一种高效率钬激光器.pdf

本发明公开了一种高效率钬激光器。所述激光器包括谐振腔、聚光腔、激光晶体棒和脉冲氙灯，所述聚光腔包括陶瓷反射体、掺铈石英套管、导流挡板、晶体端部加热套筒及腔体结构，掺铈石英套管嵌在陶瓷反射体内，激光晶体棒穿过掺铈石英套管且激光晶体棒的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，两个晶体端部加热套筒分别套在激光晶体棒两端并通过腔体结构固定，脉冲氙灯穿过陶瓷反射体且脉冲氙灯的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，具有小孔的所述导流挡板设置在所述陶瓷反射体的两端。本发明能够实现钬激光晶体在较低温度下工作，极大提高激光器效率，并且避免了因光学器件端面产生水汽凝结造成突然损坏，保证激光器长时间可靠运行。

权利要求书1.  一种高效率钬激光器，包括谐振腔、聚光腔、激光晶体棒和脉冲氙灯，其特征在于，所述聚光腔包括陶瓷反射体、掺铈石英套管、导流挡板、晶体端部加热套筒及腔体结构，所述聚光腔与激光晶体、脉冲氙灯共同组成钬激光泵浦冷却模块；所述掺铈石英套管嵌在陶瓷反射体内，所述激光晶体棒穿过掺铈石英套管且所述激光晶体棒的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，两个所述晶体端部加热套筒分别套在激光晶体棒两端并通过腔体结构固定，所述脉冲氙灯穿过陶瓷反射体且所述脉冲氙灯的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，具有小孔的所述导流挡板设置在所述陶瓷反射体的两端。2.  如权利要求1所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述激光晶体棒是Cr,Tm,Ho:YAG键合晶体棒，所述激光晶体棒的中间吸收泵浦光部分为掺杂部分，两端是无掺杂部分。3.  如权利要求2所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述激光晶体棒的直径为3-7mm，中间掺杂部分长为105-115mm，每一端未掺杂部分长为20-40mm。4.  如权利要求3所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述激光晶体棒的直径为5mm，中间掺杂部分长为110mm，每一端未掺杂部分长为25mm。5.  如权利要求1所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述晶体端部加热套筒的长度为10-20mm，工作温度范围为30-60℃。6.  如权利要求5所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述晶体端部加热套筒的长度为10mm，工作温度为40℃。7.  如权利要求1所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述谐振腔包括耦合输出镜和全反镜；所述全反镜镀有2.1μm波长全反膜，材料为K9光学玻璃；所述耦合输出镜材料为红外石英，在2.1μm波长反射率为70-85%。8.  如权利要求1所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述激光晶体棒的两端由腔体结构的晶体安装孔支撑并密封。9.  如权利要求1所述的一种高效率钬激光器，其特征在于，所述晶体端部加热套筒与激光晶体棒之间留有间隙。

说明书一种高效率钬激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高效率钬激光器，具体为一种适合于医疗应用的氙灯泵浦高效率Cr,Tm,Ho:YAG固体激光器。
背景技术
Cr,Tm,Ho:YAG固体激光器发射激光波长为2.1μm，此波段的激光能被水强烈吸收，应用于激光手术具有损伤小效率高等优点，同时2.1μm波长的激光可通过石英光纤传导，在医疗微创手术中具有十分广泛的应用。Cr,Tm,Ho:YAG激光器为准三能级结构，所以晶体棒温度对激光效率产生巨大的影响，随着晶体温度的升高激光效率快速下降，因此良好的冷却条件是保证激光器实现高效激光输出的重要内容。但是，当激光晶体被冷却至较低温度时（特别在激光振荡间隙），激光晶体端面容易产生水汽凝结，这些凝结的水汽强力吸收穿过激光晶体的2.1μm波长激光，从而导致激光晶体光学端面突然损坏。公知的防护因凝结水汽导致损坏的措施是密封或充氮气隔绝水汽，如中国实用新型专利《一种高功率2μm波长医用铥激光器》（申请号：200720096813.0）公开的激光器，是将整个激光光路置于充有氮气的干燥箱内，其不足之处是要求很高的密封条件且时间稍长便容易失效而造成激光器损坏；另外中国实用新型专利《抑制钬激光器(Cr,Tm,Ho∶YAG)凝结水汽的装置》（申请号：00240987.9）则靠专门的干燥器吹风抑制水汽凝结，这不但效果不是特别理想，且系统结构复杂；其他钬激光相关专利采用灯泵激光器一般设计，无法工作在较低温度，很大程度上损失了效率。
综上所述，目前公开的钬激光器虽然设计了双核、多核等多种形式，但共同的不足之处是：不能防止其核心部件激光晶体端面的水汽凝结问题，使激光器不能工作在较低温度下，极大限制了激光效率，同时激光器可靠性降低。
发明内容
本发明的目的就是针对背景技术所述的问题，提供一种氙灯泵浦高效率Cr,Tm,Ho:YAG固体激光器，该种激光器可以实现钬激光晶体在较低的温度下工作，极大提高激光器效率，并且避免了因光学器件端面产生水汽凝结造成突然损坏，保证激光器长时间可靠运行，在多核钬激光医疗系统中可提高系统整体效率，减少激光核的数量，简化结构，降低系统成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效率钬激光器，包括谐振腔、聚光腔、激光晶体棒和脉冲氙灯，所述聚光腔包括陶瓷反射体、掺铈石英套管、导流挡板、晶体端部加热套筒及腔体结构，所述聚光腔与激光晶体、脉冲氙灯共同组成钬激光泵浦冷却模块；所述掺铈石英套管嵌在陶瓷反射体内，所述激光晶体棒穿过掺铈石英套管且所述激光晶体棒的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，两个所述晶体端部加热套筒分别套在激光晶体棒两端并通过腔体结构固定，所述脉冲氙灯穿过陶瓷反射体且所述脉冲氙灯的两端由腔体结构支撑并实现腔内外密封，具有小孔的所述导流挡板设置在所述陶瓷反射体的两端。
其中，所述激光晶体棒是Cr,Tm,Ho:YAG键合晶体棒，所述激光晶体棒的中间吸收泵浦光部分为掺杂部分，两端是无掺杂部分。
其中，所述激光晶体棒的直径为3-7mm，中间掺杂部分长为105-115mm，每一端未掺杂部分长为20-40mm。
其中，所述激光晶体棒的直径为5mm，中间掺杂部分长为110mm，每一端未掺杂部分长为25mm。
其中，所述晶体端部加热套筒的长度为10-20mm，工作温度范围为30-60℃。
其中，所述晶体端部加热套筒的长度为10mm，工作温度范围为40℃。
其中，所述谐振腔包括耦合输出镜和全反镜；所述全反镜镀有2.1μm波长全反膜，材料为K9光学玻璃；所述耦合输出镜材料为红外石英，在2.1μm波长反射率为70-85%。
其中，所述激光晶体棒的两端由腔体结构的晶体安装孔支撑并密封。
其中，所述晶体端部加热套筒与激光晶体棒之间留有间隙。
有益效果：
本发明的工作原理是：Cr,Tm,Ho:YAG晶体中的铬离子在中心波长为410nm和550nm两个波段有很宽的吸收谱带，可高效吸收氙灯泵浦光能量并通过铥离子转移给钬离子，实现钬激光上下能级粒子数反转而辐射出2.1μm的钬激光。装置中陶瓷反射体的作用是通过漫反射将脉冲氙灯辐射光汇聚到激光晶体上，激光晶体外设置的掺铈石英套管，可以吸收紫外光能量而辐射可见光，提高泵浦效率，同时通过掺铈石英套管的高速水流对晶体进行冷却，陶瓷反射体两端设置的具有小孔的导流挡板控制水流分布，提高掺铈石英套管内冷却水流速；激光晶体两端部分设置的晶体端部加热套管，在激光器运行期间或运行间隙，中部掺杂部分被低温冷却的激光晶体两端部分被从表面加热，使激光晶体端面温度略高于环境温度，解决了因低温冷却激光晶体棒掺杂部分而使其光学端面水汽凝结的问题，避免表面膜层的突然损坏；接受充分泵浦和实现良好冷却的钬激光晶体产生高激光增益，通过谐振腔产生光振荡，实现2.1μm的钬激光输出。
本发明的有益效果是：
①激光晶体两端部分设置晶体端部加热套筒，在激光运行期间或运行间隙，中部掺杂部分被低温冷却的激光晶体两端部分被从表面加热，使激光晶体端面温度略高于环境温度，解决了因低温冷却激光晶体棒掺杂部分而使其光学端面水汽凝结的问题，避免表面膜层的突然损坏，同时激光器可实现较低温度冷却，极大提高了激光效率；
②陶瓷反射体设置掺铈石英套管，可将紫外光转化为可见光，一方面避免了造成激光晶体色心损坏同时减小无用的热冗余，另一方面避免了一般陶瓷腔内晶体周围空间大小不一，冷却水流速不均匀并可能造成死角的情况，掺铈石英套管与导流挡板配合可显著提高晶体棒周围冷却水流速度和均匀性，极大提高冷却效果，提高激光效率；
②激光晶体棒采用Cr,Tm,Ho:YAG键合晶体棒，被泵浦部分为掺杂晶体，两端安装及表面加热部分为非掺杂晶体，避免了因准三能级运转而具有较高浓度的激光下能级粒子对振荡激光的吸收，可显著提高激光效率。
综上所述，通过本发明所公开的技术方案可显著提高钬激光器输出效率，避免晶体因水汽凝结而突然损坏，实现高效、可靠运转。
附图说明
图1是本发明一种高效率钬激光器结构示意图。
图2是本发明一种高效率钬激光器泵浦耦合部分截面示意图。
图中：
1—耦合输出镜；21、22—晶体端部加热套筒；3—陶瓷反射体；4—掺铈石英套管；5—激光晶体棒；6—脉冲氙灯；71、72—导流挡板；8—腔体结构；9—全反镜。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1～2所示，本发明所述的一种高效率钬激光器，包括谐振腔、聚光腔、激光晶体棒5和脉冲氙灯6；所述聚光腔包括陶瓷反射体3，掺铈石英套管4，导流挡板71、72，晶体端部加热套筒21、22及腔体结构8；所述聚光腔与激光晶体棒5，脉冲氙灯6共同组成钬激光泵浦冷却模块，其结构及特点为：所述掺铈石英套管4嵌在陶瓷反射体3内，所述激光晶体棒5穿过掺铈石英套管4且所述激光晶体棒5的两端由腔体结构8支撑并实现腔内外密封，，两个所述晶体端部加热套筒21、22分别套在激光晶体棒5两端并通过腔体结构8固定，所述脉冲氙灯6穿过陶瓷反射体3且所述脉冲氙灯的6两端由腔体结构8支撑并实现腔内外密封，具有小孔的所述导流挡板71、72设置在陶瓷反射体3的两端。
采用本发明所述的激光器可以实现钬激光晶体在较低的温度下工作，极大提高激光器效率，并且避免了因光学器件端面产生水汽凝结造成突然损坏，保证激光器长时间可靠运行，在多核钬激光医疗系统中可提高系统整体效率，减少激光核的数量，简化结构，降低系统成本。
在本方案中，所述激光晶体棒5是Cr,Tm,Ho:YAG键合晶体棒，所述激光晶体棒5的中间吸收泵浦光部分为掺杂部分，两端是无掺杂部分。所述激光晶体棒5的直径为3-7mm，中间掺杂部分长为105-115mm，每一端未掺杂部分长为20-40mm。优选地，所述激光晶体棒5的直径为5mm，中间掺杂部分长为110mm，每一端未掺杂部分长为25mm。
在本方案中，所述晶体端部加热套筒21、22的长度为10-20mm，工作温度范围为30-60℃。优选地，所述晶体端部加热套筒21、22的长度为10mm，工作温度范围为40℃。
所述谐振腔包括耦合输出镜1和全反镜9；所述全反镜9镀有2.1μm波长全反膜，材料为K9光学玻璃；所述耦合输出镜1材料为红外石英，在2.1μm波长反射率为70-85%。
所述激光晶体棒5的两端由腔体结构8的晶体安装孔支撑并密封。
优选地，所述晶体端部加热套筒21、22与激光晶体棒5间留有间隙。
通过将分别套在激光晶体棒5两端的两个晶体端部加热套筒21、22与激光晶体棒5间留有微小间隙，以免影响光路精度。根据计算即使在冷却水接近0℃的情况下，晶体端部加热套筒21、22温度设置在40℃左右便可保证激光晶体棒端面温度30℃以上，解决了激光晶体棒5端面水汽凝结问题，激光器可以在较低温度下工作，大大提高激光效率，键合晶体棒避免了未泵浦部分对振荡光的吸收，使激光效率提高；在陶瓷反射体3的两端设置具有小孔的导流挡板71、72，用来限制掺铈石英套管4外部水流从而提高掺铈石英套管4内流速；设置掺铈石英套管4，可将紫外光转化为可见光，一方面避免了造成激光晶体棒5色心损坏，减小无用的热冗余，另一方面避免了一般陶瓷腔内晶体周围空间大小不一，冷却水流速不均匀并可能造成死角的情况，与导流挡板71、72配合可显著提高激光晶体棒5周围冷却水流速度和均匀性，极大提高冷却效果，提高激光效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其技术构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。