專利名稱：一種醫(yī)用2.79μm電光調(diào)Q Cr,Er:YSGG激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr, EriYSGG (摻鉺，鉻釔鈧鎵石榴石Erbium,Chromium: Yttrium-Scandium-Gal I ium-Garnet)激光器。
背景技術(shù)：
2.79μπι波長的YSGG鉺激光在生物醫(yī)療、科研、軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。由于水和羥基磷灰石對該波長激光的有效吸收，可將其用于眼角膜、牙齒和骨骼等組織的精準(zhǔn)切削或消融，納秒級的窄脈沖能極大地減小激光對周圍組織的熱損傷，并提高切削精度，是一種精準(zhǔn)切削或消融的理想醫(yī)用激光源。此外，高峰值功率、高脈沖能量的2.79 μ m脈沖激光還能用作光學(xué)參量振蕩器的泵浦源，以獲得足夠強(qiáng)的3-12 μ m的中紅外激光，在遠(yuǎn)距離大氣探測、毒氣檢測、光·電對抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。因此，發(fā)展2.79 μ m窄脈沖、高能量的激光技術(shù)和激光器具有重要的應(yīng)用價值。納秒脈沖激光需要通過調(diào)Q技術(shù)來實現(xiàn)，2.79 μ m波長激光調(diào)Q主要有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、FTIR調(diào)Q、飽和吸收體調(diào)Q等方法。在精確操控和探測應(yīng)用領(lǐng)域的高能量激光器中，電光Q開關(guān)憑借其效率高、開關(guān)速度快、穩(wěn)定可控等優(yōu)勢發(fā)揮著不可替代的作用。合適的紅外電光晶體是電光Q開關(guān)的關(guān)鍵，優(yōu)良的電光Q開關(guān)晶體在工作波長應(yīng)該具有透光性好、損傷閾值高、物化性能穩(wěn)定、不易潮解等特點?？茖W(xué)家已經(jīng)研制出幾種優(yōu)良性能2-3 μ m近紅外電光晶體，例如LN，RTP等。但是，研究發(fā)現(xiàn)RTP在2.8 μ m附近存在吸收峰，不能用作該波段的調(diào)Q晶體。目前已成功應(yīng)用于2.79 μ m波段較高能量激光的電光晶體只有LN，不過LN低的損傷閾值限制了輸出能量的提高，并且該電光晶體的壓電效應(yīng)對電光Q開關(guān)工作效率有一定的影響。1993 年，F(xiàn) Konz 等人(F.Konz, M.Frenz, V.Romano, M.Forrer, H.P.Weber, A.V.Kharkovsky, and S.1.Khomenko, Opt.Commun.103, 398 (1993).)利用 LN 制作的電光 Q開關(guān)，在燈泵Cr，EriYSGG激光器中獲得了脈沖能量26.9mJ,脈寬28ns的激光輸出，峰值功率 0.96MW。1995 年，DM Rines 等人(D.M.Rines, G.A.Rines, and P.F.Moulton, inAdvanced Solid State Lasers, B.Chai and S.Payne,eds., Vol.24of OSA ProceedingsSeries (Optical Society of America, 1995), paper P07.)在高功率密度泵浦 0P0 研究中，采用LN制作的電光Q開關(guān)，在燈泵Cr，Er = YSGG激光器中獲得了脈沖能量26mJ，脈寬35ns 的 2.79 μ m 激光輸出。2008 年，國內(nèi)劉金生等人(Jin-Sheng L, Jing-Jiao L.ChinesePhysics Letters, 2008, 25(4): 1293.)利用 LN 制作的電光 Q 開關(guān)，在燈泵 Cr，Er: YSGG 激光器中獲得了脈沖能量72.3mJ，脈寬31.9ns的2.79 μ m激光輸出。隨后，2.79 μ m波段調(diào)Q激光由于紅外電光晶體低損傷閾值限制，該波段激光能量和峰值功率難以大幅度提高。因此迫切需要尋找適合于2.79 μ m波長的具有高損傷閾值的電光晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有高能量脈沖、納秒級脈寬的醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr，Er:YSGG激光器。該激光器具有輸出功率穩(wěn)定，光斑強(qiáng)度分布均勻等特點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr, EriYSGG激光器包括:全反腔片、電光Q開關(guān)、氙燈、激光棒、聚光腔、波片、輸出腔片、退壓調(diào)Q電路板、激光電源和激光水冷系統(tǒng)，所述激光棒和氙燈并行安裝在所述聚光腔內(nèi)與水冷系統(tǒng)連接，氙燈發(fā)出的光稱為泵浦光，通過聚光腔將泵浦光最大程度地匯聚到激光棒作為泵浦能量；水冷系統(tǒng)對聚光腔及腔內(nèi)的激光棒和氙燈進(jìn)行冷卻；所述激光電源為所述氙燈提供電能量，控制氙燈、電光Q開關(guān)和水冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；電源內(nèi)的調(diào)Q電源控制電光Q開關(guān)打開的時間，提供調(diào)Q高壓，并通過高壓線調(diào)Q晶體兩電極相連，兩電極位于晶體的兩側(cè)，緊貼晶體Y-Z面表面；所述全反腔片和所述輸出腔片平行于激光棒兩端面放置，電光Q開關(guān)置于全反腔片與激光棒端面之間；所述電光Q開關(guān)由起偏器和電光調(diào)Q晶體組成；所述調(diào)Q晶體為硅酸鎵鑭晶體(LGS);所述激光棒為Cr，EriYSGG激光晶體；所述波片為1/4波片。激光電源給氙燈提供電能使其發(fā)光，通過聚光腔漫發(fā)射使氙燈發(fā)出的光最大限度的進(jìn)入激光棒中，激光水冷系統(tǒng)與聚光腔內(nèi)部連接，通過去離子水給激光棒和氙燈進(jìn)行恒溫冷卻，激光晶體在氙燈的光泵下發(fā)射自然光，通過起偏器后，變成線偏振光。調(diào)Q電源和退壓調(diào)Q電路板共同提供電壓，并控制調(diào)Q電壓的脈沖時間。產(chǎn)生的高壓施加在調(diào)Q晶體上，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。待激光上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時，突然撤去調(diào)Q晶體上的電壓，光沿光軸方向通過晶體，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)全反腔片反射后，再次(無變化的)通過調(diào)Q晶體和起偏器，電光Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，于是產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個調(diào)Q脈沖激光。由于使用氙燈泵浦激光棒，會出現(xiàn)嚴(yán)重的熱退偏效應(yīng)，因此在輸出腔片和激光棒之間加入1/4波片，補償熱退偏損耗。

所述全反腔片和輸出腔片均為白寶石(Al2O3)鏡片，其中全反腔片單面鍍2.79ym全反膜，輸出腔片雙面分別鍍2.79 μ m增透膜和20% 90%反射膜。全反腔片和輸出腔片材料還可以使用YSGG晶體、YAG晶體、氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)等材料替代白寶石(Al2O3)。所述硅酸鎵鑭晶體(LGS)是單軸旋光晶體，能運用橫向電光效應(yīng)，折射率n=l.855602.79 μ m,損傷閾值高達(dá)750MW/cm2，且不潮解，LGS介電常數(shù)比LN更小，更低的介電常數(shù)使得電光Q開關(guān)的電容更小，這能使電光Q開關(guān)打開時間更短，有利于獲得更窄的脈寬。所述硅酸鎵鑭晶體(LGS)沿X-Y-Z方向切割設(shè)計為方柱狀，X軸方向加電場，兩Y-Z面鍍金作為電極，保證電場的均勻性；沿2軸方向通光，雙X-Y面對稱平行，鍍2.79μπι增透膜；Χ軸方向施加的電場由調(diào)Q電源提供。所述1/4波片，由氟化鎂(MgF2)制成,通光口徑12mm，雙面鍍2.79 μ m增透膜，垂直于光路，光軸方向平行于偏振方向，置于輸出腔片與激光棒之間，以補償在高能量泵浦時出現(xiàn)的熱退偏效應(yīng)造成的損耗，從而獲得均勻的光斑和較高的輸出能量。波片材料還可以使用YSGG晶體、YAG晶體、氟化鈣(CaF2)、白寶石(Al2O3)等材料替代氟化鎂(MgF2)。所述起偏器由布儒斯特角59.8°放置的2 5片白寶石(Al2O3)片堆構(gòu)成，每片鏡片尺寸相同，雙面加工要求光學(xué)II級且不鍍膜。制作起偏器材料還可以使用YSGG晶體、YAG晶體、氟化鈣(CaF2)、氟化鎂(MgF2)等材料替代白寶石(Al2O3)，鏡片放置角度為各自材料在2.79 μ m波長的布儒斯特角。所述聚光腔其內(nèi)表面為高反射率漫反射面的陶瓷聚光腔，這種聚光腔能在長時間高能量泵浦時保持良好的穩(wěn)定性。聚光腔還可以采用鍍金腔、鍍銀玻璃聚光腔替代陶瓷聚光腔使用。所述的激光電源的工作頻率為I 50Hz。所述水冷卻部件的循環(huán)回路中串接有去離子凈化過濾器。本發(fā)明的調(diào)Q原理，通過使用調(diào)Q技術(shù)改變激光器的閾值來使上能級粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值時突然使腔的損耗減小，激光振蕩迅速建立，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被迅速消耗，從而獲得峰值功率很高的巨脈沖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:(I)本發(fā)明采用氙燈泵浦Cr，EriYSGG晶體，產(chǎn)生脈沖激光。利用燈泵系統(tǒng)有利于在調(diào)Q模式下獲得高能量、窄脈寬的調(diào)Q激光。泵浦源也可以采用LD泵浦，可以有效的減小激光器的熱效應(yīng)問題，使得輸出激光更穩(wěn)定。(2)本發(fā)明采用退壓式電光Q開關(guān)，調(diào)Q晶體選用硅酸鎵鑭(LGS)晶體，該晶體不潮解、物理化學(xué)性能穩(wěn)定，在2.79 μ m波長的透光性好，損傷閾值高，具有其它調(diào)Q晶體無法比擬的優(yōu)勢，保證中紅外脈沖激光器輸出能量大、脈沖短、光束質(zhì)量好，長期工作穩(wěn)定可靠。(3)本發(fā)明調(diào)Q晶體采用硅酸鎵鑭晶體，為減小1/4波長電壓，將X-Y-Z方向切割的LGS電光調(diào)Q晶體設(shè)計為長方體，在晶體X軸方向加橫向電場(電場方向與光路垂直)，兩Y-Z面鍍金作為電極保證了電場的均勻性，沿Z軸方向通光，雙X-Y面鍍2.79 μ m增透膜，體積小，結(jié)構(gòu)簡單可靠。(4)本發(fā)明激光器使用波片補償熱退偏技術(shù)，解決了高能量泵浦時熱退偏問題，使得輸出的激光光斑模式好，能量分布均勻。(5)本發(fā)明的聚光腔選為內(nèi)表面為漫反射面的陶瓷聚光腔，這種聚光腔反射率高，能在長時間高能量泵浦時保持良好的穩(wěn)定性。為激光器的高效和穩(wěn)定的輸出奠定了良好的基礎(chǔ)。聚光腔也可以使用鍍金腔或鍍銀玻璃腔替代陶瓷聚光腔使用，也會獲得良好的輸出效果。(6)本發(fā)明中硅酸鎵鑭晶體的加電場的Y-Z兩對應(yīng)平行側(cè)面上鍍有金膜，使其上加有的橫向電場更均勻，調(diào)Q的效果也更佳。(7)本發(fā)明中水冷系統(tǒng)的循環(huán)回路中優(yōu)選串接去離子凈化過濾器，保證了水冷卻部件冷卻溫度的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的組成框圖；圖2為本發(fā)明的退壓調(diào)Q電路板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明輸出能量與脈寬隨泵浦能量的變化曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由全反腔片1、調(diào)Q晶體2、起偏器3、氙燈4、激光棒5、聚光腔6、波片7、輸出腔片8、退壓調(diào)Q電路板9、激光電源10和激光水冷系統(tǒng)11構(gòu)成。激光棒5下面平行放置氙燈4，激光棒和氙燈同時安裝在聚光腔6內(nèi)，氙燈通過激光電源10提供能量發(fā)光，產(chǎn)生的光通過聚光腔漫反射最大限度的進(jìn)入激光棒內(nèi)對激光棒進(jìn)行泵浦；激光水冷系統(tǒng)11與聚光腔6內(nèi)部相連接，為激光棒提供恒溫冷卻作用；波片7采用1/4波片，用于補償高泵浦功率下的熱退偏問題；起偏器3采用布儒斯特角放置的2 5片白寶石(Al2O3)等材料制成的鏡片堆組成，用于產(chǎn)生線偏光；調(diào)Q晶體2和起偏器串聯(lián)組成電光Q開關(guān)，調(diào)Q晶體2為硅酸鎵鑭晶體，X-Y-Z方向切割的長方體LGS電光調(diào)Q晶體，晶體X軸方向加電場，沿Z軸方向通光；由調(diào)Q電源和退壓調(diào)Q電路板9共同提供1/4波長電壓形成所述電場，并控制調(diào)Q電壓的脈沖時間；調(diào)Q電源安裝在激光電源10內(nèi)部；激光電源為脈沖氙燈提供能量并同時控制水冷系統(tǒng)、電光Q開關(guān)等進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。全反腔片I和輸出腔片8平行于激光棒端面放置，全反腔片和輸出腔片的基片材料均為白寶石(Al2O3)等材料制作的鏡片，其中全反腔片的單面鍍2.79μπι全反膜，輸出腔片的雙面分別鍍2.79 μ m增透膜和20%反射膜。激光棒采用Cr，EriYSGG激光晶體，激光棒的兩端面鍍2.79 μ m增透膜。調(diào)Q晶體硅酸鎵鑭晶體(LGS)沿X_Y_Z方向切割設(shè)計為方柱狀，調(diào)Q晶體的X軸方向加電場，調(diào)Q晶體的兩Y-Z面鍍金作為電極保證了電場的均勻性，沿調(diào)Q晶體的Z軸方向通光，調(diào)Q晶體的雙X-Y面鍍2.79 μ m增透膜。而電光Q開關(guān)工作需要線偏振光，但該波段介質(zhì)膜起偏器還不成熟，于是本發(fā)明創(chuàng)新性的采用布儒斯特角放置的2 5片白寶石(Al2O3)等材料制成的鏡片堆作為起偏器，使用2 5片白寶石(Al2O3)等材料組成的介質(zhì)堆起偏器可以在聚光腔內(nèi)獲得很好的起偏效果。激光器使用氙燈進(jìn)行泵浦，氙燈放電回路是由電容和電感構(gòu)成的單回路RLC電路。氙燈和激光棒平行置于聚光腔內(nèi)用恒溫循環(huán)水進(jìn)行冷卻，激光水冷系統(tǒng)設(shè)計采用較大的水流量以保證有較高冷卻效率。但在燈泵激光器中，激光棒內(nèi)仍然會有熱沉積，這將導(dǎo)致諧振腔內(nèi)線偏振光的熱退偏效應(yīng)，于是采用氟化鎂(MgF2)等材料制作的波片置于輸出腔片與激光棒之間，波片的光軸方向平行于偏振光的偏振方向 ，以補償熱退偏效應(yīng)造成的損耗，從而獲得均勻的光斑和較高的輸出能量。根據(jù)LGS電光系數(shù)小(Y n=2.3pm/V)的特性，電光Q開關(guān)設(shè)計為退壓方式工作。本發(fā)明設(shè)計的退壓調(diào)Q板的電路原理圖如圖2所示。當(dāng)激光電源提供的觸發(fā)信號為O時，冷陰極匝流管Ql不能導(dǎo)通，此時調(diào)Q晶體2兩端加載高壓(HV)，Q開關(guān)處于“關(guān)門”狀態(tài)；當(dāng)激光電源11提供觸發(fā)信號后，通過高壓模塊產(chǎn)生高壓脈沖，觸發(fā)冷陰極閘流管Ql使其導(dǎo)通，此時調(diào)Q晶體被瞬間短路，加載在兩端的電壓為0，此時Q開關(guān)處于“開門”狀態(tài)，其中冷陰極匝流管Ql也可以由MOSFET場效應(yīng)管、雪崩晶體管等開關(guān)元件替換。對上述優(yōu)化后，本發(fā)明可以在1-50HZ重復(fù)頻率下工作，實現(xiàn)短脈沖、高能量的激光輸出。在3Hz時獲得激光輸出的脈沖能量和脈寬隨泵浦能量的變化曲線圖如圖3所示，隨著泵浦能量的增加，脈寬變窄。在泵浦能量151J、重復(fù)率3Hz時獲得脈沖能量216mJ，脈寬14.36ns的調(diào)Q巨脈沖輸出。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr，Er = YSGG激光器進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于包括:全反腔片、電光Q開關(guān)、氣燈、激光棒、聚光腔、波片、輸出腔片、退壓調(diào)Q電路板、激光電源和激光水冷系統(tǒng)；所述激光棒和氙燈并行安裝在所述聚光腔內(nèi)與水冷系統(tǒng)連接，氙燈發(fā)出的光稱為泵浦光，通過聚光腔將泵浦光最大程度地匯聚到激光棒作為泵浦能量；水冷系統(tǒng)對聚光腔及腔內(nèi)的激光棒和氙燈進(jìn)行冷卻；所述激光電源為所述氙燈提供電能量，控制氙燈、電光Q開關(guān)和水冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；電源內(nèi)的調(diào)Q電源控制電光Q開關(guān)打開的時間，提供調(diào)Q高壓，并通過高壓線與調(diào)Q晶體兩電極相連，兩電極位于晶體的兩側(cè)，緊貼晶體Y-Z面表面；所述全反腔片和所述輸出腔片平行于激光棒兩端面放置，電光Q開關(guān)置于全反腔片與激光棒端面之間；所述電光Q開關(guān)由起偏器和電光調(diào)Q晶體組成；所述調(diào)Q晶體為硅酸鎵鑭晶體(LGS);所述激光棒為Cr，EriYSGG激光晶體；所述波片為1/4波片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述硅酸鎵鑭晶體(LGS)是單軸旋光晶體，能運用橫向電光效應(yīng)，折射率n=l.855602.79 μ m,損傷閾值高達(dá)750MW/cm2，且不潮解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述硅酸鎵鑭晶體(LGS)沿X-Y-Z方向切割設(shè)計為長方體，X軸方向加電場，兩Y-Z面對稱平行鍍金作為電極，保證電場的均勻性；沿Z軸方向通光，雙X-Y面鍍2.79 μ m增透膜；X軸方向施加的電場由調(diào)Q電源提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μπι電光調(diào)QCr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述1/4波片由氟化鎂(MgF2)、YSGG晶體、YAG晶體、氟化鈣(CaF2)或白寶石(Al2O3)等材料加工制成，通光口徑12mm,雙面鍍2.79 μ m增透膜,垂直于光路,光軸方向平行于偏振方向，置于輸出腔片與激光棒之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述起偏器由2 5片白寶石(A l2O3)、YSGG晶體、YAG晶體、氟化鎂(MgF2)或氟化鈣(CaF2)等材料制成的鏡片堆構(gòu)成，每片尺寸相同，雙面加工要求光學(xué)II級而且不鍍膜，放置角度為各自材料在2.79 μ m波長的布儒斯特角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μπι電光調(diào)QCr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述全反腔片和輸出腔片均為白寶石(Al2O3)、YSGG晶體、YAG晶體、氟化鈣(CaF2)或氟化鎂(MgF2)鏡片，其中全反腔片單面鍍2.79 μ m全反膜，輸出腔片雙面分別鍍2.79 μ m增透膜和20% 90%反射膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79 μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述聚光腔為漫反射陶瓷聚光腔、采用鍍金腔或鍍銀玻璃聚光腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述激光電源的工作頻率為I 50Hz。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用2.79μ m電光調(diào)Q Cr，Er: YSGG激光器，其特征在于:所述水冷卻部件的循環(huán)回路中串接有去離子凈化過濾器。
全文摘要
一種醫(yī)用2.79μm電光調(diào)Q Cr,Er:YSGG激光器，包括全反腔片、調(diào)Q晶體、起偏器、氙燈、激光棒、聚光腔、波片、輸出腔片、激光電源和激光水冷系統(tǒng)；激光棒和氙燈并行安裝在所述聚光腔內(nèi)與水冷系統(tǒng)連接；水冷系統(tǒng)對聚光腔及腔內(nèi)的激光棒和氙燈進(jìn)行冷卻；激光電源為所述氙燈提供電能量，具有控制氙燈、電光Q開關(guān)和水冷系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作的作用；電源內(nèi)的調(diào)Q電源控制電光Q開關(guān)打開的時間，還提供調(diào)Q高壓與調(diào)Q晶體兩電極相連，兩電極位于晶體的兩側(cè)，緊貼晶體Y-Z面表面并且平行于激光振蕩光路；電光Q開關(guān)由起偏器和電光調(diào)Q晶體組成；調(diào)Q晶體為硅酸鎵鑭晶體(LGS)；激光棒為Cr,Er:YSGG激光晶體；波片為1/4波片。本發(fā)明同時具有輸出功率穩(wěn)定，光斑強(qiáng)度分布均勻特點。
文檔編號H01S3/13GK103227409SQ201310125729
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者楊經(jīng)緯, 江海河, 吳先友, 王禮 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院