介質(zhì)進行溫控，緩解大 能量泵浦下固體染料增益介質(zhì)17中的熱積累，延長固體染料壽命，提高激光器效率。針對 側(cè)面泵浦方式，對增益介質(zhì)17進行特殊設(shè)計，在內(nèi)層外包裹一層沒有染料摻雜的凝膠溶膠 玻璃，由于內(nèi)外層折射率幾乎一致，可以得到更好的光束質(zhì)量，在一定程度上提高染料激光 器的轉(zhuǎn)換效率。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)，其特征在于：增益介質(zhì)分為兩層，設(shè) 有一內(nèi)層和一外層，內(nèi)層為摻雜有激光染料的固體染料基質(zhì)，夕卜層為沒有摻雜的純固體染 料基質(zhì)，所述基質(zhì)為溶膠凝膠玻璃，所述激光染料為Rhodamine 6G，PM597或者perylene orange染料中的任意一種。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)，其特征在于：所 述的增益介質(zhì)還包括制冷裝置。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)，其特征在于：所 述制冷裝置采用TE制冷裝置或磁制冷裝置中的任意一種。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)，其特征在于：所 述的外層有兩個平行于軸的側(cè)面，均拋光，其中一個側(cè)面與所述制冷裝置通過結(jié)合部件緊 密連接，該側(cè)面鍍有532nm波段反射率大于99%的介質(zhì)膜，另一側(cè)面鍍有532nm波段透射率 大于99%的介質(zhì)膜。
5. -種如權(quán)利要求1所述的用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)的制作模具，其特 征在于：所述的增益介質(zhì)由模具制作而成，所述模具為A異型杯，A異型杯根據(jù)增益介質(zhì)的 形狀相應(yīng)地設(shè)有一外壁和一內(nèi)壁，夕卜壁由外圓筒壁和平壁一體化形成中心對稱結(jié)構(gòu)，夕卜壁 和內(nèi)壁的底部用連接件連接在一體，內(nèi)壁與外圓筒壁同軸、等高，且內(nèi)壁和外壁之間設(shè)有間 隙，以形成增益介質(zhì)的外層，所述內(nèi)壁、外壁和連接件采用聚四氟乙烯材料一體成型制作。
6. 如權(quán)利要求5所述的用于大能量固體染料激光器的增益介質(zhì)的制作模具，其特征在 于：所述平壁與內(nèi)壁的距離大于1_，所述A異型杯高15~25cm，可一次制作至少5枚素坯。
【文檔編號】H01S3/042GK203911222SQ201420228283
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】楊杰, 顧華東, 陳瑞濤, 鄭陳琪 申請人:中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所